胡蘿卜薄片紅外干燥光學(xué)特性研究

劉玉輝 李騰訓(xùn) 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)

0 引言

紅外輻射加熱具有能量利用率高、干燥速率快、加熱均勻、熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)[1]，在果蔬干燥領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[2]。目前，利用紅外輻射對(duì)果蔬干燥的研究主要集中在提升干燥效率、降低能耗和提高干制品品質(zhì)等方面[3-15]，這些研究主要從宏觀上探索如何利用紅外光能優(yōu)化果蔬干制品的品質(zhì)和提高對(duì)紅外輻射能的利用率，而對(duì)紅外線與果蔬組織之間光學(xué)作用機(jī)理的研究較少，沒有從微觀上對(duì)紅外線在物料中的反射、散射和吸收特征進(jìn)行深入細(xì)致的分析，故無法從根本上揭示紅外輻射干燥的內(nèi)在機(jī)理。

紅外輻射干燥是紅外輻射能最終轉(zhuǎn)化為物料的內(nèi)能、并在物料內(nèi)部進(jìn)行傳遞與耗散的過程[16]。果蔬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所含物質(zhì)種類繁雜多樣，很難通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)紅外線在果蔬中的傳遞特性進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，對(duì)光與物料進(jìn)行的干涉與衍射、偏振與色散等作用機(jī)理和作用效果也很難進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。本文基于紅外線對(duì)果蔬的微觀作用機(jī)理，研究分析紅外輻射能轉(zhuǎn)化為果蔬內(nèi)能的機(jī)制。

胡蘿卜含水率高、所含成分復(fù)雜，對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折光率，且其中所含種類繁多的原子以及復(fù)雜多變的化學(xué)鍵，對(duì)不同波段紅外線的吸收以及紅外線在物料中傳輸過程的阻尼狀態(tài)，都具有復(fù)雜的形式[17]。本文選用胡蘿卜為研究對(duì)象，通過測(cè)量與分析胡蘿卜干燥過程中的外觀品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特征、光譜特性、超微結(jié)構(gòu)、能耗、可溶性固形物含量以及含水率的變化規(guī)律，分析各指標(biāo)與紅外線之間的作用特性和關(guān)聯(lián)性，從而探索紅外線在物料中的傳播規(guī)律和光學(xué)機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

紅森胡蘿卜，購自山東省淄博市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，新鮮，品質(zhì)優(yōu)良。

YHG-500-BS型遠(yuǎn)紅外恒溫干燥箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；DHG-0246A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；TP-114型電子天平(量程220 g，精度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；打孔器；與試驗(yàn)樣品直徑一致的模具；Quanta250型掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI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；FW100型高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；TGL-20M型高速冷凍離心機(jī)，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；TA.XT2i/50型質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；Labspec 4型全光譜儀(光譜范圍350～2 500 nm；400～1 000 nm，分辨率3 nm；1 000～2 500 nm，分辨率6 nm；IRIS-L50型鹵素?zé)?50 W石英鹵素?zé)?，可調(diào)光，光源可變高及角度)；計(jì)算機(jī)等部件)，美國ASD公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1濕基含水率

胡蘿卜薄片的切割、紅外干燥和濕基含水率測(cè)定方法均參照文獻(xiàn)[18]。

1.2.2全光譜成像數(shù)據(jù)的采集與標(biāo)定

開機(jī)，預(yù)熱30 min，打開R3軟件，確認(rèn)聯(lián)網(wǎng)；打開“Control”菜單的“Spectrum Save”選項(xiàng)，設(shè)置參數(shù)；打開“Control”菜單的“Adjust Configuration”選項(xiàng)，設(shè)置參數(shù)；將光譜儀探頭對(duì)準(zhǔn)白板，點(diǎn)擊“OPT”圖標(biāo)優(yōu)化光譜儀的積分時(shí)間，點(diǎn)擊“WR”圖標(biāo)，儀器會(huì)自動(dòng)重新采集暗電流，幾秒鐘之后界面上顯示一條反射率為1的平直線，按空格鍵存儲(chǔ)當(dāng)前的光譜曲線。把光譜儀光纖探頭瞄準(zhǔn)胡蘿卜樣品的數(shù)據(jù)采集部位，此時(shí)界面上顯示的就是被采集部位相對(duì)反射率光譜線，按空格鍵存儲(chǔ)當(dāng)前的光譜曲線。

