王雪妃,王田,許銘強(qiáng),張艷艷,承春平,杜雨桐,陳愷*,李煥榮

1(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊,830052) 2(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,新疆 烏魯木齊,830091) 3(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州,540002)

杏(PrunusarmeniacaL.),薔薇科李亞科杏屬植物[1]。新疆是我國(guó)杏的主要產(chǎn)區(qū)之一,截至2020年,新疆杏栽培面積約為11.682 7萬(wàn)hm2,年產(chǎn)量達(dá)93.756 1萬(wàn) t[2]。杏作為特色林果推動(dòng)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[3]。賽買提杏,含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素[4-5],是非常優(yōu)良的干鮮兼用品種。如今,熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥等[6]新興技術(shù)不斷興起。其中,熱風(fēng)干燥技術(shù)因其具有設(shè)備成熟、操作簡(jiǎn)單、干制周期短等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于杏制干工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中由于杏品種、果形、成熟度,前處理?xiàng)l件等差異,干制生產(chǎn)工藝、干燥特性及動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型也隨之改變。干燥數(shù)學(xué)模型能夠從更深層面揭示干燥過(guò)程中物料的變化規(guī)律,從而達(dá)到描述、檢測(cè)、預(yù)測(cè)以及控制干燥過(guò)程的目的,對(duì)杏整果干燥起到提質(zhì)增效的作用。因此,研究干燥特性對(duì)解決此類問(wèn)題起到科學(xué)指導(dǎo)作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同物料、不同干燥方式下的干燥特性及干燥動(dòng)力學(xué)報(bào)道已有許多,主要針對(duì)切片物料進(jìn)行薄層干燥數(shù)學(xué)模型的建立及擬合,例如蘋果[7]、梨[8]、紅棗[9]、香蕉[10]、胡蘿卜[11]等。針對(duì)杏果干燥特性的研究主要集中在切分去核杏片不同預(yù)處理和干燥方式上。靳力為[12]研究了不同超聲前處理對(duì)凍干杏片干燥特性的影響,DENG等[13]研究了高濕度熱空氣沖擊漂燙結(jié)合真空干燥對(duì)切分去核杏干燥特性的影響。但由于物料尺寸、原料屬性、干燥方式等原因,帶核或較大規(guī)格的果蔬(直徑>20 mm)整果干燥已不適合套用薄層干燥數(shù)學(xué)模型,故整果物料相關(guān)干燥動(dòng)力學(xué)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

近年來(lái),低場(chǎng)核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)作為一門新興檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)損、快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)[14]被廣泛應(yīng)用于食品保鮮貯藏[15-16]、干燥[17-19]、加工及摻假檢測(cè)方面[20]。利用LF-NMR和磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging,MRI)可實(shí)時(shí)直觀檢測(cè)到物料內(nèi)部水分遷移規(guī)律以及空間分布變化,對(duì)于研究干燥特性和水分遷移規(guī)律兩者之間的關(guān)系具有重要意義。

前期研究結(jié)果已證實(shí)熱風(fēng)干燥溫度(40、45、50 ℃)對(duì)鮮杏制干后的品質(zhì)指標(biāo)有顯著影響,且美拉德反應(yīng)對(duì)杏干褐變起主導(dǎo)作用[21],但未涉及熱風(fēng)干燥特性等內(nèi)容。由此,本文以新鮮賽買提杏為原料,根據(jù)干燥過(guò)程中水分比和干燥時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,建立整果熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型,結(jié)合LF-NMR和MRI成像技術(shù)分析不同干燥溫度下橫向弛豫時(shí)間T2圖譜遷移規(guī)律、3種狀態(tài)水分峰面積變化規(guī)律及水分空間分布規(guī)律,研究不同干燥溫度對(duì)杏整果干燥特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

