基于響應(yīng)面法的哈密瓜片熱風(fēng)干燥工藝優(yōu)化研究

闞明琪 王慶惠 郭俊先 閆圣坤 萬文瑜

摘要：為提高哈密瓜片的干燥品質(zhì)，優(yōu)化哈密瓜片的熱風(fēng)干燥工藝。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以干燥溫度、干燥風(fēng)速、切片厚度為自變量，感官評價為響應(yīng)值，通過BoxBehnken中心組合試驗設(shè)計，進行響應(yīng)面優(yōu)化分析，確定哈密瓜片的最優(yōu)干燥工藝。結(jié)果表明，隨著干燥溫度的升高，哈密瓜片的色差值會增大，復(fù)水比會降低；隨著干燥風(fēng)速的增大，色差值變化不明顯，但復(fù)水比同樣會降低；隨著切片厚度的增大，哈密瓜片的色差變化增大且比干燥溫度變化明顯，復(fù)水比會降低。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明，哈密瓜片的最佳干燥工藝為干燥溫度55 ℃，干燥風(fēng)速2 m/s，切片厚度8 mm，此時感官評價的得分最高為92.1。

關(guān)鍵詞：哈密瓜片；熱風(fēng)干燥；響應(yīng)面法；干燥特性；干燥工藝

中圖分類號：S226

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0094-07

Abstract： In order to improve the quality of air drying technology on Hami melon slices， the drying process of Hami melon slices is optimized. On the basis of single factor experiment， using drying temperature， drying wind speed and slice thickness as independent variables and sensory evaluation as response value， the BoxBehnken center combined test design was carried out， and the response surface optimization analysis was performed， and the drying process of Hami melon slices was determined. The results showed that with the increase of drying temperature， the color difference of Hami melon slices increased gradually， and the rehydration ratio decreased gradually. With the increase of drying wind speed， the rehydration ratio decreased gradually， but the color difference of Hami melon slices was not different. With the increase of slice thickness， the color difference of Hami melon slices increased gradually that the change was more obvious than drying temperate and the rehydration ratio decreased gradually. Response surface optimization results showed that the optimum drying parameters of dying apricot were as follows： drying temperature 55 ℃， air velocity 2 m/s， and slice thickness 8 mm. Under this condition， the highest score for sensory evaluation was 92.1.

Keywords： Hami melon slices; hot air dry; response surface method; drying characteristics; drying process

0引言

哈密瓜學(xué)名甜瓜（Cucumis melo L.），是葫蘆科黃瓜屬植物［1］，主產(chǎn)于新疆吐魯番盆地與哈密盆地［2］。新疆是我國哈密瓜的主要產(chǎn)地，一直以來新疆哈密瓜的年產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的16%，是新疆重要的特色水果，大量種植有利于推動新疆經(jīng)濟發(fā)展［3］。哈密瓜風(fēng)味獨特、清脆爽口、營養(yǎng)價值高，其中富含大量的維生素C、糖類和胡蘿卜素［4］。哈密瓜的收獲期都集中在8月份，其產(chǎn)量巨大不方便儲存，同時因為新疆與其他地區(qū)相距較遠不便于外銷，這些都會造成農(nóng)民的經(jīng)濟損失［5］。所以需要對哈密瓜進行加工處理延長上市的時間，減少成本。干燥是哈密瓜的加工方式之一，干燥方法與工藝直接影響到哈密瓜產(chǎn)品的品質(zhì)［67］。

