巨浩羽，趙士豪，趙海燕，張衛(wèi)鵬，高振江，肖紅偉*

階段降濕對山藥熱風(fēng)干燥特性和品質(zhì)的影響

巨浩羽1，趙士豪1，趙海燕3，張衛(wèi)鵬4，高振江2，肖紅偉2*

1. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083 3. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商管理學(xué)院，河北 石家莊 050061 4. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048

探索階段降濕中高濕保持時(shí)間及不同降濕工藝對山藥熱風(fēng)干燥特性和品質(zhì)的影響，為提高山藥干燥效率和品質(zhì)及揭示相對濕度的調(diào)控依據(jù)提供理論基礎(chǔ)。研究干燥溫度60 ℃，風(fēng)速3.0 m/s，相對濕度恒定10%、50%保持不同時(shí)間（5、10、20 min）后降為10%、以及相對濕度50%保持10 min后不同降濕干燥工藝（直接降為10%、20%保持20 min后降為10%、30%，20 min，20%，20 min后降為10%、40%，20 min，30%，20 min，20%，20 min后降為10%），山藥片的干燥特性、水分有效擴(kuò)散系數(shù)（eff）、色澤、復(fù)水比、能耗、多糖含量和微觀組織結(jié)構(gòu)。高相對濕度不同保持時(shí)間下，相對濕度50%保持10 min相對于恒定10%干燥條件下，干燥時(shí)間縮短了20.0%；干燥過程分為升速和降速2個(gè)階段；在10 min時(shí)，山藥片被充分預(yù)熱，溫度升至45.8 ℃。不同降濕干燥工藝下，相對濕度50%保持10 min后，階梯降至10%相對于直接降為10%的干燥條件，干燥時(shí)間縮短了25.0%；干燥過程同樣分為升速和降速2個(gè)階段；物料溫度整體上呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，且均大于其余3者同時(shí)期的物料溫度；eff先慢后快，整個(gè)干燥過程平均eff最大，為6.77×10?10m2/s；此干燥條件下明亮度（*）、復(fù)水比和多糖含量分別達(dá)到其最大值，為（90.76±0.12）、（2.36±0.08）、（57.32±0.21）mg/g，能耗達(dá)最低值，為（2.98±0.06）kW·h/kg，且內(nèi)部形成較明顯的水分?jǐn)U散遷移孔道。高相對濕度有助于強(qiáng)化對物料的傳熱作用，保持時(shí)間應(yīng)當(dāng)以物料充分預(yù)熱為判定依據(jù)；階段降濕干燥過程中，降低相對濕度應(yīng)當(dāng)以不降低物料溫度為基本約束條件；山藥片的恒溫階段降濕干燥過程中，干制后的色澤、復(fù)水性、能耗和多糖含量均與干燥時(shí)間直接相關(guān)；高相對濕度有助于保持和形成物料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，有助于水分的擴(kuò)散遷移；依次階段降濕的干燥方式有助于提高山藥片的干燥效率和品質(zhì)，為山藥熱風(fēng)干燥過程中如何調(diào)控相對濕度提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

熱風(fēng)干燥；山藥；相對濕度；階段降濕；多糖；微觀結(jié)構(gòu)；水分有效擴(kuò)散系數(shù)；復(fù)水比；能耗

山藥為薯蕷科薯蕷屬植物薯蕷Thunb.的地下根莖，為衛(wèi)生部首批公布的“藥食同源”的作物之一。山藥具有養(yǎng)脾健胃、生津益肺、澀精補(bǔ)腎等功效[1-2]?，F(xiàn)代藥效學(xué)研究表明山藥的主要活性成為為山藥多糖，山藥多糖具有降血糖、調(diào)血脂、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫、調(diào)節(jié)腸胃等作用[3]。新鮮的山藥含水量高達(dá)70%以上，皮薄易損傷，長時(shí)間貯存會(huì)腐爛變質(zhì)[4]。切片后干燥是山藥深加工的重要方式，對于延長貨架期、提高產(chǎn)品附加值具有重要意義。

