干燥方法對(duì)水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)變化的影響

袁越錦 ，韓思明，徐英英，楊佳琪，張國安，施俊文

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710086）

水蜜桃肉質(zhì)鮮美，香味濃甜，營養(yǎng)豐富，且桃肉甘酸性溫，具有生津活血、解煩止渴等功效，深受市場(chǎng)歡迎。但水蜜桃不易儲(chǔ)存，通過干燥能夠使它的水分減少，延長保存時(shí)間，增加經(jīng)濟(jì)效益。

水蜜桃細(xì)胞之間存在細(xì)胞間隙，水分和營養(yǎng)物質(zhì)能夠通過間隙輸送，以維持細(xì)胞的生長。干燥過程伴隨的高溫高壓等條件不僅會(huì)改變細(xì)胞和細(xì)胞間隙的原始形狀，還會(huì)損失水蜜桃的營養(yǎng)物質(zhì)。干燥方法不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)而影響干燥效率和干燥品質(zhì)。因此對(duì)于干燥過程的研究不應(yīng)僅聚焦于復(fù)水、感官、色澤等方面，更應(yīng)向細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)方向深入研究。

目前，將顯微技術(shù)和圖像處理技術(shù)結(jié)合在一起能夠定量測(cè)定細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)。描述果蔬微觀結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)主要包括細(xì)胞截面積、截面周長、直徑、圓度、孔隙率和分形維數(shù)等。Segura等通過分析對(duì)流干燥下蘋果片的細(xì)胞面積、周長、直徑及圓度等參數(shù)，認(rèn)為干燥過程能顯著改變細(xì)胞及細(xì)胞間隙的形狀且蘋果片的宏觀變化與細(xì)胞微觀變化行為相同，但是干燥過程中物料的宏觀變化與微觀變化的關(guān)系未定量描述。Wang 等利用光學(xué)顯微鏡和image-pro-plus 軟件獲得了黃桃經(jīng)不同溫度熱風(fēng)干燥后的細(xì)胞截面積頻率分布曲線，認(rèn)為高溫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)難以維持。常劍等結(jié)合石蠟切片及顯微觀測(cè)技術(shù)分析了熱風(fēng)干燥過程中馬鈴薯、蘋果、胡蘿卜的微觀結(jié)構(gòu)并獲得三種物料不同水分比下細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（面積、周長、當(dāng)量直徑等）的分布規(guī)律，還得到了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和水分比的線性關(guān)系，然而由于干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的演化趨勢(shì)較為復(fù)雜，因此該線性關(guān)系無法準(zhǔn)確描述水分比和微觀參數(shù)之間的關(guān)系。近年來，發(fā)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)模擬干燥過程在優(yōu)化干燥工藝方面有極大的作用，因此許多研究者利用此方法來研究干燥過程中物料的微觀結(jié)構(gòu)變化。但是建立模擬所需的微觀模型和數(shù)學(xué)模型必須獲得物料微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，然而任意水分比下微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量步驟繁瑣，因此可通過擬合得到水分比和細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，然后通過該方程更容易獲得任意水分比下的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為了描述不同干燥方法下水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，結(jié)合石蠟切片制備、顯微觀測(cè)及圖像處理等技術(shù)，獲得了五種不同干燥方法對(duì)應(yīng)的不同含水率下水蜜桃切片的顯微圖像和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布曲線且分析了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。通過多項(xiàng)式擬合建立了水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬合方程，將水分比與該方程結(jié)合起來能夠預(yù)測(cè)干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。該研究結(jié)果為探究不同干燥方式下水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)隨水分比的變化規(guī)律和建立水蜜桃在干燥過程中的數(shù)學(xué)模型提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用的水蜜桃 產(chǎn)于上海，品種為上海水蜜。其質(zhì)量范圍250±10 g，最大直徑范圍7±0.5 cm，每100 g 桃肉中約含水85 g，脂肪0.1 g，蛋白質(zhì)0.8 g，碳水化合物7 g，粗纖維4.1 g，還包括維生素C 及胡蘿卜素等其他營養(yǎng)物質(zhì)總和約3 g，且要求果型圓潤、硬度適中、品質(zhì)新鮮；番紅溶液（1 g 番紅溶入100 mL 50%酒精）、蒸餾水、冰醋酸、甲醛（40%）、二甲苯、石蠟、中性樹膠、固綠溶液（固綠0.1 g 溶入100 mL 95%酒精）、無水乙醇等 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