哈密瓜在干燥時多會采用切片的方法進行干燥，近年來國內(nèi)外的學(xué)者對芒果［8］、檸檬［9］、香蕉［10］、獼猴桃［11］、胡蘿卜［12］等物料進行相關(guān)的研究，取得了較好地成果。張茜等［13］將氣體射流干燥技術(shù)應(yīng)用到哈密瓜干燥上，研究了在不同干燥溫度（60 ℃～80 ℃）和干燥風(fēng)速（5～20 m/s）下的干燥特性，結(jié)果表明哈密瓜片的氣體射流干燥屬于降速干燥，干燥溫度對干燥速率的影響最為顯著，但干燥風(fēng)速的影響較小。鄭霞等［14］通過研究紅外聯(lián)合氣體射流沖擊的干燥方法縮短了哈密瓜片的 干燥時間，探究了不同的干燥溫度（55 ℃～80 ℃）和切片厚度（3～11 mm）對哈密瓜片干燥特性的影響。研究表明溫度對干燥速率有顯著影響，尤其在干燥初期不同干燥溫度下的干燥速率差異很大；切片厚度對哈密瓜的干燥速率較為顯著。同時研究顯示經(jīng)過此項干燥工藝干燥后的哈密瓜片色差較小，干燥所需能耗小，保留了哈密瓜的風(fēng)味。不同的干燥工藝對哈密瓜片的干燥速率與品質(zhì)的影響不同，因此需要一種適用性廣，干燥效果較好的干燥方法。

本文通過熱風(fēng)干燥技術(shù)，以新鮮的哈密瓜為研究對象，對其進行熱風(fēng)干燥試驗。通過探究不同干燥溫度（50 ℃、55 ℃、60 ℃）、干燥風(fēng)速（1 m/s、2 m/s、3 m/s）和切片厚度（4 mm、8 mm、12 mm）對哈密瓜片干燥特性、復(fù)水比、色差的影響。通過使用Design Expert 8.0.5軟件進行優(yōu)化，確定哈密瓜片最佳干燥工藝，為哈密瓜片熱風(fēng)干燥工藝提供理論參考。

1材料及方法

1.1試驗原料

原料采用西州蜜17號采購于新疆烏魯木齊市新北園春市場，材料要求哈密瓜新鮮，無明顯機械傷，大小一致且無病蟲害。哈密瓜購買后放置于2 ℃～4 ℃的環(huán)境下冷藏備用。哈密瓜的初始平均濕基含水率為92.28%±1.1%（恒溫干燥箱，24 h）。

1.2主要儀器與設(shè)備

本研究用于哈密瓜熱風(fēng)干燥的試驗設(shè)備由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所自制。其他儀器與設(shè)備；YP-5002型電子天平；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；SMY-2000型色差計；電熱恒溫水浴鍋DZKW-S-4。

1.3哈密瓜干燥試驗

1.3.1試驗準(zhǔn)備

先打開設(shè)備電源，設(shè)置當(dāng)前試驗的干燥參數(shù)，將設(shè)備進行預(yù)熱，當(dāng)干燥室內(nèi)的溫度達到設(shè)定溫度時，開始對哈密瓜洗凈去皮和去籽，按照工藝參數(shù)切成不同厚度的哈密瓜片，將哈密瓜片均勻單層地擺放在料盤上、稱重、放入設(shè)備、試驗開始。

1.3.2試驗方法

試驗開始后，每隔1 h對樣品進行稱重記錄，直到濕基含水率降至25%以下或者相鄰兩次質(zhì)量變化小于0.02 g/h時試驗結(jié)束。待樣品冷卻后放入密封袋中貯藏，進行下一組試驗。每組試驗重復(fù)三次。根據(jù)前期的預(yù)試驗的結(jié)果，將干燥溫度分別為50 ℃、55 ℃和60 ℃，干燥風(fēng)速分別為1 m/s、2 m/s和3 m/s，切片厚度分別為4 mm、8 mm、12 mm，具體試驗安排如表1所示。

1.6響應(yīng)面優(yōu)化試驗

本試驗使用DesignExport 8.0.5軟件進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇哈密瓜干燥溫度（A）、干燥風(fēng)速（B）、切片厚度（C）為響應(yīng)因素，以感官評價為響應(yīng)值，基于BoxBehnken設(shè)計三因素三水平的試驗［16］。響應(yīng)面分析因素水平及編碼如表3所示。

