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    蘋果熱風(fēng)干燥工藝優(yōu)化和特性分析

    2021-06-22 01:08:44王迪芬楊魯偉
    食品工業(yè)科技 2021年1期
    關(guān)鍵詞:護(hù)色劑擴(kuò)散系數(shù)熱風(fēng)

    王迪芬,苑 亞,*,魏 娟,張 沖,楊魯偉,*

    (1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,北京100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)

    蘋果作為我國最受歡迎的水果之一,具有較高的水分含量和營養(yǎng)價值[1]。鮮蘋果在儲存過程中會因部分腐爛而造成浪費[2],干燥可以延長蘋果存儲時間,并且減少運輸和儲存過程中的物理損傷和品質(zhì)惡化[3-4]。隨著經(jīng)濟(jì)生活質(zhì)量的提高,蘋果干燥產(chǎn)品逐漸走進(jìn)了大眾視野[5]。蘋果片品質(zhì)和干燥速率是制約其工業(yè)化推廣的主要因素,也是目前研究的重點[6-9]。

    熱風(fēng)干燥是一種傳統(tǒng)的、操作簡單和成熟的干燥技術(shù),在我國干燥行業(yè)被廣泛使用[10]。目前,熱風(fēng)干燥技術(shù)的主要問題是物料在干燥過程易發(fā)生氧化,產(chǎn)生褐變[11],降低了物料的干燥品質(zhì)。目前,主要采用干燥前預(yù)處理的方式來解決物料干燥過程中的氧化問題[12]。苑亞等[13]采用漂燙預(yù)處理的方案,不僅解決氧化問題,而且提高了物料的干燥速率。李澤珍等[14]報道了超聲波預(yù)處理方式可以提高蘋果片干燥品質(zhì),這說明超聲波可以抑制干燥過程物料的氧化?;瘜W(xué)滲透法[15-16]和輻照預(yù)處理方式[17]都可以提升干燥速率。針對蘋果的不同預(yù)處理方法已有大量報道,但是對于不同預(yù)處理干燥效果對蘋果熱風(fēng)干燥特性影響的對比尚未研究。雖然熱風(fēng)干燥試驗的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)有報道[18-19],但是尚未研究關(guān)于不同預(yù)處理方式對于蘋果片的熱風(fēng)干燥過程的模擬。

    本文以蘋果片作為試驗材料,以預(yù)處理方式(超聲波和護(hù)色劑)、熱風(fēng)溫度以及切片厚度作為試驗因素,對蘋果片熱風(fēng)干燥正交試驗,研究了其熱風(fēng)干燥特性,選出了最佳正交試驗條件,建立了描述其干燥特性的數(shù)學(xué)模型,為蘋果片的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器

    新鮮的紅富士蘋果 購于洛川蘋果旗艦店,將購入的蘋果放入4℃的冰箱保存;氯化鈉、蔗糖、海藻糖 分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

    WGL-30B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司;SB-202A型電子天平 盛博電子衡器有限公司;NH310電腦色差儀 深圳市三恩馳科技有限公司;BG-01型80W超聲波清洗機(jī) 廣州邦潔電子產(chǎn)品有限公司;水果切片機(jī) 購于福瑞特旗艦店。

    1.2 實驗方法

    1.2.1 蘋果干燥工藝 在干燥之前,將蘋果進(jìn)行去皮和去核,然后利用切片機(jī)對其進(jìn)行切片,選取直徑大小為85 mm的蘋果片,進(jìn)行預(yù)處理,將預(yù)處理的蘋果片每片均勻平鋪在物料盤上,放入風(fēng)速為1.5 m/s的恒溫干燥箱中。每隔5 min測一次物料的重量,為減少稱重過程對干燥過程的影響,將稱重時間控制在20 s以內(nèi),干燥至前后兩次物料的重量小于0.01 g。

