核桃的變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥研究

曲文娟，凡威，曹非凡，馬海樂，師俊玲，潘忠禮，蔣群輝

（1.江蘇大學(xué)食品物理加工研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）（2.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）（3.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西西安 710072）（4.美國加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國加州95616）（5.鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

核桃是世界著名干果之一，果仁含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、多種人體必需氨基酸和礦物質(zhì)，具有較高營養(yǎng)價值、藥用價值、經(jīng)濟(jì)價值[1]。2012年，世界上核桃總產(chǎn)量達(dá)250萬t以上[2]，呈逐年增加趨勢。由于核桃的收獲時間集中，新鮮核桃含水率較高，如不及時處理會很快腐爛變質(zhì)，影響食用安全。干燥脫水可以實現(xiàn)核桃的安全貯藏和貨架期延長。

目前國內(nèi)外采取的核桃干燥方式主要是熱風(fēng)干燥，利用熱風(fēng)在溫度40～50 ℃將農(nóng)產(chǎn)品干燥至安全水分（8%），達(dá)到脫水和安全保藏的效果[2]。但熱風(fēng)干燥耗時長、能耗大，且對核桃品質(zhì)有一定不利影響[3,4]。在不損傷核桃品質(zhì)的前提下，為了縮短干燥時長，國內(nèi)外相繼開發(fā)了一些新型干燥技術(shù)，如射頻、微波、遠(yuǎn)紅外等單獨干燥和聯(lián)合干燥技術(shù)[1]，但仍有一定缺點，一直未能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。近幾年，國際上又出現(xiàn)了一種新型催化紅外輻射加熱技術(shù)。它是以天然氣為熱源，通過鈀、鉑金等催化劑將天然氣高效轉(zhuǎn)化為紅外輻射能，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%以上。其明顯優(yōu)勢為熱能轉(zhuǎn)化率高，比電熱風(fēng)、電轉(zhuǎn)化為紅外輻射能（電紅外輻射）更加節(jié)能[5-8]。當(dāng)紅外加熱器發(fā)射出的紅外線照射到被加熱物料上時，物料中的水分直接吸收紅外輻射能，物料溫度迅速升高，從而實現(xiàn)物料快速脫水干燥，具有升溫快、處理時間短、產(chǎn)品品質(zhì)高、高效節(jié)能等優(yōu)點，可應(yīng)用于食品和農(nóng)產(chǎn)品燙漂、干燥等[9-12]領(lǐng)域，工業(yè)化推廣價值高。陳文敏等[13]研究了不同溫度下紅外對紅棗的處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥進(jìn)行對比，50 ℃紅外干燥的紅棗，能耗較低、營養(yǎng)物質(zhì)保留率高、色澤和外觀質(zhì)量最好。唐璐璐等[14]研究了不同干燥溫度下熱風(fēng)干燥、紅外干燥和真空干燥對豐水梨片干燥特性的影響，得出相同干燥溫度下紅外干燥的干燥速率最快，干燥時間最短。雷宏杰等[15]采用三種干燥方式（熱風(fēng)干燥、真空干燥和紅外干燥）對花椒葉進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)紅外干燥的耗時短，且干制花椒葉中黃酮和總酚含量高。Pan等[16]研究了用紅外輻射和冷凍干燥聯(lián)合方法處理香蕉片的干燥和質(zhì)量特性，結(jié)果表明，該技術(shù)可用于生產(chǎn)高脆度香蕉片，并減少了所需冷凍干燥時間。

雖然國內(nèi)目前已有一些采用紅外進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥的技術(shù)和裝備研發(fā)報道，但是都是建立在恒溫式電紅外加熱方式、靜態(tài)電紅外加工設(shè)備[5-16]，還存在電紅外發(fā)生器以及電紅外加工設(shè)備輻射溫度不均勻、電轉(zhuǎn)化為紅外輻射能（電紅外輻射）的轉(zhuǎn)化率低、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計不科學(xué)，且干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)無法兼顧等問題[13-17]。目前未見有滾筒式催化式紅外加工設(shè)備及相關(guān)技術(shù)研究報道，亟需判斷此法的可行性。

