基于低場核磁共振的熱風干燥獼猴桃切片含水率預測模型

李　梁，程秀峰，楊尚雄，羅 章，劉振東

基于低場核磁共振的熱風干燥獼猴桃切片含水率預測模型

李梁，程秀峰，楊尚雄，羅 章※，劉振東

（西藏農牧學院食品科學學院，林芝 860000）

為研究獼猴桃切片熱風干燥過程中水分遷移規(guī)律，該試驗通過對獼猴桃切片進行熱風干燥，考察不同干燥溫度（70、80、90 ℃）、切片厚度（3、4、5 mm）下的干燥特性。試驗采用直接干燥法測定含水率，運用低場核磁共振技術（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）分析熱風干燥過程中獼猴桃切片內部水分分布狀態(tài)與變化規(guī)律，建立動力學模型，驗證并預測。結果表明：獼猴桃切片熱風干燥開始為外部控制，隨后屬于內部擴散控制，水分有效擴散系數(shù)范圍為1.58×10-7～4.18×10-7m2/s，擴散效率隨溫度升高而增大。升高溫度能顯著提高獼猴桃干燥速率，可加快結合水、不易流動水以及自由水的遷移。自由水和結合水先于不易流動水發(fā)生變化，自由水含量在干燥前期逐漸下降，此過程中不易流動水和結合水含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。當自由水被脫除后，不易流動水和結合水含量依次達到最大值；此后，隨著干燥的進行，不易流動水逐漸被脫除，此時結合水含量開始下降直至干燥結束。整個干燥過程中，獼猴桃切片部分自由水先轉化為不易流動水和結合水，結合水與不易流動水相互轉化，循環(huán)往復伴隨整個干燥過程。以干燥過程中的自由水、結合水、不易流動水的核磁峰值總和、切片厚度和干燥溫度為自變量，獼猴桃切片含水率為因變量，進行多元線性回歸分析，建立含水率預測模型，模型的擬合優(yōu)度為0.982。結果表明，低場核磁共振技術結合數(shù)學模型可用于描述獼猴桃切片熱風干燥過程，可實現(xiàn)對獼猴桃切片干燥過程中含水率的快速、無損檢測，研究結果可為獼猴桃熱風干燥工藝和過程設計提供理論依據。

熱風干燥；模型；獼猴桃；水分遷移；低場核磁共振

0 引 言

獼猴桃（Yangtao kiwifruit）原生于中國，含有豐富的礦物質和維生素等營養(yǎng)成分[1]，被譽為“水果之王”，具有預防心血管疾病、促進新陳代謝和延緩衰老等功效[2-3]。由于獼猴桃采摘后易變軟腐爛，因此，研究獼猴桃采后貯藏保鮮與加工技術很有必要。干燥能夠有效延長水果保存期，通過干燥來實現(xiàn)獼猴桃切片水分活度及含水率的降低，可抑制微生物的增長繁殖及降低酶活性，防止獼猴桃腐敗變質，有利于降低獼猴桃的貯藏和運輸成本。侯培軍等[4]、魏麗紅等[5]、宋一凡等[6]、周旭[7]分別采用熱風、真空冷凍、CO2-低溫高壓滲透膨化和射頻技術加熱等干燥方式對獼猴桃進行干燥試驗研究。其中，熱風干燥速度快、操作方便、成本較低，是目前干制加工生產中廣泛應用的干燥方法[8]。

低場核磁共振（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）技術作為一種高效、迅速、新型的檢測方法，能夠通過弛豫時間變化分析出水分子遷移變化的規(guī)律[9-12]。利用低場核磁共振(Carr-Purcell-Meiboom- Gill，CPMG)序列可以測得弛豫時間及相對應的質子密度，并有效進行反演[13-15]。利用LF-NMR技術可以分析農產品、食品加工以及貯藏過程中的水分狀態(tài)[16-20]。王姝雯等[21]通過研究不同干燥過程中預糊化黑米的水分變化規(guī)律，確定預糊化黑米最合適的干燥溫度。白喜婷等[22]探究全蛋液雙頻超聲真空干燥與水分遷移規(guī)律，確定全蛋液最佳的干燥方式。周四晴等[23]發(fā)現(xiàn)懷山藥遠紅外干燥過程中的水分遷移規(guī)律，建立了最佳薄層干燥模型。這些研究都表明利用LF-NMR方法確定農產品及食品加工和貯藏過程中水分狀態(tài)的可行性。

多元線性回歸（Multiple Linear Regression，MLR）模型是一種精度高、效果好的化學計量學方法，是預測含水率的有效方法之一[24]，但在果蔬干燥中很少用到。在解決實際問題中，一個變量往往受多個因素的影響。本試驗獼猴桃切片干燥過程中的含水率，除了受干燥溫度的影響外，還受切片厚度、干燥時間等多種因素的影響。

