王慶惠 閆圣坤 李忠新 阿布力孜·巴斯提

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

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高壓靜電場對杏子熱風(fēng)干燥特性及色澤影響

王慶惠 閆圣坤 李忠新 阿布力孜·巴斯提

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

研究干燥溫度、風(fēng)速以及高壓靜電場對杏子干燥特性及色澤變化的影響。結(jié)果表明：① 提高干燥溫度或風(fēng)速均能縮短干燥時間；② Weibull函數(shù)可以用于模擬杏子的干燥，尺度參數(shù)α與干燥溫度和風(fēng)速有關(guān)，并隨干燥溫度或風(fēng)速的增加而減小，形狀參數(shù)β與干燥方式有關(guān)；③ 杏子熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在1.88×10-10～3.18×10-10m2/s范圍內(nèi)變化，而干燥活化能為35.90 kJ/mol；④ 干燥溫度對干燥后杏子的色澤變化有重要影響，增加高壓靜電場可獲得較好的色澤。

干燥；熱風(fēng)；杏子；高壓靜電場；色澤

杏原產(chǎn)于中國，在中國已有3 000多年的栽培史[1]。中國是杏的生產(chǎn)大國，據(jù)統(tǒng)計[2]，2014年僅新疆省杏樹的種植面積13.24萬hm2，產(chǎn)量128.16萬t，分別占全疆水果種植總面積和總產(chǎn)量的14.93%及13.93%。杏是維生素B17含量最豐富的果品，也是藥食同源常見的果品之一，深受人們喜愛。但杏果皮嬌嫩極易損傷，常溫下一般只能存放7 d左右[3]，杏子成熟期在6月下旬至7月中旬，大批量鮮杏集中上市給銷售帶來極大困難。目前杏子主要采用干制后銷售的方式[4]。

傳統(tǒng)自然晾曬的方法具有成本低、干燥時間長、衛(wèi)生條件差等特點。但由于杏子自身特性的差異，加上粗放的干燥工藝，使得干燥后杏干產(chǎn)品品質(zhì)難以保證。因此，在新疆近年來逐漸被果蔬熱風(fēng)烘干房所取代[5]。

王寧等[6]采用較低的溫度對杏子進(jìn)行了薄層干燥試驗，發(fā)現(xiàn)杏子的整個干燥過程基本處于降速干燥階段；對干燥速率而言，溫度的影響要比風(fēng)速的影響大；干燥過程可用Wang-Singh模型描述。孟伊娜等[7]利用自制的太陽能干燥裝置將杏子含水率下降到15%以下需要10 d左右，干燥后杏子的L*值為51.1，b*值為37.2，a*值為20.1，色澤優(yōu)于溫室型干燥裝置的。肖紅偉等[8]利用氣體射流沖擊技術(shù)對鮮杏進(jìn)行干燥試驗后得出，在干燥溫度為60 ℃，干燥風(fēng)速為12 m/s的條件下，將杏子濕基含水率降到15%需要13 h，杏子的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為8.346×10-10～13.846×10-10m2/s，干燥活化能為30.62 kJ/mol。杜志龍等[9]進(jìn)行了促干劑和促干燙漂處理的杏子干燥對比試驗后得出，促干燙漂處理后杏子的干燥速度最快，不同預(yù)處理方式對色澤中b*值的影響最顯著，燙漂是b*減少的主要原因。

前人雖然對杏子的干燥特性及色澤變化進(jìn)行了一些研究，但主要是圍繞熱風(fēng)干燥技術(shù)進(jìn)行的，而高壓靜電場技術(shù)是一種新型的干燥技術(shù)，它利用離子束與物料中水分子間的相互作用，使物料內(nèi)水分子由無規(guī)則的運動變成順著電場強度增加的方向做定向運動，從而達(dá)到干燥過程中物料溫度不升高，物料內(nèi)營養(yǎng)成分有效保留的目的[10]。目前該技術(shù)已在西洋參[11]、胡蘿卜條[12]、甘藍(lán)[13]等物料干燥方面得以成功的應(yīng)用，取得了十分顯著的效果。