賽買提鮮杏,采自新疆喀什地區(qū),七八成成熟度[可溶性固形物含量(15±0.5)%,初始含水量在79.28%],色澤大小均勻,杏果直徑為(3.00±0.5) cm,無(wú)損傷無(wú)蟲害,置于0～4 ℃的條件下貯藏備用。

1.2 儀器與設(shè)備

BGZ-70電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;NM120型低場(chǎng)核磁共振儀,蘇州(上海)紐邁電子科技有限公司;PL204型電子天平梅特勒-托利多儀器,上海有限公司;不銹鋼絲網(wǎng)盤。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

從冰箱中取出保存的鮮杏,待其溫度達(dá)到室溫。選取直徑大小均勻,無(wú)機(jī)械損傷的鮮杏清洗、瀝干水分,稱重5.00 kg平鋪于潔凈的不銹鋼篩網(wǎng)上,分別采用40、50、60 ℃進(jìn)行熱風(fēng)干燥,每隔4 h快速隨機(jī)取樣并測(cè)其水分含量,至杏干水分含量達(dá)(20±2)%,停止干燥,每組試驗(yàn)重復(fù)5次,取其平均值。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 水分比

水分比計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:MR為水分比;Me為物料干燥平衡干基含水量,g;M0為物料初始干基含水量,g;Mt為t時(shí)刻的物料的干基含水量,g。其中,Me的值相對(duì)于M0和Mt來(lái)說(shuō)較小,可以忽略不計(jì),因而公式(1)可以簡(jiǎn)化為公式(2):

(2)

1.3.2.2 干燥速率

干燥速率計(jì)算如公式(3)所示:

(3)

式中:DR為干燥速率,g/(g·h);Mt+Δt為t+Δt時(shí)刻物料的干基含水量,g/g;Δt為干燥時(shí)間間隔,h。

1.3.3 干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型擬合

干燥動(dòng)力學(xué)的研究有助于深入研究干燥特性,對(duì)于研究水分?jǐn)U散機(jī)理及干燥過(guò)程的品質(zhì)調(diào)控具有重要意義[22]。為了描述賽買提杏干燥動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律,選擇常用的指數(shù)函數(shù)、線性方程、二次不等式和三次多項(xiàng)式對(duì)熱風(fēng)干燥過(guò)程中的水分比和干燥時(shí)間進(jìn)行擬合,如表1所示。

表1 干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematical model of drying dynamics

將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析,選擇相關(guān)系數(shù)(R2)、誤差平方和(sum of the squared errors,SSE)、均方根誤差(root mean squared error,RMSE)和卡方檢驗(yàn)值(χ2)來(lái)評(píng)價(jià)模型的適用性。其中,R2值越大、SSE、RMSE、χ2越小,說(shuō)明模型的擬合性越好。其表達(dá)如公式(4)～公式(7):

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:MRexp,i,任意時(shí)刻試驗(yàn)值;MRpre,i,任意時(shí)刻預(yù)測(cè)值;N,觀測(cè)值的個(gè)數(shù);j,模型參數(shù)的個(gè)數(shù)。

1.3.4T2反演譜采集

將制備好的樣品放于25 mm永久磁場(chǎng)中心位置的射頻線圈的中心,依次進(jìn)行FID序列獲得中心頻率,CPMG脈沖序列測(cè)定反演,最后進(jìn)行反演得到T2的反演圖譜。CPMG序列參數(shù)的設(shè)置:測(cè)量溫度(32±0.05) ℃,主頻18 MHz,偏移頻率600 964.45 kHz,90°脈沖時(shí)間12 μs,180°脈沖時(shí)間26 μs,采樣點(diǎn)數(shù)565 556,重復(fù)時(shí)間2 000 ms,累加次數(shù)4次,回波時(shí)間0.377 ms,回波次數(shù)15 000。