物料內部的水分遷移規(guī)律研究一直以來都是干燥的重難點之一，本文利用LF-NMR研究獼猴桃切片在不同干燥溫度和不同切片厚度下的內部不同狀態(tài)水的水分遷移規(guī)律，利用干燥曲線揭示其干燥的基本規(guī)律，確定獼猴桃切片合適的干燥溫度。通過多元線性回歸探索含水率與低場核磁共振技術水分子弛豫特性的關系，對未知樣品中的水分做出預測。本研究為揭示物料干燥過程中內部水分遷移規(guī)律，并預測含水率提供參考，為優(yōu)化獼猴桃切片干燥工藝及保藏、加工方式提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

獼猴桃采購于陜西眉縣，品種為徐香，選擇新鮮幼嫩，果體完整，大小一致，無霉爛，無破裂，無機械傷果實，初始含水率為82%。

1.2 儀器與設備

YP1201N電子天平：上海精科天美科學儀器有限公司；101-2型恒溫干燥箱：普瑞賽斯儀器有限公司；NMI20-015V-I型核磁共振成像分析儀：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。

1.3 試驗及方法

1.3.1 樣品的制備及處理

取厚度為3、4、5 mm的獼猴桃切片去皮后，取大約為9 mm×40 mm的獼猴桃切片，放稱量紙中用電子天平進行稱量。根據預試驗，在3種不同厚度的條件下，分別用70、80和90 ℃的溫度進行恒溫熱風干燥試驗，干燥過程中每隔10 min取樣快速稱取質量，直至連續(xù)3次質量不再發(fā)生變化后停止稱量，每次都用低場核磁共振技術進行檢測，每組試驗做3次重復。

1.3.2 低場核磁檢測

參數(shù)設置：樣品溫度穩(wěn)定在32 ℃后，利用分析軟件FID（Free Induction Decay）脈沖序列矯正初始系統(tǒng)參數(shù)[25]。多脈沖回波序列CPMG參數(shù)設為：主頻21 MHz，偏移頻率305 468.85 Hz，90°脈沖時間13s，180°脈沖時間26s，重復采樣等待時間400 ms，累加次數(shù)64，回波時間0.18 ms，回波數(shù)12 000，模擬增益20.0 dB，數(shù)字增益3 dB。

檢測方法：因為檢測信號的幅值需要更加穩(wěn)定、數(shù)據準確，每一次樣品重復3次進行檢測[26]。干燥樣品取出后首先進行迅速稱量，然后將其放入15 mm口徑的檢測管中，檢測管內高度控制在40 mm以下，按照測量流程將其放進低場核磁共振儀器進行檢測。將所測得的橫向弛豫時間2頻率圖像經過軟件反演即可得到反演譜圖。

1.3.3 多元線性回歸模型建立

所有的獼猴桃樣品干燥數(shù)據分為校準集、驗證集2組，取70 ℃和3 mm、70 ℃和5 mm、80 ℃和4 mm、90 ℃和3 mm、90 ℃和5 mm的樣品作為校準集，用來建立預測模型。70 ℃和4 mm、80 ℃和3 mm、80 ℃和5 mm、90 ℃和4 mm的樣品作為驗證集，用來評價預測模型的準確性。取校準集獼猴桃樣品的核磁數(shù)據作為自變量，含水率作為因變量，用Stata 14數(shù)據分析軟件對數(shù)據進行擬合分析，取驗證集獼猴桃樣品的核磁數(shù)據代入MLR預測模型，得到驗證集中獼猴桃切片含水率的預測值。

1.4 計算公式及方法

1.4.1 干基含水率

參照GB5009.3-2016《食品中水分含量的測定》，采用直接干燥法測定獼猴桃切片含水率，按照式（1）進行計算

式中為物料含水率，%；為物料的質量，g；m為物料干燥后的質量，g。

1.4.2 干燥速率

其計算公式為

式中D為干燥速率，%/min；M1為1時刻的含水率，%；M2為2時刻的含水率，%。

1.4.3 水分比

式中M為時刻物料的水分比；M為物料在時刻的含水率，%；0為物料在初始時刻的含水率，%；M為物料平衡時含水率，%。

1.4.4 水分有效擴散系數(shù)

通過Fick定律，計算獼猴桃切片在干燥過程中水分有效擴散系數(shù)公式為

式中D為水分有效擴散系數(shù)，m2/s；為物料厚度，m；為迭代數(shù)。

其簡化形式為

兩邊取對數(shù)后可以寫為：

所以斜率為

利用Origin Pro 9.0軟件對所得到的不同條件下lnM與統(tǒng)計和線性擬合，求出斜率，并進一步計算D。

2 結果與分析

2.1 干燥特性

獼猴桃切片在不同溫度下干燥過程中的水分比和干燥速率隨時間的變化曲線如圖1所示。以3 mm切片獼猴桃樣品在不同溫度下的水分比及干燥速率曲線為例，由圖可知，同一厚度獼猴桃切片，溫度升高，干燥速率加快；不同含水率下，切片越薄，其飽和前的蒸汽量越高，干燥能力相對就越強[27]，所以提高熱風溫度和減小切片厚度有益于增加水分傳遞的速率。由圖1可知，干燥速率呈迅速增大的趨勢，隨后干燥速率逐漸減慢，干燥逐漸由表面氣化轉變?yōu)閮炔繑U散。在后期階段，干燥速率逐漸減小，因為水分擴散的阻力增加，導致水分遷移速率減小[28]。

