謝 輝，張 恒，王 敏，韓守安，艾爾買(mǎi)克·才卡斯木， 鐘海霞，王文勇，張 雯，潘明啟

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)際科技合作交流處，烏魯木齊 830091； 3. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科技學(xué)院生物科學(xué)系，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國(guó)葡萄干的主產(chǎn)區(qū)，葡萄干產(chǎn)業(yè)是新疆林果業(yè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1-3]。新疆葡萄干的生產(chǎn)主要以晾房加工和曬場(chǎng)曬干2種工藝為主，綠色葡萄干是新疆葡萄干的主要產(chǎn)品，加工工藝為晾干工藝，棕褐色葡萄干占有一定的比例，加工工藝為曬干工藝[4, 5]，這2種加工工藝是新疆葡萄干產(chǎn)業(yè)主要的傳統(tǒng)工藝，研究晾干和曬干干燥工藝條件下葡萄的干燥特性對(duì)于傳統(tǒng)工藝的干燥具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對(duì)于葡萄干燥特性主要采用烘干工藝對(duì)無(wú)核白[6,7]和黑色葡萄干[8,9]進(jìn)行研究。干燥工藝對(duì)果蔬制干特性及干燥模型的研究有紅棗[10]、荔枝[11]、明星杏[12]及魔芋[13]研究發(fā)現(xiàn)，干燥模型能夠較好的闡釋以上干果干燥過(guò)程中有效水分散失規(guī)律、干燥速率和活化能。【本研究切入點(diǎn)】在葡萄干干燥工藝對(duì)干燥時(shí)間[14, 15]、葡萄干的品質(zhì)[16，17]和風(fēng)味[18-20]等已有研究，對(duì)于采用以上2種工藝對(duì)葡萄干干燥特性的研究較少。研究不同制干工藝對(duì)新疆主要制干葡萄品種無(wú)核白和無(wú)核白雞葡萄干燥特性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用傳統(tǒng)工藝對(duì)新疆主要的制干葡萄品種無(wú)核白和無(wú)核白雞心進(jìn)行研究，分析傳統(tǒng)工藝下這2種葡萄的干燥特性，為新疆葡萄干燥工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選擇栽培條件相同成熟度一致的無(wú)核白雞心和無(wú)核白葡萄各500 kg，采用棚架栽培模式栽培，無(wú)核白雞心葡萄樹(shù)齡7年，無(wú)核白葡萄樹(shù)齡9年，樣品選自吐魯番鄯善縣園藝場(chǎng)葡萄瓜果研究所試驗(yàn)基地。樣品于2018年8月18日采集，樣品采集時(shí)選擇果粒大小均勻，顏色一致的葡萄作為試驗(yàn)材料進(jìn)行干燥特性研究。

葡萄果粒參數(shù)：無(wú)核白雞心葡萄果粒的基本參數(shù)：可溶性固形物含量23.6%、單粒重為4.65 g、縱橫徑分別為27.18、17.02 mm，干燥半徑8.5 mm，表面積為12.70 cm2。無(wú)核白葡萄果粒的基本參數(shù)：可溶性固形物22.8%、單粒重為3.22 g，縱橫徑分別為22.43、15.67 mm，干燥半徑7.8 mm，表面積為9.92 cm2。

干燥預(yù)處理：采用新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院惠普?qǐng)@藝公司生產(chǎn)的促干劑預(yù)處理，每袋促干劑溶解于15 kg水中，將新鮮葡萄浸入溶液中1 min，制干。

葡萄干燥：研究分別采用曬干和晾干的方法進(jìn)行干燥，每個(gè)處理挑選葡萄200 kg干燥。曬干：將葡萄采用促干劑處理后，平鋪在水泥地上，下雨時(shí)采用大棚膜遮擋。晾干：將葡萄采用促干劑處理后，將葡萄均勻掛在鐵絲網(wǎng)格上，在吐魯番磚塊結(jié)構(gòu)晾房中晾干。

實(shí)驗(yàn)儀器：百分之一天平、路格L95-4型號(hào)溫濕度記錄儀。

1.2 方 法

1.2.1 溫、濕度

環(huán)境溫濕度由Ll95-4型儀器每30 min測(cè)量1次。將探頭置于各干燥制造環(huán)境中，各干燥制造環(huán)境中放置3臺(tái)儀器。晾房是農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)用晾房，按照從南到北的順序分別在南、北靠墻0.5 m、高度1.5 m的區(qū)域掛溫濕度計(jì)1個(gè)，中間掛溫濕度計(jì)1個(gè)。曬干環(huán)境在水泥地上進(jìn)行，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，溫濕度探頭遮陰，避免陽(yáng)光暴曬。

