胡蘿卜微觀區(qū)室結(jié)構(gòu)對紅外干燥效率和水分遷移的影響

劉玉輝，王相友，魏忠彩

胡蘿卜微觀區(qū)室結(jié)構(gòu)對紅外干燥效率和水分遷移的影響

劉玉輝，王相友※，魏忠彩

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255049）

為充分利用果蔬微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提高干燥效率，探究切片方式對胡蘿卜干燥效率的影響，根據(jù)胡蘿卜切片的微觀區(qū)室結(jié)構(gòu)具有各向異性多孔介質(zhì)的特征，在紅外干燥過程中，分別對樣品采用縱切和橫切方式進(jìn)行對照試驗(yàn)，在加熱功率為800 W，輻照距離為50 cm，表面溫度為60 ℃條件下，直徑40 mm、厚度為 5mm的圓餅狀橫切薄片，比35 mm× 35 mm×5 mm的長方體縱切薄片，濕基含水率到達(dá)10%的時間少1.5 h，說明橫切胡蘿卜薄片的干燥速率高于縱切薄片，橫向切片的干燥效率更高，能耗更低。對干燥后橫切樣品的中心和邊緣部位分別取樣，利用掃描電鏡觀察，由掃描電鏡圖像分析得到：失水后干物質(zhì)形成蜂窩狀區(qū)室結(jié)構(gòu)，各區(qū)室形成的內(nèi)部孔隙在軸向上前后連接；橫截面方向上，孔隙被干物質(zhì)隔斷為獨(dú)立的單元空間，且樣品中心部位比邊緣部位孔隙率高，物料彎曲度低，區(qū)室舒展，孔隙系數(shù)大，區(qū)室空間開闊，微孔半徑大。用高光譜技術(shù)測定胡蘿卜薄片干燥過程中的含水率，發(fā)現(xiàn)在同一時間點(diǎn)上，中心部位的含水率始終高于邊緣部位，兩部位的含水率變化率基本相同，說明物料中心和邊緣部位的水分遷移相互獨(dú)立，水分沿橫向遷移不明顯，由于中心部位的初始含水率高，所以中心部位對紅外輻射能量的利用率更高。在新鮮胡蘿卜和干燥后樣品的同一位置取樣，根的上部方向?yàn)樯媳砻?，根冠的方向?yàn)橄卤砻?，利用透射電鏡對細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行對照觀察，由透射電鏡圖像分析得到：失水后的細(xì)胞內(nèi)容物沉積于細(xì)胞壁橫截面的四周，與細(xì)胞壁緊密結(jié)合在一起，降低了該區(qū)域細(xì)胞壁的通透性；在細(xì)胞壁橫截面的頂部和底部，未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)容物形成的干物質(zhì)沉積，孔隙的通透性較高。在垂直于區(qū)室壁的方向上，水遷移受到的阻力較大，物料中的水主要沿區(qū)室連通的方向進(jìn)行遷移。研究結(jié)果為胡蘿卜橫向切片具有較高干燥效率做出了微觀解釋。

光譜；干燥；超微結(jié)構(gòu)；胡蘿卜；紅外干燥；區(qū)室結(jié)構(gòu)

0 引 言

利用紅外輻射加熱技術(shù)對果蔬干燥，紅外光線在果蔬生物組織間、細(xì)胞間、組織間隙乃至細(xì)胞內(nèi)部不同部位之間進(jìn)行傳播的過程中，會發(fā)生吸收、散射、反射和透射等[1-2]。果蔬的微觀結(jié)構(gòu)對紅外光的傳播、能量傳遞和水分遷移都有影響，不同種類果蔬、果蔬的不同部位以及生物組織微觀區(qū)室的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、成分都存在差異，對紅外線的吸收和能量傳遞會表現(xiàn)出不同的光學(xué)特性。作為植物的根，胡蘿卜內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有方向性差異，在橫切面上，胡蘿卜具有以軸向?yàn)橹行牡耐膱A型環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不同層級結(jié)構(gòu)的致密度也存在顯著差異，在宏觀上具有明顯的紋理特征，在微觀結(jié)構(gòu)上，物料中運(yùn)輸水分的輸導(dǎo)組織是由微小的區(qū)室狀空間單元組成的，這些空間單元在不同方向上具有結(jié)構(gòu)和組成材質(zhì)的差異，在對物料進(jìn)行紅外干燥的過程中，傳熱傳質(zhì)都無法呈現(xiàn)出各向同性的特征。

