玉米種子真空冷凍干燥微觀實(shí)驗(yàn)研究及模型分析

張哲，張智弘，張靖含，計(jì)宏偉，田津津，李昌寧，劉訓(xùn)杰

玉米種子真空冷凍干燥微觀實(shí)驗(yàn)研究及模型分析

張哲*，張智弘，張靖含，計(jì)宏偉，田津津，李昌寧，劉訓(xùn)杰

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

探究真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)玉米種子的影響?；诠鈱W(xué)顯微鏡成像及真空冷凍干燥技術(shù)探究各凍干條件（凍結(jié)終溫、升華干燥溫度、解析干燥溫度）對(duì)玉米種子細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)比分析細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)（當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積、圓度）和含水率的變化規(guī)律，建立真空冷凍干燥條件與細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)擬合模型。細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率和含水率與凍結(jié)終溫呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，隨升華干燥和解析干燥溫度的升高呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)，且升華干燥溫度對(duì)玉米種子形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率影響最大。在凍結(jié)終溫為?25 ℃、升華干燥溫度為5 ℃、解析干燥溫度為40 ℃下，含水率（12.81%）最低。在細(xì)胞的當(dāng)量直徑（9.2%）、周長(zhǎng)（8.4%）、面積（17.68%）的變化率最小且圓度（1.78%）小于4%時(shí)，干燥效果最好。采用二次多項(xiàng)式模型，決定系數(shù)2均接近于1，SSE和RMSE均接近0。該數(shù)學(xué)模型能較好地描述各真空冷凍干燥條件對(duì)玉米種子細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)的影響，可在一定范圍內(nèi)對(duì)玉米米種子真空冷凍干燥后的品質(zhì)進(jìn)行控制。

真空冷凍干燥，玉米種子，微觀結(jié)構(gòu)，含水率

玉米目前是世界上最重要的種植作物之一，我國(guó)玉米的種植面積大、產(chǎn)量多、需求高[1-2]。玉米種子含水率過(guò)高，使其呼吸作用加強(qiáng)引起霉菌大量繁殖導(dǎo)致霉變。國(guó)家規(guī)定玉米種子的含水率的安全范圍應(yīng)在13%左右，但玉米種子由于籽粒大，表皮結(jié)構(gòu)緊密等因素導(dǎo)致很難干燥[3]。常見(jiàn)干燥玉米種子的方法包括熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、微波干燥等[4]，但是它們由于干燥溫度過(guò)高等問(wèn)題使產(chǎn)品品質(zhì)不能滿(mǎn)足需求[5]。真空冷凍干燥相較于其他干燥方法能很好地保留物料原有的成分[6-8]，產(chǎn)出的干制品質(zhì)量較高。

目前針對(duì)谷物種子真空冷凍干燥的宏觀研究較多，微觀研究較少。楊穎等[9]采用凍干的方式對(duì)小麥種子進(jìn)行干燥處理。結(jié)果表明，小麥種子在真空冷凍干燥條件處理下的平均活率高，且發(fā)現(xiàn)冰晶升華溫度與干燥室壓力密切相關(guān)。張子涵[10]利用3D顯微鏡觀察凍干前后的蠶豆細(xì)胞變化，發(fā)現(xiàn)其突起高度變化較大，證明了蠶豆在凍干處理下的失水效果良好。Jiang等[11]對(duì)新鮮毛豆種子進(jìn)行真空冷凍干燥研究，采用近紅外反射（NIR）技術(shù)對(duì)樣品檢測(cè)，得出凍干后的毛豆種子蛋白質(zhì)和油含量保存較好并具有高穩(wěn)定性。Aborus等[12]對(duì)小麥品種子在凍干條件下的品質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)凍干后的小麥種子的抗氧化能力和還原能力具有顯著性。張芳等[13]對(duì)凍干處理下的蠶豆種子技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用Central Composite Design方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，建立了相關(guān)的二次回歸模型，發(fā)現(xiàn)蠶豆在真空干燥溫度為85 ℃、脫水時(shí)間為120 min下的品質(zhì)最好，且決定系數(shù)均大于0.95，擬合結(jié)果較好。諸凱等[14]建立了低溫真空下蠶豆種子的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)脫水過(guò)程中細(xì)胞直徑變化率與含水率具有很好的相關(guān)性，且決定系數(shù)大于0.96，擬合結(jié)果較好。經(jīng)上述研究可知，關(guān)于谷物種子真空冷凍干燥的相關(guān)模型建立的研究較少，且模型精度有待優(yōu)化。

