昭通蘋果脆片熱風(fēng)干燥特性及動力學(xué)模型研究

付冬雪，羅旋飛*，謝藍(lán)華,，林茂森，杜冰

1.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)普洱茶學(xué)院（普洱 665000）；2.普洱市謝藍(lán)華職工創(chuàng)新工作室（普洱 665008）；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院（廣州 510642）

蘋果是日常生活中最常見的一種水果，富含氨基酸、礦物質(zhì)和維他命，有“活水”之稱，能夠調(diào)整腸道菌群，具有降低血脂、降血壓、降膽固醇、防治腫瘤、強化骨骼抗氧化以及保持酸堿平衡等功能作用[1]。昭通蘋果原產(chǎn)于海拔兩百米以上的云貴高原，采用自然生長的種植方式，不套袋，不打蠟，因此外觀較差，蘋果個體大小不規(guī)則，色彩紛雜且不均勻，表面布有小坑洼，被稱為“丑蘋果”，影響鮮果的銷售和果農(nóng)經(jīng)濟效益[2]。

研究以昭通蘋果為材料，以開發(fā)一種蘋果脆片為目標(biāo)，探討了不同護色方法對昭通蘋果脆片感官品質(zhì)的影響，對蘋果脆片的熱風(fēng)干燥特性進行了分析，建立了干燥動力學(xué)模型和干燥過程中的有效水分?jǐn)U散的相關(guān)系數(shù)，為果蔬熱風(fēng)干燥預(yù)測、調(diào)控和工藝技術(shù)優(yōu)化提供理論參考，也為昭通蘋果深加工提供解決思路。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

昭通蘋果，云南昭通永豐鎮(zhèn)果農(nóng)個體戶。

復(fù)合護色劑[NaCl（0.3%）]、抗壞血酸（0.5%）、草酸（0.2%）、L-半胱氨酸（0.5%）?？箟难幔ㄅ枺?0210107；分析純AR）、二水合草酸（批號：20210419；分析純AR）：上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司；L-半胱氨酸（批號：C12774177；純度：99%）：上海麥克林生化科技有限公司。

HPX-9162MBE電熱恒溫培養(yǎng)箱（上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；SH881-3電熱鼓風(fēng)干燥箱（吳江市三合烘箱制造廠）；DS-020ST超聲波清洗機（深圳市品凰科技有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 蘋果脆片護色處理方法

挑選新鮮的、無機械損傷及無腐敗變質(zhì)的昭通蘋果，用清水沖洗后去皮去核，切成厚度為2 mm的薄片，取8份適量蘋果片并標(biāo)上序號1，2，3，4，5，6，7和8，按表1方法處理后，先在80 ℃條件下干燥10 min后，再用120 ℃烘烤15 min，得到蘋果脆片進行感官評定，感官評價要求及標(biāo)準(zhǔn)見表2[3]。

表1 昭通蘋果脆片護色處理方法及條件

表2 昭通蘋果脆片感官評價表

1.2.2 熱風(fēng)干燥特性及動力學(xué)模型實驗方法

在最佳護色處理條件下，稱取相應(yīng)量的蘋果片均勻平鋪于烤網(wǎng)上，放到恒溫干燥箱中進行熱風(fēng)干燥。按照表3的相關(guān)條件對切片厚度、裝樣量以及熱風(fēng)溫度進行不同的試驗，試驗開始后，每隔0.5 h稱量一次并進行翻動，直至蘋果薄片的實際水分含量低于5%時，不再進行干燥。每組試驗進行3次，取平均值為試驗結(jié)果。

表3 昭通蘋果脆片熱風(fēng)干燥特性試驗方案

1.2.2.1 水分比測定

水分比（MR）具體計算公式見式（1）[7]。

式中：MR為水分比；Mt為某一時間的干基含水率，g/g；M0為剛開始時的干基含水率，g/g；Ms為平衡時的干基含水率，g/g。

1.2.2.2 干燥速率測定

干燥速率計算公式見式（2）[8]。

式中：DR為干燥速率，g·g-1·h-1；Mt+Δt和Mt依次為t+Δt和t時刻樣品的干基含水率，g/g；Δt為相鄰2次測量的時間差距，h。

1.2.2.3 干燥動力學(xué)模型建立

試驗選用了6種常用薄層干燥動力學(xué)模型，見表4。對昭通蘋果脆片熱風(fēng)干燥得出的試驗數(shù)據(jù)進行擬合[9-14]，通過采用決定系數(shù)R2、卡方χ2、均方根誤差RMSE 3個參數(shù)對模型進行評價，R2越大，χ2和RMSE越小，說明模型擬合效果越好，其計算公式分別見式（3）～式（5）。