山藥片的干燥方法有自然晾曬、熱泵干燥、微波真空冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外干燥方式等，而熱風(fēng)干燥技術(shù)因其操作簡便、適用范圍廣，應(yīng)用最為普遍[5-6]。相對濕度（relative humidity，RH）作為熱風(fēng)干燥介質(zhì)的重要參數(shù)，對干燥特性和干燥品質(zhì)具有顯著性影響。研究表明，階段降濕干燥方式，即為使用較高RH對物料進(jìn)行預(yù)熱處理，促使物料迅速升溫，而后降低介質(zhì)RH的階段降濕干燥方式，有助于提高物料干燥效率，并減少結(jié)殼現(xiàn)象[7-8]，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用到山藥[9-10]、胡蘿卜[11]、香菇[12]、西洋參[13]等物料的干燥加工中。例如，Ju等[9]研究得出，干燥溫度60 ℃，RH 40%保持15 min后連續(xù)排濕，相對于連續(xù)排濕干燥方式，山藥片的干燥時(shí)間縮短了25%。巨浩羽等[13]研究表明RH 40%保持5 h而后降為20%，相對于恒定20% RH干燥條件下，干燥時(shí)間縮短了6.8%，并且較高的復(fù)水率和總皂苷含量。此外陸學(xué)中等[14]研究發(fā)現(xiàn)，干燥溫度60 ℃，風(fēng)速3.5 m/s，RH 40%處理30 min后在進(jìn)行熱風(fēng)干燥，山藥片能夠快速預(yù)熱，干燥時(shí)間短且能耗低、色澤較好。綜上可知，階段降濕加快物料預(yù)熱速率及提高干燥效率的結(jié)論已被證實(shí)。然而在高RH預(yù)熱處理后，如何分階段的調(diào)控RH仍缺乏科學(xué)的指導(dǎo)。通常階段降濕被分為2個(gè)階段，高RH預(yù)熱處理后直接降為很低的RH，故可能導(dǎo)致復(fù)水率降低、物料表面結(jié)殼的結(jié)果。

山藥片的熱風(fēng)干燥過程為傳熱傳質(zhì)同時(shí)且反向的過程[15]。高RH強(qiáng)化了傳熱過程，促使物料迅速升溫；降低RH后增大了物料表面和干燥介質(zhì)的水蒸氣分壓差，強(qiáng)化傳質(zhì)過程。如果由高RH直接降低為很低的RH，由于物料表面水分大量蒸發(fā)，消耗大部分熱量，可能會(huì)導(dǎo)致物料溫度降低，抑制了傳熱過程[9]。物料溫度降低后使得內(nèi)部水分遷移作用減弱[16]。因此，RH的降低幅度不宜過大，而應(yīng)以不導(dǎo)致物料溫度下降為基本約束條件，由此來逐步降低RH。綜上，為優(yōu)化山藥片階段降濕干燥工藝，揭示RH的調(diào)控機(jī)制，本實(shí)驗(yàn)研究在不同階段降濕干燥條件下山藥片的干燥特性、水分有效擴(kuò)散系數(shù)（moisture effective diffusion coefficient，eff），以及干燥后產(chǎn)品的復(fù)水比、色澤和多糖含量，以期提高山藥片的干燥效率和干燥品質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 儀器與材料

基于溫濕度控制的箱式熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)裝置（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室自制）如圖1所示。其主要由電加熱管、干燥室、排濕風(fēng)機(jī)、加濕濕簾、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇及自動(dòng)控制部分組成。當(dāng)干燥室溫度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，電加熱管工作；干燥室溫度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，電加熱管停止工作。干燥室RH小于設(shè)定范圍值時(shí)，加濕電磁閥打開，濕簾對干燥室加濕；RH大于設(shè)定范圍時(shí)，排濕離心風(fēng)機(jī)打開，對干燥室排濕。

新鮮山藥購自河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場，經(jīng)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院肖紅偉副教授鑒定為薯蕷科薯蕷屬植物薯蕷Thunb.的新鮮根莖。挑選表皮無機(jī)械損傷、無腐爛的山藥，所用山藥的初始濕基含水率為（82.10±1.15）%，長度（55.0±2.0）cm，平均直徑（3.00±0.30）cm，單根質(zhì)量（380±15）g。試驗(yàn)前將蘋果放于紙箱中并將其置于（5±1）℃的冰箱中保存。

1-加濕水箱 2-濕簾 3-風(fēng)箱裝配體 4-觸摸屏 5-配電箱 6-門把手 7-風(fēng)扇支架 8-干燥室門 9-排濕離心風(fēng)機(jī) 10-料籃支架 11-門合頁 12-回風(fēng)道 13-加熱管裝配體 14-進(jìn)風(fēng)口 15-鐵紗網(wǎng) 16-軸流風(fēng)機(jī) 17-稱量模塊