1.2.2 含水量

分別取200 g無(wú)核白和無(wú)核白雞心葡萄各6份，總計(jì)12份試驗(yàn)材料放置于晾房和水泥地上，每個(gè)處理3次重復(fù)，每天采用百分之一天平測(cè)定其重量變化情況并記錄。

1.2.3 葡萄干燥特性計(jì)算

(1)無(wú)核白和無(wú)核白雞心葡萄干燥參數(shù)的計(jì)算[21]

干基含水率(Wt)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wt代表葡萄果實(shí)的干基含水率，單位g/g；md代表葡萄干物質(zhì)的質(zhì)量(g)；mt為任意t時(shí)刻葡萄的質(zhì)量(g)。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR為水分比，Mt-樣品任意時(shí)刻葡萄果實(shí)的干基含水率(g/g)，Me-葡萄干的平衡干基含水率(g/g)；M0-葡萄的初始干基含水率(g/g)。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui為i時(shí)刻試驗(yàn)葡萄果實(shí)的干燥速率，單位為g·(g/min)，Mi為i時(shí)刻試驗(yàn)葡萄果實(shí)干基含水率(g/g)。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)計(jì)算公式：

(4)

式中：Deff為葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，單位為m2/s；L為物料厚度(m)；t為干燥時(shí)間，單位為h。

(2)葡萄干干燥模型的建立

葡萄果實(shí)的干燥過(guò)程是一個(gè)極為復(fù)雜的熱量傳遞過(guò)程，研究選用4種常見(jiàn)的干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合[21,22]。表1

將2種葡萄干燥水分變化得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，并用決定系數(shù)R2、卡方檢驗(yàn)值λ2和均方根誤差RMSE來(lái)評(píng)價(jià)模型擬合的適用性，公式如下：

(5)

(6)

R2值越大，x2和RMSE越小，葡萄干燥模型的擬合性越好。

在曬干和晾干工藝下，無(wú)核白雞心和無(wú)核白葡萄果實(shí)的半徑分別為為0.85和0.78 cm，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、作圖，采用Origin 9.0軟件進(jìn)行模型擬合和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 制干工藝對(duì)葡萄果實(shí)干燥特性的影響

2.1.1 制干工藝對(duì)葡萄果實(shí)干基含水率和干燥速率的影響

研究表明，曬干工藝葡萄果實(shí)的干燥速率高于晾干葡萄果實(shí)的干燥速率。曬干工藝下無(wú)核白雞心和無(wú)核白葡萄果實(shí)干燥時(shí)間分別為180和144 h，晾干工藝則為380和288 h。干燥時(shí)間與葡萄果粒大小、重量2個(gè)指標(biāo)未形成線性關(guān)系，無(wú)核白雞心葡萄的單粒重和表面積分別是無(wú)核白葡萄果粒重量和表面積的1.44和1.28倍。曬干和晾干環(huán)境中無(wú)核白雞心葡萄的干燥時(shí)間是無(wú)核白葡萄干燥時(shí)間的1.25和1.31倍，小于果實(shí)重量的差異值，干燥時(shí)間介于兩者之間。不同葡萄品種隨著葡萄果粒重的增加干燥時(shí)間未呈現(xiàn)出線性關(guān)系，可能與不同品種間葡萄表皮的組織結(jié)構(gòu)，質(zhì)地具有一定的關(guān)系。24 h內(nèi)無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)在曬干環(huán)境的干燥速率與晾干環(huán)境的干燥速率相比，制干第1 d曬干工藝葡萄果實(shí)干燥速率是晾干工藝的1.66倍，第2 d、第3 d、第4 d分別是3.06、2.32、2.29倍。無(wú)核白葡萄曬干工藝第1 d葡萄果實(shí)干燥速率是晾干條件果實(shí)干燥速率的2.97倍，第2 d、第3 d分別為2.81、3.21倍。圖1，圖2

2.1.2 白晝環(huán)境及制干工藝對(duì)無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)干燥特性的影響

研究表明，白晝條件下，曬干工藝的平均溫度高于晾房中的平均溫度，2017年白晝曬干工藝的平均溫度分別為50.9℃，夜間平均溫度為27.8℃；晾房中白晝平均溫度為35℃，夜間條件平均溫度為28.4℃。第1 d曬干工藝下無(wú)核白雞心葡萄的干燥速率是晾干工藝的3.12倍，第2 d為2.19倍，第3 d為1.21倍，后期隨著曬干環(huán)境中無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)失水較多，干燥速率低于晾干工藝。夜間曬干環(huán)境的平均溫度較晾房?jī)?nèi)的平均溫度較低，晾房中的平均溫度較曬干環(huán)境中的平均溫度高0.6℃。在制干第1、第2 d曬干環(huán)境內(nèi)果實(shí)的失水速率顯著高于晾房?jī)?nèi)果實(shí)的失水速率，后期晾房?jī)?nèi)葡萄果實(shí)的失水速率高于曬干環(huán)境內(nèi)葡萄果實(shí)的失水速率。圖3