DZF-6090 型真空干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SFY-60 型紅外線水分測(cè)定儀 深圳市冠亞電子科技有限公司；JY104FC 型捷宇高拍儀 福建捷宇電腦科技有限公司；DHG 型熱風(fēng)干燥箱 上海一恒儀器有限公司；HH-3 型水浴鍋 常州天瑞儀器有限公司；TF-LFD-1 型冷凍干燥箱 上海田楓實(shí)業(yè)有限公司；E100 型顯微鏡 尼康。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水蜜桃干燥工藝 以水蜜桃為物料，選擇HAD（60 ℃、風(fēng)速1 m/s）、VD（60 ℃、0.08 MPa）、FD（預(yù)凍時(shí)間3 h、預(yù)凍溫度-30 ℃）、HA-VD（熱風(fēng)/真空干燥條件同上、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率50%）及FHAD（冷凍/熱風(fēng)干燥條件同上、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率50%）五種不同的干燥方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將同批次的新鮮水蜜桃處理干凈后進(jìn)行厚度為5 mm 的切片處理，然后在水蜜桃表皮下的相同位置（皮下2～7 mm 區(qū)域）進(jìn)行取樣（切為長10 mm、寬10 mm、厚5 mm的小塊）。

對(duì)樣品小塊分別進(jìn)行HAD、VD、FD、HA-VD和F-HAD 處理，實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品小塊分成兩組先后進(jìn)行以上五種工況下的干燥實(shí)驗(yàn)。第一組樣本小塊在同一個(gè)工況下進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)，然后在5 次實(shí)驗(yàn)過程中的同一干燥時(shí)間計(jì)算的5 個(gè)水分比求平均值，將該平均值作為樣本小塊在該時(shí)間的水分比。每次干燥過程中每隔5 min 對(duì)樣品小塊稱重5 次，然后求得平均質(zhì)量并記錄；稱重后將樣本繼續(xù)干燥且前后稱重兩次獲得的平均質(zhì)量差值小于0.001 g 則認(rèn)為干燥結(jié)束（此時(shí)樣本的質(zhì)量為絕干質(zhì)量），以此來計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)中不同干燥時(shí)間的含水率和水分比。通過減小稱重時(shí)間間隔，多次稱重及增加同一工況下的實(shí)驗(yàn)次數(shù)能夠更準(zhǔn)確地獲得干燥過程中樣本小塊的水分比到達(dá)0.8、0.6、0.4、0.2 時(shí)所需的干燥時(shí)間。第二組樣本小塊在干燥時(shí)根據(jù)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果（即對(duì)應(yīng)的水分比到達(dá)0.8、0.6、0.4、0.2 的干燥時(shí)間）再進(jìn)行取樣，由于干燥過程中物料收縮不均勻，因此不同干燥方式對(duì)應(yīng)的每個(gè)水分比下取5 個(gè)顯微觀測(cè)樣本。最后，將第二組取得的所有樣品制作成顯微觀測(cè)所需的石蠟切片。

1.2.2 水蜜桃組織石蠟切片制備及顯微圖像處理 為了能夠清晰地在顯微鏡下觀察干燥后的水蜜桃組織的微觀結(jié)構(gòu)，采用石蠟切片法將第二組不同水分比下的樣本制成石蠟切片標(biāo)本（具體流程如圖1 所示）。首先，將第二組干燥實(shí)驗(yàn)中取得的所有顯微觀測(cè)樣品浸入甲醛（40%，5 mL）—冰醋酸（5 mL）—酒精（70%，90 mL）固定液至少24 h，接著將樣本浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酒精（35%酒精中1.5 h—75%酒精中4 h—85%酒精中2 h—90%酒精中2 h—95%酒精中1 h—無水乙醇中1 h）中脫水；然后使用二甲苯對(duì)樣品進(jìn)行透明處理，接著將樣品放入60 ℃融化石蠟（1 h，重復(fù)3 次）中浸蠟。其次，在熱風(fēng)溫度為60 ℃的干燥箱中進(jìn)行包埋，包埋之后將樣品放入切片機(jī)切片，厚度為5 μm 左右；再將切片在60 ℃烘箱內(nèi)烘干后依次浸入二甲苯（20 min，重復(fù)3 次）、無水乙醇（5 min，重復(fù)2 次）、75%酒精（5 min）和蒸餾水中脫蠟；將脫蠟后的切片先浸入番紅染液染色后，再浸入不同濃度的酒精溶液（50%酒精中5 s—70%酒精中5 s—80%酒精中5 s—90%酒精中5 s）脫色；接下來使用固綠染液染色60 s，再利用醇苯（5 min）、二甲苯（5 min，重復(fù)2 次）對(duì)切片進(jìn)行透明。最后，將透明后的切片放置于載玻片上，在30 ℃烘箱內(nèi)烘干后蓋上蓋玻片，并用中性樹膠封片。通過顯微鏡放大100 倍進(jìn)行觀察和拍照，然后利用Matlab 和Photoshop 軟件捕捉細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原始圖像。

