草莓中短波紅外干燥動力學(xué)擬合及品質(zhì)變化分析

趙悅，陳芹芹，畢金峰，吳昕燁，周沫，李斌，畢延娣

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽，110866) 2(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京，100193)

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草莓中短波紅外干燥動力學(xué)擬合及品質(zhì)變化分析

趙悅1,2，陳芹芹2，畢金峰1,2，吳昕燁2，周沫2，李斌1*，畢延娣1,2

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽，110866) 2(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京，100193)

摘要為了提高草莓干燥效率及產(chǎn)品品質(zhì)，將中短波紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于草莓干燥，研究不同干燥溫度(60、70、80和90 ℃)和不同干燥功率(675、1 125、1 575和2 025 W)條件下的干燥特性和品質(zhì)變化。草莓中短波紅外干燥屬于降速干燥過程，干燥速度快，且干燥溫度較干燥功率影響顯著；水分有效擴(kuò)散系數(shù)范圍為0.607×10-9～2.126×10-9m2/s，草莓中短波紅外干燥的活化能Ea為39.54 kJ/mol；通過模型擬合，表明最適合描述草莓中短波紅外干燥的模型為Page模型。在干燥溫度70 ℃，干燥功率1 125 W，干燥時間190 min下，草莓產(chǎn)品的色澤較好，復(fù)水比為3.59，硬度為3 128.01 N，VC的含量達(dá)到了259.93 mg/100 g，矢車菊素-3-葡萄糖苷的含量為0.23 mg/100 g，天竺葵素-3葡萄糖苷的含量為2.79 mg/100 g，草莓的綜合品質(zhì)較好。

關(guān)鍵詞草莓；中短波紅外干燥；模型擬合；矢車菊素-3-葡萄糖苷；天竺葵素-3-葡萄糖苷

果蔬干燥常用的方式有熱風(fēng)干燥、微波干燥和真空冷凍干燥等，然而這些方式對草莓進(jìn)行干燥則會產(chǎn)生一些弊端，如熱風(fēng)干燥導(dǎo)致產(chǎn)品顏色變化大，收縮度大，復(fù)水性低[1]；微波干燥能有效地加快干燥速率，但產(chǎn)品的生物活性物質(zhì)含量和復(fù)水性都減小[2]，且由于其特殊的加熱機(jī)制，樣品受熱不均；草莓真空冷凍干燥加工過程中，雖然色澤品質(zhì)好[3]，但能源消耗較高。中短波紅外干燥是近幾年果蔬干燥中新興的一種加工技術(shù)，不僅能大大提高果蔬的干燥速率，提高其貨架期，還能改善果蔬的品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)價值，相比傳統(tǒng)干燥方式有較大優(yōu)勢，已成功應(yīng)用在胡蘿卜[4]、香菇[5]、洋蔥[6]和藍(lán)莓[7]等果蔬原料上。本文探究了干燥溫度和干燥功率對草莓中短波紅外的干燥特性及顏色、硬度、VC等品質(zhì)的影響。

1材料與方法

1.1實驗材料

草莓，品種為幸香，產(chǎn)地遼寧丹東。選擇大小、顏色相似，表面無破損的果實，去蒂清除表面雜質(zhì)，縱向切片，厚度為(4±0.5) mm，放置-20 ℃冰箱冷藏備用。原料的初始含水率為(8.67±0.25) g/g(干基)。

1.2主要設(shè)備與儀器

STC中短波紅外干燥箱，江蘇泰州圣泰科紅外科技有限公司；DHG-9203A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海-恒科技儀器有限公司；HunterLab-D25LT型色差儀，美國HunterLab公司； BSA42025 電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TA.XT 2i/50型物性分析儀，英國Stable Micro Systems公司；Waters2489高效液相色譜儀； Agilent 1200高效液相色譜儀，美國安捷倫公司。