為了突破目前國內(nèi)外生產(chǎn)的紅外加工設(shè)備存在的干燥均一性差的問題，消除局部過熱現(xiàn)象，研究擬創(chuàng)新研制一臺設(shè)計更為科學(xué)的變溫式滾筒式催化式紅外加工設(shè)備，通過設(shè)備的創(chuàng)新多機(jī)組合使用設(shè)計，實現(xiàn)堅殼硬果類農(nóng)產(chǎn)品的變溫高效干燥，達(dá)到保障核桃干燥品質(zhì)、提高干燥效率、降低能耗的目的。目前國內(nèi)外未見有采用變溫式滾筒式催化式紅外進(jìn)行核桃干燥的相關(guān)報道，亟需提供一套完整的工藝方案與配套設(shè)備。研究擬將變溫滾筒催化紅外干燥與熱風(fēng)干燥聯(lián)合應(yīng)用于新鮮核桃的干燥，探討不同工藝條件下聯(lián)合干燥核桃的干燥效果、動力學(xué)過程以及設(shè)備能耗，以期為干果的新型干燥技術(shù)開發(fā)提供更豐富的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

新鮮帶青皮核桃，清香型，陜西農(nóng)貿(mào)市場，于-20 ℃冰箱貯藏備用。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熱風(fēng)干燥設(shè)備（見圖1），由江蘇大學(xué)食品學(xué)院聯(lián)合泰州圣泰科紅外科技有限公司自制而成（鎮(zhèn)江，中國）；變溫滾筒催化紅外干燥設(shè)備（見圖2），由江蘇大學(xué)自制而成（鎮(zhèn)江，中國）；BAS2202S天平，Sartorius公司（哥根廷，德國）；CR400全自動色差儀，日本柯尼卡美能達(dá)公司（東京，日本）；AT600+手持式紅外測溫儀，?，敼荆ㄏ愀郏袊籋P-9800 20A電監(jiān)測儀，深圳市宏品電子科技有限公司（深圳，中國）；XMTZC05HM小米體脂秤，小米科技有限責(zé)任公司（安徽，中國）。

圖1 熱風(fēng)干燥設(shè)備Fig.1 Hot air drying device

圖2 變溫滾筒催化紅外干燥設(shè)備Fig.2 Drum catalytic infrared drying device with a viable temperature

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預(yù)處理

試驗前將新鮮核桃從冷藏室中取出，放至室溫（25 ℃）待用，除去外層青皮及表面附著物，選取表面無明顯裂痕、無機(jī)械損傷、無蟲害的新鮮核桃作為試驗原料，測得核桃的干基含水率范圍為40%～55%。

1.3.2 干燥試驗

（1）變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥試驗：

調(diào)節(jié)催化紅外輻射距離至設(shè)定值，調(diào)節(jié)催化紅外發(fā)生器1、3、5和2、4、6的溫度至設(shè)定值，調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)動電機(jī)控制催化紅外干燥單元a、b、c的滾筒轉(zhuǎn)速至設(shè)定值。隨后將新鮮核桃倒入干燥單元a的進(jìn)料口，經(jīng)過單元a、b、c的變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥后從單元c的出料口收集核桃，然后將核桃迅速轉(zhuǎn)移至熱風(fēng)干燥設(shè)備中，在43 ℃，風(fēng)速為3 m/s條件下繼續(xù)熱風(fēng)干燥至核桃達(dá)到安全水分8%即停止干燥。