1.3.5 MRI成像試驗(yàn)

采用多層自旋回波SE序列對(duì)樣品進(jìn)行MRI成像實(shí)驗(yàn),參數(shù)設(shè)置為:中心頻率23.16,層數(shù)2.0,層寬3.0,層間隙1.0,回波時(shí)間20 ms,重復(fù)等待時(shí)間500 ms,模擬增益20.0,累加次數(shù)4,頻率編碼步數(shù)256,相位編碼步數(shù)192。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)測(cè)量均為5個(gè)重復(fù)(n=5),利用Excel 2020對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用Origin 8.0 pro、Matlab R 2018 b對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖及擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)賽買提杏整果熱風(fēng)干燥特性的影響

如圖1所示,不同干燥溫度下的水分比隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)均呈下降的趨勢(shì),且干燥溫度越高,曲線斜率越大,即干燥時(shí)間越短。此結(jié)果與楚文靖等[23]研究紅心火龍果片在不同熱風(fēng)干燥溫度下干燥特性結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)比40、50、60 ℃熱風(fēng)干燥水分比曲線,水分比達(dá)到0.258 3、0.262 5、0.275 3時(shí)所需的時(shí)間分別為124、48、32 h。隨著溫度的升高,熱空氣的相對(duì)濕度降低,熱空氣的水蒸氣容量增加,同時(shí)溫度的升高導(dǎo)致賽買提杏整果與熱空氣之間的對(duì)流強(qiáng)度增強(qiáng),物料內(nèi)部水分的遷移與擴(kuò)散加快,進(jìn)一步提高整果中的水分蒸發(fā)量,縮短干燥時(shí)間[24]。

圖1 不同溫度下水分比曲線Fig.1 Moisture ratio curve at different temperatures

如圖2所示,賽買提杏整果干燥速率曲線整體呈現(xiàn)先增速后降速的變化趨勢(shì),過(guò)程中的干燥速率曲線呈現(xiàn)“W”型波動(dòng)且無(wú)明顯的恒速干燥階段。這說(shuō)明整果干燥主要以內(nèi)部水分?jǐn)U散為主。干燥溫度越高,平均干燥速率也相應(yīng)增大,其中40 ℃干燥速率最大值為0.017 9 g/(g·h)(4 h),50 ℃為0.018 3 g/(g·h)(20 h),60 ℃為0.030 8 g/(g·h)(12 h)。這可能是由于不同干燥溫度條件下,果肉細(xì)胞空腔塌縮和擴(kuò)增引起的組織結(jié)構(gòu)改變[25],不可避免地堵塞或擴(kuò)大水分?jǐn)U散通道且隨著果表面水分的蒸發(fā),果肉水分向外遷移的同時(shí),杏核(杏仁+核)中的水分也從內(nèi)部逐漸擴(kuò)散補(bǔ)給果肉,進(jìn)一步由果肉內(nèi)向外快速散失,伴隨著果皮表面逐漸變硬[26],擴(kuò)散阻力增大,導(dǎo)致干燥速率出現(xiàn)“W”波浪式逐漸降低的趨勢(shì)。

圖2 不同溫度下干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves at different temperatures

2.2 賽買提杏整果干燥數(shù)學(xué)模型的確定

2.2.1 熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的擬合

物料干燥過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的熱量傳遞過(guò)程,涉及多種物理現(xiàn)象[27]。由圖1可知,干燥時(shí)間與物料水分比呈線性相關(guān),利用Origin 2018軟件繪制曲線,Matlab R 2018 b對(duì)4種數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行擬合,在不同的溫度下,4種方程式常數(shù)及擬合檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 賽買提杏整果數(shù)學(xué)方程擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of the mathematical model of whole fruit drying

由表2可知,三次多項(xiàng)式擬合平均R2為0.997 0,擬合程度最高,SSE為0.002 33,RMSE為0.014 81,χ2為 0.000 29均較低,故綜合考慮,三次多項(xiàng)式的精密度更高。