在應(yīng)用紅外輻射加熱技術(shù)對胡蘿卜薄片進(jìn)行干燥的試驗(yàn)中，張麗麗等[3-4]研究表明，輻射強(qiáng)度和物料厚度對水分?jǐn)U散系數(shù)影響較大，隨著輻射強(qiáng)度增加和樣本厚度變小，有效水分?jǐn)U散系數(shù)變大，在胡蘿卜片厚度為4.5 mm，輻照距離為12 cm，物料溫度55 ℃時，在保證干燥品質(zhì)較好的條件下，效率最高；劉英[5]研究表明，在干燥溫度為70 ℃，切片厚度為4 mm，輻照距離為240 mm時，胡蘿卜的干燥效果較好；馬國軍等[6]求解得出干燥溫度為72.4 ℃、切片厚度3.01 mm和輻照距離239.99 mm狀態(tài)下，遠(yuǎn)紅外輻射對胡蘿卜薄片干燥工藝較優(yōu)。上述試驗(yàn)對胡蘿卜薄片的分析都停留在宏觀層面的基礎(chǔ)上，而分析不同切割方向下物料微觀結(jié)構(gòu)對干燥的影響則會對物料干燥工程實(shí)際更加具有指導(dǎo)意義。馬學(xué)文等[7]對餅狀污泥和球狀污泥的干燥特性差異進(jìn)行了研究，分析了形狀差異對干燥速率和物料內(nèi)外溫差的影響；Nazghelichi等[8]通過流化床對胡蘿卜立方體進(jìn)行干燥，探究干燥變量對能源利用率的影響，結(jié)果表明小顆粒、深床和高溫提高了傳熱傳質(zhì)的能量利用率，但均未涉及干燥特性與微觀結(jié)構(gòu)之間相互作用。

本文對胡蘿卜進(jìn)行縱向和橫向2種切片方式進(jìn)行試驗(yàn)，探究區(qū)室結(jié)構(gòu)的各向異性對紅外輻射能的吸收率和水分遷移率的影響；利用高光譜技術(shù)測定干燥過程中物料不同區(qū)域含水率的變化規(guī)律，探究干燥過程中水分在物料中的遷移方向；通過掃描電鏡觀察物料不同部位區(qū)室結(jié)構(gòu)的差異，分析水分遷移與區(qū)室結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)特性和相互作用機(jī)理；通過透射電鏡觀察物料干燥過程中細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的變化，探究紅外干燥過程中物料區(qū)室結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，為紅外干燥的光學(xué)機(jī)理、能量傳遞、水分遷移理論做進(jìn)一步完善，為紅外輻射加熱技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中更好地利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

優(yōu)質(zhì)紅森胡蘿卜（購自淄博當(dāng)?shù)爻?，新鮮清潔、品質(zhì)優(yōu)良）。

YHG-50*55BS型遠(yuǎn)紅外恒溫干燥箱（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠）；TP-114型電子天平（最大稱量220 g，最小稱量0.1 mg，丹佛儀器（北京）有限公司）；物料盤若干；樣品厚度可調(diào)節(jié)刀具；鑷子；手套；與試驗(yàn)樣品直徑一致的模具；Quanta250型掃描電子顯微鏡（FEI香港有限公司）；JEOL-1200EX型透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）、LKB-V型切片機(jī)（瑞典LKB公司）。

高光譜成像系統(tǒng)：CCD攝像頭（ImSpector V10E, Spectral Imaging Ltd, Finland）、精密電控平移臺（SC30021A, Zolix Instruments Ltd, China）、150W 光纖鹵素?zé)簦‵iber-Lite DC-950 Illuminator，Dolan-Jenner Industries Inc，America）、電子控制箱（SC300-1A，Zolix Instruments Ltd，China）和計(jì)算機(jī)等部件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 濕基含水率

胡蘿卜在干燥過程中的濕基含水率根據(jù) GB/T5009.3—2010《食品中水分的測定方法》進(jìn)行測定[9]，計(jì)算公式如下：

式中M為物料的濕基含水率，%；m為物料在時刻質(zhì)量，g；m為物料干燥平衡時的質(zhì)量，g。

對樣品按照縱向和橫向兩種方式進(jìn)行切割，如圖1所示，分別取樣試驗(yàn)。橫切樣品直徑為40 mm，厚度為5 mm的圓餅狀薄片，面積1 256 mm2，體積6 280 mm3，取樣部位為胡蘿卜中部橫切面，芯部面積占比約為1/4；縱切樣品為35 mm×35 mm×5 mm的長方體薄片，面積1 225 mm2，體積6 125 mm3，取樣部位為胡蘿卜中部，以中軸部位為中心，左右兩側(cè)對稱，樣品應(yīng)盡可能多包含胡蘿卜的組織結(jié)構(gòu)（髓、木質(zhì)部、韌皮部、厚角組織、微管束和皮層）。

圖1 胡蘿卜的兩種切片方式

取橫切厚度5 mm的胡蘿卜薄片，用直徑10 mm的打孔器在薄片的中心髓部和邊緣皮層部分別取樣，樣品面積78.5 mm2，體積274.75 mm3。

用紅外輻射加熱系統(tǒng)（表面溫度分別為60 ℃，輻照距離50 cm，功率800 W）對上述2種樣品進(jìn)行干燥。每隔0.5 h取樣1次并稱質(zhì)量，每隔1 h對樣品進(jìn)行1次高光譜數(shù)據(jù)采集，再將所取樣品置于105 ℃紅外恒溫箱內(nèi)至絕干，干燥至濕基含水率降至8.7%以下時試驗(yàn)結(jié)束。每個試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2 高光譜成像數(shù)據(jù)的采集與標(biāo)定

高光譜技術(shù)具有便捷、高效、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，為研究胡蘿卜樣品中不同部位之間含水率的差異及測量水分在樣品干燥過程中的傳熱傳質(zhì)特征帶來了便利。采用高光譜技術(shù)對同一樣品的中心部位和邊緣部位，在同一干燥時刻的含水率進(jìn)行測量，分別找出中心部位和邊緣部位含水率的變化規(guī)律。