變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥階段的單因素試驗設(shè)計如下：

1）催化紅外發(fā)生器1、3、5和2、4、6的催化紅外輻射溫度組合為：300+350、300+400、350+400、350+450 ℃；

2）催化紅外輻射距離為：25、30、35 cm；

3）干燥單元a、b、c的滾筒轉(zhuǎn)速組合為：15+25+35、15+35+35、25+25+25、25+25+35、25+35+35、35+35+35 Hz。

整個滾筒催化紅外預(yù)干燥階段分別記錄樣品的干基含水率下降率、表面溫度、表面顏色以及開殼率，用于考察干燥效果和產(chǎn)品品質(zhì)。

待前期變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥階段的工藝參數(shù)優(yōu)化完成后，在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥，并與單一熱風(fēng)干燥進(jìn)行對比試驗。

（2）對照：單一熱風(fēng)干燥

選取一定量新鮮核桃，置于熱風(fēng)干燥設(shè)備中干燥，熱風(fēng)干燥設(shè)備溫度為43 ℃，風(fēng)速為3 m/s，待干燥至核桃干基含水率達(dá)到安全貯藏含水率8%即停止干燥。記錄干燥時長以及每隔一段時間取樣品記錄樣品質(zhì)量用于繪制干燥曲線和干燥速率曲線。

1.3.3 變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥動力學(xué)模型建立

目前，用于描述物料干燥過程的數(shù)學(xué)模型已有上百種，主要分成三大類：理論、半經(jīng)驗和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚2]，應(yīng)用最廣泛的還是Page模型、Henderson-Pabis模型和Wang and Singh模型[18]，如表1所示。

表1 主要干燥模型Table 1 Main drying models

因此，本研究對新鮮核桃的變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程采用表1的3種傳統(tǒng)干燥模型進(jìn)行擬合，干燥過程中的水分比MR計算公式[19]如下：

式中，Mt：干燥t時樣品的干基含水率，g/g；Mi、Me：樣品的初始、平衡干基含水率，g/g。

由于Me相比于Mt和Mi很小，通常在工程應(yīng)用中忽略不計，因此，水分比的計算公式可以簡化為[19,20]：

由于表1中Henderson-Pabis模型和Page模型均為指數(shù)形式，為了方便求解方程中的系數(shù)，對其公式進(jìn)行線性化處理后可得：

在選擇最優(yōu)干燥動力學(xué)模型以及判斷模型優(yōu)劣時，有兩個評價準(zhǔn)則[19-21]：相關(guān)系數(shù)R2和均方根誤差RMSE。相關(guān)系數(shù)是用來表示各變量之間的密切關(guān)系，R2越大且接近1，表明回歸關(guān)系越顯著；均方根誤差RMSE反映的是實際值和期望值之間的差異程度，其值越小表明回歸方程的預(yù)測精度越高。

式中，MRpre,i：預(yù)測水分比；MRexp,i：實測水分比；MRexp：實測水分比的平均值；N：試驗測得數(shù)據(jù)的組數(shù)；n：常數(shù)的個數(shù)。

1.3.4 干燥試驗測定方法

1.3.4.1 核桃表面溫度和開殼率的測定

采用手持式紅外測溫儀測定核桃上下左右4個位點的表面溫度，取平均值。核桃開殼率的計算是以100個核桃樣本中開殼核桃個數(shù)所占的百分比計算（%）。

1.3.4.2 核桃表面顏色的測定

試驗中采用全自動色差儀來測定核桃的表面顏色[22]。由于核桃不同部位的色澤差異較大，為了保證測量的準(zhǔn)確性，測量時每個核桃表面標(biāo)記4個位點，將色差儀的光孔垂直壓在核桃表面上，讀數(shù)，取平均值。用數(shù)值L、a、b表示顏色，其中L值表示亮度，a值表示紅色或綠色，而b值表示黃色或藍(lán)色。a值越大表示顏色越接近紅色，a負(fù)值越大，顏色越接近綠色；b正值越大，顏色越接近黃色，b負(fù)值越大，顏色越接近藍(lán)色。色差ΔE的計算公式[22]如下：