圖1 3 mm切片獼猴桃樣品在不同溫度下的水分比及干燥速率曲線

2.2 干燥過程中內部水分分布狀態(tài)與遷移規(guī)律

2.2.1 橫向弛豫時間反演譜

根據多次試驗結果可知，在不同溫度及厚度下獼猴桃切片的2譜相似。由圖2獼猴桃切片樣品的2反演圖譜可知，3種波峰即對應3種水分狀態(tài)，進而得到各個橫向弛豫時間范圍，其中自由水的橫向馳豫時間23>100 ms、不易流動水22為10～100 ms、結合水21為1～10 ms。為了逐一對不同狀態(tài)含水率進行分析，3種形式的含水率分別表示為自由水23、不易流動水22、結合水21[29]。

圖2 不同厚度獼猴桃切片樣品T2反演圖譜

由圖3（以90 ℃下厚度為5 mm為例）獼猴桃切片的2圖譜可以看出，隨干燥過程的進行，圖中的峰都不斷減小，位置向結合水峰偏移。因為自由水的自由度大于不易流動水以及結合水，所以自由水最先被脫除，不易流動水以及結合水在隨后的干燥過程中也隨之逐漸被脫除[30]。除此之外，3種狀態(tài)的水分峰值面積均不斷減小，且前期降低的快，后期降低的較慢，甚至不變。為了研究各個狀態(tài)水分的遷移規(guī)律，對各狀態(tài)水分峰面積（自由水23、不易流動水22、結合水21）進行分步研究。

圖3 90 ℃下厚度5 mm獼猴桃切片的T2反演圖譜

2.2.2 自由水水分狀態(tài)

圖4為不同溫度下不同厚度獼猴桃切片的自由水峰面積23隨時間的變化曲線，由圖4可以看出，在70、80和90 ℃熱風干燥溫度下，同一溫度的不同厚度相比較，厚度為3 mm的切片的自由水最先脫除，厚度為5 mm的切片的自由水最后脫除。在3、4和5 mm切片厚度的條件下，同一厚度的同溫度進行比較可以發(fā)現(xiàn)，在任何一個厚度的條件下，90 ℃下自由水最先脫除，70 ℃下自由水最后脫除。這是由于切片越薄和溫度越高，在干燥過程中表面的水分氣化，物料由內到外形成的水分梯度較大，內部自由水擴散到表面的速率較快[31]。所以，隨著熱風干燥溫度的升高和獼猴桃切片厚度的變薄，獼猴桃內部脫去自由水所需的時間明顯減少。

圖4 干燥過程中3種不同溫度和厚度下的獼猴桃切片自由水峰面積變化曲線

2.2.3 不易流動水水分狀態(tài)

圖5為不同溫度下的不同厚度獼猴桃切片不易流動水峰面積22隨時間的變化曲線。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同干燥溫度和不同厚度條件下不易流動水的峰面積22均呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢。在3 mm厚度的獼猴桃切片中，不易流動水在70、80和90 ℃時分別經過50、40和30 min時升高到最大值。在4 mm厚度的獼猴桃切片中，不易流動水在70、80、90 ℃時分別經過60、50、40 min時升高到最大值。在5 mm厚度的獼猴桃切片中，不易流動水在70、80、90 ℃時分別經過70、60、50 min時升高至最大值。因為隨干燥逐漸進行，自由水狀態(tài)由無序逐漸變?yōu)橛行?，由分散逐漸變?yōu)槌纱兀灰琢鲃铀饾u由部分自由水轉變而成，繼續(xù)干燥下去，獼猴桃內部物質被酶逐漸分解，結合水中的一部分也變成了不易流動水[32]。隨著干燥的不斷進行，內部水分擴散逐漸進行，不易流動水越來越少[33]。

圖5 干燥過程中3種不同溫度和厚度獼猴桃切片不易流動水峰面積變化曲線

2.2.4 結合水水分狀態(tài)

由圖6干燥過程中結合水的變化可知，隨著干燥的不斷進行，在各個溫度和厚度中，結合水的峰面積21先增后減。當3 mm獼猴桃切片在70、80、90 ℃溫度時，分別在60、50、40 min時21增至最大；當4 mm獼猴桃切片在70、80、90 ℃溫度時，分別在70、60、50 min時21最大；當5 mm獼猴桃切片在70、80、90 ℃溫度時，分別在80、70、60 min時21最大。在干燥前期，擴散能力和自由水動能都不斷增強，獼猴桃內部一些有機物與部分自由水互相結合，從而導致結合水含量增多[34]。干燥后期獼猴桃內部一些物質被酶分解，結合水隨之變成不易流動水，進一步被脫除導致含量減少。