2.2.2 熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

對(duì)三次多項(xiàng)式y(tǒng)=ax3+bx2+cx+d進(jìn)行驗(yàn)證,圖3是不同溫度條件下三次多項(xiàng)式MR實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值的擬合曲線,不同溫度下水分比實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間高度吻合。其中,40 ℃熱風(fēng)干燥124 h達(dá)到水分終點(diǎn),實(shí)際MR為0.258 3,預(yù)測(cè)MR為0.263 6,兩者之間相對(duì)偏差為-0.020 1;50 ℃熱風(fēng)干燥48 h時(shí)到達(dá)水分終點(diǎn),實(shí)際MR為0.262 5,預(yù)測(cè)MR為0.272 7,兩者之間相對(duì)偏差為-0.037 4;60 ℃熱風(fēng)干燥32 h時(shí),實(shí)際MR為0.275 3,預(yù)測(cè)MR為0.276 5,兩者相對(duì)偏差為-0.004 3。不同溫度條件下相對(duì)偏差均小于5%。由此可見(jiàn),三次多項(xiàng)式型能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)賽買提杏整果某一時(shí)刻的水分含量,說(shuō)明三次多項(xiàng)式可以作為描述賽買提杏整果干燥的數(shù)學(xué)模型。

圖3 不同溫度下賽買提杏整果熱風(fēng)干燥的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.3 Comparison of practice and predicted values of hot air drying at different temperatures

2.3 干燥溫度對(duì)賽買提杏整果干燥過(guò)程中水分遷移規(guī)律的影響

2.3.1 新鮮賽買提杏整果T2反演圖譜

新鮮賽買提杏的橫向弛豫時(shí)間T2反演圖譜,如圖4所示。T2弛豫時(shí)間反映了樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境,反映了樣品中水分自由度的大小[28]。

圖4 新鮮賽買提杏整果的T2反演圖譜Fig.4 Inversion spectrum of fresh Saimaiti apricot

新鮮賽買提杏中含有3種狀態(tài)的水分,T21(1～10 ms)是與細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)結(jié)合緊密的結(jié)合水,T22(10～100 ms)是受一定束縛力約束的不易流動(dòng)水,T23(100～1 000 ms)是游離在纖維組織之間流動(dòng)性較大的自由水。A21、A22、A23分別代表各峰的峰面積,總峰的面積為A總(A總=A21+A22+A23)。新鮮賽買提杏3種水分狀態(tài)占比分別是結(jié)合水S21為0.41%,不易流動(dòng)水S22為3.64%,自由水S23為95.95%。

2.3.2 不同溫度下整果T2反演圖譜

圖5～圖7是不同溫度下賽買提杏T2反演圖譜。隨著干燥的進(jìn)行,T2反演圖譜整體向左遷移,信號(hào)強(qiáng)度和峰面積逐漸減小,弛豫時(shí)間縮短,即水分含量不斷降低,這與圖1、圖2干燥特性曲線趨勢(shì)一致。說(shuō)明溫度能為組織內(nèi)部水分子提供能量,減弱水分的吸附力,從而提高水分的遷移能力。

圖5 40 ℃不同干燥時(shí)間賽買提杏橫向弛豫時(shí)間(T2)反演譜Fig.5 Transverse relaxation time (T2) for different drying times at 40 ℃

圖6 50 ℃不同干燥時(shí)間賽買提杏橫向弛豫時(shí)間(T2)反演譜Fig.6 Transverse relaxation time (T2) for different drying times at 50 ℃

圖7 60 ℃不同干燥時(shí)間賽買提杏橫向弛豫時(shí)間(T2)反演譜Fig.7 Transverse relaxation time (T2) for different drying times at 60 ℃