1.2.3超微結(jié)構(gòu)觀察與測(cè)定

胡蘿卜的微觀結(jié)構(gòu)觀察與測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]。

1.2.4可溶性固形物含量測(cè)定

取2.5 g胡蘿卜切碎加入5 mL離心管中，放入冷凍研磨機(jī)以2 000 r/min研磨10 min(12個(gè)樣可以同時(shí)磨)，將鋼珠取出，倒入3 mL離心管，用石英砂配平，以8 000 r/min離心5 min，用吸管吸取上層懸浮液滴于手持折光儀鏡片上，用手持折光儀讀數(shù)并記錄。

1.2.5質(zhì)構(gòu)測(cè)定

取干燥時(shí)間1.5 h無翻動(dòng)的橫切樣品，用直徑10 mm的打孔器在胡蘿卜的髓部和皮層部打孔，形成圓柱體小丁，采用TA.XT2i/50型質(zhì)構(gòu)儀，HDP/BSK型探頭，設(shè)置探頭測(cè)試前、測(cè)試中、測(cè)試后的速度分別為2.0、1.0、1.0 mm/s，記錄測(cè)試過程中的時(shí)間-應(yīng)力曲線。對(duì)樣品進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)分析，觸發(fā)力5 kg，每組試樣重復(fù)測(cè)定5次。胡蘿卜的硬度用第1次壓縮變形30%的峰值力(N)表示[20]。

1.2.6干燥能耗

將胡蘿卜橫向切成厚度3.5 mm的薄片，取樣550 g，用紅外輻射加熱系統(tǒng)(物料表面溫度分別為50、55、60、65、70、75、80、85℃，輻照距離30 cm，功率1 200 W)對(duì)物料進(jìn)行干燥。每隔30 min(含水率降至20%后，每隔15 min)取樣一次并稱量，再將所取樣品置于105℃熱風(fēng)恒溫箱內(nèi)，干燥至濕基含水率降至8.7%時(shí)，停止試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

胡蘿卜單位能耗表征每蒸發(fā)胡蘿卜內(nèi)單位質(zhì)量的水分需要消耗的電能[21]，計(jì)算公式為

(1)

式中N——干燥能耗，MJ/kg

W——額定輸入功率，kW

t——干燥時(shí)間，h

G——去除水分的質(zhì)量，kg

2 結(jié)果與分析

2.1 干制品的外觀品質(zhì)

圖1為在干燥溫度60℃條件下物料在試驗(yàn)過程中的外觀品質(zhì)。

由圖1a可以看出，在干燥過程中，每隔0.5 h對(duì)物料翻動(dòng)1次，干物料平整、舒展，皺縮度低，未經(jīng)翻動(dòng)的樣品髓部向上突出，皮層部向下突出。由圖1b可以看出，熱風(fēng)干燥的物料褐變不明顯，紅外干燥的物料褐變度較高，且髓部的褐變度高于皮層部。由圖1c可以看出，干物料的褐色在復(fù)水后褪去，說明褐變產(chǎn)物溶于水。由圖1d可以看出，干燥過程中，物料髓部逐漸向上突出，皮層部逐漸向下凹陷，說明在同一時(shí)間點(diǎn)上，髓部下表面含水率下降快，收縮應(yīng)力高于上表面，皮層部恰好相反，上表面含水率下降快，收縮應(yīng)力高于下表面，在兩表面不均衡應(yīng)力的作用下，薄片發(fā)生扭曲變形。干燥時(shí)間為4 h時(shí)，出現(xiàn)明顯褐變現(xiàn)象，測(cè)定此時(shí)物料的濕基含水率約為20%，具有典型的美拉德反應(yīng)特征[22]。