圖1 石蠟切片制備流程圖Fig.1 Flow chart of paraffin section preparation

圖2a 為冷凍干燥過程捕捉的細(xì)胞原始圖像，在Matlab 中調(diào)用rgb2gray 函數(shù)先將顯微鏡拍攝的原始圖片轉(zhuǎn)換成灰度圖像，如圖2b；然后調(diào)用graythresh和im2bw 函數(shù)對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行閾值分割，將灰度圖像進(jìn)行二值化表達(dá)，以此識(shí)別細(xì)胞的邊緣輪廓，如圖2c；最后利用photoshop 軟件消除二值圖像內(nèi)部雜質(zhì)，填充邊緣及孔隙并調(diào)整圖像亮度和對(duì)比度，最終圖像如圖2d。

圖2 圖像處理過程Fig.2 Image processing process

1.3 數(shù)據(jù)處理及測(cè)量指標(biāo)

對(duì)得到的每張?jiān)瓐D進(jìn)行圖2 中的圖像處理過程得到對(duì)應(yīng)的最終圖像，再利用Matlab 軟件中bwlabel、regionprops、bwperim 等函數(shù)測(cè)量和計(jì)算所有最終圖像上每個(gè)細(xì)胞截面積和截面周長，并根據(jù)如下公式利用Matlab 編程計(jì)算水蜜桃細(xì)胞的圓度，壁面粗糙度及孔隙率。

細(xì)胞圓度S：

式中：A 為圖像上的細(xì)胞截面積，m；L 為圖像上的細(xì)胞截面周長，m。

細(xì)胞壁面粗糙度r：

式中：L 為細(xì)胞圖像上的實(shí)際周長，m；L表示與其細(xì)胞相似度一致的正多邊形的周長，m。

孔隙率e：在截面上，多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙和多孔介質(zhì)總面積的比值：

式中：A為多孔介質(zhì)內(nèi)部細(xì)胞面積，m；A為多孔介質(zhì)內(nèi)部總面積，m。

含水率：干燥過程中某一時(shí)刻稱取5 次物料的質(zhì)量并求得平均質(zhì)量，然后利用該時(shí)刻的平均質(zhì)量結(jié)合物料絕干質(zhì)量計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)樣品的含水率w，其計(jì)算公式如下：

式中：m為t 時(shí)刻取樣物料的平均質(zhì)量，kg；m 為物料的絕干質(zhì)量，kg。

水分比：干燥過程中樣品某一時(shí)刻的含水率與樣品初始含水率之比（即w/w）。

將所有計(jì)算結(jié)果以文本格式自動(dòng)保存，利用Excel 軟件對(duì)編程計(jì)算得到的不同干燥方式中每個(gè)水分比下5 個(gè)石蠟切片最終圖像對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)求取平均值。將微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)平均值的總分布范圍劃分為n 個(gè)小區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)細(xì)胞微觀參數(shù)在不同的小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量，再使用該小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量除以每張圖像上的細(xì)胞總數(shù)得到此小區(qū)間內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布頻率，計(jì)算公式如下：

式中：p為第m 個(gè)小區(qū)間內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布頻率；k為第m 個(gè)小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量；K為每張圖片上的細(xì)胞總數(shù)；1≤m≤n 且m、n 為整數(shù)。最后將所有小區(qū)間內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并使用Origin 軟件繪制各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的頻率分布曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面積的變化規(guī)律