其他儀器設(shè)備：YP型電子天平，上海精科天平儀器廠，精度0.1 g；DDS 334型單相電子式電度表，青島電度表廠；SMY-2000SF型色差計(jì)，北京盛名揚(yáng)科技開發(fā)有限公司；DU640型紫外-可見光分光光度計(jì)，美國貝克曼庫爾特有限公司；SC7640型磁控濺射儀，英國Quorum科技有限公司；S3400型掃描電鏡（SEM），日本東京日立集團(tuán)；Pt100型溫度傳感器，北京優(yōu)普斯科技中心；試管若干。

2 方法

2.1 山藥片干燥參數(shù)計(jì)算

2.1.1 山藥片的水分比（moisture ratio，MR） 不同時(shí)間MR的計(jì)算可簡化為公式（1）計(jì)算[17]。

MR＝M/0（1）

M為時(shí)刻的干基含水率，0為初始干基含水率

其中干基含水率的計(jì)算公式為

＝(W－)/（2）

W為干燥任意時(shí)刻的總質(zhì)量，為絕干物質(zhì)質(zhì)量

2.1.2 山藥片的干燥速率（drying rate，DR） 干燥速率按照公式（3）計(jì)算。

DR＝(M1－M2)/(2－1) （3）

1和2為干燥時(shí)間，DR為干燥時(shí)間為1和時(shí)間2之間的干燥速率，M1和M2為干燥時(shí)間為1和2時(shí)刻的干基含水率

2.1.3eff通常用簡化的費(fèi)克第2定律計(jì)算[18]。

MR＝/0≈8e(?π2eff/L2)/π2（4）

為物料的厚度，為干燥時(shí)間

2.2 復(fù)水性（rehydration ratio，RR）的測定

將稱好的一定質(zhì)量的樣品放入40 ℃恒溫蒸餾水中，30 min后，取出瀝干20 min，并用吸水紙拭干表面水分，稱取復(fù)水后的質(zhì)量，按公式計(jì)算[19]。

RR＝2/1（5）

2為復(fù)水后質(zhì)量，1為復(fù)水前質(zhì)量

2.3 色澤的測定

采用色差計(jì)測定干燥后山藥片綠紅值*、藍(lán)黃值*、明亮度（*）和色差值（Δ），其中，Δ的計(jì)算公式見（6）[20]。

Δ＝[(0*－*)2＋(0*－*)2＋(0*－*)2]1/2（6）

*、*、*為干燥后山藥片的色澤值，0*、0*、0*為干燥前新鮮山藥片的色澤值

2.4 多糖含量的測定[21]

2.4.1 樣品處理 將干燥后的山藥片研磨制粉，準(zhǔn)確稱取1.00 g于50 mL離心管中，加入20 mL 50%乙醇，超聲輔助浸提30 min，9000 r/min離心5 min，移取上清液于50 mL量瓶中，沉淀再次浸提、離心，濾液定容至50 mL。

2.4.2 山藥片中多糖測定 采用苯酚-硫酸法。

（1）葡萄糖總糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：準(zhǔn)確稱取葡萄糖對照品0.10 g于100 mL量瓶中定容，加入蒸餾水溶解并定容至刻度，搖勻；再移取10 mL于100 mL量瓶中定容，搖勻，得到0.1 mg/mL的葡萄糖對照品溶液。分別移取對照品溶液0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL于7支試管中，各試管分別加蒸餾水至3.0 mL，再加入6%苯酚溶液1.0 mL，混勻，然后加濃硫酸6.0 mL，充分混合，室溫放置30 min后于490 nm處測吸光度，同時(shí)以蒸餾水按同樣顯色操作作為空白。橫坐標(biāo)為葡萄糖質(zhì)量濃度（），縱坐標(biāo)為吸光度（），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，為＝3.472 8＋0.192 8，2＝0.999 7。

（2）樣品測定：將浸提液稀釋10倍，移取0.2 mL樣品液于試管中，加入蒸餾水至3 mL，然后向各試管中加入6%苯酚溶液1.0 mL，搖勻后加6 mL濃硫酸溶液混勻，室溫放置30 min后于490 nm處測吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總糖含量。