2.2 干燥過程中物料的質(zhì)構(gòu)特征

取干燥時(shí)間1.5 h無翻動(dòng)的物料，對(duì)髓部和皮層部分別做3組重復(fù)的全質(zhì)構(gòu)分析(TPA)試驗(yàn)，得表1所示數(shù)據(jù)。在TPA各項(xiàng)指標(biāo)中，與含水率相關(guān)的硬度指標(biāo)存在顯著性差異。由于新鮮果蔬中含水率越高，硬度越大[8]，因此，在干燥時(shí)間為1.5 h時(shí)，髓部上表面的含水率高于下表面，皮層部下表面的含水率高于上表面。

表1 紅外干燥1.5 h時(shí)胡蘿卜樣品的TPA指標(biāo)Tab.1 TPA index of carrot sample after infrared drying for 1.5 h

2.3 光譜特征

對(duì)樣品進(jìn)行全光譜數(shù)據(jù)采集，得到圖2所示的反射率圖譜。

由圖2a可知，在含水率相同的條件下，髓部對(duì)任意波段光的反射率都低于皮層部，說明髓部和皮層部表面結(jié)構(gòu)的差異對(duì)光反射率的影響比較明顯；在相同部位，含水率越高，物料表面對(duì)任意波段光的反射率越低；物料對(duì)600～1 200 nm波段比對(duì)1 800～2 500 nm波段光的反射率高，說明短波光與長(zhǎng)波光在物料表面的作用機(jī)理存在差異。由圖2b可以看出，無論是髓部還是皮層部，橫切樣品在相同區(qū)域?qū)獾姆瓷渎识几哂诳v切樣品；無論是采用橫切方式還是縱切方式，髓部對(duì)光的反射率都低于皮層部。

研究資料表明：水對(duì)980 nm波長(zhǎng)光譜的吸收能力較其它物質(zhì)敏感，對(duì)1 100、1 380、1 870 nm波長(zhǎng)附近紅外線有更高的吸收率系數(shù)[23]。從圖2的反射率譜線可以看出，物料在950、1 200、1 400、1 800 nm附近的近紅外波段存在吸收峰，這幾個(gè)吸收峰的位置與水的吸收特征譜線具有較高的吻合度，因此可以認(rèn)為胡蘿卜內(nèi)部成分對(duì)紅外輻射吸收占主導(dǎo)作用的是水分。

2.4 超微結(jié)構(gòu)

若研究物料與紅外線的作用機(jī)制，需對(duì)物料的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在表面溫度60℃條件下經(jīng)紅外干燥后的物料髓部和皮層部的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)和鮮物料透射電子顯微鏡(TEM)圖像分別如圖3、4所示。

由圖3可以看出，相對(duì)于皮層部，髓部干樣品孔隙壁平整度高，孔隙排列規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，孔隙內(nèi)部空間大，閉合孔隙數(shù)量少；髓部孔隙更好地保留了原生態(tài)的空間架構(gòu)，孔隙形狀大致呈方管或圓管狀直通狀態(tài)，孔隙迂曲度低，孔隙尺寸和比面都比較大，通透度高；與橫切樣品相比，縱切樣品的表面平整，結(jié)構(gòu)致密，僅在髓部有少量孔隙，皮層部孔隙結(jié)構(gòu)不明顯。

由圖4可以看出，髓部細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器較少且發(fā)育不完全，整個(gè)細(xì)胞膜內(nèi)空間幾乎被液泡占滿，細(xì)胞器被細(xì)胞膜和液泡膜限定于緊鄰細(xì)胞壁的狹小區(qū)域內(nèi)，細(xì)胞在總體上呈水球形態(tài)；皮層部細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器清晰可見，細(xì)胞器占空比較大，呈顆粒狀，較小顆粒的直徑約為0.1 μm，較大顆粒物直徑在1 μm以上，細(xì)胞呈水球中摻雜大量雜質(zhì)的形態(tài)。