從圖3 中可以看出，新鮮水蜜桃的細(xì)胞截面積分布范圍是600～78000 μm。HAD 過程中，面積為40000～78000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯降低，面積為0～45000 μm的細(xì)胞數(shù)量略有增加，同時(shí)出現(xiàn)少部分面積大于80000 μm的細(xì)胞。這說明HAD 能夠使水蜜桃細(xì)胞顯著收縮，但是高溫會(huì)導(dǎo)致部分細(xì)胞的細(xì)胞壁被破壞，從而導(dǎo)致幾個(gè)細(xì)胞破裂后融合在一起形成“大細(xì)胞”。與HAD 相比，VD 能更有效保持物料的原始形狀。水分比由1 降至0.6 的過程中細(xì)胞截面積變化幅度小，細(xì)胞截面積峰值處于區(qū)間8000～10000 μm內(nèi)；繼續(xù)干燥至水分比為0.2 時(shí)，細(xì)胞截面積在15000 μm下的細(xì)胞數(shù)目明顯增加，小于20000 μm的細(xì)胞約占60%。這主要是因?yàn)樗值拇罅空舭l(fā)導(dǎo)致細(xì)胞失去支撐，再加上負(fù)壓的共同作用造成了細(xì)胞截面積減小。FD 能最大程度地維持細(xì)胞的原始形狀。從水分比為1 下降至0.8 時(shí)，細(xì)胞截面積平均值增加6%，這主要是因?yàn)樵诶鋬鲞^程中細(xì)胞內(nèi)水凝結(jié)成冰導(dǎo)致細(xì)胞略有膨脹；當(dāng)水分比從0.6 下降至0.4 時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的部分冰晶由于真空條件直接升華，造成細(xì)胞內(nèi)外存在壓差，故細(xì)胞截面積有細(xì)微減?。凰直壤^續(xù)下降至0.2 時(shí)，細(xì)胞截面積平均值又有所增大，原因是細(xì)胞內(nèi)剩余的冰晶持續(xù)升華為氣體，氣體向外擴(kuò)散導(dǎo)致對(duì)細(xì)胞的“膨脹”作用加劇。

圖3 不同干燥方法下細(xì)胞截面積頻率分布曲線圖Fig.3 Frequency distribution curve of cell area under different drying methods

HA-VD 條件下水分比從1 降至0.5 這一階段為HAD 過程，面積為16000～78000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯下降，面積在600～16000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯增加，因此細(xì)胞收縮明顯。轉(zhuǎn)入VD 過程后，當(dāng)水分比0.4 時(shí)細(xì)胞截面積最大值為6000 μm，水分比從0.4 降至0.2 時(shí)細(xì)胞截面積大于25000 μm的細(xì)胞數(shù)量增長8%，細(xì)胞截面積均值增大，可能是由于HAD過程破壞了細(xì)胞壁，使得VD 過程加劇了細(xì)胞破裂變形，再加上VD 過程細(xì)胞收縮率降低共同導(dǎo)致大細(xì)胞數(shù)目增多。F-HAD 條件下，水分比從1～0.6 這一階段為FD 過程。水分比降至0.6 時(shí)，由于冰晶升華，因此20000 μm以下的細(xì)胞占比超過60%。轉(zhuǎn)入HAD 過程后，主要是由于FD 過程中冰晶升華破壞了大量細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此HAD 會(huì)導(dǎo)致大量面積較小的細(xì)胞破裂后在發(fā)生融合，故0～17000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯減少，其融合導(dǎo)致面積在17000 μm以上的細(xì)胞數(shù)量顯著增加。

隨著干燥過程的進(jìn)行，分布曲線的偏移量，曲線峰值增大或減小的程度各不相同，可能的原因是干燥過程中細(xì)胞內(nèi)的水分轉(zhuǎn)移不均勻?qū)е录?xì)胞的收縮變形是不連續(xù)的。