晾房白晝平均溫度較夜間平均溫度高6.6℃，曬干白晝平均溫度較夜間平均溫度高23.1℃。干燥初期晾干工藝下無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)白晝的干燥速率是夜間的2.00～6.14倍，白晝極端高溫天氣的干燥速率達(dá)到夜間的10倍以上。曬干環(huán)境內(nèi)無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)白晝條件下的干燥速率是夜間葡萄果實(shí)干燥速率的1.02～6.12倍。當(dāng)干燥環(huán)境內(nèi)的溫度低于30℃時(shí)，葡萄的干燥速率極為緩慢。圖4

2.2 葡萄干燥動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 2種葡萄干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合

研究表明，4個(gè)模型均可模擬2種葡萄干燥過(guò)程中的水分比變化規(guī)律，通過(guò)R2值的比較，Page模型適宜于無(wú)核白雞心葡萄干燥過(guò)程的擬合結(jié)果最好，R2的均值為0.998 20，χ2均值為0.000 885，RSME平均值為0.001 55，Midilli模型對(duì)無(wú)核白雞心葡萄的擬合結(jié)果接近于Page模型。表1～3

表2 曬干和晾干工藝下無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 2 Statistical results of drying models for Centennial Seedless grape under the different drying conditions

Midilli模型的擬合結(jié)果的R2值最高，晾干的模型擬合R2值為0.994 82，曬干模型的擬合結(jié)果為0.997 39，其次為曬干葡萄的Page模型擬合結(jié)果，R2為0.997 33，與Midilli模型的擬合結(jié)果接近。Newton和Wang and singh 2個(gè)模型對(duì)晾干無(wú)核白葡萄擬合結(jié)果R2值均高于Page模型。無(wú)核白葡萄的R2均值為0.983 79，x2均值為0.001 53，RSME均值為0.015 87。無(wú)核白和無(wú)核白雞心2個(gè)葡萄品種的模型擬合結(jié)果略有差異，其中無(wú)核白曬干的Page模型擬合度最高，晾干則是Midlli模型擬合度最高，但是在相關(guān)的對(duì)杏干及其他干果的干燥中也發(fā)現(xiàn)Page模型適用于以上水果干燥過(guò)程水分比的變化，以Page模型研究2個(gè)葡萄品種的干燥特性。表3

表3 傳統(tǒng)干燥工藝條件下無(wú)核白葡萄果實(shí)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 3 Statistical results of drying models for ‘Thompson Seedless’ grape under the different drying conditions

2.2.2 Page模型的求解

Page模型適用于描述曬干和晾干工藝下無(wú)核白和無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)的干燥過(guò)程，模型中的n和k是干燥工藝和半徑(r)的函數(shù)，采用一元線性回歸的方法對(duì)n和k與干燥工藝和半徑進(jìn)行分析：

當(dāng)無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)干燥半徑為0.85 cm時(shí)，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1).

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1).

當(dāng)無(wú)核白葡萄果實(shí)干燥半徑為0.78 cm時(shí)，

k=1.181 3T+0.015 5(R2=1).

n=1.954T-0.373(R2=1).

2.2.3 Page模型的驗(yàn)證

研究表明，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值體現(xiàn)出較高的擬合度，Page模型可較好的描述2種葡萄果實(shí)在2種干燥工藝下制干過(guò)程中葡萄果實(shí)水分變化的規(guī)律。圖5，圖6

2.3 葡萄果實(shí)有效水分?jǐn)U散系數(shù)

研究表明，干燥過(guò)程中葡萄果實(shí)水分比MR的自然對(duì)數(shù)與干燥時(shí)間t呈現(xiàn)出線性關(guān)系，可計(jì)算出不同干燥工藝下葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。曬干和晾干工藝條件下無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為2.036 25 E-8和6.468 75 E-9m2/h，曬干工藝的有效水分?jǐn)U散系數(shù)是晾干工藝的3.14倍。表4

表4 傳統(tǒng)干燥工藝條件下無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 4 Effective moisture diffusivity of Centennial Seedless under tradition drying conditions

無(wú)核白葡萄果實(shí)有效水分?jǐn)U散系數(shù)，晾干無(wú)核白葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為6.023 16E-9m2/h，曬干方式無(wú)核白葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.892 12E-8m2/h，無(wú)核白葡萄在曬干環(huán)境中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)高于晾干無(wú)核白葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，是其擴(kuò)散系數(shù)的3.18倍。表5