2.5 單位能耗（φ）計(jì)算方法

脫除單位質(zhì)量水所需要的能耗計(jì)算公式如下[22]。

＝/（7）

為干燥結(jié)束時(shí)電表測定的能耗，為干燥結(jié)束時(shí)物料脫水的質(zhì)量

2.6 微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用SEM觀察山藥片微觀組織結(jié)構(gòu)。將干燥后的山藥片中央部位的表皮部分切分成3 mm×3 mm×3 mm的立方體小樣品，樣品首先被安裝在磁控濺射儀上，進(jìn)行5 min噴金處理以固定組織結(jié)構(gòu)，并在10 kV加速電壓下對其表面組織微觀結(jié)構(gòu)用掃描電鏡進(jìn)行觀察。重復(fù)觀看不同區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)，并選擇具有代表性圖片進(jìn)行保存與進(jìn)一步分析。

2.7 山藥片的干燥

實(shí)驗(yàn)前挑選無機(jī)械損傷、無腐爛的山藥，用清水洗凈，去皮切片，切片厚度為4 mm。將其單層平鋪于不銹鋼料盤上，物料質(zhì)量為270 g左右。一個(gè)料盤中隨機(jī)取3個(gè)山藥片，將溫度傳感器插入到山藥片的中心處，另一料盤用于定時(shí)測定質(zhì)量變化，當(dāng)濕基含水率低于10%時(shí)干燥結(jié)束。具體試驗(yàn)安排如表1所示，其中干燥溫度為60 ℃，風(fēng)速3.0 m/s。每次干燥實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 高RH保持時(shí)間對干燥特性的影響

在恒定干燥溫度60 ℃，風(fēng)速3.0 m/s，RH 10%及RH 50%分別保持5、10、20 min時(shí)，山藥片的干燥特性曲線、干燥速率曲線和溫度曲線分別如圖2、3所示。RH 10%及RH 50%保持5、10、20 min時(shí)，干燥時(shí)間分別為300、280、240、260 min。50%保持10 min相對于恒定10%干燥條件下，干燥時(shí)間縮短了20.0%。因此，階段降濕干燥方式有利于提高山藥片的干燥效率，縮短干燥時(shí)間。這與Liu等[19]和Yu等[23]研究結(jié)論相一致。

由圖2-b可知，不同高濕保持時(shí)間下，恒定RH 10%干燥條件下，干燥過程呈現(xiàn)為降速干燥階段；RH 50%保持不同時(shí)間下，干燥過程分為先升速后降速2個(gè)階段。恒定RH 10%干燥條件下，RH較低，物料表面和干燥介質(zhì)表面水蒸氣分壓差較大，故干燥速率較大，而RH為50%時(shí)，干燥速率較低[24]。在RH降低后，干燥推動(dòng)力增大，故干燥速率上升。在干基含水率小于3.5 g/g后，恒定RH 10%干燥條件下干燥速率最小，而RH 50%保持10 min干燥條件下干燥速率最大。這可能是因?yàn)镽H 10%干燥條件下，由于表面干燥速率過快而導(dǎo)致了結(jié)殼硬化，阻礙了內(nèi)部水分的遷移擴(kuò)散至表面；RH 50%保持10 min有利于保持和形成水分遷移的孔道[11]。相對應(yīng)圖2-a中，恒定RH 10%相對于其他干燥條件下在0～1 h內(nèi)水分比減少量最大，而在1 h之后水分比逐漸高于其余干燥條件。

圖2 高濕不同保持時(shí)間下山藥片的干燥特性曲線(a)和干燥速率曲線(b)

圖3 高濕不同保持時(shí)間下山藥片的溫度曲線

由圖3可知，恒定RH 10%干燥條件下，山藥片的溫度逐漸上升，最終趨于干燥介質(zhì)的溫度；階段降濕干燥條件下，RH為50%時(shí)，山藥片的溫度迅速上升，RH降低后，物料溫度隨之下降，而后再緩慢上升趨于干燥介質(zhì)的溫度。此外，當(dāng)RH 50%保持10 min后，物料溫度趨于穩(wěn)定，溫度上升至該干球溫度和RH所確定的濕球溫度，為45.8 ℃[14,25]。RH降低后物料溫度下降，這可能是因?yàn)楦稍锝橘|(zhì)和物料表面水蒸氣分壓差瞬時(shí)增大，表面水分大量蒸發(fā)且消耗大部分熱量，故物料溫度下降。物料溫度下降至由此刻干燥介質(zhì)溫度和RH所確定的濕球溫度[26]。在25 min后，恒定RH 10%干燥條件下物料溫度最高，這是因?yàn)榇藭r(shí)物料干燥速率較慢，于干燥介質(zhì)中所吸收的熱量多用于加熱物料，少部分用于水分蒸發(fā)。綜上所述，山藥片宜采用階段降濕的干燥方式，50% RH保持10 min時(shí)有助于物料預(yù)熱至較高溫度，提高干燥效率縮短干燥時(shí)間。