本研究擬將高壓靜電場技術(shù)應(yīng)用于杏子的熱風(fēng)干燥過程(結(jié)合目前新疆大面積推廣使用的果蔬熱風(fēng)烘干設(shè)備)，研究不同干燥條件及狀態(tài)下的杏子干燥特性，以Weibull函數(shù)分析干燥過程，并測定不同干燥條件下杏子的色澤變化值。旨在揭示不同干燥條件對杏子干燥特性和色澤變化影響規(guī)律，為干燥工藝的優(yōu)化調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鮮杏子：品種色買提，購于新疆北園春農(nóng)貿(mào)批發(fā)市場，平均長軸直徑37.48 mm，短軸直徑33.28 mm，單粒重23.90 g，去核后的濕基含水率為(80.62±0.4)%(真空干燥箱內(nèi)70 ℃干燥24 h)(AOAC)[14]。試驗前將購買回的杏子放于(5±1) ℃的冷庫內(nèi)保存。

1.2 主要試驗裝置

本研究中用于杏子干燥的試驗裝置(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所)如圖1所示。主要由加熱系統(tǒng)、高壓靜電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、料車和房體等組成。其中干燥室尺寸為6 300 mm×3 000 mm×2 500 mm，每個高壓靜電板的面積為300 mm×400 mm，每組靜電板的間距為2 900 mm，3組靜電板沿軸線方向等間距排列在干燥室墻壁的中間。高壓靜電場電壓為30 kV。

1. 料車 2. 高壓靜電板 3. 房體 4. 循環(huán)風(fēng)機(jī) 5. 分隔壁 6. 熱風(fēng)爐 7. 控制系統(tǒng) 8. 高壓裝置

圖1 干燥試驗裝置簡圖

Figure 1 Schematic diagram of air-drying equipment

電子稱：YP型，上海精科儀器有限公司；

真空干燥箱：DZF-6020型，河南兄弟儀器設(shè)備有限公司；

半自動式杏子核肉分離機(jī)：6QX-350型，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所；

果蔬保鮮庫：BXG-11/300型，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所；

色差計：SMY-2 000型，北京盛名揚科技開發(fā)責(zé)任有限公司。

1.3 試驗方法

將杏子從冷庫內(nèi)取出，挑選(外形尺寸、色澤、成熟度等基本一致，且表面無傷痕、無蟲害)、清洗，利用半自動式杏子核肉分離機(jī)將杏子沿臍縫線切成大小幾乎相等的兩瓣，去除杏核后，將杏子切分面向上，均勻地依次單層擺放在料車托盤上(料盤外形尺寸675 mm×380 mm×50 mm，每盤杏子2 kg左右，共560盤)，相鄰杏子無重疊。開啟熱風(fēng)干燥試驗裝置，當(dāng)干燥室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，將料車推入干燥室內(nèi)。根據(jù)前期預(yù)試驗以及文獻(xiàn)[7～8]，杏子的干燥方式有3種：第1種，采用熱風(fēng)干燥方式，干燥風(fēng)速恒定為3 m/s，干燥溫度分別為45，50，55，60 ℃；第2種，也采用熱風(fēng)干燥方式，干燥溫度恒定為50 ℃，風(fēng)速分別為2，3，4 m/s；第3種，在干燥室內(nèi)加入高壓靜電場，干燥溫度恒定為50 ℃，風(fēng)速恒定為3 m/s。干燥過程中排濕口始終打開，并從干燥開始每隔2 h測定物料重量變化，直至杏子濕基含水率降到15%時停止試驗[8]，每組試驗重復(fù)3次。試驗時，環(huán)境濕度41%～46%，溫度22～35 ℃。

1.4 試驗參數(shù)的計算方法

1.4.1 水分比、干燥速率及干基含水率的測定 杏子干燥過程中水分比(MR)按式(1)計算[15-16]：

(1)

式中：

MR——杏子干燥水分比；

M0——杏子的初始干基含水率，g/g；

Me——杏子干燥到平衡時的干基含水率，g/g；

Mt——杏子干燥到t時刻的干基含水率，g/g。

干燥速率(drying rate，DR)按式(2)計算[17]：

(2)

式中：

DR——干燥過程中時間在t1和t2之間的杏子干燥速率，g/(g·h)；

Mt1、Mt2——干燥過程中時間為t1、t2時杏子的干基含水率，g/g。

干基含水率Mt(moisture content on dry basis)按式(3)計算[18]：

(3)

式中：

Mt——干基含水率，g/g；

Wt——杏子在任意干燥t時刻的總質(zhì)量，g；

G——杏子干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.4.2 Weibull函數(shù)擬合干燥曲線 Weibull函數(shù)在計算物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能時，并不要求物料在整個干燥過程中始終處于降速階段，并且Weibull函數(shù)中尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β與干燥方式、干燥工藝、物料特性，以及傳熱傳質(zhì)等影響物料干燥特性的因素有效結(jié)合起來[19]，有利于對干燥過程進(jìn)行深入研究。