式中，L0、a0、b0：干燥前的初始值；L、a、b：干燥結(jié)束的終點值。ΔE值越大，代表干燥核桃制品的顏色與新鮮核桃的顏色差別越大[23]。

1.3.4.3 干基含水率、干基含水率下降率和干燥速率的測定[20,21]

水分含量測定參照GB/T 5009.3-2016中105 ℃恒重法測得，每個樣品測定3次，取平均值。

干基含水率Mt（g/g）的計算公式如下：

式中，Gt：干燥t時樣品的質(zhì)量，g；Gd：樣品的干重，g。

干基含水率下降率MR（%）的計算公式如下：

干燥速率DR（g/(g·min)）的計算公式如下：

式中，t1、t2：干燥時間，min；Mt1、Mt2：干燥t1、t2時樣品的干基含水率，g/g。

1.3.4.4 能耗的計算[24]

干燥能耗以每干燥單位質(zhì)量（kg）計算核桃的能耗，單位為kJ/kg。采用電監(jiān)測儀對每次試驗的電耗記錄（kW·h），采用電子秤對每次試驗的液化氣消耗量稱重（kg）。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有試驗均做3次不同批次的重復(fù)試驗，所有數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”的形式表示，采用origin軟件畫圖。利用SPSS 17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，采取Duncan檢驗，當(dāng)p＜0.05時，數(shù)據(jù)被視為具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化紅外輻射溫度對核桃預(yù)干燥效果和品質(zhì)的影響結(jié)果

經(jīng)課題組前期研究結(jié)果得知，當(dāng)催化紅外輻射溫度超過450 ℃時，干燥核桃樣品表面會出現(xiàn)焦褐色，嚴(yán)重影響核桃品質(zhì)；而當(dāng)輻射溫度為300 ℃時催化紅外預(yù)干燥階段僅去除了5.4%的水分，脫水率很低，推薦催化紅外輻射溫度介于300 ℃到450 ℃之間。因此變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥階段將輻射距離固定在30 cm，干燥單元a、b、c的滾筒轉(zhuǎn)速分別固定在25、35和35 Hz，進(jìn)行不同催化紅外輻射溫度（300+350、300+400、350+400、350+450 ℃）條件下的預(yù)干燥試驗，試驗結(jié)果見圖3和表2。

圖3 a顯示，核桃含水率的下降率隨著催化紅外輻射溫度的增加而顯著增大（p＜0.05）。當(dāng)催化紅外溫度為350+450 ℃時，紅外預(yù)干燥階段去除了20.30%的水分；當(dāng)催化紅外溫度為300+350 ℃時紅外預(yù)干燥階段僅去除了11.12%的水分。由此得出催化紅外溫度越高，脫水效果越好。這是因為催化紅外溫度越高，核桃表面溫度越高，已由表2測得的核桃表面溫度證實由300+350 ℃到350+450 ℃樣品表面溫度提升了20 ℃左右，因此在350+450 ℃ 22.5min 的催化紅外預(yù)干燥階段脫水率提高了9.18%，表現(xiàn)出較高的脫水效率。姜苗[2]在研究核桃干燥時發(fā)現(xiàn)，溫度對干燥強(qiáng)度影響較大，溫度越高，干燥強(qiáng)度越大，這與本文的研究結(jié)論一致。劉治華[25]在研究金銀花干燥時也發(fā)現(xiàn)干燥受溫度影響很大，溫度升高，干燥速率變大。

由圖3b可知，不同催化紅外溫度處理后，與新鮮核桃的深紅色（L=36.70，a=14.75，b=17.24）相比，干燥核桃整體顏色偏較亮的深黃色（L=53.86～56.90，a=10.61～11.00，b=19.86～20.73）；不同催化紅外溫度下樣品的L、a、b以及ΔE數(shù)據(jù)之間沒有顯著性差異（p＞0.05），表明該試驗范圍內(nèi)不同催化紅外溫度并未引核桃顏色明顯變化。