3.2 不同降濕工藝對山藥片干燥特性的影響

不同降濕工藝下，山藥片的干燥特性曲線和干燥速率曲線如圖4所示。由圖4-a可知，工藝3、工藝5～7的干燥時(shí)間分別為240、220、200、180 min。工藝7相對于工藝3干燥時(shí)間縮短了25.0%。因此，RH階梯降低的干燥方式有助于提高干燥效率。由圖4-b可知，不同降濕干燥工藝下，山藥片的干燥速率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在RH降低的時(shí)刻，物料表面和干燥介質(zhì)的水蒸氣分壓差，表面水分大量蒸發(fā)，干燥速率上升。隨著表面水分蒸發(fā)量的減少，干燥過程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓛?nèi)部水分遷移所控制，干燥速率呈現(xiàn)出降速干燥階段[27]。在RH 50%保持10 min后降為RH 10%時(shí)，干燥速率快于其余3者，這是因?yàn)榇藯l件下水蒸氣分壓差最大，故對應(yīng)圖4-a中水分比下降幅度最大；而RH 50%保持10 min后降為RH 40%，干燥速率最小，是因?yàn)榇藯l件下水蒸氣分壓差最小。在干燥75 min后，或干基含水率小于5.5 g/g時(shí)，工藝7干燥速率最大，而工藝3的干燥速率最小，這可能是因?yàn)槲锪蠝囟鹊牟町愃拢▓D5）。

圖4 不同降濕工藝下山藥片的干燥特性曲線(a)和干燥速率曲線(b)

圖5 不同降濕工藝下山藥片的溫度曲線

不同降濕工藝條件下山藥片的溫度變化規(guī)律如圖5所示。不同降濕工藝干燥條件下，物料溫度都呈現(xiàn)出先上升，后下降然后再上升的變化趨勢。山藥片在RH 50%保持10 min后充分預(yù)熱，RH下降的幅度越大，物料溫度下降幅度也越大。當(dāng)RH由50%直接下降至10%時(shí)，物料溫度由45.8 ℃降至最低溫度38.3 ℃；而RH由50%降為40%時(shí)，物料溫度由45.8 ℃降至最低溫度44.9 ℃。RH降低后，物料表面水分大量蒸發(fā)，因此需要內(nèi)部水分及時(shí)供給至表面，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)殼現(xiàn)象，故要求物料應(yīng)具有較高溫度。

工藝3、5、6由于RH降幅較大，物料溫度都有不同程度的降低，導(dǎo)致內(nèi)部水分遷移擴(kuò)散速率減慢，造成不同程度的結(jié)殼。而RH由50%依次降為10%的干燥過程中，物料溫度整體上呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，物料具有較高溫度和較大的水蒸氣分壓差，能夠同時(shí)強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過程。因此依次降低RH的干燥方式能夠提高干燥效率。

3.3 水分Deff求解

水分eff可反映出干燥過程中內(nèi)部水分遷移速率的快慢[28]。由公式（4）計(jì)算可得出不同干燥條件下，山藥片的eff如表2所示。eff變化范圍在2.66×10?10～6.77×10?10m2/s。在不同高濕保持時(shí)間中，當(dāng)RH 50%保持10 min時(shí)，水分eff最大為4.09×10?10m2/s；在不同階段降濕干燥方式中，RH 50%依次降至10%干燥條件下，eff最大為6.77×10?10m2/s。水分eff的大小關(guān)系和干燥時(shí)間的長短相對應(yīng)。因此，梯度階段降濕干燥方式提高了水分eff，故干燥時(shí)間縮短。