2.2 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面周長的變化規(guī)律

如圖4，水蜜桃鮮樣細(xì)胞截面周長主要分布范圍為0～1300 μm。HAD 過程中，周長頻率分布曲線峰值變化不大，但是水分比至0.2 時(shí)由于細(xì)胞破裂、融合和變形導(dǎo)致細(xì)胞截面周長大于750 μm 的細(xì)胞數(shù)量增加了6%。VD 過程中細(xì)胞發(fā)生形變但基本上不發(fā)生細(xì)胞破裂及細(xì)胞融合。當(dāng)水分比至0.8 時(shí)細(xì)胞截面周長在1000 μm 以下的細(xì)胞數(shù)量減少了10%；水分比從0.8 降至0.2 的過程中，截面周長主要分布區(qū)間變?yōu)?00～1780 μm，整個(gè)區(qū)間內(nèi)幾乎大部分曲線均右移但移動(dòng)幅度不大，因此幾乎所有細(xì)胞的截面周長略有增大。FD 過程中細(xì)胞截面周長呈增大趨勢(shì)。水分比0.8 時(shí)，細(xì)胞截面周長均值增長10%左右；水分比0.6 時(shí)，細(xì)胞截面周長頻率分布曲線左移，表明細(xì)胞失去較多水分皺縮。水分比降低至0.2 時(shí)與鮮樣細(xì)胞相比細(xì)胞截面周長在500 μm 以上的細(xì)胞數(shù)量重新增加。

圖4 不同干燥方法下細(xì)胞截面周長頻率分布曲線圖Fig.4 Frequency distribution curve of cell perimeter under different drying methods

HA-VD 過程中水分比降至0.2 時(shí)，有50%左右的細(xì)胞截面周長超過了670 μm，與最初未干燥的水蜜桃細(xì)胞相比提升了23%。F-HAD 過程中，當(dāng)水分比為0.2 時(shí)與鮮樣細(xì)胞相比，頻率分布曲線右移明顯，這主要是由于后半程的HAD 使細(xì)胞皺縮形變導(dǎo)致所有細(xì)胞截面周長變大。

2.3 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞圓度的變化規(guī)律

從圖5 可得水蜜桃鮮樣細(xì)胞大部分圓度分布在0.4～0.9 之間，圓度大于0.85 的細(xì)胞占比約26%。HAD 過程中，從整體上看水蜜桃細(xì)胞圓度是減小的。水分比為0.2 時(shí)的細(xì)胞圓度均值相比于水分比0.4時(shí)有所增加，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是細(xì)胞破裂后又發(fā)生了融合。HAD 會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞收縮，變形及細(xì)胞壁折疊，這都是細(xì)胞圓度發(fā)生變化的原因。VD 過程中，從整體上看細(xì)胞圓度是降低的。當(dāng)水分比為0.8 時(shí)，細(xì)胞圓度分布范圍主要為0.3～0.8，隨著干燥過程的進(jìn)行圓度頻率分布曲線持續(xù)左移，這表明細(xì)胞圓度會(huì)隨著水分比的持續(xù)降低而降低，水分比為0.2 時(shí)曲線峰值對(duì)應(yīng)的圓度為0.35。FD 過程中，水分比從1 降為0.8 時(shí)細(xì)胞圓度變化幅度不大，75%以上的水蜜桃細(xì)胞圓度大于0.4，當(dāng)水分比從0.8 降至0.6 時(shí)細(xì)胞圓度大幅度降低。水分比從0.6 降至0.2 這一過程中細(xì)胞圓度變化幅度較小，水分比0.2 為時(shí)細(xì)胞圓度主要分布在0.2～0.7 之間。

圖5 不同干燥方法下細(xì)胞圓度頻率分布曲線圖Fig.5 Frequency distribution curve of cell roundness under different drying methods

HA-VD 過程中細(xì)胞圓度總體上呈減小趨勢(shì)，但水當(dāng)分比為0.2 時(shí)，圓度大于0.5 的細(xì)胞數(shù)量比VD 多10%左右，造成此現(xiàn)象的原因主要是前半程采用了不同的干燥方法。這表明相比于VD，熱風(fēng)干燥能更好的維持細(xì)胞圓度。F-HAD 過程中水分比1～0.5 之間為FD 過程，細(xì)胞圓度減小幅度大，其頻率分布曲線左移并與FD 過程類似，當(dāng)轉(zhuǎn)入HAD 過程后，高溫使得細(xì)胞變形、收縮和破裂，因此導(dǎo)致細(xì)胞圓度持續(xù)減小。