2.5 可溶性固形物含量

盡管細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)容物對(duì)光線的折射系數(shù)差異影響較大，不易對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，但水溶液所含溶質(zhì)的濃度會(huì)影響溶液的折光率[24]，由于胡蘿卜所含物質(zhì)除水外，主要是蛋白質(zhì)、淀粉、葡萄糖、纖維素及其它碳水化合物，無機(jī)鹽類物質(zhì)含量較少，所以，胡蘿卜中水溶液的溶質(zhì)主要是以可溶性糖類為主的固形物。對(duì)新鮮胡蘿卜的髓部和皮層部所含可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2 髓部和皮層部可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fraction of soluble solids in medulla and cortex %

由表2中可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異可以看出，新鮮胡蘿卜髓部的可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于皮層部，說明髓部的水溶液濃度低于皮層部。這與髓部細(xì)胞內(nèi)液泡體積較大和細(xì)胞器數(shù)量較少、體積較小的特點(diǎn)相吻合。由于濃度高的液體具有較高的折光率，因此，皮層部比髓部對(duì)紅外線的折光能力強(qiáng)。

2.6 干燥溫度對(duì)單位能耗的影響

在功率、輻照距離和物料質(zhì)量均相同的情況下，分別在表面絕對(duì)溫度為323.15、328.15、333.15、338.15、343.15、348.15、353.15、358.15 K條件下對(duì)物料進(jìn)行紅外干燥，運(yùn)用式(1)進(jìn)行運(yùn)算，得到表3所示的單位能耗與干燥溫度的關(guān)系。

表3 單位能耗與干燥溫度的關(guān)系Tab.3 Relationship between unit energy consumption and drying temperature

由表3可以看出，干燥溫度越高，單位能耗越低，二者存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，干燥溫度越高，差異越明顯，說明隨著干燥溫度升高，干燥箱體溫度升高吸收的能量、干燥箱向外部環(huán)境散失的能量均增大，致使測(cè)量誤差隨溫度升高而增大。

由黑體輻射的光譜輻射出射度公式[25]可知光譜輻射出射度峰值與絕對(duì)溫度的5次方成正比，公式為

Mbλm=BT5

(2)

式中Mbλm——輻射出射度峰值，W/(m2·μm)

B——常數(shù)，取1.286 7×10-11W/(m2·μm·K5)

T——絕對(duì)溫度，K

由表3可以得出，紅外干燥的單位能耗與物料表面絕對(duì)溫度的5次方呈線性負(fù)相關(guān)，在50～85℃范圍內(nèi)，溫度越高，干燥速率越快，單位能耗越低，與式(2)相吻合。

3 理論分析與討論

3.1 散射的影響

根據(jù)胡蘿卜細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)顆粒物均抽象為球形模型，將紅外光場(chǎng)分解為入射場(chǎng)、散射場(chǎng)和球內(nèi)場(chǎng)，則散射問題可以歸結(jié)為散射體(細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)顆粒狀物質(zhì))對(duì)入射光的衍射、入射光在散射體表面的反射以及光線進(jìn)入散射體內(nèi)部形成的折射3部分[24]。

當(dāng)入射光波長(zhǎng)與散射體直徑相近時(shí)，滿足米氏散射條件。根據(jù)米氏散射理論，散射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)、散射體的關(guān)系[26-27]為

(3)

式中I(θ)——散射光強(qiáng)，cd

I0——入射光強(qiáng)，cd

S1(θ)、S2(θ)——散射光的振幅函數(shù)