由于玉米種子微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀的傳熱傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生，可通過(guò)細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率（當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積、圓度）來(lái)反映玉米種子宏觀結(jié)構(gòu)的變化。本文從微觀角度出發(fā)，探究不同真空冷凍干燥條件對(duì)玉米種子細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率和含水率的影響，并針對(duì)真空冷凍干燥條件和細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，通過(guò)預(yù)測(cè)玉米種子真空冷凍干燥細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率，可在一定范圍內(nèi)對(duì)干燥后玉米種子品質(zhì)的進(jìn)行調(diào)控。為真空冷凍干燥技術(shù)處理玉米種子提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

主要材料和儀器：玉米種子（無(wú)損傷病害，顆粒飽滿(mǎn)），山東德州德利農(nóng)988；LGJ-20F真空冷凍干燥機(jī)，北京松源華真科技發(fā)展有限公司；OLYMPUS BX-53，光學(xué)冷凍干燥顯微鏡，日本奧林巴斯株式會(huì)社；Leica VT1000型切片機(jī)，德國(guó)Leica Biosystems；FD 610水分測(cè)試儀，日本KETT；DSC-Q1000型，美國(guó)TA公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

采用Leica VT1000型切片機(jī)將玉米種子切成為5 mm×5 mm×3 mm的薄片，采用水分測(cè)試儀測(cè)量玉米種子的初始含水率。在光學(xué)冷凍干燥顯微鏡下放大100倍進(jìn)行細(xì)胞微觀圖像的記錄。之后將玉米種子切片放入培養(yǎng)皿中送入真空冷凍干燥機(jī)中。依據(jù)各凍干條件（凍結(jié)終溫、升華干燥溫度、解析干燥溫度）進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)干燥后的玉米種子切片先進(jìn)行細(xì)胞微觀圖像的記錄，再測(cè)含水率。

1.2.2 含水率的測(cè)定

將所制得干燥前后的玉米種子切片研制成粉末，采用FD 610水分測(cè)試儀測(cè)定含水率。選擇合適的carrot powder模式，按要求加入適量的玉米種子粉末，運(yùn)行至終點(diǎn)后讀取數(shù)值[15]。

1.2.3 共晶點(diǎn)和共融點(diǎn)的測(cè)定

用鑷子將玉米種子切片平整放于坩堝內(nèi)，然后使用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，最后放入差式掃描熱量?jī)x中設(shè)置凍結(jié)和升溫速率，進(jìn)行共晶點(diǎn)（降溫過(guò)程胞內(nèi)水分開(kāi)始凝結(jié)冰晶的點(diǎn)）和共融點(diǎn)（升溫過(guò)程中冰晶開(kāi)始融化的點(diǎn)）的溫度測(cè)定。保持同等條件下測(cè)試3次并取平均值。得出共晶點(diǎn)的溫度為（?17.68±4.1）℃、共融點(diǎn)的溫度為（3±1.28）℃[16]。

1.2.4 細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率的測(cè)定

采用OLYMPUS BX-53光學(xué)冷凍干燥顯微鏡放大100倍對(duì)玉米種子切片干燥前后中心區(qū)域300個(gè)細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)（當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積）進(jìn)行觀察和記錄，將所得到的圖像先用Adobe Photoshop進(jìn)行描邊處理，再將其變成灰度圖像，通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)比度、降噪等方式使細(xì)胞輪廓更加清晰，導(dǎo)入image-proplus 6.0中對(duì)干燥前后細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。由式（1）計(jì)算細(xì)胞的圓度，并對(duì)所得到的細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)用頻數(shù)分布曲線表示。取頻數(shù)分布最高區(qū)間內(nèi)數(shù)值的平均值作為細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)的初終值。細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率如式（2）所示[17]。