1.3實驗方法

1.3.1干燥試驗

取草莓在室溫下解凍30 min后，整齊平擺在網(wǎng)狀托盤中間，在風(fēng)速為2.1 m/s的條件下，選取不同干燥溫度和不同紅外功率下進(jìn)行試驗。每隔10 min測定1次樣品質(zhì)量變化，直至樣品前后2次稱量無變化，達(dá)到恒重結(jié)束試驗(精確到0.01 g)。每組試驗重復(fù)3次，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，實驗安排見表1。

表1　試驗設(shè)計與參數(shù)

1.3.2干燥特性指標(biāo)的測定

(1)含水率[8]：稱重法(GB/5009.3—2010)。

(2)水分比[9](moisture ratio,MR)：

(1)

式中：Mt為t時刻的干基含水率，g/g；Me為干燥平衡時的干基含水率，g/g；M0為初始時刻的干基含水率，g/g。

(3)干燥速率[10](drying rate，DR)：

(2)

式中：M1和M2分別為干燥到t1和t2時刻草莓的干基含水率，g/g。

(4)有效水分?jǐn)U散系數(shù)[11](Deff)：

(3)

式中，Deff為物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；L為草莓厚度的一半，值為2×10-2m；t為干燥時間，s。

(5)干燥活化能[12](Ea)：

(4)

式中：Ea為干燥活化能，kJ/mol；D0為定值擴(kuò)散基數(shù)，m2/s；R[8.314 J/(mol·k)]為氣體摩爾常數(shù)，T為干燥溫度，℃。方程(4)還可以簡化為公式(5)：

(5)

1.3.3干燥模型擬合

選用4種較為經(jīng)典的果蔬薄層數(shù)學(xué)模型，與草莓干燥試驗中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和，模型方程如表2所示[13-16]。

表2　干燥的數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型根據(jù)決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和卡方檢驗值(χ2)、進(jìn)行優(yōu)選，具體公式表達(dá)如下[17-19]：

(6)

(7)

(8)

式中：MRexp，i為試驗所測MR，MRpre，i為模型預(yù)測MR；N為試驗所測數(shù)據(jù)的個數(shù)；n為模型中參數(shù)的個數(shù)。

1.3.4理化指標(biāo)的測定

1.3.4.1色澤的測定

采用Hunter Lab-D25LT色差儀測定，a表示紅/綠值，b表示黃/藍(lán)值，h0[20]為色相，0°和360°表示紅色。草莓以a和h0為主要參數(shù)。

(9)

1.3.4.2硬度[21]的測定

1.4統(tǒng)計學(xué)處理使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。計數(shù)資料使用χ2檢驗比較,計量資料用t檢驗,其中組間比較使用獨立樣本t檢驗,治療前后用配對檢驗,結(jié)果用(±s)表示。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

采用TA.XT2i/50物性分析儀測定，測試速度為2.0 mm/s，測試距離為10 mm，探頭型號為BSK。硬度值大小表示樣品被探頭切斷所需要的最大力，由計算機(jī)直接輸出，單位/N,。試驗重復(fù)測定10次，取平均值。

1.3.4.3復(fù)水比[22]的測定

稱取2 g左右的干燥草莓，加入50 mL蒸餾水，在室溫下浸泡30 min后取出瀝干稱重，復(fù)水后的樣品質(zhì)量與初始樣品質(zhì)量的比值為復(fù)水比。

1.3.4.4VC的測定

參照PATRAS[23]的方法并略有改動，采用高效液相色譜法測定，樣品的制備：精確取樣品1.000 g，加入6%偏磷酸均質(zhì)后，4 ℃，8 000 r/min離心20 min，取上清液抽濾后，過0.45 μm濾膜，以備HPLC分析。高效液相色譜法條件： Waters 2489紫外檢測器，Waters 1525二元泵系統(tǒng)，C18分析柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動相A為體積分?jǐn)?shù)為98%的磷酸緩沖溶液[V(磷酸緩沖溶液)∶V(甲醇)=98∶2]，流動相B為甲醇，進(jìn)行梯度洗脫，測定溫度為30 ℃，進(jìn)樣量為10 μL，檢測波長為245 nm，流速為0.5 mL/min。