2結(jié)果與分析

2.1不同干燥因素對哈密瓜片干燥特性的影響

2.1.1干燥溫度對干燥特性的影響

切片厚度為8 mm，風(fēng)速為2 m/s，不同干燥溫度下的哈密瓜片的水分比隨時間變化的曲線以及干燥速率隨干基含水率變化的曲線如圖1，圖2所示。由圖1可以看出，哈密瓜片的水分比隨著時間的增加而不斷地降低，干燥溫度越高所需的干燥時間越短；干燥溫度為60 ℃時，與50 ℃時相比，干燥時間明顯減少相差了10 h，哈密瓜片干燥時間縮短了約55.56%。

由圖2可知，干燥速率的曲線整體都是先升高后下降，干燥溫度越高，哈密瓜的干燥速率越快，隨著干燥溫度提高，哈密瓜片表層的水分蒸發(fā)速度及內(nèi)部的水分擴散速度都逐漸加快，隨著干燥進程的發(fā)展，到了干燥后期哈密瓜片內(nèi)部水分擴散速度小于表面的水分蒸發(fā)速度，水分擴散到表面的阻力加大，所以干燥速率會逐漸降低，溫度對哈密瓜片的干燥速率有較大影響，諸多研究都證明了干燥溫度是影響干燥速率的主要因素［1718］。

2.1.2干燥風(fēng)速對干燥特性的影響

切片厚度為8 mm，干燥溫度為55 ℃，不同干燥風(fēng)速下的哈密瓜片的水分比隨時間變化的曲線以及干燥速率隨干基含水率變化的曲線如圖3，圖4所示。由圖3可以看出，所有的干燥曲線都是呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，即哈密瓜片的水分比隨著時間的增加而不斷的降低，且在干燥前期下降速度較后期的更快。從不同的曲線比較中可以看出，干燥風(fēng)速越大，干燥所需時間越少，3 m/s與1 m/s之間相差了2 h，時間相較縮短了14.29%，說明干燥風(fēng)速可以縮短干燥時間，但效果相較于干燥溫度不明顯。

由圖4可以看出，隨著干燥風(fēng)速的加大，單位時間內(nèi)哈密瓜片接觸的空氣數(shù)量加大，帶走空氣內(nèi)的水分也就越多，內(nèi)部的水分擴散越容易擴散到表面，哈密瓜片干燥速率加快，而到了干燥后期，哈密瓜片體積收縮結(jié)構(gòu)變得緊致內(nèi)部的孔隙收縮或者封閉，結(jié)合水越難脫除，各方面作用導(dǎo)致干燥速率降低，哈密瓜片的干燥速率同樣呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。干燥風(fēng)速對哈密瓜片的干燥速率有影響，但不如溫度提升明顯。

2.1.3切片厚度對干燥特性的影響

干燥溫度為55 ℃，干燥風(fēng)速為2 m/s，不同切片厚度下的哈密瓜片的水分比隨時間變化的曲線以及干燥速率隨干基含水率變化的曲線如圖5，圖6所示。由圖5可知，隨著切片厚度的減小，干燥曲線越陡，干燥所達到平衡時的時間越少。當(dāng)切片為4 mm時，干燥達到平衡的時間最短，只需要8 h，與12 mm相比干燥時間縮短了50%，說明切片厚度可以明顯縮短干燥時間，對干燥時間有著較大的影響。

由圖6可知在切片厚度的影響下，在干燥前期哈密瓜片的干燥速率較快，隨著干燥的進行哈密瓜片的速率同樣呈下降趨勢。隨著切片厚度的增加，哈密瓜片內(nèi)部的水分擴散到表面所需的運動路徑越長，水分流失緩慢，整體干燥速率下降，因此較厚的物料干燥速率低于薄物料，切片厚度影響下的哈密瓜干燥速率屬于降速干燥，整體趨勢為隨著干基含水率的降低干燥速率也逐漸降低。切片厚度對哈密瓜片的干燥速率有著較大的影響。