為體現(xiàn)出RH對物料溫度和eff的影響，不同階段降濕干燥條件下過程中的物料溫度變化范圍和eff計(jì)算結(jié)果表3所示。RH 50%保持10 min之內(nèi)，物料溫度預(yù)熱至（45.8±0.1）℃，4種干燥條件下，物料溫度基本一致。隨著表面水分蒸發(fā)量增大，使得內(nèi)部至表面的水分梯度增大[29]。其中RH降至10%時(shí)，此梯度值越大，故對應(yīng)0～15 min內(nèi)的eff也最大，為1.54×10?10m2/s。由工藝5、工藝6和工藝7可知，在10～30 min，當(dāng)RH由50%降為40%時(shí)，物料溫度下降幅度最低且物料溫度也最高，由45.8 ℃降為44.9 ℃而后升至46.9 ℃，此階段對應(yīng)的eff也最大，為2.82×10?10m2/s。干燥溫度一定時(shí)，RH越大，所決定的濕球溫度也越高。此外RH降幅較小，表面水分不會(huì)大量蒸發(fā)，所消耗的熱量也較少，故物料溫度維持在較高范圍[26]。在30～50 min內(nèi)，工藝7中物料溫度和eff大于工藝6同階段的物料溫度和eff。綜上，工藝7中物料溫度均大于其余3者同階段的物料溫度，eff先慢后快，而整個(gè)干燥過程平均eff最大（表2）。因此，階梯降濕的干燥方式既能保持一定的水蒸氣分壓差，促進(jìn)表面水分蒸發(fā)；還可使物料保持較高溫度，促進(jìn)內(nèi)部水分的擴(kuò)散遷移。

表2 不同干燥條件下的水分Deff

3.4 不同干燥方式對復(fù)水性和色澤的影響

不同干燥條件下，山藥片的色澤和復(fù)水性如表4所示。色澤在一定程度上反映了物料品質(zhì)的優(yōu)劣，是消費(fèi)者購買產(chǎn)品時(shí)喜惡程度的直觀反映，干制后山藥片的色澤以亮白色為佳。由表4可知，不同干燥條件下的明亮度*均顯著的小于新鮮樣品。工藝7中的*顯著大于其他工藝，為90.76±0.12。*值受干制時(shí)間的影響，如果干制時(shí)間偏長，則增加了物料與外界氧氣接觸的時(shí)間，加劇氧化褐變的發(fā)生，從而降低最終的白度值[30]。因此恒定10%干燥條件下的山藥片*值最低，為79.95±0.23；色差值Δ最大為11.68±0.05；工藝7具有較快的干燥效率，色差值Δ最小為1.27±0.08。

表3 不同降濕工藝條件下的水分Deff及溫度分析

表4 不同干燥條件下山藥片的色澤、復(fù)水性(, n = 3)

不同字母a～g表示不同干燥條件下差異性顯著（＜0.05），相同字母表示差異不顯著，下表同

different letters a—g indicate significant difference (< 0.05) of difference drying methods, same as blow tables

干燥過程不僅改變水與非水組分間的相互作用，而且對物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞，因此復(fù)水后的果蔬難以恢復(fù)到原有狀態(tài)，提高果蔬干制品復(fù)水性能對提高果蔬食用品質(zhì)有重要意義。復(fù)水能力保留越好，則說明山藥干制品質(zhì)越高[2,31]。高RH處理山藥片后，有助于形成和保持內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，促使山藥片構(gòu)建了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，故干制品具有較高的復(fù)水性。

工藝7條件下，高RH保持10 min后逐漸降至10%的復(fù)水性最高，為2.36±0.08。當(dāng)恒定RH 10%或者RH降幅很大時(shí)，由于表面水分的快速蒸發(fā)，水分逸出會(huì)導(dǎo)致山藥表面坍塌，出現(xiàn)萎縮，內(nèi)部毛細(xì)管結(jié)構(gòu)變形，因此干制品復(fù)水能力差。恒定RH 10%干燥條件下復(fù)水性最低，為1.59±0.09。RH恒定10%及RH 50%分別保持5、10、20 min時(shí)，干燥能耗依次降低；RH由50%逐漸降為10%干燥條件下干燥能耗最低為（2.98±0.06）kW·h/kg。因此干燥能耗和干燥時(shí)間有著直接關(guān)系，階梯降濕干燥工藝有助于縮短干燥時(shí)間，減少干燥能耗。

3.5 不同干燥方式對多糖含量的影響

不同干燥條件下山藥片中的多糖含量如表5所示。不同干燥條件下，山藥片的多糖含量存在顯著性差異。干燥過程中可能會(huì)破壞多糖中含有的多種飽和及不飽和的糖苷鍵、單糖殘基、及空間構(gòu)象，進(jìn)而影響多糖生物活性并導(dǎo)致其含量降低。中藥材干燥過程中多糖含量的原因主要包括：呼吸作用、酶降解、高溫降解等。在傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥過程中，由于長時(shí)間的干燥時(shí)間和干制溫度，使得中藥材的呼吸作用增強(qiáng)，增加了多糖的消耗[32]。因此，在恒溫階段降濕的山藥片熱風(fēng)干燥過程中，多糖的含量和干制時(shí)間直接相關(guān)，干制效率越高，則多糖因呼吸所消耗的量則越少，因此工藝7所得多糖含量最高，為（57.32±0.21）mg/g；而工藝1所得多糖含量最低，為（44.76±0.29）mg/g。