1.3.4.5天竺葵素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-葡萄糖苷的測定

1.4數(shù)據(jù)處理分析

2結(jié)果與分析

2.1不同干燥條件對草莓干燥特性的影響

圖1和圖2分別為草莓干燥曲線和干燥速率曲線。可以看出，草莓片中短波紅外干燥屬于降速干燥過程，且干燥速度較快。 圖1 (a)為在干燥功率和風(fēng)速恒定條件下，隨著干燥溫度60、70、80、90 ℃的提高，樣品烘干至恒重的干燥時間分別為220、190、160、120 min，干燥時間大大降低；不同干燥功率對草莓中短波紅外干燥也有類似的影響，隨著干燥功率的增加干燥時間縮短[圖 1(b)]。圖2中隨著干燥溫度和功率的增大，草莓干燥速率增大；且相比干燥功率而言，干燥溫度影響更為顯著。

圖1　不同干燥溫度(a)和干燥功率(b)下的草莓干燥曲線Fig.1　Drying curves of strawberry under different dryingtemperatures(a) and powers(b)

圖2　不同干燥溫度(a)和干燥功率(b)下的草莓干燥速率曲線Fig.2　Drying rate curves of strawberry under different drying temperatures(a) and powers(b)

中短波紅外干燥是通過燈管發(fā)出電磁波紅外線，熱輻射物料作用，同時又有對流干燥過程輔助干燥，比傳統(tǒng)的干燥方式耗時少，干燥速度快。這是因為紅外不存在傳熱介質(zhì)，熱輻射直接作用在草莓片上，熱損失少，輻射效率高；再者，紅外線能穿透物料表面，使草莓內(nèi)部快速受熱，加速了水分由內(nèi)部向外的遷移速度。

2.2不同干燥條件對水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響

水分有效擴(kuò)散系數(shù)是衡量干燥速度的重要指標(biāo)。由表3可知，隨著干燥溫度的增大，水分有效擴(kuò)散系數(shù)的變化為0.607×10-9～2.126×10-9m2/s；干燥溫度為90 ℃時，水分有效擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最大值，是干燥溫度60 ℃的3.5倍左右；由最小功率675 W(1.259×10-9m2/s)到最大功率2 025 W(1.343×10-9m2/s)，草莓的水分有效擴(kuò)散系數(shù)僅提高了6.7%，變化幅度偏小。由此可見，隨著干燥溫度和干燥功率的增大，草莓中短波紅外干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)均逐漸增大，但干燥溫度比干燥功率的影響大。

表3　不同干燥溫度和干燥功率對草莓水分

食品的水分有效擴(kuò)散系數(shù)體現(xiàn)了食品內(nèi)部水分質(zhì)量在干燥全過程中的傳輸特性，其中包括分子擴(kuò)散、液體擴(kuò)散和蒸汽擴(kuò)散等其他機(jī)制。如圖3所示，開始階段水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨含水率的降低而增大，但在干燥的最后階段，干基含水量為0.18 g/g左右，水分有效擴(kuò)散系數(shù)會隨著草莓樣品水分含量的減少而明顯減少，這種變化趨勢是源于干燥過程中不同的水分運(yùn)輸機(jī)制。在干燥的初始階段，樣品的含水量高，此階段主要是液體擴(kuò)散；隨著干燥的進(jìn)行，草莓表面呈干狀，形成多孔結(jié)構(gòu)，空隙結(jié)構(gòu)促進(jìn)了樣品內(nèi)部的水蒸氣壓力，導(dǎo)致水分以蒸汽形式擴(kuò)散；而且在干燥溫度較高條件時，水分有效擴(kuò)散系數(shù)在干燥全過程，隨著含水量的降低，呈現(xiàn)出一個逐漸增大的趨勢[25]。

圖3　不同干燥溫度和干燥功率水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨干基含水率的變化曲線Fig.3　Variation curves of moisture effective moisture diffusion with moisture content in dry base under different drying temperatures and drying powers