Weibull函數(shù)可以表示見式(4)[19]：

(4)

式中：

α——尺度參數(shù)，是速率常數(shù)，其值約為物料內(nèi)去除63%水分時所對應(yīng)的時間，min；

β——形狀參數(shù)，β與物料的干燥速率和水分遷移機(jī)理有關(guān)，0.3<β<1表示干燥處于降速干燥階段，β>1表示干燥前期存在延滯階段；

t——干燥時間，min。

數(shù)學(xué)模型的擬合程度可由決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE和卡方檢驗值χ2來評價。其中，R2越大、RMSE和χ2值越小，則擬合越好。R2、RMSE和χ2值的計算公式見式(5)～(7)[20]。

(5)

(6)

(7)

式中：

MRexp,i——實測水分比；

MRpre,i——計算水分比；

N——水分比的總個數(shù)；

n——常數(shù)的個數(shù)。

1.4.3 水分有效擴(kuò)散系數(shù)及干燥活化能 費克第二定律可以計算處于降速干燥過程中物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)[21]。水分有效擴(kuò)散系數(shù)按式(8)計算：

(8)

式中：

Deff——物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——杏子果肉的厚度，m；

t——干燥時間，s。

干燥活化能是表征物料干燥難易程度的重要指標(biāo)?；罨茉酱?，干燥需要的能量越多，干燥難度相應(yīng)也越大。目前，干燥活化能主要利用阿倫尼烏斯方程進(jìn)行計算[22]：

(9)

式中：

D0——物料的擴(kuò)散基數(shù)，m2/s；

Ea——物料的干燥活化能，kJ/mol；

R——摩爾氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)；

T——物料的干燥溫度，℃。

1.4.4 色澤的測定 色澤是判定杏干品質(zhì)優(yōu)劣的重要外觀指標(biāo)，對商品價值有重要影響[23]。杏子干燥過程中色澤的變化在一定程度上直觀地反映了杏子干燥過程中干燥工藝與營養(yǎng)成分變化的規(guī)律性[24]，可為杏子干燥過程的科學(xué)調(diào)控提供依據(jù)。

采用CIELAB表色系統(tǒng)(亦稱L*a*b*表色系)測量物料的L*、a*和b*值。其中L*、a*和b*分別表示明亮度、綠紅值和藍(lán)黃值，變化范圍分別為0(黑色)～100(白色)，-60(純綠色)～+60(純紅色)和-60(純藍(lán)色)～+60(純黃色)。而L*值越大，物料干燥后的顏色越好[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對杏子干燥特性的影響

不同干燥溫度條件下杏子的干燥特性曲線見圖2。由圖2(a)可知，干燥溫度為60 ℃的干燥時間比其在45 ℃的減少了38.9%，說明提高干燥溫度能有效縮短干燥時間，但干燥溫度不宜過高，因為杏子屬于含水率較高的果品，在干燥過程中，較高的干燥溫度會使杏子組織中蒸氣壓力變大，物料較軟部分的組織往往會被壓破，造成內(nèi)容物流失[26]。由圖2(b)可知，干燥溫度越高，杏子的干燥速度越快，且在整個干燥過程中均處于降速階段。這一結(jié)論與肖紅偉等[8]采用氣體射流沖擊技術(shù)干燥杏子時的結(jié)論一致。

圖2 不同溫度條件下杏子的干燥曲線和干燥速率曲線

Figure 2 Drying curves and drying rate curves of apricot under differfent air temperatures

2.2 干燥風(fēng)速對杏子干燥特性的影響

不同干燥風(fēng)速條件下杏子的干燥特性曲線見圖3。由圖3(a)可知，干燥風(fēng)速為4 m/s的干燥時間比其在2 m/s的干燥時間減少了17.6%，這由于提高風(fēng)速，加快了將聚集在杏子表面附近的濕熱空氣帶走的速度，也增加了杏子表面接觸干熱空氣的數(shù)量，加快了杏子干燥的進(jìn)程[27]。由圖3(b)可知，與干燥溫度影響相同，風(fēng)速越高，杏子的干燥速度越快，杏子在整個干燥過程中也處于降速階段。