采集數(shù)據(jù)之前，將系統(tǒng)打開預(yù)熱30 min，將采集參數(shù)設(shè)置為：曝光時間為45 ms，圖像分辨率為618×1 628像素，平移臺的移動速度為90 mm/s，光譜分辨率為2.8 nm，光譜范圍為410～1 010 nm，采樣間隔為0.858 nm。采集時將胡蘿卜薄片樣本平放在平移臺上并關(guān)閉箱門，打開平移臺裝置，開始采集數(shù)據(jù)。樣品設(shè)置3個平行組，取平均值。樣本采集過程中的噪聲、暗電流會等因素會對圖像造成干擾，因此，對原始圖像進(jìn)行校正后再提取數(shù)據(jù)。

1.2.3 超微結(jié)構(gòu)的觀察與測定

對橫切胡蘿卜薄片樣品在60 ℃狀態(tài)進(jìn)行紅外干燥至含水率降至8.7%，對干燥后樣品的中心髓部和邊緣部位分別取樣，切成2 mm×2 mm的小塊，用鑷子固定到樣品臺上，噴金鍍膜處理5 min，真空度為200 Pa，加速電壓為5 kV，采用電子顯微鏡觀察該樣品的表面結(jié)構(gòu)。

分別在新鮮的蘿卜和紅外干燥后的樣品的髓部的同一位置取樣，用雙面刀片將選取的樣品，分別切成1 mm× 1 mm×2 mm大小的塊，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%戊二醛溶液（0.1 mol/L磷酸緩沖液配制，pH值7.2）在4 ℃條件下前固定2 h，用pH值7.2的磷酸緩沖液漂洗3次，每次15 min。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%餓酸溶液（磷酸緩沖配制）4 ℃后固定2 h，用磷酸緩沖液沖洗漂洗3次，每次30 min。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、70%、80%、90%、100%丙酮溶液梯度脫水，各級30 min。環(huán)氧樹脂Epon-812滲透包埋，37 ℃烘箱聚合12 h后，于45 ℃聚合12 h，最后于60 ℃聚合24 h。用LKB-V型超薄切片機(jī)切成60 nm的薄片，以根上部方向?yàn)樯媳砻?，根冠方向?yàn)橄卤砻妫俳?jīng)鉛鈾電子染色后，在JEOLM-1230型透射電鏡觀察拍照。

1.2.4 傳熱傳質(zhì)特征分析

對樣品的傳熱傳質(zhì)特征進(jìn)行分析，用到的公式如下[10]

非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中的菲克第二定律

式中為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度，kg/m3；為擴(kuò)散時間，s；，，為3個維度上的距離，m；為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率的變化規(guī)律

試驗(yàn)中采用單一輻照源，胡蘿卜薄片內(nèi)部形成不穩(wěn)定、不均衡的濕熱場，由式（2）可知，由于胡蘿卜物料在3個維度上對水的遷移阻力存在差異，不具有各向同性的特征，再加上干燥過程中物料的傳輸特性不斷發(fā)生變化，因此，水分在3個維度上的擴(kuò)散系數(shù)必然存在差異。

如圖2所示，在物料干燥過程中，水分與物料的分離主要發(fā)生在紅外輻射源直接照射的輻照面（物料上表面），物料在吸收紅外輻射能量后，物料輻照面處在溫度升高的同時，含水率下降，由輻照面向內(nèi)，溫度逐漸下降，含水率不斷升高，形成向著輻照面呈溫度遞增、濕度遞減的濕熱場，物料中的水分遷移，在熱力作用下，沿著軸的負(fù)方向，向物料上表面遷移，并最終在輻照面處與物料分離。在沿著軸和軸方向兩個維度上，由于缺少能量的持續(xù)供給，水的遷移主要是以滲透擴(kuò)散的方式進(jìn)行，遷移速率較慢。由于胡蘿卜具有各向異性非勻質(zhì)多孔介質(zhì)材料的性質(zhì)，水在物料內(nèi)不同方向上遷移過程中所受的阻力存在差異。在2種切割方式下，物料在3個維度上的厚度存在較大差別，水在向輻照面遷移時所受的阻力必然存在差異，消耗的能量也不盡相同。物料沿軸方向的通透性越好，干燥速率越快，能耗越低。由圖3可以看出，橫切方式的薄片，干燥過程中自1.5 h開始，含水率下降較快，到達(dá)絕干狀態(tài)用時較少，干燥過程中的能耗低，說明在橫切方式下，物料內(nèi)部水分遷移到輻照面受到的阻力小，水在物料中的擴(kuò)散系數(shù)大、滲透速率高。