表4 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

式中：MRexp和MRpre依次為第i個數(shù)據(jù)點最后得到的MR以及模型預(yù)測之后所得到的MR；N為數(shù)據(jù)點的實際個數(shù)；模型里面的參數(shù)則有n個。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為蘋果片厚度，m；t為干燥所用的時間，s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖表繪制時使用Origin 2019軟件，進行試驗數(shù)據(jù)回歸擬合分析時則用SPSS 26.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 昭通蘋果脆片最佳護色方法的確定

由圖1可知，蘋果脆片在復(fù)合護色劑與超聲波+復(fù)合護色劑條件下的護色效果相近，且這兩種方法的護色效果比其他方法更具優(yōu)勢，超聲波+復(fù)合護色劑條件下的護色效果最好，主要原因是蘋果富含酚類物質(zhì)，在多酚氧化酶催化下極易發(fā)生酶促褐變，復(fù)合護色劑可以抑制多酚氧化酶的活性及阻止多酚氧化酶與氧氣接觸，起到護色作用[16]；超聲波在一定條件下，可以降低鮮切果蔬氧化酶的活性，延緩酶促褐變發(fā)生[17]；兩者協(xié)同作用下達(dá)到更好的護色效果。因此研究采用超聲波+復(fù)合護色劑的方法對昭通蘋果片護色處理，再進行熱風(fēng)干燥試驗。

圖1 不同護色方法下蘋果脆片感官評價分值

2.2 昭通蘋果脆片熱風(fēng)干燥特性分析

2.2.1 切片厚度對蘋果脆片干燥特性的影響

不同切片厚度下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2和圖3。由圖2和圖3可知，在相同熱風(fēng)溫度及裝樣量下，隨切片厚度的減少，干燥速率逐漸增大，曲線斜率也逐漸變大，同時含水量越低，需要的干燥時間越少。蘋果片厚度越小，與空氣接觸的面積就會越大，水分蒸發(fā)速度越快，干燥速率也越大，且蘋果片內(nèi)部水分遷移的距離也越短，蒸發(fā)的阻力就會變小；傳質(zhì)和傳熱的速度加快，干燥速率也同樣加快。蘋果片熱風(fēng)干燥過程只有開始的升速和之后的降速階段，無恒速階段。物體的水分含量較少，水從物體的內(nèi)部向表面?zhèn)魉偷乃俣缺葟奈矬w表面水分氣化的速度慢，水分在物體內(nèi)部傳遞的速率控制著干燥速率。物體的含水量在不斷地減小，這就使得它里面的水分移動的速度慢慢減小，減緩了干燥的速度[18]。如果存在不同的試驗樣品以及條件，會使最終的試驗結(jié)果有所不同。本次所進行的試驗，蘋果片在進行熱風(fēng)干燥的時候只有升速以及減速這兩個不同的干燥階段，結(jié)果和參考文獻[19-20]里面結(jié)果一致。

圖2 不同切片厚度的干燥曲線

圖3 不同切片厚度的干燥速率曲線

2.2.2 熱風(fēng)溫度對蘋果脆片干燥特性的影響

不同熱風(fēng)溫度下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖4和圖5。據(jù)圖4和圖5可知，相同裝樣量和切片厚度條件下，隨熱風(fēng)溫度的升高蘋果片的熱風(fēng)干燥曲線斜率變大，且蘋果片中的干基含水量隨干燥時間延長而降低，從而干燥所需的時間就越短。溫度越高，蒸發(fā)的水分越多，熱空氣的相對濕度降低，在同一時間內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)就越多，蘋果片與熱空氣的濕度差也越大，水分散失越快，干燥速率就越大。另外，熱風(fēng)溫度越高，傳熱動力越大，可以加快蘋果片表面水分蒸發(fā)速度和內(nèi)部水分遷移速度。

圖4 不同熱風(fēng)溫度的干燥曲線

圖5 不同熱風(fēng)溫度的干燥速率曲線

2.2.3 裝樣量對蘋果脆片干燥特性的影響

不同裝樣量下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖6和圖7。由圖6和圖7可以看出，在切片厚度和熱風(fēng)溫度相同的條件下，干燥速率隨裝樣量的增加呈先上升再下降的趨勢。裝料量較大時，蒸發(fā)水分的表面積也隨之增大，從而單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分越多，干燥速度也越快，而試驗結(jié)果與之不符，可能是由于裝樣量增加時，不能把所有樣品都放在中間位置，因受熱不均而導(dǎo)致的結(jié)果。在試驗條件下，裝樣量為50 g時的干基含水率基本都大于裝樣量為100 g和150 g的干基含水率，這個試驗結(jié)果與劉艷等[20]、陳健凱等[21]的研究結(jié)果不一樣，導(dǎo)致結(jié)果不相同的原因或許是所選試驗設(shè)備不一樣。在此次試驗條件下，裝樣量為100 g的干基含水率接近150 g的干基含水率，這個結(jié)果或能為實際生產(chǎn)中設(shè)備的最佳裝樣量的確定提供一個依據(jù)。

