凍融預(yù)處理對(duì)山楂熱風(fēng)干燥特性的影響

郭 婷 吳 燕 陳益能 - 段振華 - 陳振林 - 蔡 文 鄧春麗 -

(1. 賀州學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

大果山楂屬南果山楂，在廣西種植面積廣，是優(yōu)良的地方特色品種[1]。大果山楂富含黃酮類化合物、熊果酸和單體有機(jī)酸類等活性成分，具有促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝、降低膽固醇、降低血脂、降低血壓和清除自由基的作用[2]。大部分大果山楂需要脫水干燥，常用熱風(fēng)干燥，但未經(jīng)預(yù)處理的大果山楂經(jīng)熱風(fēng)干燥所得山楂片卷縮較嚴(yán)重，品質(zhì)欠佳，且干燥時(shí)間長，加工效率低。研究[3-8]發(fā)現(xiàn)，燙漂、滲透、超高壓、超聲波和凍融等預(yù)處理對(duì)干燥特性和品質(zhì)有影響。凍融包括凍結(jié)和解凍2個(gè)過程，現(xiàn)作為一種新型的物理預(yù)處理方式應(yīng)用于果蔬干燥加工前處理，可改善干燥產(chǎn)品品質(zhì)，提高干燥效率。何新益等[9]對(duì)不同凍融預(yù)處理甘薯膨化干燥的脫水行為進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了甘薯變溫壓差膨化干燥動(dòng)力學(xué)模型；Ramirez等[10]研究對(duì)比了不同預(yù)處理方式對(duì)蘋果熱風(fēng)干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融預(yù)處理的蘋果片干燥所需時(shí)間較短，干燥速率最快。凍融預(yù)處理在果蔬干燥中的應(yīng)用與研究越來越廣泛，但關(guān)于凍融預(yù)處理對(duì)大果山楂熱風(fēng)干燥特性的影響尚未見諸于報(bào)道。

通過研究物料干燥特性，建立干燥動(dòng)力學(xué)模型，可用于描述和預(yù)測(cè)干燥過程，便于對(duì)干燥過程的控制及干燥終點(diǎn)的判斷。劉艷等[11]發(fā)現(xiàn)大果山楂片厚度、裝料量對(duì)大果山楂片熱風(fēng)干燥特性影響較大，在3種動(dòng)力學(xué)模型中Page模型的擬合程度最高；任茹娜等[12]運(yùn)用16種果蔬薄片干燥模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選出了Approximation of diffusion模型和Hii and others模型用于描述山楂聯(lián)合干燥的熱風(fēng)、微波干燥過程。目前，中國關(guān)于預(yù)處理對(duì)大果山楂干燥動(dòng)力學(xué)的影響研究較少，凍融大果山楂的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)研究還未見報(bào)道。

研究擬考察不同凍融預(yù)處理對(duì)大果山楂熱風(fēng)干燥過程的影響；在分析凍融大果山楂熱風(fēng)干燥過程中干燥速度和干燥速率曲線的基礎(chǔ)上，比較凍融大果山楂在4種經(jīng)典薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型中的擬合優(yōu)度，研究不同凍融次數(shù)和溫度條件對(duì)干燥大果山楂水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響，以期為提高山楂熱風(fēng)干燥效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大果山楂：市售；

水分分析儀：PMB53型，廣州億興科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9140A型，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；

冰箱：BCD-249WP3CX型，合肥美菱有限公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-6380L型，日本電子株式會(huì)社。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凍融預(yù)處理 呈7 mm厚度的山楂鮮果片經(jīng)料液比為1∶2 (g/mL)沸水燙漂2 min撈起冷卻至25 ℃；將其置于-16 ℃的條件下冷凍14 h，再置于8 ℃的條件下解凍24 h，整個(gè)完整的過程即稱為凍融1次，反復(fù)循環(huán)凍融0，1，2，3次即為凍融0次(FT0)、凍融1次(FT1)、凍融2次(FT2)、凍融3次(FT3)預(yù)處理。

1.2.2 凍融預(yù)處理對(duì)大果山楂熱風(fēng)干燥的影響 將凍融0，1，2，3次的大果山楂樣品置于70 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行熱風(fēng)干燥；將凍融2次預(yù)處理后的大果山楂分別置于55，60，65，70 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行熱風(fēng)干燥；每隔10～20 min進(jìn)行樣品質(zhì)量監(jiān)測(cè)，直至水分含量≤7%(干基計(jì))時(shí)結(jié)束干燥。

1.3 水分測(cè)定

在一定干燥條件下，水分比可用來表示物料還有多少水分未被干燥去除，還可以反映物料干燥速率的快慢，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：