    1.2.2 預(yù)處理方式 超聲波預(yù)處理:將切好的蘋果片放入超聲波清洗機(jī)進(jìn)行超聲波預(yù)處理,將處理好的蘋果片用無塵紙除去表面的水分,并在稱重之后準(zhǔn)備進(jìn)行干燥加工。

    護(hù)色劑預(yù)處理:準(zhǔn)備好0.1%的NaCl、1.0%的蔗糖和0.8%的海藻糖的護(hù)色劑溶液[20],將切好的蘋果片放入護(hù)色劑溶劑的燒杯內(nèi)浸泡30 min,將處理好的蘋果片用無塵紙除去表面的水分,并在稱重之后準(zhǔn)備進(jìn)行干燥加工。

    1.2.3 單因素干燥實驗 采用干燥時間作為評價指標(biāo),對干燥過程進(jìn)行評價。試驗A組:預(yù)處理方式均為無處理,切片厚度均為3 mm,熱風(fēng)溫度分別為50、55和60℃分別標(biāo)記為AI、AII和AIII,進(jìn)行3組試驗;試驗B組:預(yù)處理方式均為無處理,熱風(fēng)溫度均為60℃,切片厚度分別為1.5、3和5 mm分別標(biāo)記為BI、BII和BIII,進(jìn)行3組試驗;試驗C組:熱風(fēng)溫度均為55℃,切片厚度均為3 mm,預(yù)處理方式為無處理、超聲波和護(hù)色劑分別標(biāo)記為CI、CII和CIII,進(jìn)行3組試驗。干燥進(jìn)行到干燥前后兩次物料重量小于0.01 g結(jié)束。

    1.2.4 正交試驗方案設(shè)計 切片厚度、熱風(fēng)溫度和預(yù)處理方式為試驗因素的正交試驗方案,正交試驗因素和水平設(shè)計如表1所示,以干燥速率和色澤作為蘋果熱風(fēng)干燥工藝的評價指標(biāo)。

    表1 正交試驗因素和水平設(shè)計Table 1 Orthogonal test factors and horizontal design

    1.2.5.水分比 計算方法參考文獻(xiàn)[21]為:

    式中,MR為水分比;mt為某一時刻的干基含水率,g/g;Mb為蘋果的平衡干基含水率,g/g;M0為初始時刻的干基含水率,g/g。

    1.2.6 色澤測定 使用色差儀測量可以測量得到L*、a*、b*的值。L*為明度,數(shù)值越大越白;a*表示從紅到綠的數(shù)值變化,b*表示從黃到藍(lán)的數(shù)值變化。褐變指數(shù)(BI)表示了蘋果的褐變程度[22],BI表示如下式:

    1.2.7 綜合評價法 采用綜合評價法對色澤和干燥時間兩個試驗指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計算,對熱風(fēng)溫度、切片厚度和預(yù)處理方式對這兩個試驗指標(biāo)的影響進(jìn)行綜合評價。

    假設(shè)正交試驗中評價指標(biāo)有m個,分別為xi(i=1,…,m),試驗個數(shù)為n個,則矩陣為:

    式中,tij為第j組試驗的第i個指標(biāo)值。采用極值法對矩陣進(jìn)行歸一化處理。

    第i個指標(biāo)的熵Hi可定義為

    第i個指標(biāo)的熵權(quán)wi:

    綜合評價指數(shù)ESI為:

    1.2.8 干燥模型 采用較常用的薄層模型[23-24](如表2)對熱風(fēng)干燥的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,決定系數(shù)(R2)、卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)對擬合結(jié)果進(jìn)行評價。公式如下式:

    式中:MRp,i為模型預(yù)測的水分比;MRe,i為試驗所得水分比;N為試驗點的個數(shù);Z為模型參數(shù)個數(shù)。

    表2 三種薄層干燥模型Table 2 Three thin layer drying models

    1.2.9 有效擴(kuò)散系數(shù) 有效擴(kuò)散系數(shù)是表示水分遷移機(jī)理關(guān)系的參數(shù),可以根據(jù)Fick第二定律,式(2)計算[25]:

    式中,Deff為物料有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s;L為蘋果片厚度,m;t為干燥時間,s。

    1.3 數(shù)據(jù)處理

    本文采用Origin pro 9.1軟件對文章中的試驗數(shù)據(jù)作圖,并采用SPSS Statistics 21進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 干燥特性

    2.1.1 熱風(fēng)溫度對蘋果片干燥特性的影響 取切片厚度為3 mm的蘋果片進(jìn)行無預(yù)處理的熱風(fēng)干燥試驗,對不同溫度下的干燥試驗進(jìn)行分析,得出溫度對蘋果片干燥動力學(xué)曲線圖。由圖1可知,蘋果片的含水量在干燥初期下降較快,在后期則是減緩。隨著溫度的升高,干燥完成的時間更短。

    圖1 熱風(fēng)溫度對干燥過程的影響Fig.1 Effect of hot air temperature on drying process

    2.1.2 切片厚度對蘋果片干燥特性的影響 取不同的切片厚度的蘋果片進(jìn)行無預(yù)處理的熱風(fēng)干燥試驗,對不同厚度的熱風(fēng)干燥的動力學(xué)曲線進(jìn)行分析,如圖2所示。在圖2中,可以看出來厚度不同也影響著干燥過程的快慢。選擇1.5、3和5 mm厚度的蘋果片進(jìn)行熱風(fēng)干燥,發(fā)現(xiàn)厚度越小,整個干燥過程完成所需的時間更短,干燥曲線也越陡。這是因為厚度越小,通透性越好,傳熱傳質(zhì)過程快,因此干燥速率增高,反之干燥速率降低。

    圖2 切片厚度對干燥過程的影響Fig.2 Effect of slice thickness on drying process

    2.1.3 預(yù)處理方式對蘋果片干燥特性的影響 對預(yù)處理的蘋果進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗并對結(jié)果進(jìn)行分析,不同處理方式下干燥動力學(xué)曲線如圖3所示。從圖3可以看出,在前期超聲波對干燥過程有明顯影響,干燥速率明顯加快;護(hù)色劑對干燥速率也有一定的影響。

    圖3 預(yù)處理方式對干燥過程的影響Fig.3 Effect of pretreatment on drying process

    2.2 褐變結(jié)果

    以上述實驗產(chǎn)生的褐變結(jié)果進(jìn)行分析,如表3所示。當(dāng)切片厚度為3 mm,無處理的蘋果片熱風(fēng)干燥溫度為50、55和60℃的干燥后的褐變指數(shù)分別是41.18、44.26和48.52,褐變指數(shù)隨著熱風(fēng)溫度的升高而增加,表明溫度降低有利于蘋果片熱風(fēng)干燥中的褐變程度降低;當(dāng)熱風(fēng)溫度為60℃,無預(yù)處理的蘋果片熱風(fēng)干燥的厚度分別為1.5、3和5 mm時,褐變指數(shù)分別為28.19、48.52和49.16,隨著蘋果切片厚度的增加,褐變指數(shù)升高,表明褐變程度隨蘋果厚度的增加而升高;當(dāng)熱風(fēng)溫度為55℃,蘋果切片厚度為3 mm,超聲波預(yù)處理后的蘋果片褐變指數(shù)為25.92,護(hù)色劑預(yù)處理后的蘋果片的褐變指數(shù)為26.22,對于不同預(yù)處理方式,超聲波和護(hù)色劑都降低了褐變程度,對蘋果色澤有一定的提升效果。

    2.3 正交試驗結(jié)果

    通過得出干燥因素對干燥過程特性的綜合評價,根據(jù)極差分析可以得出,對蘋果片熱風(fēng)干燥過程的影響程度的排序依次為蘋果片厚度、預(yù)處理方式和熱風(fēng)溫度。根據(jù)綜合評價指數(shù),蘋果片熱風(fēng)干燥的最優(yōu)方案為A3B1C3,即60℃的熱風(fēng)溫度,1.5 mm的切片厚度和護(hù)色劑預(yù)處理。