圖3 不同催化紅外輻射溫度下樣品的含水率下降率（a）和色度值（b）Fig.3 Moisture content reduction rates (a) and color values (b)of samples under different catalytic infrared radiation temperatures

由表2可知，隨著催化紅外溫度的增加，核桃表面溫度不斷升高，所以脫水效果越好，但是發(fā)現(xiàn)在較高的催化紅外溫度350+400 ℃和350+450 ℃下，短時間內(nèi)樣品表層溫度升溫太快太高（達(dá)到73～75 ℃和77～79 ℃），樣品的水分下降較大，但是，當(dāng)核桃內(nèi)部水分遷移速率明顯低于表層水分散失速率，會導(dǎo)致核桃表殼發(fā)生破裂現(xiàn)象[26]，這兩種溫度條件下的開殼率達(dá)到了16.67%和33.33%，且在催化紅外溫度350+450 ℃下，由于溫度過高，核桃表面不平整，使得局部出現(xiàn)了小褐斑和細(xì)紋，這是由于過高的處理溫度使得表層硬殼發(fā)生了多酚褐變現(xiàn)象[27]，這對產(chǎn)品的品質(zhì)影響較大。朱德泉等[26]在研究核桃干燥時發(fā)現(xiàn)溫度過高會導(dǎo)致核桃外殼變?yōu)楹诤稚a(chǎn)品品質(zhì)大大下降，這與本研究結(jié)論一致。因此為了保障核桃品質(zhì)，催化紅外輻射溫度不易太高，綜合考慮干燥效果與產(chǎn)品品質(zhì)，催化紅外溫度組合300+400 ℃時核桃的干燥效果和品質(zhì)較好，樣品的脫水率較高，且未出現(xiàn)褐斑和開殼現(xiàn)象，因此將該溫度條件用于后續(xù)的試驗中。

表2 不同催化紅外輻射溫度條件下樣品的表面溫度和開殼率Table 2 Surface temperatures and shell opening rates of samples under different catalytic infrared radiation temperatures

2.2 催化紅外輻射距離對核桃預(yù)干燥效果和品質(zhì)的影響結(jié)果

將催化紅外溫度固定在300+400 ℃，滾筒轉(zhuǎn)速固定在25+35+35 Hz，進(jìn)行不同催化紅外輻射距離（25、30和35 cm）條件下的預(yù)干燥試驗，試驗結(jié)果見圖4和表3。

表3 不同催化紅外輻射距離下樣品的表面溫度和開殼率Table 3 Surface temperatures and shell opening rates of samples under different catalytic infrared radiation distances

圖4 a顯示核桃的干基含水率下降率隨著催化紅外輻射距離的增加而降低。當(dāng)催化紅外距離為35 cm時，紅外預(yù)干燥階段去除了10.05%的水分；當(dāng)催化紅外距離為25 cm時紅外預(yù)干燥去除了13.42%的水分，由此得出催化紅外輻射距離越近，脫水效果越好。這是因為隨著催化紅外輻射距離越近，核桃表面溫度越高，已經(jīng)由表2測得的核桃表面溫度證實由輻射距離35 cm到25 cm樣品表面溫度提升了10 ℃左右，因此催化紅外輻射距離25 cm下的脫水效果較好。吳本剛[7]在研究胡蘿卜紅外熱風(fēng)聯(lián)合聯(lián)合干燥時發(fā)現(xiàn)紅外輻射距離越近，干燥速率越大，這與本研究結(jié)論一致。

由圖4b可見，催化紅外輻射距離在25和30 cm時樣品的L、a、b和ΔE之間沒有顯著差異（p＞0.05），干制核桃顏色呈較亮的深黃色（L=51.85～52.23，a=12.17～12.33，b=20.22～20.42，ΔE=15.64～15.88）；催化紅外輻射距離在35 cm時，核桃顏色變化明顯，偏較淡的淺黃色（L=51.30，a=11.79，b=19.38，ΔE=15.82）。