2.2不同干燥因素對哈密瓜片色差和復(fù)水率的影響

哈密瓜片在不同干燥因素下對色澤和復(fù)水率的影響如表4所示。

2.2.1干燥溫度對哈密瓜色澤和復(fù)水率的影響

由表2中1、2、3組試驗可以看出，切片厚度為8 mm，干燥風(fēng)速2 m/s時，不同干燥溫度下，溫度越高哈密瓜片的色差也就越大。這與李佳等的試驗結(jié)果相似，因為哈密瓜富含糖分，在溫度逐漸增加的過程中還原糖發(fā)生了Maillard反應(yīng)，又稱非酶褐變，導(dǎo)致干燥后的哈密瓜片的顏色逐漸加深，色差變大。而干燥溫度逐漸增高，哈密瓜片的復(fù)水率降低，這是因為干燥溫度的增高會導(dǎo)致哈密瓜片的干燥速率加快，使得哈密瓜片的結(jié)構(gòu)變得更加緊密，進而使得復(fù)水率降低。

2.2.2干燥風(fēng)速對哈密瓜片色澤和復(fù)水率的影響

由表2中2、4、5組試驗可以看出，干燥溫度為50 ℃，切片厚度為8 mm時，不同干燥風(fēng)速下，風(fēng)速越高哈密瓜片的色差反而越小，但與溫度相比變化相對不明顯。因為在干燥過程中，風(fēng)速越快可以更好地帶走物料表面的水分與溫度，減少了高溫帶來的色澤變化。但是風(fēng)速過快，哈密瓜片的失水率加快，造成哈密瓜片的細胞組織造成破壞，降低了其復(fù)水性，所以風(fēng)速過高會導(dǎo)致其復(fù)水率的降低。因此在本試驗中，干燥風(fēng)速不易選太快，干燥風(fēng)速應(yīng)選2 m/s。

2.2.3切片厚度對哈密瓜片色澤和復(fù)水率的影響

由表2中2、6、7組試驗可以看出，干燥溫度為50 ℃，干燥風(fēng)速為2 m/s時，不同切片厚度下，切片厚度越大哈密瓜片的色差越大。這是因為哈密瓜片的厚度不斷增加，導(dǎo)致哈密瓜片達到平衡時的時間延長，對其的酶與糖類的破壞增多，從而色差逐漸增大。哈密瓜片的復(fù)水率隨著切片厚度的增加而降低，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是，隨著哈密瓜切片厚度的增加，哈密瓜片內(nèi)部的水分擴散減慢，蒸汽壓力減少，哈密瓜片的孔隙更為緊致，從而導(dǎo)致復(fù)水率降低，所以切片厚度同樣不能選過高。

2.3響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

2.3.1響應(yīng)面試驗結(jié)果及方差分析

哈密瓜干燥優(yōu)化工藝試驗設(shè)計與結(jié)果如表5所示，回歸方程系數(shù)顯著性分析如表6所示。

由表6可以看出，模型的顯著性檢驗p<0.05說明該模型具有統(tǒng)計學(xué)意義，所以由表6可知哈密瓜片因素影響順序為：干燥溫度（A）>切片厚度（C）>干燥風(fēng)速（B）。模型的決定系數(shù)R2為0.986，修正決定系數(shù)Adj R2為0.968 1，與切預(yù)測系數(shù)Pred R2相接近，說明該模型與實際數(shù)據(jù)擬好較優(yōu)，具有實際的指導(dǎo)意義。

2.3.2響應(yīng)面分析

不同干燥因素對感官評價的影響如圖7～圖9所示。由圖7可以看出，干燥溫度A和干燥風(fēng)速B的交互作用對感官評價的影響成拋物面分布，當(dāng)干燥溫度A一定時，隨著干燥風(fēng)速B的增加，感官評價是先增加后下降，但波動幅度較小。同理，當(dāng)干燥風(fēng)速B一定時，隨著干燥溫度的增加，感官評價也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且波動幅度大于干燥風(fēng)速B的影響。在干燥溫度為55 ℃，干燥風(fēng)速為2 m/s時取得了最大值。僅考慮在二者之間的交互作用，最佳的干燥工藝范圍是：干燥溫度A為52.5 ℃～57.5 ℃，干燥速度B為1.5～2.5 m/s之間。