式中：為細(xì)胞周長(zhǎng)，μm；為細(xì)胞面積，μm2；為細(xì)胞圓度；為細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率（當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積、圓度），%；0為細(xì)胞干燥前細(xì)胞各形態(tài)學(xué)參數(shù)的初值；1為干燥后細(xì)胞各形態(tài)學(xué)參數(shù)的終值。

1.2.5 真空冷凍干燥條件實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取

凍結(jié)終溫應(yīng)比共晶點(diǎn)低5～10 ℃、升華干燥溫度應(yīng)該在共融點(diǎn)溫度附近[18]。為了保護(hù)玉米種子的活性，解析干燥溫度不應(yīng)超過(guò)45 ℃。因此本研究以預(yù)凍方式為速凍，凍結(jié)終溫為?25 ℃，凍結(jié)1 h，真空度為10 Pa，升溫速率設(shè)置為0.5 ℃/min，升華干燥溫度為5 ℃持續(xù)6 h，解析干燥溫度為40 ℃停留3 h對(duì)玉米種子切片進(jìn)行凍干處理（如圖1所示），并將其作為對(duì)照組。分別在凍結(jié)終溫度（?35、?32.5、?30、?27.5、?25 ℃）、升華干燥溫度（1、3、5、7、9 ℃）和解析干燥溫度（35、37.5、40、42.5、45 ℃）下對(duì)玉米種子切片進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，探究各真空冷凍干燥條件對(duì)玉米種子的細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)和含水率的變化規(guī)律。

圖1 真空冷凍干燥工藝

1.2.6 干燥模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)

決定系數(shù)2表示預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值相關(guān)程度，2越接近于1表明所擬合后的方程式精準(zhǔn)度越高。誤差平方和（SSE）和均方誤差的根（RMSE）如式（4）、（5）所示，越接近于0，表明模型擬合越好[19]。

式中：為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)參數(shù)；0為細(xì)胞結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測(cè)值；1為細(xì)胞結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)測(cè)值；為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

上述實(shí)驗(yàn)測(cè)定除特殊說(shuō)明外均重復(fù)3次并取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。對(duì)不同凍干條件下玉米種子切片干燥后的含水率，采用spss26采用單因素方差分析（ANOVA）進(jìn)行Duncan多重檢驗(yàn)，<0.05表示差異顯著。用origin2020對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)分布處理并作圖。用Matlab2020計(jì)算細(xì)胞圓度、細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率，以建立干燥擬合模型及驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)終溫對(duì)玉米種子切片的影響

凍結(jié)會(huì)使細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶，冰晶過(guò)多或過(guò)大都會(huì)對(duì)細(xì)胞造成不同程度的機(jī)械損傷[20]，凍結(jié)終溫的選取對(duì)玉米種子干燥后的品質(zhì)至關(guān)重要。由于凍結(jié)終溫溫度一般比共晶點(diǎn)低5～10 ℃，在其他凍干條件不變的情況下，分別在?35、?32.5、?30、?27.5、?25 ℃的凍結(jié)終溫下對(duì)玉米種子細(xì)胞干燥前后的形態(tài)學(xué)參數(shù)分布頻數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中玉米種子切片的初始濕基質(zhì)量含水率為（37.6±0.2）%。不同凍結(jié)終溫下所對(duì)應(yīng)的玉米種子切片含水率經(jīng)spss統(tǒng)計(jì)分析后如表1所示。

表1 不同凍結(jié)終溫下玉米種子切片的含水率

Tab.1 Moisture content of corn seed slices at different freezing end temperature

注：字母相同表示在Ducan多重比較檢驗(yàn)法中，>0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，下同。