注：箭頭表示輻照方向。

圖3為紅外干燥過程中胡蘿卜兩種切割薄片的含水率變化曲線。從圖中可以看出，兩種切樣方式下，樣品含水率隨紅外干燥時間的變化趨勢相同。但是，兩種樣品干燥過程中含水速率的變化存在差異。在干燥初期的1 h，兩種方式下樣品的含水率相近，此時物料失去的主要是靠近輻照面部位的水，因此，和組織結(jié)構(gòu)對內(nèi)部水分遷移的阻礙作用關(guān)系較小。從1.5 h開始，橫切樣品的失水速率開始高于縱切樣品，在3.5 h之后，橫切樣品的含水率開始快速下降，7 h后，橫切樣品含水率降至10%，趨于穩(wěn)定?？v切樣品在4 h后，含水率開始快速下降，8.5 h后，縱切樣品含水率降至10%，趨于穩(wěn)定，濕基含水率降至10%所需時間比橫切樣品大約多1.5 h。整個干燥過程中，縱切薄片含水率一直高于橫切薄片，縱切薄片具有明顯的滯后特征。由于物料中水分的散失遵循先外后內(nèi)的規(guī)律，首先失去的是處于物料表面的水分，內(nèi)部的水分需要遷移到表面位置之后，才能實(shí)現(xiàn)與物料的最終分離，因此，在兩種切片的干燥過程中，只有最初位于物料表面處的水分遷移特征具有一定的相似性，位于物料內(nèi)部的水分散失過程差異較大。

圖3 兩種胡蘿卜薄片含水率隨紅外干燥時間的變化曲線

在中心髓部和邊緣皮層部取相同形狀、表面積和體積的橫切物料，在相同條件下（表面溫度分別為60 ℃，輻照距離50 cm，功率800 W）進(jìn)行干燥，得到如圖4所示的含水率變化曲線。

圖4 胡蘿卜中心髓部和邊緣皮層部含水率變化曲線

由圖4可以看出，在6.5 h處兩部位含水率基本相同，在6.5 h之前的相同時間節(jié)點(diǎn)上，中心髓部的含水率一直高于邊緣皮層部，但兩者含水率變化趨勢大致相同，6.5 h之后兩部位含水率變化基本相同。將兩條曲線按照橫切面積1:3的比例進(jìn)行加權(quán)平均，則與圖3中的橫切樣品含水率曲線具有較高的吻合度，說明在干燥過程中，物料中心髓部和邊緣皮層部的水分遷移具有一定的相對獨(dú)立性。

2.2 光譜反射率分析

從圖5干物料的表征特性可以看出，物料在干燥過程中，中心部位和邊緣部位的收縮度、彎曲率以及物料的致密度等都有較大的差異。中心部位收縮率高，物料中心和邊緣在干燥過程中產(chǎn)生應(yīng)力差，物料在失水過程中發(fā)生扭曲變形，這種差異除去材料自身的特性外，水的遷移對物料也會起到一定作用。這就需要對中心部位和邊緣部位含水率的變化進(jìn)行對比研究。

圖5 兩種胡蘿卜切片干物料

圖6為通過高光譜技術(shù)測量的樣品對光線的反射率光譜圖，從圖6中可以看出，胡蘿卜樣品對980 nm附近的光線具有較低的反射率，形成一個突出的吸收峰值，這是由于水對于波長為980 nm的紅外線具有較強(qiáng)的吸收能力所導(dǎo)致的。同時，水分子有較寬的吸收峰，所以水分子的紅外吸收光譜在980 nm附近形成具有一定寬度的帶狀光譜。在980 nm附近的波譜段上，樣品含水率越大，反射率就越低。隨著干燥時間的增長，樣品含水率不斷下降，樣品中水對于980 nm波段光的吸收能力不斷下降，譜線在該波段的反射率也隨著干燥時間的增加不斷上升。在干燥時間達(dá)到7 h后，樣品對980 nm波段的反射峰值消失，這與樣品干燥曲線中含水率的關(guān)系相吻合。

由圖6的反射率光譜求出物料對波長980 nm處光的反射率，得到如圖7所示樣品對波長為980 nm處光的反射率隨干燥時間變化曲線。從圖中可以看出，在相同時間點(diǎn)上，中心部位始終低于邊緣部位，但兩部位反射率隨時間變化的規(guī)律和趨勢基本相同，并且在相同時刻，兩部位反射率的變化梯度值接近，其差值與兩部位物料表面的孔隙形狀、孔隙率以及表面粗糙度有關(guān)。

在含水率降到10%以前，對于980 nm波段附近的光線，樣品中心部位的反射率一直低于邊緣部位，說明無論是新鮮的胡蘿卜還是在干燥失水的過程中的同一時間點(diǎn)上，中心部位的含水率都高于邊緣部位，中心部位和邊緣部位之間的含水率一直存在梯度差，與圖4結(jié)果一致，可以看出在相同的時間點(diǎn)上，物料中心部位和邊緣部位含水率的變化率基本相同，這說明在干燥過程中，兩部位之間水分的遷移不明顯，水主要沿胡蘿卜縱向遷移，與縱向的遷移量相比，水在橫向的遷移量占比較低。可見，在紅外輻射干燥過程中，樣品中的水分遷移路徑主要是沿平行于中軸的縱向進(jìn)行的，在橫向上由內(nèi)向外進(jìn)行水分遷移的特征不明顯。