圖6 不同裝樣量的干燥曲線

圖7 不同裝樣量的干燥速率曲線

2.3 蘋果脆片熱風(fēng)干燥模型的選擇

2.3.1 蘋果脆片熱風(fēng)干燥模型的建立

用表4中的6種干燥模動力學(xué)型對3個不同因素（切片厚度、熱風(fēng)溫度和裝樣量）條件下的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立蘋果脆片的熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型。擬合結(jié)果如表5～表7所示。

6種模型的擬合效果用R2、χ2、RMSE指標(biāo)進行評價，R2越大，χ2、RMSE越小說明擬合效果越好。

從表5～表7可以看出Logarithmic、Henderson and Pabis、Midilli-Kucuk三種模型具有較高的擬合度，其中Logarithmic模型的擬合效果又更好，說明Logarithmic模型擬合效果最好，在試驗所選6種模型中最適合預(yù)測分析蘋果脆片熱風(fēng)干燥過程中水分比變化情況。因此選擇Logarithmic模型為蘋果片熱風(fēng)干燥研究的動力學(xué)模型，其擬合方程為MR=aexp(-kt)+c。

表5 不同切片厚度下6種動力學(xué)模型的評價指標(biāo)及參數(shù)

表6 不同熱風(fēng)溫度下6種動力學(xué)模型的評價指標(biāo)及參數(shù)

表7 不同裝樣量下6種動力學(xué)模型的評價指標(biāo)及參數(shù)

2.3.2 蘋果脆片熱風(fēng)干燥模型的驗證

圖9 不同熱風(fēng)溫度的Logarithmic模型預(yù)測值與試驗值的關(guān)系

為了對Logarithmic模型預(yù)測蘋果脆片熱風(fēng)干燥過程的準(zhǔn)確性進一步檢驗，以不同切片厚度、熱風(fēng)溫度、裝樣量的MR預(yù)測值與試驗值進行了比較。從圖8～圖10可以看出，各個數(shù)據(jù)點位于直線y=x上或在直線上下浮動，說明Logarithmic模型的MR預(yù)測值與試驗值具有較高的擬合度，能夠較準(zhǔn)確地描述蘋果脆片熱風(fēng)干燥過程中MR的變化規(guī)律。

圖8 不同切片厚度的Logarithmic模型預(yù)測值與試驗值的關(guān)系

圖10 不同裝樣量的Logarithmic模型預(yù)測值與試驗值的關(guān)系

2.3.3 蘋果脆片熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

利用式（6）計算以裝樣量100 g、切片厚度4 mm為固定條件，熱風(fēng)溫度為50，60和70 ℃時的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。計算得出熱風(fēng)溫度從小到大時的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為6.263 9×10-13，9.463 9×10-13和1.140 8×10-12m2/s。由此可知，溫度越高，蘋果片中的水分子擴散越快。

3 結(jié)論

試驗研究了空白組、燙漂組、復(fù)合護色劑組、超聲波組、燙漂+復(fù)合護色劑組、燙漂+超聲波組、復(fù)合護色劑+超聲波組、燙漂+復(fù)合護色劑+超聲波組8種蘋果脆片護色方法。結(jié)果表明，復(fù)合護色劑+超聲波組護色效果最好，感官評價分值為88.125分，高于其他護色組別。

熱風(fēng)干燥研究表明，熱風(fēng)干燥過程中切片厚度、熱風(fēng)溫度及裝樣量三個因素都能對干燥速率產(chǎn)生較大的影響。蘋果片的厚度、裝樣量與熱風(fēng)干燥速率成反比，熱風(fēng)溫度與熱風(fēng)干燥速率成正比。蘋果片的熱風(fēng)干燥過程分為升速和降速干燥階段，無恒速階段。

采用6種薄層干燥數(shù)學(xué)模型對蘋果脆片的熱風(fēng)干燥過程的試驗數(shù)據(jù)進行擬合和驗證。結(jié)果表明，Logarithmic模型的擬合度最高，預(yù)測蘋果脆片水分變化規(guī)律較準(zhǔn)確，可用于描述蘋果脆片熱風(fēng)干燥過程。

熱風(fēng)溫度越高，蘋果脆片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)就大。當(dāng)熱風(fēng)溫度從50 ℃升到70 ℃時，其有效水分?jǐn)U散系數(shù)則從6.263 9×10-13m2/s到1.140 8×10-12m2/s。

試驗對蘋果脆片護色和干燥原理的探究，建立熱風(fēng)干燥模型，預(yù)測并控制蘋果脆片在熱風(fēng)干燥過程中水分含量的變化規(guī)律，為果蔬熱風(fēng)干燥預(yù)測、調(diào)控和工藝技術(shù)優(yōu)化提供理論參考，也為昭通蘋果脆片深加工提供解決方案。