2.3 高壓靜電場對杏子干燥特性的影響

當(dāng)干燥溫度為50 ℃，風(fēng)速為3 m/s，在熱風(fēng)干燥室內(nèi)加入高壓靜電場，其干燥特性曲線見圖4。由圖4(a)可知，相同的干燥條件下，熱風(fēng)和熱風(fēng)加入高壓靜電場的干燥時間分別為30，28 h，增加高壓靜電場比僅用熱風(fēng)干燥縮短干燥時間6.7%，這可能是電場離子進(jìn)入杏子后，逐漸將動能傳遞給杏子內(nèi)的水分子，使其動能增加，加快了水分子脫離杏子進(jìn)入到干燥介質(zhì)中的速度，進(jìn)而加快干燥的進(jìn)程。但與丁昌江等[12]研究干燥胡蘿卜時增加高壓靜電場比僅用熱風(fēng)干燥其干燥時間縮短43.3%相比差距很大，這可能是本試驗中高壓靜電板間距離較大，在相當(dāng)?shù)母邏红o電場下，電場強度相對較小，在整個干燥過程中，電場對杏子內(nèi)部水分子運動或水分子團(tuán)間的作用力相對也較弱，因而高壓靜電場對干燥時間縮短的幅度較小。由圖4(b)可知，干燥前期，增加電場可加快干燥速度，而后期電場對干燥速度的影響不明顯，這可能是干燥前期杏子內(nèi)部水分含量較高，吸收的電場能量相對較多，干燥速度較快，隨著干燥的進(jìn)行，杏子內(nèi)部水分不斷減少，杏子內(nèi)部水分吸收電場能量的能力也不斷下降，電場強度對干燥速度的影響也隨之減弱。

圖3 風(fēng)速對杏子的干燥曲線和干燥速率的影響

Figure 3 Drying curves and drying rate curves of apricot under differfent air velocities

2.4 基于Weibull函數(shù)模擬杏子干燥過程

利用Weibull函數(shù)對不同干燥條件下杏子的干燥過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見表1。由表1可知，決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE和卡方檢驗值χ2分別為0.993 9～0.999 6、0.002 4～0.009 5和5.64×10-5～5.18×10-4，方程擬合度較高，利用Weibull函數(shù)模擬杏子的熱風(fēng)干燥過程是切實可行的。

不同干燥條件下Weibull函數(shù)中尺度參數(shù)α值也存在差異。由表1可知，在熱風(fēng)干燥條件下，保持恒定的干燥風(fēng)速，干燥溫度由45 ℃增加到60 ℃，尺度參數(shù)α由745 min減小到433 min；而保持恒定的干燥溫度，干燥風(fēng)速由2 m/s增加到4 m/s，尺度參數(shù)α由689 min減小到518 min；提高干燥溫度或風(fēng)速，尺度參數(shù)值均減小，這是因為提高溫度或風(fēng)速加快了干燥的進(jìn)程，進(jìn)而縮短了去除63%水分所需要的時間[28]。這與圖2(a)和圖3(a)的表述一致。而在相同的干燥條件下，熱風(fēng)干燥和熱風(fēng)加入高壓靜電場干燥的尺度參數(shù)α分別為607 min和589 min，為此，這兩種干燥方式下杏子的干燥時間差異不大。

圖4 高壓靜電場對杏子的干燥曲線和干燥速率的影響

Figure 4 The effection of drying curves and drying rate curves of apricot under high-voltage electric field

由表1還可以看出，形狀參數(shù)β值為0.713 3～0.844 3，介于0.3和1.0之間，為此，杏子在整個干燥過程中均屬于降速干燥，與圖2(b)和圖3(b)的結(jié)論是一致的。而當(dāng)干燥溫度為50 ℃，風(fēng)速為3 m/s時，熱風(fēng)干燥和熱風(fēng)加入高壓靜電場干燥的形狀參數(shù)β分別為0.745 6和0.763 2，因此，形狀參數(shù)β與干燥方式有關(guān)，并且干燥溫度或風(fēng)速與β值無線性變化關(guān)系。

2.5 杏子水分有效擴(kuò)散系數(shù)的計算

水分有效擴(kuò)散系數(shù)可以表征物料干燥過程中水分遷移速度快慢程度。不同干燥條件下杏子水分有效擴(kuò)散系數(shù)的計算結(jié)果見表1。由表1可知，杏子干燥過程中其水分有效擴(kuò)散系數(shù)在1.88×10-10～3.18×10-10m2/s范圍內(nèi)變化。采用熱風(fēng)干燥方式，當(dāng)風(fēng)速一定時，干燥溫度為60 ℃時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是45 ℃的1.69倍，干燥溫度與水分有效擴(kuò)散系數(shù)呈正相關(guān)，此結(jié)論與趙珂等[29]的研究結(jié)果一致；而當(dāng)干燥溫度一定時，風(fēng)速為4 m/s時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是2 m/s的1.14倍，風(fēng)速與水分?jǐn)U散系數(shù)也呈正相關(guān)，此結(jié)論也與曾目成等[30]和巨浩羽等[31]的研究結(jié)果一致。溫度對杏子水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響比風(fēng)速更明顯。