圖6 干燥過程中3種不同溫度和厚度獼猴桃切片結合水峰面積的變化曲線

對比結果可知，同一溫度不同厚度的獼猴桃切片厚度越大，不同的水分狀態(tài)所能達到的峰值越大。同一厚度不同溫度的獼猴桃切片溫度越高，各種水分狀態(tài)最先達到峰值。在整個干燥過程中，所有切片下的獼猴桃切片的部分自由水分別轉化為不易流動水和結合水，隨后，結合水轉化為不易流動水、不易流動水變?yōu)榻Y合水，這些往復變化伴隨著整個干燥過程。

2.3 水分有效擴散系數(shù)計算和模型擬合結果與分析

2.3.1D水分有效擴散系數(shù)的計算

由表1可得，在70、80、90 ℃的3個干燥溫度下，3 mm厚度的D由1.58×10-7m2/s增至1.95×10-7m2/s；4 mm厚度的D由1.68×10-7m2/s增至3.64×10-7m2/s；5 mm厚度的D由2.80×10-7m2/s增至4.18×10-7m2/s，因此水分擴散系數(shù)D受溫度和厚度的影響。擴散效率隨著溫度升高而增大，在實際的生產加工上，加工效益可通過升高溫度和降低切片厚度來提高。

表1 模型擬合及水分有效擴散系數(shù)

注：MR為水分比，為時間，min。

Note: MR is moisture ratio,is the time, min.

2.3.2 干燥動力學模型

根據不同干燥條件下的獼猴桃切片自由水峰面積23、不易流動水峰面積22和結合水峰面積21隨干燥時間的變化規(guī)律分別建立動力學模型。通過研究所得數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度不同厚度條件下的自由水、不易流動水和結合水3種水分的變化是經典非線性函數(shù)，不能進行線性擬合。通過Origin Pro 9.0分析軟件對3種狀態(tài)水分的變化數(shù)據進行曲線擬合，從而得到3種狀態(tài)水分隨干燥時間變化的動力學模型回歸方程及其參數(shù)。

由表2可知，厚度為4 mm的切片在90 ℃干燥溫度下自由水峰面積23、不易流動水峰面積22隨干燥時間變化的動力學模擬回歸方程的決定系數(shù)2分別為0.997和0.999，在70 ℃干燥溫度下結合水峰面積21的2最大為0.993，其對應的回歸方程擬合度最高。所以獼猴桃切片熱風干燥過程中任意時刻的水分變化及其分布能用該模型較為準確地預測，可為有效提升產品干燥質量以及不同水分狀態(tài)和不同時期的水分分布情況在整個過程中干燥過程中的變化提供數(shù)據參考。

表2 3種溫度條件下不同厚度獼猴桃切片的不同狀態(tài)水分隨時間變化的動力學回歸方程和模型參數(shù)

注：表示不同干燥溫度條件下的對應的23、22或21值；為干燥時間，min。

Note:represents the corresponding23、22or21values for drying conditions at different temperatures;is Drying time, min.

2.3.3 模型驗證

為了檢驗模型的準確性，通過3組平行試驗，在建模集以外2組數(shù)據中隨機任選1組進行模型驗證，將不同試驗條件下核磁信號測得的峰值與動力模型預測的峰值進行比較[35]。分別取自由水、不易流動水、結合水模型2值最大的試驗值與預測的理論值進行比較，如圖7。

圖7 獼猴桃切片三種水分狀態(tài)模型驗證

由圖7可以看出，獼猴桃切片在不同厚度與不同干燥溫度下所得的峰面積實際值與動力學模型預測的理論值接近，自由水、不易流動水和結合水模型的預測P分別為0.988、0.971和0.901，預測均方根誤差RMSEP分別為0.026、0.019和0.022。這說明不同狀態(tài)水分隨時間變化的的動力學模型能夠較準確地反應獼猴桃干燥過程中各種水分的變化，能對獼猴桃干燥過程水分的變化進行預測。

2.4 利用MLR模型預測獼猴桃切片的含水率

2反演圖譜能直觀地反映獼猴桃切片中水分子的存在形式及分布狀態(tài)，但不能根據弛豫圖譜對樣品中的水分進行定量分析。MLR模型可以準確地預測含水率[24]，多組分弛豫圖譜中信號峰的積分面積與樣品中所包含的氫質子數(shù)有關[36]，因此可通過建立峰面積與含水率關系MLR模型對獼猴桃切片中的含水率定量分析。

選擇干燥過程中自由水、結合水、不易流動水核磁峰值總和、厚度、溫度和時間，基于多元回歸分析建立獼猴桃切片含水率動力學模型：

=48.390 6+0.000 948 71?1.122 1492?