通過(guò)對(duì)比40、50、60 ℃條件下的反演圖譜隨干燥時(shí)間的變化可知,在干燥前期,流動(dòng)性較好且占比最多的自由水T23最易被脫除,一部分自由水轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水,不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水散失,這與李梁等[29]研究的熱風(fēng)干燥獼猴桃切片水分遷移規(guī)律得出結(jié)果一致。此時(shí)賽買提杏中H+質(zhì)子通過(guò)氫鍵與糖類等大分子形成緊密難以脫除或轉(zhuǎn)化的水分,表現(xiàn)出弛豫時(shí)間T2縮短,從而導(dǎo)致T2反演圖譜整體是向左遷移,信號(hào)強(qiáng)度逐漸下降。在干燥后期,主要是結(jié)合水T21和不易流動(dòng)水T22均呈現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化散失的趨勢(shì)。因此,干燥溫度是影響水分遷移的重要因素,溫度越高,對(duì)水分脫除越有利,所需干燥時(shí)間也越短。

2.3.3 不同溫度下整果峰面積變化

峰面積的大小可以表征含水量的多少。由表3可以看出,40、50、60 ℃總峰面積隨時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸減小,含水量不斷降低。新鮮賽買提杏中A23占據(jù)了總水分信號(hào)量A總的主體。對(duì)比40、50、60 ℃干燥過(guò)程,溫度越高,水分流失越快,結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水的峰面積變化越明顯?？梢?jiàn),溫度對(duì)水分狀態(tài)的變化起顯著作用。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),不同干燥過(guò)程中總峰面積A總均逐漸減小,自由水峰面積A23均呈下降趨勢(shì),而結(jié)合水峰面積A21和不易流動(dòng)水A22均在干燥前期呈先上升后下降的趨勢(shì),干燥后期兩者相互轉(zhuǎn)化逐漸減小。

表3 不同干燥方式下賽買提杏整果T2反演圖譜中各峰峰面積和峰比例的變化Table 3 Changes of peak area and peak ratio in the T2 inversion map of Samaiti apricot under different drying methods

結(jié)合水是與物料內(nèi)部物質(zhì)相互結(jié)合相互作用有較大束縛力呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的水分[30]。由表3可知,不同干燥溫度下,干燥前期,賽買提杏結(jié)合水峰面積A21整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且干燥溫度越高,結(jié)合水峰面積A21達(dá)到最大值所需時(shí)間越短。杏果內(nèi)部溫度逐漸升高,形成一定的溫度梯度,使一部分自由水先被脫除,不易流動(dòng)水向結(jié)合水遷移轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致峰面積A21增加。在40、50、60 ℃時(shí),A21分別在124、44、16 h達(dá)到最大值1 498.61、153.91、86.95。40、50 ℃的最大值明顯高于60 ℃,可能是由于溫度越高,自由水和不易流動(dòng)水?dāng)U散速率較快,因此不易轉(zhuǎn)化為結(jié)合水。隨著干燥的進(jìn)行,絕大部分自由水被脫除,杏果內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、酶逐漸分解,使部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水隨內(nèi)部擴(kuò)散逐漸脫除。在40、50 ℃條件干燥時(shí),結(jié)合水含量在92 h和28 h時(shí)驟然增至最大后減小,這主要是由于干燥溫度低,干燥速率也較為緩慢,杏肉的自由水被脫除一部分,此時(shí)杏核內(nèi)部水分作為補(bǔ)充水分逐漸遷移至杏肉,水分向不易流動(dòng)水和結(jié)合水轉(zhuǎn)化,且干燥時(shí)間越長(zhǎng)干燥速率也越慢,水分散失緩慢,再受干燥終點(diǎn)因素的制約,40 ℃無(wú)法測(cè)到呈下降趨勢(shì)的拐點(diǎn)。因此,二者在相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程中不易流動(dòng)水和總峰面積逐漸減少,結(jié)合水含量呈動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)。