2.6 干燥活化能

物料干燥需要的單位能耗越大，表現(xiàn)出其活化能值也就越大。由表1可知，當(dāng)干燥風(fēng)速一定時，熱風(fēng)干燥的活化能為35.90 kJ/mol，也就是說當(dāng)干燥介質(zhì)的溫度在45～60 ℃時，從杏子中每減少1 mol的水分至少需要35.90 kJ的能量。肖紅偉等[8]采用氣體射流沖擊技術(shù)計算杏子的干燥活化能為30.62 kJ/mol，這可能是活化能雖然與物料的品種、內(nèi)部成分和組織狀態(tài)等有關(guān)，但也受干燥方式的影響，白俊文等[28]在進(jìn)行葡萄干燥時也得出了相同的結(jié)論。

表1 不同干燥條件下杏子熱風(fēng)干燥模擬結(jié)果

2.7 干燥條件對杏子色澤的影響

干燥條件對杏子色澤變化的影響結(jié)果見圖5。由圖5可知，干燥溫度對杏子干燥后色澤變化的影響很明顯，L*值隨干燥溫度的增加而逐漸減小。而不同風(fēng)速條件下杏子干燥后的色澤值基本保持不變。這主要是因為杏子中含有多酚氧化酶[32]，干燥過程中，在氧氣和水的共同作用下發(fā)生酶促褐變，使干燥后的杏干顏色變暗，L*值降低[33]；此外，隨著干燥溫度的不斷升高，也加劇了杏子中糖類物質(zhì)的分解，發(fā)生了Maillard反應(yīng)，也使得杏子L*值降低。因此，為了得到較好的杏干色澤，干燥溫度不宜過高。由圖5還可以看出，在相同的干燥條件下，增加高壓靜電場干燥后杏子的L*值明顯增加，獲得較好的色澤。這可能是杏子在高壓靜電場的作用下，當(dāng)杏子表層水分在逸出的過程中，水分子會直接被電場力拉出，減少了汽化潛熱需要的能量，干燥物料溫度不會升高，較好地保留了物料內(nèi)營養(yǎng)成分[12]，因而，獲得較好地色澤值。

圖5 干燥條件對杏子色澤的影響

3 結(jié)論

(1) 高壓靜電場對干燥時間的影響主要體現(xiàn)在干燥前期，與熱風(fēng)干燥技術(shù)相比，增加高壓靜電場可使干燥后杏子的L*值明顯增加，獲得較好的色澤。

(2) 利用Weibull函數(shù)中的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β可以快速判斷不同干燥方式下杏子的干燥特性，形狀參數(shù)β值為0.713 3～0.844 3，表明杏子在整個干燥過程中均處于降速階段。杏子的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.88×10-10～3.18×10-10m2/s，干燥活化能為為35.90 kJ/mol。

(3) 本試驗探討了高壓靜電場技術(shù)對杏子的干燥特性和色澤的影響，但對干燥后杏子的營養(yǎng)成分、質(zhì)構(gòu)等指標(biāo)變化并未做相關(guān)研究，通過這些指標(biāo)的測定及研究不僅對杏子干燥技術(shù)而且對高壓靜電技術(shù)在其他果蔬中的應(yīng)用都具有重要意義。

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Studies on the effects of high-voltage electric field on hot-air drying characteristics and color changing of apricot

WANG Qing-huiYANSheng-kunLIZhong-xinABULIZIBa-siti

(AgriculturalMechanizationInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

The drying characteristics and color changing experiments of apricot were investigated under different drying temperatures, air velocities and high-voltage electric field respectively. The results were as following. ① The drying time was shortened by increasing air temperatures or velocities. ② Weibull function could simulate the drying curves of apricot. The scale parameter (α) related with the temperature and air velocity and decreased with the increasing of either drying temperature or velocity. The shape parameter (β) was depended on the drying method. ③ The moisture effective diffusivity coefficient was 1.88×10-10～3.18×10-10m2/s, and the activation energy was 35.90 kJ/mol by hot-air drying. ④ Drying temperature had a marked impact on the color changing, and a nice color could gain by using high-voltage electric field.

drying; hot-air; apricot; high-voltage electric field; color

國家自然科學(xué)基金項目(編號：31460397)

王慶惠(1980—)，女，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院副研究員。

E-mail：wangqh1201@126.com

2016—08—01