0.055 345 93?0.401 576 6（8）

式中為獼猴桃切片的含水率，%；1～3分別為自由水、結合水、不易流動水核磁峰值總和、厚度和溫度。所建立的獼猴桃切片多元回歸模型的擬合優(yōu)度即決定系數(shù)為0.982，模型的復測定決定系數(shù)為0.968，顯著性統(tǒng)計量（Significance）值為0.008，小于顯著性水平0.05，所建立的獼猴桃切片含水率回歸方程回歸效果顯著。

由圖8可以看出，MLR校正集相關系數(shù)C為0.995，說明實測含水率與預測含水率有較好的相關性，RMSEC為0.36 %，說明模型有較高的預測精度。MLR驗證集結果表明，實測含水率與預測含水率相關系數(shù)P為0.981，RMSEP為0.51 %，這說明低場核磁結合MLR模型能夠較準確地反映獼猴桃切片在熱風干燥過程中含水率的變化，能對獼猴桃切片干制過程進行預測。

圖8 獼猴桃切片MLR模型建立和驗證的散點分布圖

3 結 論

1）獼猴桃切片熱風干燥過程中，溫度和厚度對其干燥特性均有影響；干燥溫度越高和切片厚度越薄，則干燥時間越短。自由水、不易流動水和結合水為獼猴桃內部存在的3種水分狀態(tài)。在不同厚度下提高恒溫熱風干燥溫度和同一溫度下降低獼猴桃切片厚度，可以提高干燥速率。

2）厚度為4 mm的切片在90 ℃自由水峰面積23、不易流動水峰面積22隨干燥時間變化的動力學模擬回歸方程的決定系數(shù)2分別為0.997和0.999，在70 ℃結合水峰面積21最大為0.993，其對應的回歸方程擬合度最高。在3種水分狀態(tài)變化過程中，同一溫度不同厚度的獼猴桃切片厚度越大，不同的水分狀態(tài)所能達到的峰值越大。同一厚度不同溫度的獼猴桃切片溫度越高，各種水分狀態(tài)最先達到峰值，水分減少的速率越快。在整個干燥過程中，所有切片下的獼猴桃的部分自由水分別轉化為不易流動水和結合水，結合水轉化為不易流動水、不易流動水轉化為結合水，這些往復變化伴隨著整個干燥過程。獼猴桃切片的熱風干燥是降速干燥，70、80、90 ℃ 3種不同干燥溫度下，有效水分擴散系數(shù)D隨干燥溫度的升高而升高、切片厚度的增大而增大。

3）基于含水率與各種水分狀態(tài)的峰面積和關系建立多元線性回歸模型對獼猴桃切片的含水率做了定量檢測，預測結果R為0.981，RMSEP為0.51 %，所以運用核磁數(shù)據可以實現(xiàn)獼猴桃切片含水率預測，進而通過多元回歸分析建立獼猴桃切片干燥過程中含水率動力學模型，從而實現(xiàn)在干燥過程中對獼猴桃切片含水率的實時監(jiān)測。綜上所述，低場核磁共振技術結合數(shù)學模型可用于描述獼猴桃切片熱風干燥過程，研究結果可為獼猴桃熱風干燥工藝和過程設計提供理論依據。

[1]周勝男. 陜西省獼猴桃產業(yè)投入產出分析[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2013.

Zhou Shengnan. Input-output Analysis of Kiwifruit Industry in Shanxi Provice[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[2]謝彩云，范國華. 獼猴桃開發(fā)研究進展[J]. 貴州農業(yè)科學，1996(6)：64-65.

Xie Caiyun, Fan Guohua. Advance of exploitation researchin chinese gooseberry[J]. Guizhou Agricultural Science, 1996(6): 64-65.(in Chinese with English abstract)

[3]白俊青，李銳，羅安偉，等. 獼猴桃貯藏保鮮技術研究進展[J]. 食品研究與開發(fā)，2018，39(17)：219-224.

Bai Junqing, Li Rui, Luo Anwei, et al. Research advance on storage and preservation technology for kiwifruit [J]. Food Research and Development, 2018, 39(17): 219-224. (in Chinese with English abstract)

[4]侯培軍，劉怡菲，孟凡金，等. 不同干燥方式對軟棗獼猴桃品質的影響[J]. 遼寧林業(yè)科技，2019(2)：14-17.

Hou Peijun, Liu Yifei, Meng Fanjin, et al. Influence of different desiccating methods on fruit quality of actinidia arguta[J]. Liaoning Forestry Science and Technology, 2019(2): 14-17. (in Chinese with English abstract)

[5]魏麗紅，翟秋喜. 軟棗獼猴桃真空冷凍干燥條件的篩選[J].遼寧農業(yè)職業(yè)技術學院學報，2019，21(5)：7-9.

Wei Lihong, Zhai Qiuxi. Study on the optimum vacuum freeze-drying conditions for kiwifruit fruits[J]. Journal of Liaoning Agricultural Vocational and Technical College, 2019, 21(5): 7-9. (in Chinese with English abstract)

[6]宋一凡，陳海峰，袁越錦. 獼猴桃CO2-低溫高壓滲透膨化干燥工藝優(yōu)化[J]. 食品科學，2020，41(4)：229-234.