表5 不同干燥條件下山藥片的多糖含量(, n = 3)

3.6 不同干燥方式對微觀結(jié)構(gòu)的影響

選取工藝1、5、7干燥條件下的山藥片的微觀組織結(jié)為代表性研究對象（圖6）。中藥材微觀結(jié)構(gòu)的變化主要表現(xiàn)在孔隙的大小和均勻度方面，且這一變化會(huì)直接影響到復(fù)水性、硬度和酥脆等性能。干燥過程中孔隙變化主要基于以下2點(diǎn)：①水分的遷移方向和速率；②結(jié)構(gòu)的破壞程度和內(nèi)在化學(xué)成分的含量和類型。熱風(fēng)干燥過程中，外表面溫度高于內(nèi)部，表面水分蒸發(fā)快于內(nèi)部，故干燥后干制品表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重[32]。因此，恒定RH 10%干燥條件下，由于表面和干燥介質(zhì)較大的水蒸氣分壓差，表面水分蒸發(fā)速率快于內(nèi)部水分遷移速率，故表面結(jié)殼硬化，同時(shí)此條件下復(fù)水性也最低，為1.59±0.09。RH 50%保持10 min且降濕幅度逐漸減小時(shí)，物料內(nèi)部所保留的水分遷移孔道愈明顯。這可能是因?yàn)楣に?條件下，高RH抑制了表面過快的水分蒸發(fā)，同時(shí)提高了物料溫度，加快了內(nèi)部水分的遷移，避免了結(jié)殼硬化，并且此條件下復(fù)水性也最大為2.36±0.08。

圖6 山藥片微觀組織結(jié)構(gòu)

4 討論

本研究考察了4 mm山藥切片，在干燥溫度60 ℃，風(fēng)速3.0 m/s，RH 50%保持5、10、20 min和恒定RH 10%以及不同降濕工藝條件下，山藥片的干燥特性、水分eff、色澤、復(fù)水性、多糖含量和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明RH 50%保持10 min后，降為40%后再每隔20 min降低10%，最終降至10%，此干燥條件下干燥時(shí)間最短為180 min，*最大為90.76±0.12，復(fù)水性最大為2.36±0.08，多糖含量為（57.32±0.21）mg/g，能耗最低為（2.98±0.06）kW·h/kg，且保留了水分?jǐn)U散遷移的多孔結(jié)構(gòu)。

在高RH保持不同時(shí)間對山藥片干燥特性和品質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中得出，RH 50%保持10 min時(shí)，干燥效率最高，干燥時(shí)間最短。高RH有助于強(qiáng)化對物料的傳熱作用，高濕保持時(shí)間不能太短亦不能過長，而應(yīng)當(dāng)以物料充分預(yù)熱為判定依據(jù)。若高濕保持時(shí)間過短物料沒有充分被預(yù)熱，而高濕時(shí)間保持過長則再物料充分預(yù)熱后因外界較高的RH抑制了表面水蒸氣蒸發(fā)。50%RH保持10 min后，山藥片充分預(yù)熱至此條件下的濕球溫度，約為45.8 ℃。較高的物料溫度加快了內(nèi)部水分的遷移擴(kuò)散速率。在降低RH后，內(nèi)部水分及時(shí)擴(kuò)散遷移至表面以防表面結(jié)殼的發(fā)生。

在不同階段降濕干燥實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在高RH降為低RH的過程中，降幅不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致物料溫度急劇下降，抑制內(nèi)部水分的擴(kuò)散遷移。在降低RH的過程中應(yīng)當(dāng)以不降低物料溫度為基本約束條件。本實(shí)驗(yàn)中得出RH 50%保持10 min后降為40%，而后每隔20 min降低10%，最終降至10%，此為本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)工藝，物料溫度均大于其余3者同時(shí)期的物料溫度，eff先慢后快，而整個(gè)干燥過程平均eff最大，為6.77×10?10m2/s。然而此干燥條件仍可能不是最優(yōu)的工藝，研究中可進(jìn)一步的縮小RH的降低幅度，在此過程中時(shí)刻監(jiān)測物料溫度，如果有下降趨勢，則說明此時(shí)為適宜的RH調(diào)控值。因此基于物料溫度的RH調(diào)控策略可能為優(yōu)化階段降濕干燥工藝的研究方向，以實(shí)現(xiàn)對階段降濕干燥過程的自動(dòng)調(diào)控。

