杏子熱風(fēng)真空組合干燥工藝參數(shù)的優(yōu)化

王 健，董繼先，2，王 棟

（1. 陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西 西安 710021）

我國(guó)杏樹的栽培史已有3 000 多年，杏果深受人們喜愛，是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的水果，不僅果實(shí)風(fēng)味獨(dú)特，而且富含有多種人體必需的無機(jī)鹽和維生素[1]。但是由于自身特性，杏子貯藏期不長(zhǎng)，一般情況下鮮杏的貨架期只有1 周左右，目前70%以上的杏子經(jīng)制干后包裝貯藏[2]。杏子制干的方式主要有露天暴曬[3]、熱風(fēng)干燥[4]、烘干房干燥[5]、紅外輻射干燥[6]、氣體射流沖擊干燥[7]、熱泵干燥[8]和一些組合干燥方式[9]（如太陽能、烘干房等相互組合） 等。而杏子的熱風(fēng)真空組合干燥的研究報(bào)道尚不多見，熱風(fēng)真空組合干燥技術(shù)是近年來新興的一種果蔬干燥技術(shù)，已經(jīng)運(yùn)用于蘋果[10]、獼猴桃[11]、香蕉[12]、檸檬[13]、豇豆角[14]等果蔬干燥中，熱風(fēng)真空組合干燥技術(shù)能夠很好地保留果蔬色澤、風(fēng)味和各種有效成分[13]。因此，采用熱風(fēng)真空組合干燥方式對(duì)杏子進(jìn)行正交干燥試驗(yàn)研究，探究杏子熱風(fēng)真空組合干燥的最佳工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

鮮杏，購買于西安市當(dāng)?shù)厮?，要求大小均一，果?shí)無畸形、無蟲害、無損傷，品種為陜西大黃杏，成熟要求質(zhì)地硬、八成熟、淡黃色。

1.2 試驗(yàn)儀器

DHG-9070A 型鼓風(fēng)干燥箱、DZF-6032 型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；冠亞牌SFY 系列快速水分測(cè)定儀，深圳市冠亞電子科技有限公司產(chǎn)品；電子秒表、電子天平（精度為0.001 g）、燒杯、濾紙、鑷子等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)流程

杏子→洗凈→切瓣→測(cè)量初始數(shù)據(jù)→熱風(fēng)干燥→測(cè)定中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率→真空干燥→測(cè)量最終數(shù)據(jù)（含水率、復(fù)水比）。

挑選備好的新鮮杏子；將其置于清水中洗凈擦干；沿著杏子的騎縫線切分成兩瓣，去核，然后將每瓣杏子四等分，形成質(zhì)量、厚度近似相等的小果瓣，每瓣質(zhì)量約為8 g。首先隨機(jī)選取3～4 片杏瓣用快速水分測(cè)定儀測(cè)定初始含水率，然后將備好的杏瓣均勻擺放在物料盤上（每組試驗(yàn)各取400 g 杏瓣），先將其放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行熱風(fēng)干燥，一段時(shí)間后測(cè)定中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率，當(dāng)含水率達(dá)到設(shè)定的中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率轉(zhuǎn)入到真空干燥箱進(jìn)行真空干燥，當(dāng)杏瓣含水率降低至10%以下，停止干燥，測(cè)定最終數(shù)據(jù)（含水率、復(fù)水比）。

1.3.2 正交試驗(yàn)組合

以熱風(fēng)真空組合干燥過程中的4 個(gè)要素，即熱風(fēng)溫度（A）、中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率（B）、真空溫度（C）、相對(duì)真空度（D） 為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素均取3 個(gè)水平，選用L9（34）正交表安排試驗(yàn)[15]，探究各因素對(duì)干燥時(shí)間和復(fù)水比的影響。

杏子熱風(fēng)真空組合干燥正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 杏子熱風(fēng)真空組合干燥正交試驗(yàn)因素水平

1.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1） 干燥時(shí)間。干燥時(shí)間借助電子秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)，開始干燥時(shí)記錄初始時(shí)間T0，當(dāng)干燥一段時(shí)間后進(jìn)行取樣測(cè)量，此時(shí)記錄時(shí)間讀數(shù)為Tt，則干燥過程所需總時(shí)間T 為：