圖6 胡蘿卜表面的反射率光譜

圖7 中心和邊緣對波長980 nm的反射率

2.3 掃描電鏡（Scanning Electron Microscope）微觀結(jié)構(gòu)分析

多孔介質(zhì)的滲透差異是由孔隙結(jié)構(gòu)決定的[11-12]，孔隙的微觀差異會造成水的分布和溫度場不均衡[13]，多孔介質(zhì)的空間節(jié)點(diǎn)和矩陣格子特征都會對多孔介質(zhì)流體運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移過程的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生較大影響[14-17]，孔隙率、彎曲率、孔隙形狀和微孔半徑等結(jié)構(gòu)特性都會影響到流體的滲透率[18]。胡蘿卜作為多孔介質(zhì)材料，在干燥過程中，水在物料不同部位遷移速率的差異，與這些部位孔隙的特點(diǎn)必然存在一定的關(guān)聯(lián)性，因此，取橫切、縱切薄片為研究樣本，對干燥后的胡蘿卜薄片的中心部位和邊緣部位分別取樣，通過掃描電鏡進(jìn)行觀察，對二者在水分遷移速率上存在差異的微觀特性進(jìn)行分析。

圖8是干燥后樣品在掃描電鏡下微觀結(jié)構(gòu)圖。將橫切樣品SEM圖像中心和邊緣部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，可以看出：樣品中心部位的結(jié)構(gòu)相對松散，干物質(zhì)含量相對較少，相等空間范圍中含有的區(qū)室數(shù)量少，單位區(qū)室占有的空間大，干物質(zhì)所形成的孔隙壁較??；邊緣部位區(qū)室緊湊，單位區(qū)室占有的空間小，區(qū)室壁厚度大，物質(zhì)結(jié)構(gòu)致密。中心部位的區(qū)室材質(zhì)相對松散，區(qū)室內(nèi)部空間較大，具有更強(qiáng)的水合能力，因此，在胡蘿卜的橫切面上，中間部位比邊緣部位的含水率高。在孔隙結(jié)構(gòu)排列上，兩部位的區(qū)室壁都沿縱向排列，區(qū)室之間的聯(lián)通方式也都呈現(xiàn)出橫向阻隔、縱向聯(lián)通的狀態(tài)。具有相似特點(diǎn)的區(qū)室之間有機(jī)結(jié)合，形成了區(qū)室之間在縱向上聯(lián)通、在橫向上彼此隔離的微孔結(jié)構(gòu)，樣品吸收紅外輻射能后，大部分的水會沿著平行于胡蘿卜中軸方向，在這些微管束中向輻照面方向進(jìn)行遷移。

圖8 干燥胡蘿卜樣品表面SEM圖像（50 μm）

與橫切樣品相比，縱切樣品中心部位不但孔隙數(shù)量少，而且孔隙的深度較淺，而邊緣部位表面平整度較高，沒有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。與橫切薄片相比，孔隙通道較少的縱切薄片，內(nèi)部水分在向表面遷移的過程中所受阻力較大。

2.4 透視電鏡（Transmission Electron Microscope）超微結(jié)構(gòu)分析

對物料進(jìn)行紅外干燥時，細(xì)胞所具有的生命力與傳熱傳質(zhì)之間產(chǎn)生一定的相互影響和相互作用。為此，試驗(yàn)中對鮮物質(zhì)中含水率高且在干燥過程中失水速率較快的中心部位細(xì)胞取樣，通過透射電鏡進(jìn)行觀察（圖9），對水分遷移的內(nèi)在機(jī)理作進(jìn)一步的探究。

放大倍率為5 000×的TEM圖像顯示：由于新鮮胡蘿卜含水率很高，因此，在鮮活的胡蘿卜細(xì)胞內(nèi)，大部分空間都被占空比較大的液泡占據(jù)，細(xì)胞壁厚度均勻，排列規(guī)則有序，細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)被限定在液泡膜和緊貼細(xì)胞壁的細(xì)胞膜之間占比非常小的區(qū)域內(nèi)。盡管細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)所占空間較小，但是這個空間所在的位置規(guī)則有序，從胡蘿卜的橫向切面方向看，細(xì)胞器都位于細(xì)胞橫切面上，緊貼于細(xì)胞壁的邊緣區(qū)域，在橫切面中央部位，未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器結(jié)構(gòu)。在經(jīng)紅外干燥后干樣品細(xì)胞的TEM圖像上，脫水后干細(xì)胞的細(xì)胞壁具有明顯的塌陷現(xiàn)象，細(xì)胞壁皺縮特征明顯，細(xì)胞膜和液泡膜等各種類型的膜結(jié)構(gòu)均消失，細(xì)胞壁厚度不均，有干物質(zhì)沉積的部位，細(xì)胞壁比較厚，沒有干物質(zhì)沉積的部位，細(xì)胞明顯較薄。以細(xì)胞壁為骨架構(gòu)建的區(qū)室中間形成一個空腔，空腔的中央部位沒有發(fā)現(xiàn)沉積的干物質(zhì)，空腔沿軸向具有較高的通透性。