由圖8可以看出，干燥溫度A和切片厚度C的交互作用對感官評價的影響同樣成先增后減的趨勢，整體的波動幅度較大。在干燥溫度A為55 ℃，切片厚度C為8 mm時取得了最大值。僅考慮在二者之間的交互作用，最佳的干燥工藝范圍是：干燥溫度A為52.5 ℃～57.5 ℃，切片厚度C為4～10 mm之間。

由圖9可知，干燥風(fēng)速B和切片厚度C的交互作用對感官評價的影響同樣成先增后減的趨勢，但是相較于圖7整體對稱性較好。在二者的交互作用下，切片方式C對在交互作用中的貢獻更大。在干燥風(fēng)速B為2 m/s，切片厚度C為8 mm時取得了最大值。僅考慮在二者之間的交互作用，當(dāng)干燥風(fēng)速B為1.5～2.5 m/s，切片厚度C為4～10 mm之間時，感官評分較高。

為進一步確定最佳的干燥工藝，以最大化感官評價為目標(biāo)，由軟件加算出的結(jié)果可知，在干燥溫度A、干燥風(fēng)速B、切片厚度C共同影響下的感官評價最佳的干燥工藝為：干燥溫度為55.03 ℃、干燥風(fēng)速為2.02 m/s、切片厚度為7.23 mm，在此工藝下去的感官評分最大值為91.603。

2.3.3最優(yōu)工藝條件試驗驗證

根據(jù)軟件預(yù)測結(jié)果，結(jié)合實際工藝設(shè)置的可行性，干燥溫度A為55 ℃、干燥風(fēng)速B為2 m/s、切片厚度8 mm為條件進行三次重復(fù)試驗，得到平均分92.1，與模型預(yù)測結(jié)果接近，表明基于響應(yīng)面模型分析優(yōu)化感官得分的方法有效可行。為便于實際操作參數(shù)的控制，將哈密瓜最優(yōu)干燥工藝參數(shù)修正為：干燥溫度55 ℃、干燥風(fēng)速2 m/s、切片厚度為8 mm。

3結(jié)論

1） 以新鮮的哈密瓜片為干燥試驗材料，進行熱風(fēng)干燥試驗。試驗結(jié)果表明：干燥溫度與切片厚度對哈密瓜片干燥時間與干燥速率有著較大的影響，適當(dāng)?shù)奶岣吒稍餃囟?，減小切片厚度可以有效地降低干燥時間提高干燥速率，干燥風(fēng)速的變化則對干燥速率的影響不大。

2） 對哈密瓜片的色差和復(fù)水率的影響較大的是干燥溫度與切片厚度，過高的干燥溫度會導(dǎo)致哈密瓜片的色差和復(fù)水率降低，同理切片厚度也是一樣，因此都不宜選太高。但是隨著干燥風(fēng)速的提高哈密瓜片的色差會降低，但是復(fù)水率會降低，所以也不應(yīng)選過高。通過單因素試驗，以干燥時間、色差和復(fù)水率為影響指標(biāo)，選擇的干燥工藝為：干燥溫度55 ℃、干燥風(fēng)速2 m/s、切片厚度8 mm。

3） 使用響應(yīng)面法分析感官評價得出，哈密瓜片最優(yōu)干燥工藝參數(shù)為：干燥溫度55 ℃、干燥風(fēng)速2 m/s，切片厚度8 mm，在此條件下，平均綜合得分為92.1，與模型預(yù)測結(jié)果接近，優(yōu)化結(jié)果可靠，可以為哈密瓜片熱風(fēng)干燥的加工提供一定的依據(jù)。

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