圖4 不同催化紅外輻射距離下樣品的含水率下降率（a）和色度值（b）Fig.4 Moisture content reduction rates (a) and color values (b)of samples under different catalytic infrared radiation distances

由表3知，隨著催化紅外輻射距離越來越近，核桃表面溫度越高，脫水效果越好。但是當(dāng)催化紅外輻射距離太近，為25 cm時發(fā)現(xiàn)部分樣品表殼出現(xiàn)了小褐斑，而且出現(xiàn)了較多細(xì)紋，表殼發(fā)生破裂，開殼率達(dá)到11.67%，這是因為核桃表殼溫度太高（達(dá)到68～72 ℃）造成的褐變和裂殼。朱德泉等[26]也報道溫度過高會造成核桃褐變。因此為了保障核桃品質(zhì)，催化紅外輻射距離不易太近。綜合考慮圖干燥效果和產(chǎn)品品質(zhì)，推薦較優(yōu)的催化紅外輻射距離為30 cm，此時樣品的脫水率較高，且未出現(xiàn)褐斑和開殼現(xiàn)象，因此將該距離條件用于后續(xù)的試驗中。

2.3 滾筒轉(zhuǎn)速組合對核桃預(yù)干燥效果和品質(zhì)的影響結(jié)果

預(yù)試驗結(jié)果表明，在距離為30 cm，溫度為300+400 ℃的條件下采用滾筒催化紅外進(jìn)行預(yù)干燥時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速小于15 Hz時，預(yù)處理時間過長，核桃開殼現(xiàn)象嚴(yán)重，所以本試驗采用的不同轉(zhuǎn)速組合分別為15+25+35、15+35+35、25+25+25、25+25+35、25+35+35和35+35+35 Hz，在此條件下進(jìn)行預(yù)干燥試驗，試驗結(jié)果見圖5和表4。

圖5 不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下樣品的含水率下降率（a）和色度值（b）Fig.5 Moisture content reduction rates (a) and color values (b)of samples under different drum rotation speeds

圖5 a顯示了不同干燥單元的滾筒轉(zhuǎn)速越低，樣品的含水率下降率越大，脫水效果越好。這是因為滾筒轉(zhuǎn)速越低，催化紅外輻射時間越長，核桃表面溫度越高，已經(jīng)由表4測得的核桃表面溫度和催化紅外輻射時間證實，因此脫水效果越好。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速組合為15+25+35 Hz時，催化紅外預(yù)處理時間為31.00 min，含水率下降率達(dá)到最高，去除17.73%的水分；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為35+35+35 Hz時，催化紅外預(yù)處理時間為19.50 min，除去了9.39%的水分，發(fā)現(xiàn)由35+35+35 Hz到15+25+35 Hz催化紅外處理時間增加了11.50 min，因此脫水效果提高了8.34%，較低的滾筒轉(zhuǎn)速更有利于提高干燥效率。吳本剛[7]在研究胡蘿卜紅外熱風(fēng)聯(lián)合聯(lián)合干燥時也發(fā)現(xiàn)紅外處理時間越長干燥效果越好，這與本研究結(jié)論一致。