圖9 橫切鮮物料和干物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)的TEM圖像

通過放大倍率為15 000×的TEM圖像，對鮮物料與干物料在細(xì)胞壁附近區(qū)域進(jìn)行比較，可見，隨著干燥過程的進(jìn)行，細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。鮮物料細(xì)胞的細(xì)胞器被擠壓在液泡膜與細(xì)胞膜（細(xì)胞膜緊貼細(xì)胞壁）之間的狹小區(qū)域內(nèi)，細(xì)胞膜和液泡膜結(jié)構(gòu)完整，細(xì)胞器結(jié)構(gòu)完整且排列緊湊有序，細(xì)胞質(zhì)中固態(tài)物質(zhì)的含量明顯高于液泡內(nèi)的固態(tài)物質(zhì)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)固態(tài)物質(zhì)在膜結(jié)構(gòu)的阻隔下，未能與細(xì)胞壁之間形成穩(wěn)定的結(jié)合力，也無法達(dá)到與細(xì)胞壁緊密結(jié)合的狀態(tài)。失水后干物料細(xì)胞的細(xì)胞膜和液泡膜結(jié)構(gòu)均消失，細(xì)胞器及細(xì)胞內(nèi)其他內(nèi)容物失水后形成的干物質(zhì)沉積于臨近的細(xì)胞壁上，并與細(xì)胞壁緊密結(jié)合在一起，使該區(qū)室部位的細(xì)胞壁明顯變厚。在失水過程中，失水后的細(xì)胞器以及細(xì)胞質(zhì)中的固態(tài)物質(zhì)逐漸收縮為大小不等的固態(tài)顆粒物，沉積在細(xì)胞壁的孔隙處，降低了該部位細(xì)胞壁的通透性，削弱了細(xì)胞內(nèi)剩余的水透過細(xì)胞橫向進(jìn)行遷移的能力。

3 討 論

新鮮胡蘿卜細(xì)胞的細(xì)胞器位于細(xì)胞壁為框架的區(qū)室結(jié)構(gòu)內(nèi)沿軸向的細(xì)胞壁側(cè)壁部位[19-21]。在紅外輻照作用下，液泡膜的分解是一個逐漸的過程，在液泡膜分解之前，細(xì)胞失去的主要是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的自由水，液泡內(nèi)溶液與細(xì)胞質(zhì)溶液間的濃度差不斷加大[22-25]。液泡膜內(nèi)液體濃度較低，呈現(xiàn)牛頓流體特征，黏稠力較小，而液泡外液體，隨著干燥過程的進(jìn)行，濃度不斷升高，黏稠度也不斷上升，非牛頓流體特征越來越突出。隨著液泡膜內(nèi)外溶液濃度差異的上升，在液泡膜的內(nèi)外表面形成的壓力差也越來越大，加速了液泡膜的破裂。同時，具有較高黏度的細(xì)胞質(zhì)逐漸黏附于鄰近的細(xì)胞壁上，阻塞了細(xì)胞壁上的孔隙，降低細(xì)胞壁橫向的通透性。

胡蘿卜的區(qū)室結(jié)構(gòu)把物料中的水分分割在不同的空間體系中[26-27]，形成水分子的聚集團(tuán)，在外部能量輸入過程中，由于區(qū)室內(nèi)部各部位水的受熱不均，不同部位的水之間產(chǎn)生密度、溫度等物理量的差異，左右相鄰區(qū)域和上下層級區(qū)域之間都產(chǎn)生熱力梯度差，水的運(yùn)動產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，在區(qū)室內(nèi)部形成局部湍流現(xiàn)象[28-29]，阻礙水分的遷移。垂直于紅外輻照方向上，橫切薄片的區(qū)室孔徑較大，紅外輻照能量在區(qū)室內(nèi)垂直于紅外光傳播方向的橫截面上差異較小，區(qū)室內(nèi)部水受熱均勻，熱力梯度差異小，湍流特征不明顯，這也是橫切薄片干燥速率較快的一個因素。

4 結(jié) 論

1）對胡蘿卜切片進(jìn)行紅外加熱干燥時，水分沿縱向的遷移能力高于橫向，這既與胡蘿卜本身的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有關(guān)，也受物料干燥過程中出現(xiàn)的變化的影響。為提高胡蘿卜薄片紅外干燥的效率和降低能耗，脫水生產(chǎn)中應(yīng)對胡蘿卜物料進(jìn)行橫向切片。

2）在紅外干燥過程中，胡蘿卜細(xì)胞內(nèi)容物失水后，以固態(tài)顆粒物的形式附著于橫向的細(xì)胞壁上，阻塞該部位細(xì)胞壁上的孔隙，降低了細(xì)胞的橫向通透性，增大了水透過該區(qū)域細(xì)胞壁的阻力。在失去生命特征之前，細(xì)胞與鄰近細(xì)胞之間會發(fā)生一系列生物化學(xué)反應(yīng)，并且隨著含水率的下降，毗鄰細(xì)胞間的結(jié)合度上升，并在細(xì)胞間不斷拓展和外延，形成網(wǎng)狀空間區(qū)室結(jié)構(gòu)體系，體系中的每一個區(qū)室都是以這些細(xì)胞為骨架材料構(gòu)建的，橫向的區(qū)室壁緊密排列，縱向孔隙通道順次連接形成通路。這與掃描電鏡圖像顯示的胡蘿卜中的區(qū)室結(jié)構(gòu)具有縱向通透和橫向阻隔的特征相吻合。