θ——散射角，rad

r——光源與散射體的距離，μm

λ——入射光波長(zhǎng)，μm

從式(3)可以看出，米氏散射的散射強(qiáng)度與頻率的2次方成正比，前向散射光強(qiáng)度高于后向，后向散射光強(qiáng)度高于側(cè)向，方向性特征明顯[28-29]；入射光波長(zhǎng)越小,散射光能量越集中分布在散射角較小的范圍內(nèi)，相對(duì)折射率的變化對(duì)散射光分布的影響不大，不同半徑散射體的散射光強(qiáng)的分布差異較大[24]。

由圖4可知，盡管胡蘿卜細(xì)胞大小不等，但總體上細(xì)胞直徑在10 μm左右，細(xì)胞內(nèi)大顆粒物的尺寸在1 μm左右。當(dāng)入射光波長(zhǎng)位于100～1 000 nm之間時(shí)，盡管在胡蘿卜皮層部的散射具有較強(qiáng)的前向性，但后向的強(qiáng)度同樣不容忽視，而該波段光線在照射髓部時(shí)，由于缺少散射必需的顆粒物作散射體，因此，該波段光線在髓部的米氏散射較弱，這是圖2a光譜曲線上皮層部比髓部在100～1 000 nm波段反射率高的主要原因。

當(dāng)入射光波長(zhǎng)達(dá)到甚至超過顆粒物直徑的10倍時(shí)，由于顆粒物的直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，散射體內(nèi)的球內(nèi)場(chǎng)在相位上與球外場(chǎng)的區(qū)別可以忽略，光波通過散射顆粒所需要的時(shí)間積累可以忽略，散射微粒形成電偶極子，振蕩頻率與入射光相同，所發(fā)射子波即為散射波，此時(shí)，米氏散射可近似為瑞利散射，近似散射光強(qiáng)分布[24]為

(4)

式中a——細(xì)胞器顆粒半徑，μm

m——細(xì)胞器顆粒與細(xì)胞質(zhì)液體之間的相對(duì)折射率

由式(4)可以看出，瑞利散射光強(qiáng)的角分布特征對(duì)所有大小和折射率的顆粒都相同，前向散射與后向散射呈對(duì)稱性；散射光強(qiáng)與顆粒粒徑的6次方成正比；散射光強(qiáng)與入射波長(zhǎng)4次方成反比。

對(duì)照?qǐng)D4可知，波長(zhǎng)在1～10 μm范圍內(nèi)的紅外線在物料中會(huì)存在米氏散射，波長(zhǎng)在10～100 μm范圍內(nèi)的紅外線在物料中主要表現(xiàn)為瑞利散射。由于皮層部顆粒物數(shù)量多，因此，波長(zhǎng)在1～10 μm之間的光在皮層部的瑞利散射比髓部明顯，表現(xiàn)為圖2a光譜曲線上皮層部比髓部對(duì)1 μm以上波段光反射率高。

由于瑞利散射在不同方向上均有散射光線，因此，在垂直于光的傳播方向上的散射光仍然具有較強(qiáng)的能量。因此，兩種散射方式相比，發(fā)生在長(zhǎng)波段的瑞利散射作用效果更明顯，表現(xiàn)為散射光的大部分散射能量最終會(huì)被皮層部上表面附近的物料吸收，轉(zhuǎn)化為該部位物料的內(nèi)能，皮層部上層獲得的能量高于下層。當(dāng)上層水分與物料分離的速率高于下層水分向上傳遞的速率時(shí)，下層含水率就會(huì)高于上層，表現(xiàn)為表1中皮層部下表面硬度高于上表面。

由于髓部顆粒物含量較少，兩種散射的影響都較弱，紅外線在髓部表現(xiàn)出更強(qiáng)的穿透性。在水分遷移過程中，當(dāng)上層水的散失量與下層水的輸入量之差小于下層水向上的遷移量時(shí)，下層的含水率就低于上層，此時(shí)表現(xiàn)為上表面的硬度高于下表面。