    表3 褐變結(jié)果Table 3 Result of browning

    2.4 干燥模型擬合

    選擇3 mm的切片厚度、50℃的熱風(fēng)溫度,未經(jīng)預(yù)處理的蘋果片的熱風(fēng)干燥試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。由表6中的薄層干燥擬合結(jié)果可知,Weibull模型的擬合度最優(yōu),R2最大,RMSE和χ2的值最小,因此選擇Weibull模型對單因素?zé)犸L(fēng)干燥試驗進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如表7所示,所有模型的R2均大于0.9973,所有RMSE均小于1.6161×10-2,χ2的值均小于2.7758×10-4,可以使用Weibull模型預(yù)測蘋果片的熱風(fēng)干燥中水分變化規(guī)律。

    2.5 有效擴(kuò)散系數(shù)

    水分有效擴(kuò)散系數(shù)可以表示水分遷移的快慢,通過Fick第二定律率可知,做ln(MR)和時間t的曲線,擬合曲線可以得出有效擴(kuò)散系數(shù),如表8所示。有效擴(kuò)散系數(shù)隨著熱風(fēng)溫度的升高而增大,隨著熱風(fēng)溫度的升高,有效擴(kuò)散系數(shù)從1.8694×10-8m2·s-1增加到了3.1096×10-8m2·s-1,研究結(jié)果與Doymaz等[26]一致;當(dāng)熱風(fēng)溫度為60℃時,有效擴(kuò)散系數(shù)隨著蘋果片厚度的增加而增大,蘋果片的厚度在1.5、3和5 mm時,其有效擴(kuò)散系數(shù)分別是1.1278×10-8、3.1096×10-8和5.2940×10-8m2·s-1,其研究結(jié)果與[18,27]一致;使用超聲波作為預(yù)處理的蘋果片有效擴(kuò)散系數(shù)為4.6506×10-8m2·s-1,護(hù)色劑浸泡處理的蘋果片有效擴(kuò)散系數(shù)為3.3922×10-8m2·s-1,大于無處理的蘋果片的有效擴(kuò)散系數(shù)1.9150×10-8m2·s-1,表明通過預(yù)處理的蘋果片水分更容易遷移擴(kuò)散。

    表4 正交試驗的結(jié)果和分析Table 4 Orthogonal test results and analysis

    表5 方差分析表Table 5 ANOVA analysis

    表6 薄層擬合結(jié)果Table 6 Result of thin layer fitting

    表7 Weibull模擬結(jié)果Table 7 Results of simulation on Weibull model

    表8 不同干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)Table 8 Effective diffusion coefficient under different drying conditions

    3 結(jié)論

    本文以熱風(fēng)溫度、切片厚度和預(yù)處理方式作為試驗變量,對蘋果片進(jìn)行熱風(fēng)干燥的正交試驗研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):蘋果片熱風(fēng)干燥處于降速干燥階段,熱風(fēng)溫度與干燥速率呈正比關(guān)系,而切片厚度與干燥速率呈反比關(guān)系,相對于無處理和護(hù)色劑預(yù)處理的方案,超聲波預(yù)處理方式相對提高干燥速率。根據(jù)正交試驗,切片厚度對熱風(fēng)干燥過程的影響最為顯著,其次為預(yù)處理方式和熱風(fēng)溫度,蘋果片熱風(fēng)干燥的最優(yōu)方案為60℃的熱風(fēng),1.5 mm的切片厚度和護(hù)色劑預(yù)處理。相對于Lewis模型和Henderson and Paris模型,Weibull模型描述蘋果片的干燥特性相對較優(yōu),干燥過程蘋果片的有效擴(kuò)散系數(shù)范圍為1.1278×10-8~5.2940×10-8m2·s-1。

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