3）水在胡蘿卜這種以微觀區(qū)室結(jié)構(gòu)為單元構(gòu)成的多孔介質(zhì)材料中遷移時，在垂直于軸向上的遷移阻力較大，在沿著軸向上則具有較高的傳質(zhì)能力。干燥過程中，水在胡蘿卜內(nèi)的遷移路徑主要為沿軸向孔隙連通的方向。

[1]Chen Qinqin, Song Huihui, Bi Jinfeng, et al. Multi-objective optimization and quality evaluation of short- and medium-wave infrared radiation dried carrot slices[J/OL]. International Journal of Food Engineering, 2019, 15(8). https://doi.org/10.1515/ijfe-2018-0234

[2]Lao Yanyan, Zhang Min, Bimal Chitrakar, et al. Efficient plant foods processing based on infrared heating[J]. Food Reviews International, 2019, 35(7): 640-663.

[3]張麗麗. 紅外干燥蔬菜的試驗(yàn)研究及分析[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

Zhang Lili. Experimental Study and Analysis of Infrared Drying Vegetables[D]. Beijing: China Agriculture University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[4]張麗麗，王相友. 紅外輻射干燥胡蘿卜的試驗(yàn)研究[J]. 食品科技，2012，37(6)：119-122.

Zhang Lili, Wang Xiangyou. Experiment of infrared drying carrot slices[J]. Food Science and Technology, 2012, 37(6): 119-122. (in Chinese with English abstract)

[5]劉英. 胡蘿卜遠(yuǎn)紅外干燥特性及品質(zhì)的研究[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

Liu Ying. The Experimental Study on the Far Infrared Drying Properties and Quality of Carrots[D]. Lanzhou: Gansu Agriculture University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[6]馬國軍，劉英，李武強(qiáng)，等. 基于響應(yīng)面法優(yōu)化胡蘿卜切片遠(yuǎn)紅外干燥工藝[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40(12)：106-112.

Ma Guojun, Liu Ying, Li Wuqiang, et al. Optimization of carrot slice deep infrared drying process bassed on response surface methodology[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(12): 106-112. (in Chinese with English abstract)

[7]馬學(xué)文，翁煥新，章金駿. 不同形狀污泥干燥特性的差異性及其成因分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2011(5)：101-107.

Ma Xuewen, Weng Huanxin, Zhang Jinjun. Difference and cause analysis of drying characteristics of different shapes sludge[J]. China Environmental Science, 2011(5): 101-107. (in Chinese with English abstract)

[8]Nazghelichi T , Kianmehr M H , Aghbashlo M . Thermodynamic analysis of fluidized bed drying of carrot cubes[J]. Energy, 2010, 35(12):4679-4684.

[9]Yang P, Wen Z, Dou R, et al. Permeability in multi-sized structures of random packed porous media using three-dimensional lattice Boltzmann method[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2017, 106: 1368-1375.

[10]劉偉，范愛武，黃曉明. 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006：7-53.

[11]Liu Mingchao, Wu Jian, Gan Yixiang, et al. Tuning capillary penetration in porous media: Combining geometrical and evaporation effects[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 2(101): 239-250.

[12]李滔，李閩，荊雪琪，等. 孔隙尺度各向異性與孔隙分布非均質(zhì)性對多孔介質(zhì)滲透率的影響機(jī)理[J]. 石油勘探與開發(fā)，2019，46(3)：569-579.

Li Tao, Li Min, Jing Xueqi, et al. Influence mechanism of pore-scale anisotropy and pore distribution heterogeneity on permeability of porous media[J]. Petroleum Exploration and Development, 2019, 46(3): 569-579. (in Chinese with English abstract)

[13]劉奇. 多孔介質(zhì)相似材料的熱濕場分布特征研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2018.

Liu Qi, Thermal and Moisture Distribution Characteristics of Similar Materials Based on Porous Media[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[14]周昊，芮淼，岑可法. 多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動的大渦格子Boltzmann方法研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，46(9)：1660-1665.

Zhou Hao, Rui Miao, Cen Kefa. Study of flow in porous media by LES-LBM coupling method[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science Edition, 2012, 46(9): 1660-1665. (in Chinese with English abstract)

[15]Yang Bo, Wu Wei, Li Maodong, et al. A multiple-relaxation- time lattice boltzmann model for natural convection in a hydrodynamically and thermally anisotropic porous medium under local thermal non-equilibrium conditions[J]. Journal of Thermal Science, 2020, 29(1): 609-622.

[16]Mehmani Y, Balhoff M T. Mesoscale and hybrid models of fluid flow and solute transport[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2015, 80(1): 433-459.

[17]Zhang X X, Crawford J W, Flavel R J, et al. A multi-scale lattice boltzmann model for simulating solute transport in 3D X-ray micro-tomography images of aggregated porous materials[J]. Journal of Hydrology, 2016, 541: 1020-1029.

[18]Bhandari A R, Flemings P B, Polito P J, et al. Anisotropy and stress dependence of permeability in the barnett shale[J]. Transport in Porous Media, 2015, 108(2): 393-411.

[19]Tadashi Ando, Jeffrey Skolnick. On the importance of hydrodynamic interactions in lipid membrane formation[J]. Biophysical Journal, 2013, 104(1): 96-105.