3.2 水對(duì)紅外線的吸收作用

3.2.1水的光譜吸收特征

由于新鮮胡蘿卜的濕基含水率高達(dá)89%～91%[30]，需要分析紅外線與水作用的機(jī)理，充分發(fā)揮水對(duì)紅外線的廣譜吸收作用，提高胡蘿卜干燥效率和提升干制品的品質(zhì)。文獻(xiàn)[31]發(fā)現(xiàn)在3 900～3 600 cm-1(伸縮振動(dòng))和1 800～1 400 cm-1(彎曲振動(dòng))區(qū)間，水對(duì)垂直偏振光吸收較強(qiáng)，對(duì)水平偏振光吸收較弱。文獻(xiàn)[32-33]發(fā)現(xiàn)水和離子溶液在低頻范圍內(nèi)的特征峰包括60 cm-1氫鍵彎曲、200 cm-1氫鍵伸縮和600 cm-1分子擺動(dòng)，在液體狀況下這些氫鍵還以皮秒量級(jí)的速度不停地?cái)嗔?形成，與此同時(shí)，水分子在液體狀態(tài)下還以皮秒量級(jí)的速度在旋轉(zhuǎn)，此外氫原子的量子效應(yīng)也在其中發(fā)揮著作用。由圖5[25]可以看出，除去300～900 nm波段的光存在一個(gè)吸收低谷外，其余波段的光波均能夠被水強(qiáng)烈吸收。在水中大量氫鍵的作用下，水的比熱容較大，氣化熱值較高，物料在脫除自由水階段會(huì)吸收大量的能量而溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，因此，在干燥前期可采用較高的輻射功率，既能提高干燥速率，又可避免營養(yǎng)物質(zhì)因溫度過高而被破壞。

3.2.2水的活性與美拉德反應(yīng)

胡蘿卜中的水分子是以團(tuán)簇的形式存在的，團(tuán)簇的大小與水中溶解的溶質(zhì)顆粒大小和分子極性有關(guān)。由表2可知，胡蘿卜所含可溶性固形物較多，胡蘿卜中的水分子與溶液中的有機(jī)溶質(zhì)相互作用時(shí)，在數(shù)量龐大的弱氫鍵作用下，能夠形成活性較低的水化層結(jié)構(gòu)，溶解的顆粒在表面不飽和鍵力或極性作用的影響下，吸引偶極水分子，使極性水分子在顆粒表面形成定向、密集、有序排列的水分子層[34-35]，這就極大地降低了水的活性。紅外線可以通過破壞水分子氫鍵的方式，減少水分間的締合力，使大的水分子團(tuán)簇分解為小的水分子團(tuán)簇[36]，提高水的活性。

影響美拉德反應(yīng)的因素除去物料自身的因素之外，還有溫度、反應(yīng)時(shí)間、水分活度和pH值、金屬離子和化學(xué)試劑等外界因子[37]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用相同的物料，在相同的環(huán)境溫度、濕度、干燥溫度和干燥時(shí)間條件下，經(jīng)紅外干燥的樣品，非酶褐變的程度高于熱風(fēng)干燥，可見，造成美拉德反應(yīng)加劇的主要原因是紅外輻射增加了水的活性。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物具有抗氧化活性，但是其抗氧化能力受多重因素的影響[38-39]，另外，盡管美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物有一定的營養(yǎng)價(jià)值，但目前對(duì)胡蘿卜干制品的利用均采用復(fù)水后再使用的方式，這就降低了褐變產(chǎn)物的利用率，同時(shí)美拉德反應(yīng)消耗了物料中原有的營養(yǎng)成分，造成了營養(yǎng)流失，降低了胡蘿卜干制品的外觀品質(zhì)。由于美拉德反應(yīng)程度與溫度存在正相關(guān)關(guān)系[37]，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過降低干燥溫度的方式對(duì)美拉德反應(yīng)進(jìn)行抑制。