由圖2可知，隨著凍結(jié)終溫的降低，玉米種子細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率逐漸增大，細(xì)胞當(dāng)量直徑的變化率為9.20%～12.31%，細(xì)胞周長(zhǎng)和面積變化率分別為8.40%～11.31%和17.12%～23.56%，細(xì)胞圓度干燥前后變化不大（1.78%～3.12%）。由表1可知，改變凍結(jié)終溫所得干燥后玉米種子切片含水率的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（<0.05），且細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率與含水率會(huì)隨凍結(jié)終溫的降低而增大。在?25 ℃時(shí)細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率最小，且含水率最低。這主要是由胞內(nèi)冰晶引發(fā)的溶質(zhì)損失所導(dǎo)致的，凍結(jié)時(shí)間恒定時(shí)，凍結(jié)溫度的降低會(huì)使降溫速率略微提高，導(dǎo)致過(guò)冷度的增大，細(xì)胞內(nèi)的水分相變時(shí)間短產(chǎn)生了大量細(xì)小的冰晶，因此對(duì)細(xì)胞壁造成了略微的機(jī)械損傷，導(dǎo)致胞內(nèi)溶質(zhì)的流失引起細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)的變化[21]，同時(shí)細(xì)胞組織間的自由水含量增大。由細(xì)胞圓度的變化率小于4%可知，細(xì)胞形狀依然接近圓形[16]，此時(shí)細(xì)胞受到的機(jī)械損傷較少。說(shuō)明玉米種子細(xì)胞在該凍結(jié)終溫范圍內(nèi)的狀態(tài)較為穩(wěn)定。

圖2 不同凍結(jié)終溫下細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)分布

2.2 升華干燥溫度對(duì)玉米種子切片的影響

升華干燥主要是利用冰在壓強(qiáng)低于610.62 Pa時(shí)，對(duì)冰加熱水會(huì)直接變成氣態(tài)排放出去，這一過(guò)程可以去除約90%的自由水和少量結(jié)合水。因此升華干燥溫度在真空冷凍干燥過(guò)程中極為重要。在凍結(jié)終溫為?25 ℃和解析溫度為40 ℃時(shí)，分別在1、3、5、7、9的升華干燥溫度下對(duì)玉米種子細(xì)胞干燥前后的形態(tài)學(xué)分布頻數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)中不同升華干燥溫度下的樣品含水率如表2所示。

由圖3可知，隨著升華干燥溫度的升高，玉米種子細(xì)胞的當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積變化率和含水率呈先減少后增大的趨勢(shì)。細(xì)胞直徑變化率為11.20%～26.46%，細(xì)胞周長(zhǎng)和面積變化率分別為8.40%～26.92%和17.12%～46.64%，細(xì)胞圓度變化率干燥前后變化不大，為0.74%～3.12%。由表2可知，升華干燥溫度對(duì)干燥后玉米種子切片含水率的影響差異顯著（<0.05），且含水率會(huì)隨升華干燥溫度的升高呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)。在其他凍干條件不變時(shí)，當(dāng)升華干燥溫度小于共融點(diǎn)式，升華干燥溫度的升高讓冰能更快地以水蒸氣的方式去除內(nèi)部的自由水，細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率和含水率隨升華干燥溫度的升高而減少。當(dāng)升華干燥溫度大于共融點(diǎn)時(shí)，冰會(huì)逐漸先融化成水再以水蒸氣的形式析出，這一過(guò)程導(dǎo)致升華干燥所需要的升華潛熱增大，使得水分不能盡快去除，導(dǎo)致干燥后的含水率增多[22]，引起細(xì)胞發(fā)生大量的坍塌和軟化。因此含水率和細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率隨升華干燥溫度的升高而增大。在升華干燥溫度為5 ℃時(shí)，細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率較小，圓度變化低于4%，含水率最低，干燥效果最好。

表2 不同升華干燥溫度下玉米種子切片的含水率

Tab.2 Moisture content of corn seed slices at different sublimation drying temperature

2.3 解析溫度對(duì)玉米種子切片的影響

解析干燥過(guò)程是在低真空的條件下對(duì)已經(jīng)結(jié)束升華干燥的玉米種子切片進(jìn)行升溫加熱，主要使玉米種子內(nèi)部的結(jié)合水以水蒸氣的形式去除。在凍結(jié)終溫為?25 ℃、升華干燥溫度為5 ℃下，對(duì)玉米種子細(xì)胞分別在解析溫度35、37.5、40、42.5、45 ℃下干燥前后的形態(tài)學(xué)分布頻數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)中不同解析干燥溫度的樣品含水率經(jīng)spss統(tǒng)計(jì)分析后如表3所示。