MR——水分比；

Mt——大果山楂片干燥到t時(shí)刻的水分含量，g/g；

Me——平衡水分含量，g/g；

M0——凍融預(yù)處理山楂片開始干燥時(shí)的初始水分含量，g/g。

凍融大果山楂片熱風(fēng)干燥速率計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：

DR——從t時(shí)刻到t+dt時(shí)刻大果山楂片的干燥速率，g/(g·min)；

Mt+dt——t+dt時(shí)刻的水分含量，g/g；

Mt——t時(shí)刻的水分含量，g/g；

t——干燥時(shí)間，min。

1.4 干燥動(dòng)力學(xué)模型篩選

運(yùn)用表1中的動(dòng)力學(xué)模型[9]對(duì)大果山楂熱風(fēng)干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。模型擬合度的優(yōu)劣常通過P值、決定系數(shù)(R2)和均方誤差的根(RMSE)3個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)，其中R2越接近于1，RMSE越小，說明模型擬合度越高，P值越小模型越可靠。計(jì)算公式見式(3)～(5)。

R2=

(3)

(4)

(5)

式中：

MRexp,i——試驗(yàn)MR值；

MRpre,i——預(yù)測(cè)MR值；

N——MR個(gè)數(shù)。

表1 4種經(jīng)典薄層干燥模型Table 1 Four classic models of thin layer drying

1.5 有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)

有效擴(kuò)散系數(shù)可通過Fick擴(kuò)散第二定律求得[9]，在一定干燥條件下，其值越大說明水分質(zhì)量傳遞越快，脫水能力越強(qiáng)。計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

式中：

Deff——大果山楂水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——大果山楂片厚度的1/2，m；

t——干燥時(shí)間，s。

1.6 微觀結(jié)構(gòu)

大果山楂干制品經(jīng)離子濺射噴金后，置于200倍掃描電鏡(SEM)下觀察其超微結(jié)構(gòu)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS.V 18.0軟件進(jìn)行模型擬合和回歸分析，用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍融預(yù)處理大果山楂的干燥特性

在同等干燥溫度(70 ℃)下，凍融0，1，2，3次的大果山楂熱風(fēng)干燥曲線見圖1(a)、干燥速率曲線見圖2(a)；經(jīng)過凍融2次預(yù)處理的大果山楂在55，60，65，70 ℃干燥溫度下的熱風(fēng)干燥曲線見圖1(b)、干燥速率曲線見圖2(b)。

從圖1可以看出，凍融大果山楂的水分含量隨干燥時(shí)間增加呈直線下降，當(dāng)物料水分含量降至臨界含水量時(shí)，水分含量下降減慢且曲線變得平緩，結(jié)果顯示凍融大果山楂的臨界含水量在0.65～0.50 g/g(干基計(jì))左右；凍融0，1，2，3次的大果山楂片在70 ℃熱風(fēng)溫度下，干至含水率低于7%所需時(shí)間分別為570，370，330，340 min，凍融預(yù)處理后的大果山楂干燥所需時(shí)間較未凍融試驗(yàn)組明顯縮短；隨著熱風(fēng)干燥溫度的增加，凍融2次大果山楂干燥至含水率低于7%時(shí)所需時(shí)間逐漸縮短，55 ℃時(shí)所需時(shí)間最長，為520 min。圖1(b)表明，干燥前期，各試驗(yàn)組間水分含量下降差別不大，干燥120 min后，水分含量變化受溫度影響較大，隨著溫度升高下降的越快，但70 ℃較65 ℃水分含量下降較緩慢，可能是由于溫度較高易使大果山楂外表層較先脫水固化，受導(dǎo)濕溫性影響較大，故內(nèi)部水分向表層遷移受阻，此時(shí)高溫對(duì)提高山楂片干燥速度效果不明顯。

由圖2可知，經(jīng)過凍融預(yù)處理的大果山楂熱風(fēng)干燥過程出現(xiàn)了3個(gè)階段，分別為：加速干燥、恒速干燥和降速干燥階段。干燥開始時(shí)，凍融大果山楂片進(jìn)入預(yù)熱階段，干燥速率達(dá)到較大值；而后隨著干燥時(shí)間的增加，進(jìn)入一個(gè)較長的恒速干燥階段，此階段干燥速率穩(wěn)定在0.025～0.055 g/(g·min)；隨著干燥的進(jìn)行，大量非結(jié)合水被脫去，大果山楂片水分含量繼續(xù)降低，當(dāng)降至結(jié)合水與非結(jié)合水的臨界水分點(diǎn)后出現(xiàn)了一個(gè)較短的降速階段。此結(jié)果與文獻(xiàn)[12]報(bào)道的山楂熱風(fēng)干燥過程為加速和降速兩個(gè)階段不一樣，可能由于南北山楂原料品種差異較大導(dǎo)致干燥過程不同，而且大果山楂經(jīng)過凍融預(yù)處理，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致干燥行為的不同。

2.2 凍融大果山楂熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型篩選

運(yùn)用表1中的干燥模型對(duì)監(jiān)測(cè)的凍融大果山楂在熱風(fēng)干燥溫度為55，60，65，70 ℃干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)度比較，各干燥模型具體的擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量值見表2。

圖1 凍融大果山楂熱風(fēng)干燥曲線Figure 1 Hot-air drying curves of freeze-thaw malus domeri (Bois) chev.