不易流動(dòng)水指的是存在于植物組織和細(xì)胞內(nèi)的受一定束縛力約束的水分[31]。在干燥過(guò)程中,不易流動(dòng)水A22整體呈不斷增加的變化趨勢(shì)。溫度越高,不易流動(dòng)水達(dá)到最大值的時(shí)間也越短,40、50、60 ℃熱風(fēng)干燥時(shí)分別在100、32、32 h不易流動(dòng)水A22面積達(dá)到最大值4 549.07、3 845.56、3 105.39,其中40、50 ℃明顯高于60 ℃,這說(shuō)明溫度越高,水分?jǐn)U散速率越快,所需時(shí)間越短,A22面積越小。干燥前期,40、50、60 ℃干燥時(shí)分別在0～84 h、0～28 h、0～20 h時(shí)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),干燥后期60 ℃呈逐漸增大的趨勢(shì),40、50 ℃均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。這是由于溫度較高,水分由內(nèi)向外的散失較快,果肉表面形成硬化,水分散失通道變窄,干燥后期結(jié)合水和不易流動(dòng)水相互轉(zhuǎn)化,這與結(jié)合水在干燥后期變化時(shí)間點(diǎn)相似。

自由水指的是植物體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)相對(duì)自由的水分,這部分水較容易被脫除[32]。不同干燥條件下,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),自由水峰面積A23不斷減小,S23的比例逐漸降低,表明杏整果自由水含量不斷下降。40、50、60 ℃干燥時(shí)分別在前92、32、20 h階段時(shí),處于緩慢下降階段,這是因?yàn)楦稍锴捌?杏核與果肉溫

度上升,自由水?dāng)U散速率加快,杏核內(nèi)部水分作為補(bǔ)充也逐漸向外擴(kuò)散至杏肉自由水中被緩慢脫除。40、50、60 ℃干燥后期分別在100、32、24 h時(shí),自由水被大量脫除后,流動(dòng)性降低,自由度減小,自由水脫除速率隨之減小,這與結(jié)合水和不易流動(dòng)水的峰面積變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相關(guān)性。同時(shí),受干燥終點(diǎn)的影響,自由水未被完全脫除,在總峰峰面積A總中的占比均≤0.11%。

2.3.4 賽買提杏整果干燥過(guò)程中低場(chǎng)核磁成像分析

通過(guò)MRI成像能得到樣品內(nèi)部的質(zhì)子密度加權(quán)像,其可反映樣品中氫質(zhì)子的分布,通常氫質(zhì)子越密集的區(qū)域,質(zhì)子密度加權(quán)像越明亮[33]。不同顏色代表不同的含水量,紅色表示含水量最高,藍(lán)色表示含水量最低。經(jīng)過(guò)紐邁核磁成像偽彩軟件處理得到不同溫度、不同干燥時(shí)間下的MRI圖像。如圖8所示為不同熱風(fēng)干燥溫度下賽買提杏橫切面MRI成像偽彩圖。

在同一干燥溫度下,不同干燥時(shí)間圖像中紅色部分發(fā)生了明顯變化。干燥初期杏果內(nèi)部的紅色部分較大,集中在杏肉中間即靠近杏核的部分,說(shuō)明此時(shí)的水分含量較高、分布較廣,有利于表面水分的擴(kuò)散。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),紅色部分逐漸減少,向周圍擴(kuò)散。熱風(fēng)干燥使得杏果的溫度升高,降低了水分所受到的束縛力,導(dǎo)致水分逐漸散失,且內(nèi)部水分逐漸向外遷移;同時(shí)在干燥后期是由于內(nèi)部水分需要由內(nèi)向外遷移導(dǎo)致干燥速率緩慢。這與苑麗婧等[34]研究獼猴桃片在不同熱風(fēng)干燥過(guò)程中MRI圖像結(jié)果一致。