Song Yifan, Chen Haifeng, Yuan Yuejin. Optimization of CO2-low temperature high pressure permeation drying process of kiwifruit[J]. Food Science, 2020, 41(4): 229-234. (in Chinese with English abstract)

[7]周旭. 獼猴桃切片的射頻真空及熱風聯(lián)合干燥研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2019.

Zhou Xu. Developing Radio Frequency-Vacuum and Combined Dehydration with Hot Air Drying for Kiwifruit Slices[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[8]張萌，段續(xù)，任廣躍，等. 預處理方式對熱風干燥玫瑰花瓣品質特性的影響[J]. 食品與機械，2020，36(1)：204-209，229.

Zhang Meng, Duan Xu, Ren Guangyue, et al. Effects of different pretreatment methods on the quality characteristics of red rose by hot air drying[J]. Food & Machinery, 2020, 36(1): 204-209, 229. (in Chinese with English abstract)

[9]石芳，肖星凝，楊雅軒，等. 基于低場核磁共振技術研究不同熱風干燥工藝條件下香菇復水過程中的水分傳遞特性[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2017，43(10)：144-149.

Shi Fang, Xiao Xingning, Yang Yaxuan, et al. Characterization of moisture transfer inrehydration process for dried mushroom (Lentinus edodes) by different drying methods[J]. Food and Fermentation Industry, 2017, 43(10): 144-149. (in Chinese with English abstract)

[10]文靜，代建武，張黎驊. 蘋果片微波間歇干燥特性及模型擬合[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2019，45(4)：81-88.

Wen Jing, Dai Jianwu, Zhang Lihua. Microwave intermittent drying characteristics and model fitting for apple slices[J]. Food and Fermentation Industry, 2019, 45(4): 81-88. (in Chinese with English abstract)

[11]王雪媛，高琨，陳芹芹，等. 蘋果片中短波紅外干燥過程中水分擴散特性[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(12)：275-281.

Wang Xueyuan, Gao Kun, Chen Qinqin, et al.Water diffusion characteristics of apple slices during short and medium-wave infrared drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 275-281. (in Chinese with English abstract)

[12]石芳，肖星凝，楊雅軒，等. 基于低場核磁共振技術研究不同熱風干燥工藝條件下香菇復水過程中的水分傳遞特性[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2017，43(10)：144-149.

Shi Fang, Xiao Xingning, Yang Yaxuan, et al. Characterization of moisture transfer inrehydration process for dried mushroom (Lentinus edodes) by different drying methods[J]. Food and Fermentation Industry, 2017, 43(10): 144-149. (in Chinese with English abstract)

[13]孫炳新，趙宏俠，馮敘橋，等. 基于低場核磁和成像技術的鮮棗貯藏過程水分狀態(tài)的變化研究[J]. 中國食品學報，2016，16(5)：252-257.

Sun Bingxin, Zhao Hongxia, Feng Xuqiao, et al. Studies on the change of moisture state of fresh jujube during storage base on LF-NMR and MRI[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2016, 16(5): 252-257. (in Chinese with English abstract)

[14]馬彥寧，錢建強，回朝陽，等. 油料種子含油含水率的CPMG序列核磁共振測量[J]. 大學物理，2018，37(7)：78-81.

Ma Yanning, Qian Jianqiang, Hui Chaoyang, et al. The NMR measuring of oil and moisture content of oil seeds based on the CPMG sequence[J]. College Physics, 2018, 37(7): 78-81. (in Chinese with English abstract)

[15]Pitombo Ronaldo N M, Lima Guilherme A M R. Nuclear magnetic resonance and water activity in measuring the water mobility in Pintado (Pseudoplatystoma corruscans) fish[J]. Journal of Food Engineering, 2003, 58(1): 59-66.

[16]林蓉. 基于低場核磁共振及成像技術研究低溫貯藏條件下蝦的水分遷移和品質變化[C]武漢：中國食品科學技術學會.中國食品科學技術學會第十六屆年會暨第十屆中美食品業(yè)高層論壇論文摘要集. 2019：411-412.

Lin Rong. Water Migration and quality changes of shrimp during low-temperature storage were studied by low-field nuclear magnetic resonance imaging[C] Wu Han: Chinese Institute of Food Science and Technology. Abstracts of the 16th annual meeting of Chinese Society for Food Science and Technology and the 10 th china-us Food Industry Forum. 2019: 411-412. (in Chinese with English abstract)

[17]Caballero Daniel, Caro Andrés, Rodríguez Pablo G, et al. Modeling salt diffusion in Iberian ham by applying MRI and data mining[J]. Journal of Food Engineering, 2016, 189: 115-122.

[18]Xu Zheng, Morris Robert H, Bencsik Martin, et al. Detection of virgin olive oil adulteration using low field unilateral NMR[J]. Sensors, 2014, 14(2): 2028-2035.