圖2 凍融大果山楂熱風(fēng)干燥速率曲線Figure 2 Hot-air drying rate curves of freeze-thaw malus domeri (Bois) chev.

表2 4種干燥模型擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量值比較Table 2 Fitting parameters of four drying models

由表2可知， Page、Logarithmic干燥模型在不同凍融次數(shù)和干燥溫度條件下的決定系數(shù)分別在0.989～0.998，0.965～0.998，整體較其他兩個(gè)模型的R2大，但Logarithmic干燥模型下凍融大果山楂的RMSE和P值均較Page干燥模型的小。由此可見，Logarithmic模型擬合度較高、較可靠，能夠較好地描述凍融大果山楂熱風(fēng)干燥過程。此結(jié)果與劉艷等[11]報(bào)道的大果山楂熱風(fēng)干燥過程符合Page模型不一樣，可能是由于試驗(yàn)的大果山楂干燥前進(jìn)行了凍融預(yù)處理，影響了大果山楂干燥過程中的傳熱傳質(zhì)，導(dǎo)致匹配的模型不同。

2.3 凍融甘薯變溫壓差膨化干燥的有效擴(kuò)散系數(shù)

通過式(6)可以計(jì)算出凍融大果山楂在不同干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)，見圖3。

由圖3可知，干燥前凍融預(yù)處理及熱風(fēng)干燥溫度對(duì)大果山楂有效擴(kuò)散系數(shù)有影響。凍融大果山楂在55，60，65，70 ℃的溫度下進(jìn)行熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.08×10-9～2.54×10-9m2/s。凍融大果山楂有效擴(kuò)散系數(shù)隨著凍融次數(shù)增加呈先增大而后減小的趨勢(shì)，說明大果山楂內(nèi)部水分質(zhì)量傳遞速度隨著凍融次數(shù)的增加而加快，可能與反復(fù)凍融后大果山楂內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，在反復(fù)冷凍過程中組織內(nèi)部會(huì)形成大量冰晶，再經(jīng)解凍后，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)較之前松散，細(xì)胞膜受到機(jī)械損傷后通透性改變，使大果山楂內(nèi)部水分更易脫去。

圖3 不同干燥條件下凍融大果山楂的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

Figure 3 Variation of effective moisture diffusivity of freeze-thawmalusdomeri(Bois)chev. under different drying temperature

由圖4可知，經(jīng)凍融預(yù)處理的大果山楂干制品組織呈現(xiàn)出較松散的結(jié)構(gòu)，而未經(jīng)凍融預(yù)處理大果山楂熱風(fēng)干制品結(jié)構(gòu)較緊密，凍融1次山楂干制品組織空隙較凍融2次小，松散度不如凍融2次山楂干制品，圖4(d)呈不均勻的大孔洞結(jié)構(gòu)，可能是由于在經(jīng)過多次凍結(jié)和解凍后，物料部分組織結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，而出現(xiàn)坍塌，故凍融3次山楂干制品部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)粘連堆積，影響內(nèi)部水分的遷移，凍融2次山楂干制品內(nèi)部空隙均勻、結(jié)構(gòu)松散，更利于內(nèi)部水分遷移至表層，故有效擴(kuò)散系數(shù)較大，水分更易脫去。凍融次數(shù)相同的大果山楂隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高，有效擴(kuò)散系數(shù)呈先增大而后減小的趨勢(shì)，從1.08×10-9m2/s增至2.54×10-9m2/s后降至2.30×10-9m2/s，凍融2次大果山楂在65 ℃下進(jìn)行熱風(fēng)干燥時(shí)的有效擴(kuò)散系數(shù)最大。此結(jié)果雖與凍融大果山楂熱風(fēng)干燥曲線的變化相一致，但65 ℃是否為最優(yōu)值，還需進(jìn)行優(yōu)化研究才能確定。

圖4 大果山楂干制品的電鏡掃描

Figure 4 Scanning electron micrographs of the driedmalusdomeri(Bois)chev. (×200)

3 結(jié)論

凍融預(yù)處理對(duì)大果山楂熱風(fēng)干燥特性影響明顯。凍融預(yù)處理可縮短組織結(jié)構(gòu)致密類物料干燥加工時(shí)間。

(1) 凍融大果山楂熱風(fēng)干燥過程存在3個(gè)階段：加速、恒速和降速干燥階段，隨著凍融次數(shù)增加，大果山楂熱風(fēng)干燥所需時(shí)間縮短。

(2) 不同干燥條件下的凍融大果山楂熱風(fēng)干燥過程符合Logarithmic方程。工業(yè)生產(chǎn)中可通過Logarithmic模型描述和預(yù)測(cè)凍融大果山楂熱風(fēng)干燥過程中水分含量隨干燥時(shí)間的變化。

(3) 凍融次數(shù)和干燥溫度影響大果山楂熱風(fēng)干燥時(shí)間和有效擴(kuò)散系數(shù)，大果山楂的有效擴(kuò)散系數(shù)為1.08×10-9～2.54×10-9m2/s范圍內(nèi)。