表5 傳統(tǒng)干燥工藝條件下無(wú)核白葡萄果實(shí)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 5 Effective moisture diffusivity of Thompson Seedless under tradition drying conditions

晾干無(wú)核白雞心葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)是無(wú)核白葡萄有效水分?jǐn)U散系數(shù)的1.33倍，曬干工藝無(wú)核白雞心葡萄的有效水分?jǐn)U散稀釋無(wú)核白葡萄有效水分?jǐn)U散系數(shù)的1.38倍，2種制干工藝的水分?jǐn)U散系數(shù)都介于重量比與表面積比之間。

3 討 論

新疆吐魯番、哈密地區(qū)晾房建造的戈壁灘上營(yíng)造晾干葡萄小環(huán)境[4,15]。雖然采用烘干方式、微波干燥、壓差干燥等處理方式對(duì)葡萄進(jìn)行干燥的研究較多，但是綠色葡萄干的烘干技術(shù)還未見(jiàn)成熟的技術(shù)報(bào)道。國(guó)外采用40、50、60和70℃及不同風(fēng)速組合的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Page模型能夠很好的解釋黑色葡萄干燥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]。Ibrahim對(duì)黑色葡萄干的研究得出同樣的結(jié)論，并得到水分?jǐn)U散系數(shù)為3.82×10-10到1.28×10-9m2/s[8]。也有學(xué)者采用fick第二定律對(duì)50～65℃，3～9 m/s風(fēng)速條件下葡萄水分?jǐn)U散系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.821 0×10-10到5.84×10-10m2/s[9]。而采用曬干和晾干工藝的水分散失速率則在1.673×10-12到7.265 10-12m2/s，顯著小于其他研究水分?jǐn)U散系數(shù)，這個(gè)主要是因?yàn)闀窀?、晾干工藝干燥環(huán)境中的溫度和風(fēng)速顯著低于熱風(fēng)干燥的干燥條件。Page模型適宜于描述曬干和晾干工藝對(duì)葡萄薄層干燥的過(guò)程。

通過(guò)干燥動(dòng)力學(xué)和干燥特性的研究發(fā)現(xiàn)葡萄在夜間溫度低于30℃時(shí)失水速率較低，白晝失水速率最高是夜間的6.14倍，但是干燥溫度過(guò)高將影響葡萄干的品質(zhì)。前人研究結(jié)果表明，干燥環(huán)境中的溫度[23，24]、濕度[25]及預(yù)處理方式[17,26,27]通過(guò)對(duì)葡萄果實(shí)的多酚氧化酶活性[28]和干燥速率[29]等方式影響干燥時(shí)間和干果品質(zhì)，因此，可提出晾房的改造方案。在這一基礎(chǔ)上提出了以保持葡萄干品質(zhì)為前提，提升夜間溫度、降低白晝最高溫度的方式提升干燥速率和干果品質(zhì)，是下一步研究的重點(diǎn)方向，研究結(jié)果對(duì)晾房的改造提供改造方向和科學(xué)數(shù)據(jù)。研究?jī)H針對(duì)曬干和晾干工藝對(duì)無(wú)核白雞心和無(wú)核白葡萄干燥特性的影響進(jìn)行了分析，未設(shè)置不同粒重、不同直徑的無(wú)核白和無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)，是有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

4.1通過(guò)對(duì)白晝和夜間葡萄果實(shí)的失水速率分析發(fā)現(xiàn)，曬干和晾干環(huán)境中白晝失水速率是夜間的2.00～6.14倍，葡萄的水分主要是在白晝散失的。制干初期，曬干工藝失水速率是晾干失水速率的1.21～3.12倍。當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，葡萄果實(shí)內(nèi)的水分散失極為緩慢。

4.2通過(guò)對(duì)無(wú)核白和無(wú)核白雞心葡萄果實(shí)的干燥速率比較，曬干工藝高于晾干工藝。Page模式適宜于解釋2種葡萄干燥過(guò)程中的失水過(guò)程，擬合度較高，2種工藝下無(wú)核白雞心和無(wú)核白的R2均值分別為0.998 20和0.983 8；χ2分別為8.85×10-4和0.001 53；RSME分別為0.001 5和0.015 87。

4.3曬干工藝的有效水分?jǐn)U散系數(shù)高于晾干工藝，分別是晾干的3.14和3.18倍，無(wú)核白雞心果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)高于無(wú)核白葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。無(wú)核白雞心葡萄在曬干和晾干工藝下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為2.615 45×10-8和8.308 75×10-9m2/h，無(wú)核白葡萄在2種工藝下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為6.023 16×10-8和1.892 12×10-8m2/h。