式中：Tt——取樣過程時(shí)間記錄，s；

T0——干燥初始時(shí)間記錄，s。

（2） 含水率。含水率的測(cè)量通過快速水分測(cè)定儀測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)隨機(jī)選取質(zhì)量大于0.5 g 的樣品，其測(cè)定含水率W 的原理為：

式中：m0——測(cè)定前初始質(zhì)量，g；

mt——測(cè)定時(shí)現(xiàn)時(shí)質(zhì)量，g。

（3） 復(fù)水比。隨機(jī)選取干燥后的杏瓣3～4 片用電子天平稱量其初始質(zhì)量W0，然后放入裝有純凈水的燒杯中浸泡，每隔0.5 h 用鑷子取出，表面水分用濾紙瀝干后用電子天平再次稱質(zhì)量Wt，測(cè)定復(fù)水比Y：

式中：Wt——復(fù)水后現(xiàn)時(shí)質(zhì)量，g；

W0——復(fù)水前初始質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

選用L9（34）正交試驗(yàn)表，一共9 組，每組試驗(yàn)重復(fù)2 次。

杏子熱風(fēng)真空組合干燥正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 杏子熱風(fēng)真空組合干燥正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

運(yùn)用MATLAB 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。

2.2.1 干燥時(shí)間的極差分析

以干燥時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做極差分析，探究4 種因素對(duì)干燥時(shí)間的影響。

干燥時(shí)間極差分析見表3，干燥時(shí)間的因素水平效應(yīng)圖見圖1。

表3 干燥時(shí)間極差分析

圖1 干燥時(shí)間的因素水平效應(yīng)圖

根據(jù)表3 和圖1 可以看出，4 種因素對(duì)干燥時(shí)間影響的主次順序?yàn)锳（R=7.42） ＞C（R=1.26） ＞B（R=1.07） ＞D（R=0.58），即熱風(fēng)溫度是影響干燥時(shí)間的主要因素，其次為真空溫度、中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和相對(duì)真空度。分析可知，在組合干燥過程中，提高熱風(fēng)溫度和真空溫度，則水分推動(dòng)力越大，干燥速度越大，水分流失就越快，則干燥所需時(shí)間就越短。而熱風(fēng)干燥有助于除去物料中的自由水，真空干燥便于除去物料中的結(jié)合水，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率決定著2 種干燥方式何時(shí)轉(zhuǎn)換，影響著干燥時(shí)間。真空干燥過程中，真空度越高，在相應(yīng)環(huán)境下水的沸點(diǎn)越低，水的沸點(diǎn)越低，則干燥速率更快，所需干燥時(shí)間相應(yīng)越短。

2.2.2 復(fù)水比的極差分析

以復(fù)水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，探究4 種因素對(duì)復(fù)水比的影響。

復(fù)水比的極差分析見表4，復(fù)水比的因素水平效應(yīng)圖見圖2。

表4 復(fù)水比的極差分析

圖2 復(fù)水比的因素水平效應(yīng)圖

根據(jù)表4 和圖2 可以看出，4 種因素對(duì)復(fù)水比的主次影響分別為D（R=0.39） ＞A（R=0.31） ＞C（R=0.27） ＞B（R=0.16），即相對(duì)真空度對(duì)復(fù)水比的影響最大，其次為熱風(fēng)溫度、真空溫度、中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率。分析可知，因?yàn)橄鄬?duì)真空度的大小會(huì)改變杏子組織內(nèi)外壓力差，相對(duì)真空度太大會(huì)破壞杏子內(nèi)部組織的孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)水比不利。熱風(fēng)溫度和真空溫度也影響著杏子的復(fù)水性，原因是溫度過高杏子內(nèi)部組織容易受熱損傷，使復(fù)水比變小。而中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率影響著熱風(fēng)干燥階段的干燥時(shí)間，熱風(fēng)干燥時(shí)間越長(zhǎng)，杏瓣表面越容易結(jié)殼，不利于復(fù)水。

2.3 方差分析

利用SPSS 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)各因素做方差分析[15]。

2.3.1 干燥時(shí)間的方差分析

干燥時(shí)間的方差分析見表5。

表5 干燥時(shí)間的方差分析

由表5 可知，對(duì)于干燥時(shí)間來說，A 熱風(fēng)溫度（F=2 402.126）、B 中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率（F=49.183）、C 真空溫度（F=78.154）、D 相對(duì)真空度（F=15.183）的顯著性p 值均小于0.05，說明4 種因素對(duì)干燥時(shí)間均影響差異顯著。