[20]Ercole Francesca, Whittaker Michael R, Quinn John F, et al. Cholesterol modified self-Assemblies and their application to nanomedicine[J]. Biomacromolecules, 2015, 16(7): 1886-1914.

[21]吉喜斌，康爾泗，陳仁升，等. 植物根系吸水模型研究進(jìn)展[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2006，26(5)：1079-1086.

Ji Xibin, Kang Ersi, Chen Rensheng, et al. Research advances about water-uptake models by plant roots[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2006, 26(5): 1079-1086. (in Chinese with English abstract)

[22]劉顯茜. 生物多孔材料非穩(wěn)態(tài)收縮及其對傳熱傳質(zhì)影響研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2010.

Liu Xianqian. Studies of Transient Shrinkage of Bio-Porous Material and Its Effect on the Mass Transfer[D]. Kuming: Kunming University of Science and Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[23]Warner J M , O'Shaughnessy B . The hemifused state on the pathway to membrane fusion[J]. Physical Review Letters, 2012, 108(17): 178101.

[24]Burk A S , Monzel C , Yoshikawa H Y , et al. Quantifying Adhesion mechanisms and dynamics of human hematopoietic stem and progenitor cells[J]. Rep, 2015, 5: 9370.

[25]Yoshinori Fujiyoshi, Kaoru Mitsuoka, Bert L Groot, et al. Structure and function of water channels[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2002, 12(4):509-515.

[26]申江，李帥，齊含飛. 低溫真空干燥對胡蘿卜品質(zhì)的影響[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2012，33(2)：68-71.

Shen Jiang, Li Shuai, Qi Hanfei. Influence of low temperature vacuum drying on the quality of carrots[J]. Journal of Refrigeration, 2012, 33(2): 64-67. (in Chinese with English abstract)

[27]Fan Wenjie, Liu Na, Zhu Weiqiang, et. al. Design of novel conjugated microporous polymers for efficient adsorptive desulfurization of small aromatic sulfur molecules[J]. Journal of Molecular Graphics and Modelling, 2020, 101：107734.

[28]Lemanov V V, Lukashov V V, Sharov K A. Transition to Turbulence through intermittence in inert and reacting jets[J]. Fluid Dynamics, 2020, 55(6). DOI: 10.1134/S0015462820060087.

[29]Burluka A A. Diffusion layer thickness in turbulent flow[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2020, 81:108530.

Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer

Liu Yuhui, Wang Xiangyou※, Wei Zhongcai

(,,255049,)

This study aims to improve the drying efficiency and quality of a carrot during infrared drying. Two cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) were selected to treat the fresh produces, according to the anisotropic porous media of a carrot. The results showed under the surface temperature of 60 ℃, the cross-cutting carrots with the diameter of 40 mm and the thickness of 5 mm behaved the higher drying efficiency, compared with the longitudinal samples with the length of 35 m, the width of 35 mm, and the thickness of 5 mm. The 10% of moisture content was achieved about 5 hours for the treatment of cross cutting ones, indicating 1.5 hours less than that of longitudinal carrots. It suggested that the water in carrots was mainly transferred along the axial direction, whereas, the transport of water along the cross section cannot be found obviously during the drying process. A Scanning Electron Microscope (SEM) was used to observe the middle and edge positions of dried samples, to further verify the microcosmic mechanism. The SEM images showed that a honeycomb microstructure was formed after the process of water loss, which was connected in the axial direction, but divided in the horizontal direction. Compared with the marginal part, the central part presented the higher voidage, lower curvature, larger coefficient of voidage, wider chamber space, and larger micropore radius. A Transmission Electron Microscopy (TEM) was also used to characterize the ultrastructure of the cells for the samples. TEM images showed that the dehydrated cells were mostly deposited around the cross section of the cell wall. These sediments were closely bound to the cell wall, and thereby to reduce the permeability of the cell wall in this part. Furthermore, sediments were not observed at the top or bottom of cell wall in the cross section, due mainly to the higher of porosity. These cells served as the skeletal materials for the wall of compartments. It infers that the water in the material flowed mainly through the voids, possibly due to the high resistance for water in the direction perpendicular to the cell wall. Moreover, Hyperspectral images revealed that the water content in the center was higher than that at the edge during the whole drying process, indicating that the loss rate of water in the two parts showed no significant differences at the same time. There was no obvious water migration in the lateral direction of materials, whereas, the central part of the zone with loose structure had a higher utilization rate of infrared energy. These data demonstrated that the different cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) can strongly affect the efficiency of drying. The findings can contribute to a microcosmic explanation for the infrared drying characteristics of carrot slices, and further provide a theoretical basis to improve the energy efficiency in infrared drying of carrots.

spectrum; drying; ultrastructure; carrot; infrared drying; chamber structure

劉玉輝，王相友，魏忠彩. 胡蘿卜微觀區(qū)室結(jié)構(gòu)對紅外干燥效率和水分遷移的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(23)：293-300.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

Liu Yuhui, Wang Xiangyou, Wei Zhongcai. Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 293-300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

2020-09-30

2020-11-18

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31271908）

劉玉輝，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究。Email：liuyuhui@sdut.edu.cn

王相友，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究。Email：wxy@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034

TS253.4

A

1002-6819(2020)-23-0293-08