2.3干燥活化能

干燥活化能表示在干燥過程中，干燥單位摩爾水分所需要的能量，值越大說明干燥脫水越難。公式(5)中的lnDeff與1/(T+273.15)的線性關(guān)系如圖4所示。

圖4　水分有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.4　The relation of moisture effective diffusion coefficients and temperatures

由圖4中的回歸曲線的斜率和氣體摩爾常數(shù)R計算出，草莓中短波紅外干燥的活化能Ea為39.54 kJ/mol。這個結(jié)果比番茄[26]干燥的Ea(22.23 kJ/mol)高，比大蒜[27]干燥的Ea(54.9 kJ/mol)低。

2.4干燥動力學(xué)模型的擬合

選取了4種不同干燥模型描述草莓中短波紅外干燥曲線，模型名稱、模型參數(shù)和相關(guān)系數(shù)等如表4所示。從表4中數(shù)據(jù)可以看出，Lewis、Hendenson and Pabis和Newton模型在部分干燥條件有較好的優(yōu)勢：在干燥溫度70/80/90 ℃的擬合度好，R2值均達(dá)到了0.996以上，而且χ2值也較低；但其在干燥溫度為60 ℃，擬合效果不如Page模型。依據(jù)干燥模型擬合中R2值越大，RMSE和χ2值越小，則擬合度越好的原則。四組模型中，Page模型的平均相關(guān)系數(shù)R2值最高(0.997)，且均方根誤差均值和卡方誤差均值也較小，分別為0.011和1.549，說明Page模型，更適用于描述草莓的中短波紅外干燥過程。這與TASIRIN等[28]研究的結(jié)果相似。

續(xù)表4

2.5中短波紅外干燥溫度對草莓品質(zhì)的變化

由表5數(shù)據(jù)可知，在干燥功率恒定(1 125 W)，干燥溫度對草莓干燥產(chǎn)品的品質(zhì)影響較大。VC、矢車菊素-3-葡萄糖苷和天竺葵素-3-葡萄糖苷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，隨著干燥溫度的增大而減少，在低溫(60/70 ℃)時含量較高。這可能是因為，高溫條件促進(jìn)了草莓VC、矢車菊素-3-葡萄糖苷和天竺葵素-3-葡萄糖苷的降解速度，同時高溫和氧氣的存在促進(jìn)了多酚氧化酶的活性，發(fā)生褐變，導(dǎo)致草莓營養(yǎng)物質(zhì)的損失[29]。由表5還可以得出，干燥溫度對草莓干燥產(chǎn)品的色澤影響較為顯著。總體上，代表黃色的b值和色相h0值隨著干燥溫度的增加而變大，同時代表紅色的a值隨著干燥溫度的增大而降低。在低溫60 ℃和70 ℃條件下，a值分別為13.98和12.82，同時b值和色相h0值也較低，說明此時干燥草莓產(chǎn)品紅色較好，色澤品質(zhì)較佳。而在干燥溫度80/90 ℃條件下，產(chǎn)品的a值最低，b值和色相h0值較高，草莓產(chǎn)品的色澤差，這可能是因為熱敏性色素的降解，或者是草莓含有的還原糖及VC等發(fā)生了美拉德反應(yīng)所致[29]。

表5　不同干燥溫度對草莓理化品質(zhì)的影響

注：(1)Cy-3-Glu為矢車菊素-葡萄糖苷，Pg-3-Glu為天竺葵素-3-葡萄糖苷。(2)同列不同字母表示差異顯著，相同字母表示差異不顯著。表6同。

此外，草莓中短波紅外干燥產(chǎn)品的復(fù)水性，隨著干燥溫度升高而變小，在60 ℃時有最大復(fù)水比(3.78)，但此時產(chǎn)品的硬度也最大。由表5可知，干燥溫度越高，硬度越小，這可能是因為溫度高，水分去除的快，干燥速率增加，造成草莓內(nèi)部水分子快速移動，帶動了組織結(jié)構(gòu)框架，孔隙變大，導(dǎo)致硬度變小。通過對草莓干燥產(chǎn)品品質(zhì)的分析，得出草莓中短波紅外干燥的適宜溫度為60～70 ℃，綜合考慮，最終選擇70 ℃為宜。