[19]Carneiro C D S, Mársico E T, Resende Ribeiro R D O, et al. Low-field uuclear magnetic resonance (LF NMR 1H) to assess the mobility of water during storage of salted fish (sardinella brasiliensis)[J]. Journal of Food Engineering, 2016, 169: 321-325.

[20]Heude C, Lemasson E, Elbayed K, et al. Rapid assessment of fish freshness and quality by 1H HR-MAS NMR spectroscopy[J]. Food Analytical Methods, 2015, 8(4): 907-915.

[21]王姝雯，陳貞，陳虹宏，等. 不同干燥過程中預糊化黑米的水分變化規(guī)律及對其蒸煮品質的影響研究[J]. 食品科技，2020，45(1)：225-231.

Wang Shuwen, Chen Zhen, Chen Honghong, et al. Study on the change rule of moisture of pre-gelatinized black rice in different drying processes and its effect on cooking quality[J]. Food Science & Technology, 2020, 45(1): 225-231. (in Chinese with English abstract)

[22]白喜婷，侯亞玲，朱文學，等. 全蛋液雙頻超聲真空干燥與水分遷移規(guī)律研究[J]. 農業(yè)機械學報，2020，51(1)：322-330.

Bai Xiting, Hou Yaling, Zhu Wenxue, et al. Double-frequency ultrasonic vacuum drying and moisture migration of whole egg liquid[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(1): 322-330. (in Chinese with English abstract)

[23]周四晴，段續(xù)，任廣躍，等. 厚度控制對懷山藥遠紅外干燥過程中水分遷移的影響[J]. 食品與機械，2019，35(12)：75-81.

Zhou Siqing, Duan Xu, Ren Guangyue, et al. Effect of thickness on moisture transfer during far-infrared drying of dioscorea opposite[J]. Food & Machinery, 2019, 35(12): 75-81. (in Chinese with English abstract)

[24]蓋圣美，張中會，游佳偉，等. 低場核磁共振技術結合化學計量學方法定性、定量檢測注水豬肉[J]. 食品科學，2020，41(4)：243-247.

Gai Shengmei, Zhang Zhonghui, You Jiawei, et al. Qualitative and quantitative detection of water-injected pork using low-field nuclear magnetic resonance combined with chemometrics[J]. Food Science, 2020, 41(4): 243-247. (in Chinese with English abstract)

[25]Pereira Fabíola Manhas Verbi, Carvalho André de Souza, Cabe?a Luís Fernando, et al. Classification of intact fresh plums according to sweetness using time-domain nuclear magnetic resonance and chemometrics[J]. Microchemical Journal, 2013, 108(3): 14-17.

[26]宋平. 基于低場核磁共振技術的水稻浸種過程種子水分檢測研究[D]. 沈陽：沈陽農業(yè)大學，2016.

Song Ping. Study of Water Contect Detection in the Rice Seed Soaking Process Based on Low Field NMR Techniques[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[27]巨浩羽，肖紅偉，鄭霞，等. 干燥介質相對濕度對胡蘿卜片熱風干燥特性的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(16)：296-304.

Ju Haoyu, Xiao Hongwei, Zheng Xia, et al. Effect of hot air relative humidity on drying characteristics of carrot slabs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 296-304. (in Chinese with English abstract)

[28]尹慧敏，聶宇燕，沈瑾，等. 基于Weibull分布函數(shù)的馬鈴薯丁薄層熱風干燥特性[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(17)：252-258.

Yin Huimin, Nie Yuyan, Shen Jin, et al. Drying characteristics of diced potato with thin-layer by hot-wind based on Weibull distribution function[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 252-258. (in Chinese with English abstract)

[29]徐建國，張森旺，徐剛，等. 蓮子薄層熱風干燥特性與水分變化規(guī)律[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(13)：303-309.

Xu Jianguo, Zhang Senwang, Xu Gang, et al. Thin-layer hot air drying characteristics and moisture diffusivity of lotus seeds [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 303-309. (in Chinese with English abstract)

[30]張緒坤，祝樹森，黃儉花，等. 用低場核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內部水分變化[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28(22)：282-287.

Zhang Xukun, Zhu Shusen, Huang Jianhua, et al. Analysis of moisture change in carrot slices during drying process by low-field nuclear magnetic resonance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(22): 282-287. (in Chinese with English abstract)

[31]邵小龍，汪楠，時小轉，等. 水稻生長過程中籽粒水分狀態(tài)和橫向弛豫特性分析[J]. 中國農業(yè)科學，2017，50(2)：240-249.

Shao Xiaolong, Wang Nan, Shi Xiaozhuan, et al. Analysis of moisture state and transverse relaxation characteristics of grains during the growth process of rice[J].Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(2): 240-249. (in Chinese with English abstract)

[32]姚康德，劉靜. 聚合物中的水[J]. 高分子材料科學與工程，1999(1)：6-10.