由圖4可知，隨著解析干燥溫度的升高，干燥后的玉米種子細(xì)胞的當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積變化率呈先減少后增大的趨勢(shì)。細(xì)胞當(dāng)量直徑的變化率為9.20%～19.88%，細(xì)胞周長(zhǎng)的變化率為8.40%～18.61%，細(xì)胞面積的變化率為17.12%～32.9%。隨著解析干燥溫度的升高，細(xì)胞圓度變化率（1.26%～5.3%）逐漸增大。由表3可知，解析干燥溫度對(duì)干燥后玉米種子切片含水率有顯著差別（<0.05）。在一定范圍內(nèi)，解析干燥溫度的升高會(huì)導(dǎo)致干燥后含水率和細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)。這可能是由于結(jié)合水解析自由水的速率不同引起的。在解析干燥溫度時(shí)間一定時(shí)，當(dāng)結(jié)合水解析自由水的速率較慢時(shí)，自由水含量較少，自由水蒸發(fā)獲得的汽化潛熱逐漸增大，含水率會(huì)逐漸減少。因此細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓減少，此時(shí)細(xì)胞的當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積變化率會(huì)減少。而隨溫度升高結(jié)合水的解析速率較大時(shí)，結(jié)合水大量解析為自由水，導(dǎo)致自由水蒸發(fā)需要的汽化潛熱略大于所獲得的，因此細(xì)胞內(nèi)部含水率和形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率會(huì)略微增大[23]。結(jié)合水的逐漸析出會(huì)使得細(xì)胞坍塌和軟化有所增加，細(xì)胞圓度在45 ℃時(shí)大于4%，細(xì)胞形態(tài)此時(shí)接近于正五邊形。說(shuō)明解析溫度過(guò)高會(huì)使得玉米種子細(xì)胞形變較大，狀態(tài)不穩(wěn)定。因此在解析干燥溫度為40 ℃時(shí)，細(xì)胞的當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)、面積變化率最小，含水率最低，干燥后的效果最好。

圖3 不同升華干燥溫度下細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)分布

圖4 不同解析干燥溫度下細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)分布

表3 不同解析干燥溫度下玉米種子切片的含水率

Tab.3 Moisture content of corn seed slices at different parse drying temperature

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在凍結(jié)終溫為?25 ℃（1 h）、升華干燥溫度為5 ℃（6 h）、解析溫度為40 ℃（3 h）時(shí)，玉米種子的含水率（12.81%）最低，細(xì)胞的當(dāng)量直徑（9.20%）、周長(zhǎng)（8.40%）、面積（17.68%）變化率最小。圓度（1.78%）小于4%時(shí)，細(xì)胞狀態(tài)較為穩(wěn)定，干燥效果最好。玉米種子干燥前后不同區(qū)域的微觀圖像如圖5所示。

圖5 玉米種子細(xì)胞不同區(qū)域干燥前后對(duì)比（放大倍數(shù)為100倍）

3 模型的建立與評(píng)價(jià)

為了揭示真空冷凍干燥過(guò)程中不同凍干條件與玉米種子細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，本文基于Matlab建立不同凍干條件對(duì)細(xì)胞的當(dāng)量直徑、周長(zhǎng)，面積的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。從上述的分析中可以發(fā)現(xiàn)，各參數(shù)因素和細(xì)胞變化率服從非線性關(guān)系，為了使方程簡(jiǎn)化，采用二次多項(xiàng)式模型表示：

式中：為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化率；為不同的影響因素；、、為系數(shù)。擬合結(jié)果如圖6所示，求解各模型結(jié)果如表4所示。