由圖5b可見，不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下樣品的白色值L之間沒有顯著性差異（p＞0.05），核桃呈現(xiàn)出較亮的顏色（L=52.82～54.95）；但是隨著滾筒轉(zhuǎn)速降低，催化紅外處理時長越長，干燥后核桃的紅色度a和黃色度b值越大，表明樣品經(jīng)長時間的催化紅外干燥后顏色偏深紅黃色，且與新鮮核桃之間的顏色差ΔE越來越大。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為35+35+35 Hz時，核桃呈較淡的淺紅黃色（L=54.34，a=10.27，b=19.91，ΔE=12.62）；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速組合為15+25+35 Hz時，核桃呈深紅黃色（L=54.95，a=12.35，b=21.37，ΔE=15.62）。此外表4的觀察還發(fā)現(xiàn)，較低的滾筒轉(zhuǎn)速造成了核桃表殼產(chǎn)生較多細(xì)紋、褐斑以及開殼現(xiàn)象，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速組合為15+25+35 Hz時，50.00%的樣品出現(xiàn)開殼情況；除去轉(zhuǎn)速組合25+35+35 Hz和35+35+35 Hz，其他轉(zhuǎn)速組合的催化紅外預(yù)干燥處理后樣品均出現(xiàn)了不同程度的表面開裂現(xiàn)象，開殼率為16.67%～44.33%，這嚴(yán)重影響了核桃的品質(zhì)，不利于后期貯藏和銷售。這是因為核桃在高溫的催化紅外下干燥時間太長造成的褐變和裂殼，朱德泉等[26]也報道干燥時間過長會造成核桃顏色加深變黑褐色。因此為了保障核桃品質(zhì)，催化紅外輻射時間不易太長。綜合考慮圖5a的干燥效果、圖5b的顏色以及表4的開殼情況，推薦選擇25+35+35 Hz的滾筒轉(zhuǎn)速組合，樣品的脫水率較高，且未出現(xiàn)褐斑和開殼現(xiàn)象。

表4 不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下樣品的催化紅外輻射時間、表面溫度和開殼率Table 4 Infrared radiation times, surface temperatures and shell opening rates of samples under different drum rotation speeds

經(jīng)催化紅外輻射溫度、距離、滾筒轉(zhuǎn)速三個因素的逐級優(yōu)化試驗，獲得了變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥的較優(yōu)工藝參數(shù)為：催化紅外發(fā)生器1、3、5和2、4、6的輻射溫度300+400 ℃、輻射距離30 cm、干燥單元a、b、c滾筒轉(zhuǎn)速25+35+35 Hz、處理時間22.50 min。在此條件下，核桃預(yù)脫水率高達(dá)13.04%±0.14%，無褐變和開殼情況，顏色指標(biāo)L為54.24，a為10.61，b為19.89，呈較亮的紅黃色。

2.4 干燥方式的對比性試驗結(jié)果

在上述最優(yōu)的變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝條件下進(jìn)行與單一熱風(fēng)干燥效率的對比試驗，試驗結(jié)果見圖6和表5。

表5 兩種干燥方式的干燥時長、干基含水量、開殼率和單位質(zhì)量能耗Table 5 Drying times, dry base moisture contents, shell opening rates and energy consumptions per unit gram of two drying methods