2.6中短波紅外干燥功率對草莓品質(zhì)的變化

在恒定干燥溫度70 ℃，不同干燥功率對草莓產(chǎn)品品質(zhì)的影響如表6所示。草莓VC含量、復(fù)水比、色澤和硬度的變化均不顯著，說明干燥功率對其影響較?。坏杠嚲账?3-葡萄糖苷和天竺葵素-3-葡萄糖苷的含量隨著干燥功率的增加，有部分損失。天竺葵素-3-葡萄糖苷的含量由1 125 W時2.79 mg/100 g減少到2 025 W時1.84 mg/100 g，含量減少34%。這可能是因為功率增大，紅外線輻射熱效率高，熱吸收率高，造成了草莓花青素的降解損失。由表6可知，在1 125 W時，草莓干燥產(chǎn)品的紅色a值最大，為12.82，同時代表色相的h0值也較小，說明此時產(chǎn)品顏色最好。色相與視覺分?jǐn)?shù)有重要的關(guān)系，能更好說明草莓干燥產(chǎn)品的顏色品質(zhì)。綜合分析得出,草莓中短波紅外干燥的優(yōu)選功率為1 125 W。

表6　不同干燥功率對草莓理化品質(zhì)的影響

3結(jié)論

(1)在整個草莓干燥過程中，干燥溫度比干燥功率的影響更為顯著。

(2)草莓中短波紅外干燥屬于降速干燥過程，水分有效擴(kuò)散系數(shù)的范圍為0.607×10-9～2.126×10-9m2/s，活化能為39.54 kJ/mol。經(jīng)過4種果蔬薄層干燥模型擬合分析，得出Page模型對草莓中短波紅外干燥全過程擬合效果最好。

(3)綜合考慮得出，適合草莓中短波紅外干燥的溫度為70 ℃，功率為1 125 W，干燥時間為190 min。在此條件下，干燥草莓產(chǎn)品效率高，耗時短，品質(zhì)好。

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Drying kinetics and quality change analysis of short and medium-wave infrared radiation dried strawberry

ZHAO Yue1,2, CHEN Qin-qin2, BI Jin-feng1,2,WU Xin-ye2, ZHOU Mo2, LI Bin1*, BI Yan-di1,2

1(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China) 2(Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Beijing 100193, China)

ABSTRACTIn the present study, drying efficiency and product quality of strawberry dried by short and medium-wave infrared radiation (SMIR) was investigated, Drying characteristics and quality changes of strawberry were evaluated under different drying temperatures (60, 70, 80 and 90 ℃) and drying powers (675 w, 1 125 w, 1 575 w and 2 025 w). Results showed that SMIR drying process occurred mainly in the falling rate period. Drying temperature had a more significant impact on the drying rate than drying power. The effective moisture diffusion coefficient of strawberry ranged from 0.607×10-9m2/s to 2.126×10-9m2/s. The activation energy was 39.54 kJ/mol, which was determined from Arrhenius equation. It was shown that the Page model was most suitable for describing the SMIR drying process of strawberry. The best product quality of strawberry was obtained at drying temperature of 70 ℃, drying power of 1 125 W and drying time of 190 min. Under such conditions rehydration ratio was 3.59, hardness was 3 128.01 N, VC content was 259.93 mg/100 g, cyanidin-glucoside content was 0.23 mg/100 g, and pelargonidin-3-glucoside content was 2.79 mg/100 g.

Key wordsstrawberry; short and medium-wave infrared radiation drying; model fitting; cyanidin-glucoside; pelargonidin-3-glucoside

收稿日期：2015-08-20，改回日期：2015-10-11

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費資助(201303073)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604025

第一作者：碩士研究生(李斌副教授為通訊作者,E-mail:Libinsyau@163.com)。