山藥片的恒溫階段降濕干燥過程中，干制后的色澤、復(fù)水性和多糖含量均與干燥時(shí)間直接相關(guān)。工藝7條件下，由于具有較高的干燥效率，所以具備了較好的干燥品質(zhì)。高RH有助于保持和形成物料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，有助于水分的擴(kuò)散遷移。

綜上，本實(shí)驗(yàn)研究在不同階段降濕干燥條件下山藥片的干燥特性、水分eff、色澤、復(fù)水比、多糖含量和微觀結(jié)構(gòu)，得出了最優(yōu)干燥工藝以及RH的調(diào)控依據(jù)，以期提高山藥片的干燥效率和干燥品質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Influence of step-down relative humidity on drying characteristic and quality of hot air drying ofslices

JU Hao-yu1, ZHAO Shi-hao1, ZHAO Hai-yan3, ZHANG Wei-peng4, GAO Zhen-jiang2, XIAO Hong-wei2

1. College of Bioscience and Engineering, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061, China 2. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China 3. College of Business Administration, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061, China 4. College of Artificial Intelligence, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China

In order to improve the drying efficient and quality ofslices and reveal the relative humidity (RH) control principle, the influence of different keeping time of high RH and different dehumidification humidity process on drying characteristic and quality of hot air drying ofslices were investigated.With drying temperature 60oC and air velocity 3.0 m/s, the influence of constant 10% RH, different 50% RH keeping time (5, 10, and 20 min) then decreasing to 10% as well as different dehumidification RH when 50% was kept 10 min (decreased to 10% directly; 20%, 20 min then 10%; 30%, 20 min, 20%, 20 min then 10%; 40%, 20 min; 30%, 20 min; 20%, 20 min then 10%) on drying characteristic, moisture effective diffusion coefficient (eff), color value, rehydration ratio, energy consumption, polysaccharide content and microstructure were studied.Under different high RH keeping time, when RH 50% was kept for 10 min and then decreased to 10%, the drying time was shorted by 20.0% compared to constant 10% RH drying condition. The drying process was divided into increasing and decreasing drying rate stage. Theslices were fully preheated and the temperature rose to 45.8oC at 10 min. Under different dehumidification RH drying conditions, when 50% RH was kept for 10 min and then decreased to 10% successively, the drying time was shorted by 25.0% compared to when 50% RH was kept for 10 min and then decreased to 10%. The drying process was also divided into increasing and deceasing drying rate stage. On the whole, the material temperature showed a slow rising trend and was more than the other three drying conditions at the same time.effwas slow at first and then became quick and the averageeffwas the largest as to be (6.77 × 10?10) m2/s. The brightness value (*), rehydration ratio (RR) and polysaccharide content were all achieved their maximum value as to be (90.76 ± 0.12), (2.36 ± 0.08), and (57.32 ± 0.21) mg/g, respectively. At the same time, the energy consumption achieved its minimum value as to be (2.98 ± 0.06) kW·h/kg. Additionally, the mercreature showed that the porous structure was formed which was benefit for internal moisture diffusion.High RH is helpful to strengthen the materials heat transfer process, and the retention time should be based on the full preheating of materials. During dehumidification drying process, the basic constraint condition should be not to reduce the material temperature when reducing RH. In the process of step-down RH drying process with constant temperature stage, the color value, rehydration ratio, and polysaccharide content after drying were directly related to drying time. High RH helps to maintain and form the porous structure inside the material, which is conducive to the diffusion and migration of water. The drying method of step-down RH by successive stages is helpful to improve the drying efficiency and quality ofslices, which provides theoretical basis and technical support for the control of RH in the hot air drying process ofslices.

hot air drying;; relative humidity; step-down relative humidity; polysaccharide content; misconstrue; moisture effective diffusion coefficient; rehydration ratio; energy consumption

R283.6

A

0253 - 2670(2021)21 - 6518 - 10

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.21.009

2021-06-08

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（6204035）；北京市教委組織部優(yōu)秀人才項(xiàng)目（2018000020124G034）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（C2020207004）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2021054）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（2020JYY47）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)“生物工程”專項(xiàng)項(xiàng)目（2021SGYB03）

巨浩羽，博士，講師，研究方向?yàn)橹兴幉母稍锛夹g(shù)與裝備。E-mail: ju56238@163.com

肖紅偉，男，博士，博士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備。E-mail: xhwcaugxy@163.com

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]