Yao Kangde, Liu Jing. Water in polymers[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 1999(1): 6-10. (in Chinese with English abstract)

[33]Lv Weiqiao, Zhang Min, Bhandari Bhesh, et al. Smart NMR method of measurement of moisture content of vegetables during microwave vacuum drying[J]. Food and Bioprocess Technology, 2017, 10(12): 2251-2260.

[34]朱文學，尤泰斐，白喜婷，等. 基于低場核磁的馬鈴薯切片干燥過程水分遷移規(guī)律研究[J]. 農業(yè)機械學報，2018，49(12)：364-370.

Zhu Wenxue, You Taifei, Bai Xiting, et al. Analysis of moisture transfer of potato slices during drying using low-field NMR[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(12): 364-370. (in Chinese with English abstract)

[35]李葉貝，任廣躍，曲展平，等. 馬鈴薯小麥復合面條熱泵干燥特性及數(shù)學模型的研究[J]. 中國糧油學報，2019，34(10)：7-15.

Li Yebei, Ren Guangyue, Qu Zhanping, et al. Heat pump drying characteristics and mathematical model of potato wheat compound noodle[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2019, 34(10): 7-15. (in Chinese with English abstract)

[36]Long C, Tian Y Q, Sun B H, et al. Rapid, accurate, and simultaneous measurement of water and oil contents in the fried starchy system using low-field NMR[J]. Food Chemistry, 2017, 233: 525-529.

Model for predicting the moisture content of kiwifruit slices during hot air drying based on low-field nuclear magnetic resonance

Li Liang, Cheng Xiufeng, Yang Shangxiong, Luo Zhang※, Liu Zhendong

(,&,860000,)

An experiment has been designed to investigate the drying features of kiwi slices with the thickness of 3, 4, 5 mm, during hot-air drying at different drying temperatures (70, 80 and 90 ℃), in order to understand the internal migration of moisture in the drying kiwi slices for the food production. A low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) method was used to characterize the internal distribution of moisture and its change rules in the drying kiwi slice during hot-air drying. The moisture in kiwi slices was also determined according to the national standard GB5009.3-2016 “Determination of moisture in foods”. A dynamic model was then established based on the obtained moisture-time data that verified and predicted in this experiment. The results indicated that the hot-air drying process of kiwi slices started with external control step, and then changed to internal diffusion control. The effective diffusion coefficient of moisture ranged from 1.58×10-7to 4.18×10-7m2/s, and the diffusion efficiency increased with the increase of temperature. The rise of temperature can significantly increase the drying rate of kiwi slices, and thereby accelerate the migration of combined water, immobilized water, and free water. Specifically, the free water and combined water changed before the immobilized water, and the content of free water gradually decreased in the early stage of drying. In this process, the contents of immobilized water and combined water both presented a trend of first increase, and then decrease. Upon the removal of the free water, the immobilized water and combined water successively reached the maximum. Thereafter, as the drying continued, the immobilized water was gradually removed, while the content of combined water started to decline until the end. The part of free water in kiwi slices was first converted into the immobilized and the combined water, which could be converted into each other, thereby to form a cycle reciprocates with the entire drying process. A multiple linear regression (MLR) model was established to quantitatively detect the moisture content in kiwi slices during the drying process. In this model, the correlation coefficient of prediction (R) and root mean square error of prediction (RMSEP) reached 0.981 and 0.51% respectively. In the NMR data, taking the slice thickness and drying temperature as the independent variables, and the moisture content of the kiwi slice as the dependent variable, a multiple linear regression analysis was carried out to establish a dynamic model of moisture content, where, the goodness of fit of the model was 0.982. The results demonstrated that the low-field NMR combined with mathematical model can be used to clarify the hot-air drying process of kiwi slices, in order to achieve rapid and non-destructive detection of moisture content during the drying process. The finding can provide a sound theoretical basis for the hot-air drying process to effectively improve the production design of kiwi slices.

hot air drying; models; kiwifruit; moisture transfer; low-field nuclear magnetic resonance

李梁，程秀峰，楊尚雄，等. 基于低場核磁共振的熱風干燥獼猴桃切片含水率預測模型[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(10)：252-260.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.031 http://www.tcsae.org

Li Liang, Cheng Xiufeng, Yang Shangxiong, et al. Model for predicting the moisture content of kiwifruit slices during hot air drying based on low-field nuclear magnetic resonance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 252-260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.031 http://www.tcsae.org

2019-11-23

2020-05-07

食品保藏原理課程建設項目（502219031）；西藏自治區(qū)特色農產品加工與貯藏團隊項目；西藏農牧學院食品科學與工程學科建設（502218009）；中央支持地方高校改革發(fā)展項目-2018年農畜加工關鍵技術研發(fā)（503118004）；中國農業(yè)大學對口支援西藏農牧學院項目（2019TC154）

李梁，講師，研究方向為高原特色農產品加工。Email：jwllok@sina.com

羅章，藏族，教授，研究方向為高原特色農產品加工。Email：luozhang1759@xza.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.031

TS255.36

A

1002-6819(2020)-10-0252-09