3.2.3細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)對(duì)水的影響

胡蘿卜具有植物根的基本特征，如圖6所示，組織細(xì)胞沿植物生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)[40]，這種結(jié)構(gòu)與圖3中呈現(xiàn)的橫切樣品孔隙數(shù)量多、深度大的特征相吻合。紅外線穿過橫切薄片的每層細(xì)胞時(shí)通過的距離要大于縱切薄片。因此，厚度相同的條件下，縱切薄片比橫切薄片層級(jí)數(shù)量多。層級(jí)數(shù)量的增加，既降低了紅外線與水直接作用的幾率，又降低了水的遷移能力。

文獻(xiàn)[18]研究發(fā)現(xiàn)，胡蘿卜在干燥失水過程中，細(xì)胞內(nèi)容物會(huì)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，在失水過程中，細(xì)胞與鄰近細(xì)胞之間會(huì)發(fā)生一系列生物化學(xué)反應(yīng)，形成縱向通透、橫向阻隔的網(wǎng)狀空間架構(gòu)。因此，無論是在干燥初始狀態(tài)，還是干燥中間階段，橫切薄片更有利于對(duì)紅外輻射能的吸收利用。

由圖3a、3b可以看出，在橫切方式下，細(xì)胞在切面處被截成開放的微小腔體，垂直入射的紅外波進(jìn)入該微腔后易形成諧振特征明顯的相干光場(chǎng)，相干光場(chǎng)產(chǎn)生的光學(xué)力導(dǎo)致約束它的腔體產(chǎn)生微小形變，在一定條件下的腔體形變會(huì)導(dǎo)致空腔邊界產(chǎn)生持續(xù)不斷的機(jī)械振動(dòng)[41]，微腔的振動(dòng)對(duì)腔內(nèi)水分向外遷移形成助推作用，振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能又會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為物料的內(nèi)能，使物料溫度快速上升，腔內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)速率加快，水的遷移能力增強(qiáng)。同時(shí)，由于細(xì)胞形成的微腔結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)具有束縛作用，使得腔內(nèi)光場(chǎng)因具有極高的功率密度而產(chǎn)生級(jí)聯(lián)混頻效應(yīng)，在腔內(nèi)產(chǎn)生一系列寬帶的梳狀光譜[42]，提高了光能向內(nèi)能轉(zhuǎn)變的速率，使空腔中水的遷移能力迅速提高?？涨唤Y(jié)構(gòu)對(duì)光的作用表現(xiàn)為：粗糙多孔的橫切面比光滑平整的縱切面在圖2b譜線上呈現(xiàn)出較低的反射率。表面空腔快速脫水后對(duì)物料內(nèi)部相鄰空腔形成負(fù)壓，提高了相鄰空腔內(nèi)水分向外遷移的能力，相鄰腔體的脫水速率增大，逐層依次向內(nèi)傳遞，形成由表及里的連鎖效應(yīng)，使物料內(nèi)部水分在整體上向表面遷移的速率加快。

3.2.4水溶液濃度對(duì)光吸收的影響

水溶液濃度越高，對(duì)水的折射作用越明顯[43-44]，由表2可知，胡蘿卜皮層部可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于髓部。因此，皮層部具有更高的折光率，紅外線自物料上表面射入后，光入射到皮層部后會(huì)產(chǎn)生更大的偏轉(zhuǎn)角，降低了光傳播到下表面的幾率，使下表面能夠接收到的輻射能量降低。因此，與髓部相比，物料皮層部下表面水的遷移能力較弱。

4 結(jié)論

(1)采用橫切方式既能增大胡蘿卜薄片中水與紅外線直接作用的幾率，發(fā)揮孔隙對(duì)紅外線的吸收能力，削弱紅外線在物料表面的散射作用，提升物料對(duì)紅外輻射吸收的均勻度，又可減少薄片的層級(jí)數(shù)，降低水的遷移阻力。

(2)在干燥前期應(yīng)采用較高的輻射功率，以提高自由水的脫除速率，并降低能耗；在干燥后期應(yīng)采用較低的溫度，對(duì)美拉德反應(yīng)進(jìn)行抑制。