2.3.2 復(fù)水比的方差分析

復(fù)水比的方差分析見表6。

表6 復(fù)水比的方差分析

由表6 可知，對(duì)于復(fù)水比而言，A 熱風(fēng)溫度（F=177.169）、B 中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率（F=56.196）、C 真空溫度（F=173.155）、D 相對(duì)真空度（F=287.480）的顯著性p 值均小于0.05，說明4 種因素對(duì)復(fù)水比均有顯著影響。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果的Duncan 多重比較

運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別生成各試驗(yàn)因素對(duì)干燥時(shí)間與復(fù)水比影響的Duncan 多重比較表。

“熱風(fēng)溫度”的Duncan 多重比較見表7。

表7 “熱風(fēng)溫度”的Duncan 多重比較

由表7 可以看出，以干燥時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，熱風(fēng)溫度的3 個(gè)水平差異顯著，3 個(gè)水平干燥時(shí)間相差很大，其中第3 水平最好，所需干燥時(shí)間最短；以復(fù)水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，熱風(fēng)溫度的3 個(gè)水平差異顯著，熱風(fēng)溫度第1 水平最好、復(fù)水比最大，但第1，2 水平所需干燥時(shí)間太長(zhǎng)，綜合干燥時(shí)間與復(fù)水比評(píng)價(jià)，熱風(fēng)溫度選擇第3 水平合適。

“中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率”的Duncan 多重比較見表8。

表8 “中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率”的Duncan 多重比較

由表8 可以看出，以干燥時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的3 個(gè)水平差異顯著，第2 水平最好、所需干燥時(shí)間最短；以復(fù)水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率第2 水平最好、復(fù)水比最大。因此，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率選擇第2 水平較好。

“真空溫度”的Duncan 多重比較見表9。

由表9 可以看出，以干燥時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，真空溫度第3 水平與第1，2 水平差異顯著，第3 水平最好、所需干燥時(shí)間最短；以復(fù)水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，真空溫度第1 水平最好、復(fù)水比最大，但第1 水平與其他2 個(gè)水平差值并不是很大。綜合考慮，真空溫度選擇第3 水平較優(yōu)。

“相對(duì)真空度”的Duncan 多重比較見表10。

由表10 可以看出，以干燥時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相對(duì)真空度第2 水平最好，所需干燥時(shí)間最短，相對(duì)真空度的3 個(gè)水平所需時(shí)間相差并不是很大；以復(fù)水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，3 個(gè)水平差異顯著，第1 水平最好，復(fù)水比最大。綜合衡量，相對(duì)真空度選擇第1水平為宜。

表9 “真空溫度”的Duncan 多重比較

表10 “相對(duì)真空度”的Duncan 多重比較

綜上分析可知，杏子熱風(fēng)真空組合干燥的最佳試驗(yàn)組合方案為A3B2C3D1，即熱風(fēng)溫度70 ℃，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率30%，真空溫度70 ℃，相對(duì)真空度0.08 MPa。

3 結(jié)論

采用正交試驗(yàn)法對(duì)杏子進(jìn)行了四因素三水平熱風(fēng)真空組合干燥試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，熱風(fēng)溫度、中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、真空溫度、相對(duì)真空度4 種因素對(duì)杏子切瓣干燥時(shí)間和復(fù)水比均有顯著影響（p 值均小于0.05）。在組合干燥過程中，熱風(fēng)溫度的大小顯著決定干燥時(shí)間的長(zhǎng)短，熱風(fēng)溫度越高，干燥周期越短，但復(fù)水比越小；中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率影響著干燥時(shí)間和復(fù)水比，但對(duì)復(fù)水比的影響不是很大；真空干燥階段，真空溫度越高，所需干燥時(shí)間越短，而復(fù)水比稍低；相對(duì)真空度越大，所需干燥時(shí)間越短，但對(duì)復(fù)水比很不利。經(jīng)過多重分析比較得出，杏子最佳熱風(fēng)真空實(shí)驗(yàn)組合干燥工藝參數(shù)為熱風(fēng)溫度70 ℃，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率30%，真空溫度70 ℃，相對(duì)真空度0.08 MPa。