由表4可知，與的決定系數(shù)2在0.9以上，SSE和RSME均接近0，說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果較好[24]。表示凍干條件對(duì)玉米種子形態(tài)學(xué)變化的相關(guān)度，且相關(guān)度從大到小排序?yàn)樯A干燥溫度、解析干燥溫度、凍結(jié)終溫。這表明升華干燥溫度相較于凍結(jié)終溫和解析干燥溫度對(duì)玉米種子細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)變化的影響最大，凍結(jié)終溫影響幅度最小，這說(shuō)明真空冷凍干燥過(guò)程中，升華干燥階段去除的自由水的過(guò)程至關(guān)重要[23]。且從2來(lái)看，升華干燥溫度（0.957 7）和解析干燥溫度（0.963 2）對(duì)細(xì)胞周長(zhǎng)的變化擬合效果最好，凍結(jié)終溫對(duì)細(xì)胞當(dāng)量直徑的變化擬合精度較高（0.999 6）[13-14]。

圖6 不同真空冷凍干燥條件對(duì)細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率的擬合曲線

表4 干燥模型的結(jié)構(gòu)與評(píng)價(jià)

Tab.4 Structure and evaluation of drying model

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)玉米種子在真空冷凍干燥條件下的細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)和含水率的變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)終溫為?25 ℃（1 h）、升華干燥溫度為5 ℃（6 h）、解析干燥溫度為40 ℃（3 h）時(shí)，玉米種子的細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化最低，含水率最小。在一定范圍內(nèi)，凍結(jié)終溫的降低會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率和含水率的增大。升華干燥溫度和解析干燥溫度的升高會(huì)使玉米種子細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化率和含水率呈先減少后增大的變化趨勢(shì)。玉米種子的細(xì)胞圓度變化在4%附近，干燥后細(xì)胞狀態(tài)較為穩(wěn)定，從微觀角度印證了凍干技術(shù)處理下玉米種子的品質(zhì)較好。各真空冷凍干燥條件與細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)變化率的二次多項(xiàng)式擬合模型的決定系數(shù)均在0.9以上。表明該模型可預(yù)測(cè)玉米種子真空冷凍干燥過(guò)程中細(xì)胞形態(tài)學(xué)參數(shù)率，有助于控制干燥后玉米種子的品質(zhì)，以及為后續(xù)玉米種子真空冷凍干燥數(shù)學(xué)模型的建立提供依據(jù)。

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Experimental Study and Model Analysis of Vacuum Freeze-drying of Corn Seed

ZHANG Zhe*, ZHANG Zhihong, ZHANG Jinghan, JI Hongwei, TIAN Jinjin, LI Changning, LIU Xunjie

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The work aims to study the effects of vacuum freeze-drying on corn seeds. The effects of vacuum freeze-drying conditions (freezing end temperature, sublimation drying temperature and parse drying temperature) on the microstructure of corn seed cells were investigated based on the optical microscope imaging and vacuum freeze-drying techniques. The variation pattern of cell morphological parameters (equivalent diameter, perimeter, area and roundness) and moisture content were compared and analyzed. A mathematical fitting model was established for the correlation between the change rate of cell morphology parameters and vacuum freeze-drying conditions. The change rate of cell morphological parameters and moisture content were negatively correlated with the freezing end temperature. With the increase of sublimation drying and parse drying temperature, the change rate of cell morphological parameters and moisture content tended to decrease and then increase. The sublimation drying temperature had the greatest impact on the change rate of morphological parameters of corn seeds. The moisture content is the lowest (12.81%) at the final freezing temperature of ?25 ℃, sublimation drying temperature of 5 ℃ and parse temperature of 40 ℃. The cells have the smallest rate of change in equivalent diameter (9.2%), perimeter (8.4%), area (17.68%) and the roundness (1.78%) is less than 4%, indicating the best drying results. By the quadratic polynomial model, the coefficient of determination2is closed to 1 andSSEandRMSEare closed to 0. This mathematical model can effectively describe the effects of various vacuum freeze-drying conditions on the morphological parameters of corn seed cells and control the quality of corn seed after vacuum freeze-drying within a certain range

vacuum freeze-drying; corn seed; microstructure; moisture content

TS255

A

1001-3563(2024)03-0072-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.03.009

2023-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（12172254，11772225）；天津市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（2022SKY327）