2.4 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞壁面粗糙度的變化規(guī)律

由圖6 可知，水蜜桃鮮樣細(xì)胞壁面粗糙度主要分布在1～2 之間。干燥過程中隨著水分比的降低，細(xì)胞壁將產(chǎn)生褶皺。HAD 過程中水分比從1 降至0.6 這一階段，細(xì)胞壁快速皺縮導(dǎo)致細(xì)胞變形較大，當(dāng)水分比降至0.6 時(shí)，曲線峰值對(duì)應(yīng)的壁面粗糙度為1.5，此時(shí)壁面粗糙度主要分布在1.1～2.5 之間，這表明壁面粗糙度明顯增加；在水分比從0.6 降至0.2 時(shí)這一過程中，由于部分細(xì)胞破裂后發(fā)生融合，因此曲線左移但移動(dòng)幅度較小，這表明壁面粗糙度略微減小。VD 過程中水分比為0.8 時(shí)，70%的水蜜桃細(xì)胞壁面粗糙度在1.2 以上，曲線峰值對(duì)應(yīng)的壁面粗糙度為1.3。與HAD 相比，VD 過程中細(xì)胞壁面粗糙度頻率分布曲線向右移動(dòng)更加緩慢。水分比為0.2 時(shí)，曲線峰值對(duì)應(yīng)的壁面粗糙度為1.45，壁面粗糙度在1.26～1.75 之間的細(xì)胞占比超過60%。FD 相比其它干燥方式其平均壁面粗糙度最小且水分比從1 降至0.8 這一過程中壁面粗糙度變化幅度不大；水分比從0.8 降至0.6 這一過程中曲線右移明顯，因此壁面粗糙度明顯增大；水分比從0.6 至干燥結(jié)束，此階段壁面粗糙度變化不明顯；因此對(duì)于FD 過程，壁面粗糙度增大主要發(fā)生在前半程，后半程干燥過程幾乎不變。

圖6 不同干燥方式下細(xì)胞壁面粗糙度分布頻率曲線圖Fig.6 Frequency distribution curve of cell wall surface roughness under different drying methods

HA-VD 前半程壁面粗糙度的變化與單一HAD過程幾乎相同；當(dāng)水分比降至0.6 以下時(shí)，曲線峰值對(duì)應(yīng)的壁面粗糙度都在1.3～1.5 之間；由圖6（d）與單一HAD 相比，HA-VD 的壁面粗糙度均值介于HAD和VD 之間，這表明組合干燥進(jìn)一步降低了細(xì)胞壁面粗糙度。F-HAD 整個(gè)過程中曲線一直右移，這表明壁面粗糙度持續(xù)增大，與單一HAD 過程相比其壁面粗糙度均值增大幅度明顯降低。

2.5 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面孔隙率的變化規(guī)律

由圖7 可得，在HAD 過程中孔隙率先增大后減小，這主要是由于高溫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞收縮并破壞細(xì)胞壁，隨后發(fā)生破裂和融合；但這與香蕉、芒果等水果干燥時(shí)的孔隙率變化趨勢(shì)正好相反,其趨勢(shì)為先略微減小后增加。造成這種差異的原因主要是香蕉、芒果等水果干燥末期細(xì)胞的破裂融合程度沒有水蜜桃劇烈。VD 和FD 過程中孔隙率一直增大。FD 過程中水分比為0.8～0.4 時(shí)孔隙率增長較快，這是由于冰晶升華的過程中細(xì)胞主要發(fā)生形變且細(xì)胞截面積減小，導(dǎo)致孔隙率的增大。FD 與VD 過程均主要發(fā)生細(xì)胞變形，但是細(xì)胞截面變形小且細(xì)胞破裂和融合的程度遠(yuǎn)低于HAD。

圖7 細(xì)胞截面孔隙率變化直方圖Fig.7 Cell cross-section porosity histogram

HA-VD 前半程孔隙率的變化與HAD 過程類似，轉(zhuǎn)入VD 后，大部分細(xì)胞截面縮小的情況下，細(xì)胞截面積均值卻增大（即小細(xì)胞數(shù)量減少，大細(xì)胞數(shù)量增加，導(dǎo)致最后階段孔隙率減?。?，這一趨勢(shì)與VD 略有不同。整個(gè)F-HAD 過程中孔隙率的變化與HAD類似，水分比為0.2 時(shí)孔隙率略有減小，這是由于FD后的稀疏孔隙分布在HAD 高溫作用下細(xì)胞發(fā)生收縮，破裂及融合，故導(dǎo)致大細(xì)胞數(shù)量增加，因此孔隙率減小。