對(duì)比不同溫度下整果水分空間分布情況,可知40 ℃條件下處于0～32 h干燥階段時(shí),水分空間分布較為集中,擴(kuò)散速率緩慢,內(nèi)外水分相對(duì)平衡,無(wú)產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象。50 ℃條件下在0～8 h這一階段,水分分布紅色面積廣較為集中,含量高;干燥至8 h時(shí)水分比為0.863 5,干燥速率達(dá)到0.010 7;當(dāng)干燥進(jìn)行至12 h后,水分開始逐漸由“中心緊密型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑吘墧U(kuò)散型”分布。此時(shí)自由水被大量脫除,剩余較難脫除的結(jié)合水和不易流動(dòng)水被緩慢脫除。60 ℃在0～8 h干燥階段,由于溫度較高,杏果表面水分快速散失,果皮表面硬化,產(chǎn)生“結(jié)殼”現(xiàn)象,導(dǎo)致內(nèi)部水分無(wú)法散失,分布較為集中。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),果肉細(xì)胞破裂,產(chǎn)生大量空腔結(jié)構(gòu),加快水分?jǐn)U散速率[35],因此16 h以后水分分布比較均勻。干燥結(jié)束時(shí)圖像中還存在紅色和部分黃綠色,此時(shí)主要是少量結(jié)合水和不易流動(dòng)水,水分含量為(20±2)%,符合DB65/T 3037—2009《無(wú)公害食品 杏干》的要求。MRI偽彩圖像中的變化與橫向弛豫時(shí)間(T2)和干燥速率變化基本一致,溫度越高,擴(kuò)散速率越大,水分散失也越快。

3 結(jié)論

本文研究了賽買提杏整果在不同熱風(fēng)溫度(40、50、60 ℃)條件下的水分比、干燥速率、橫向弛豫時(shí)間T2、水分空間分布,分析了不同溫度對(duì)干燥速率以及水分分布和遷移規(guī)律的影響。此外,根據(jù)干燥過(guò)程中水分比和干燥時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,建立了整果干燥數(shù)學(xué)模型。研究表明:a)整果干燥過(guò)程中無(wú)明顯的恒速干燥階段,干燥速率曲線整體呈現(xiàn)先增速后降速的變化趨勢(shì),干燥過(guò)程中杏核中的水分作為補(bǔ)充不斷向外擴(kuò)散至果肉后被脫除,導(dǎo)致干燥速率曲線呈現(xiàn)“W”型動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化。b)水分比與干燥時(shí)間進(jìn)行擬合得到數(shù)學(xué)模型具有較高的擬合度,所得模型能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)賽買提杏整果熱風(fēng)干燥過(guò)程中的水分含量規(guī)律。c)在熱風(fēng)干燥過(guò)程中,整果的橫向弛豫時(shí)間T2不斷向左遷移,總峰面積不斷減小。自由水被大量脫除,剩余少量不易流動(dòng)水和結(jié)合水。通過(guò)3種峰面積的變化規(guī)律可以看出,干燥過(guò)程中會(huì)有部分自由水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰琢鲃?dòng)水,部分不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)變成結(jié)合水,3種水都會(huì)逐漸減少,最終自由水基本全部去除。MRI成像偽彩圖得到杏果內(nèi)部的水分空間動(dòng)態(tài)變化,觀察可知,新鮮樣品中紅色部分分布較廣,隨著干燥進(jìn)行水分由內(nèi)向外擴(kuò)散,直至干燥結(jié)束仍有紅色部分,這部分物質(zhì)可能是未去除的結(jié)合水、不易流動(dòng)水。

因此,在賽買提杏整果實(shí)際工業(yè)干燥過(guò)程中,可以通過(guò)內(nèi)部水分的遷移規(guī)律、各組分水被去除的時(shí)間,調(diào)節(jié)干燥參數(shù),達(dá)到更好的干燥效果。還可以根據(jù)水分比與時(shí)間的線性方程,計(jì)算某一時(shí)刻整果的水分含量,也可以為果形、直徑大小相似物料的干燥提供理論依據(jù)。