2.6 不同干燥方式下水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

在干燥過程中，為了能夠較易獲取任意水分比下的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，將水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行擬合，只需測(cè)量干燥過程中任意時(shí)刻樣本的水分比后代入擬合公式即可獲得此時(shí)刻細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，擬合結(jié)果如圖8。由于水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與水分比呈非線性關(guān)系，故選取下列擬合公式：

式中：Y 表示細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均值比；X 為水分比；a,b,c,d 為系數(shù)，見表1。

所有干燥過程完成后水蜜桃細(xì)胞截面積均值有增有減，截面周長均值、壁面粗糙度均值、孔隙率都增大，而細(xì)胞圓度均值減小。根據(jù)表1，Y 和X 的（除A/A（HAD）及L/L（HA-VD）外）均在0.9 以上。由圖8 及表1 中的擬合系數(shù)綜合分析，不同干燥方式對(duì)細(xì)胞大小和形狀參數(shù)均值影響程度不同，其中包含HAD 干燥過程中對(duì)細(xì)胞截面積均值的影響較為劇烈；VD 和FD 對(duì)細(xì)胞截面周長均值影響程度更大；VD 對(duì)于細(xì)胞圓度均值影響最大而HAD 則最??；VD 對(duì)于細(xì)胞壁面粗糙度均值影響較小而HAD則最大；VD 對(duì)孔隙率的影響程度最大且干燥過程中孔隙率一直在增加。

圖8 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均值比與水分比擬合曲線Fig.8 The correlation between the cell parameter ratios and the moisture ratio during different drying methods by polynomial fitting

表1 不同微觀參數(shù)的擬合系數(shù)及決定系數(shù)Table 1 Fitting coefficients and determination coefficients of different microscopic parameters

由表中的可得，HAD 過程中圓度、壁面粗糙度和孔隙率，VD 過程中細(xì)胞截面周長、圓度及孔隙率，F(xiàn)D 過程中的細(xì)胞截面周長、壁面粗糙度和孔隙率，HA-VD 過程中的圓度、壁面粗糙度及孔隙率，以及F-HAD 過程中的細(xì)胞截面積，周長，孔隙率和壁面粗糙度與水分比的擬合效果均較好，以上參數(shù)均可作為建立不同干燥方式下宏微觀關(guān)系式時(shí)可選擇的水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的代表。

3 結(jié)論

選擇細(xì)胞截面積，截面周長，圓度，壁面粗糙度和孔隙率為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了不同干燥方法下水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的階段一般是在HAD前半程（水分比1～0.5）以及VD 和FD 的后半程（水分比0.5 以下）。選取水分比作為干燥過程中的宏觀參數(shù)，在不同干燥方式下建立了水分比與細(xì)胞微觀參數(shù)的擬合方程。結(jié)果表明細(xì)胞截面積均值的變化程度為：FD＜HAD＜VD＜HA-VD＜F-HAD，截面周長均值變大的幅度依次為：HAD＜HA-VD＜VD＜F-HAD＜FD，細(xì)胞圓度均值變小的程度依次為：HAD＜FD＜FHAD＜HA-VD＜VD，細(xì)胞壁面粗糙度均值增大幅度依次為：F-HAD＜VD＜FD＜HA-VD＜HAD，孔隙率增大的程度依次為：FD＜F-HAD＜HAD＜HA-VD＜VD。因此與單一干燥方法相比，相對(duì)應(yīng)的組合干燥能夠顯著抑制細(xì)胞截面周長，圓度，壁面粗糙度及孔隙率的變化。

不同干燥方法對(duì)細(xì)胞大小和形狀參數(shù)均值的影響程度明顯不同，其中，HAD 干燥過程中對(duì)細(xì)胞截面積均值的影響較為劇烈；VD、FD 及F-HAD 對(duì)細(xì)胞截面周長均值影響程度更大但差異不大；HAD 對(duì)于細(xì)胞圓度均值影響最小而VD 則最大；VD 對(duì)于細(xì)胞壁面粗糙度均值影響較小而HAD 則最大；VD 對(duì)孔隙率均值的影響最大，但是不同干燥方法對(duì)干燥結(jié)束后孔隙率的影響差異不大。