由圖6a和b可見，新鮮核桃在聯(lián)合干燥和單一熱風(fēng)干燥過程中均表現(xiàn)出兩個階段加速干燥階段（0～0.38 h和0～1.00 h）和降速干燥階段（0.38～14.38 h和1.00～20.00 h），降速階段又包括兩段，這與張波[28]研究核桃干燥曲線時得到的結(jié)論一致，核桃干燥包括加速和降速階段。姜苗[2]在研究核桃干燥時發(fā)現(xiàn)降速階段包括第一降速階段和第二降速階段，這與本文的研究結(jié)論一致。在相對較高的初始含水率階段，核桃原料的含水率在較短的干燥時間內(nèi)呈線性下降，這是干燥過程的第一個階段，常常被認(rèn)為是熱轉(zhuǎn)移限制階段[2]。這也就表示在這一干燥階段，初始含水量較高的原料可在高溫下快速脫水，因此在此階段加入催化紅外預(yù)干燥處理可以快速提升物料溫度，盡快排出核桃外殼中的水分，提高干燥速率，縮短干燥時間，由圖6b的結(jié)果證實，變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)干燥的第一階段的最大干燥速率[0.28 g/(g·min)]顯著高于單一熱風(fēng)的最大干燥速率[0.11 g/(g·min)]。姜苗[2]在研究核桃干燥時也發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率較高時，溫度的上升對干燥速率增加的影響更大，可以很好地解釋本研究中催化紅外預(yù)干燥的引入提高干燥速率的原因。隨著干燥時間的繼續(xù)增加，干燥速率逐漸下降。降速干燥階段核桃內(nèi)部的水分去除是一個質(zhì)量轉(zhuǎn)移限制過程[2]，應(yīng)該根據(jù)含水率變化適當(dāng)減少能量，最大限度地減少核桃的過度干燥和保護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)，因此這一階段采用低溫的熱風(fēng)干燥效果更好，使核桃與熱風(fēng)設(shè)備環(huán)境達(dá)成濕熱平衡，由圖6b發(fā)現(xiàn)聯(lián)合干燥組的后期干燥速率趨同于單一熱風(fēng)干燥，因此本試驗采取的先變溫滾筒催化紅外高溫干燥再進(jìn)行低溫?zé)犸L(fēng)干燥的聯(lián)合是正確的。姜苗[2]在研究核桃干燥時也報道了當(dāng)干燥進(jìn)行到后期再提高干燥溫度已無太大作用，從節(jié)能方面考慮，可以適當(dāng)降低干燥溫度。綜上所述，本研究得出變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥顯著優(yōu)于單一干燥，可以提高干燥速率和縮短干燥時間。張波[28]在射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的研究中也得出相似的結(jié)論，在熱風(fēng)、真空和熱風(fēng)輔助射頻三種干燥方式中，射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的時間最短（138 min），該文報道的干燥時間比本研究短的原因是將20%（d.b.）的帶殼核桃干燥到含水率為8%，而本研究的核桃起始含水率較高（40%～55%），故干燥時間長一些。

通過對比分析表5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種干燥方式都使樣品干燥至含水率小于8%時，核桃樣品都沒有發(fā)生開殼和褐變現(xiàn)象，產(chǎn)品品質(zhì)均較好。單一熱風(fēng)干燥的時長為20 h，變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的總時長為14.38 h，與單一熱風(fēng)干燥相比，聯(lián)合干燥組的干燥時長縮短了28.10%。

2種不同干燥過程的能耗見表5，變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)干燥的能耗包括：紅外干燥能耗、滾筒電機(jī)能耗和熱風(fēng)干燥能耗三部分：（1）稱重獲得的液化氣消耗量為0.47 kg，催化紅外每消耗1 kg液化氣產(chǎn)生的能量為45208.80 kJ，干燥的新鮮核桃質(zhì)量為174 kg，則單位質(zhì)量紅外能耗為：（0.47 kg×45208.80 kJ/kg）/174 kg=120.84 kJ/kg；（2）記錄獲得的滾筒電機(jī)電耗為0.17 kW·h，干燥的新鮮核桃質(zhì)量為174 kg，則單位質(zhì)量滾筒電機(jī)能耗為：（0.17 kW·h×3600）/174 kg=3.56 kJ/kg；（3）記錄獲得的熱風(fēng)干燥電耗為3.02 kW·h，干燥的新鮮核桃質(zhì)量為6.2 kg，則單位質(zhì)量熱風(fēng)能耗為：（3.02 kW·h×3600）/6.2 kg=1755.87 kJ/kg；單一熱風(fēng)干燥僅包括熱風(fēng)干燥能耗：記錄獲得的熱風(fēng)干燥電耗為4.32 kW·h，干燥的新鮮核桃質(zhì)量為6.2 kg，則單位質(zhì)量熱風(fēng)能耗為：（4.32 kW·h×3600）/6.2 kg=2 508.39 kJ/kg。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，22.50 min的滾筒催化紅外預(yù)干燥處理僅消耗了120.84 kJ/kg的能耗，大大降低了整個干燥過程的能耗，與單一熱風(fēng)干燥相比節(jié)約了25.04%的能耗。這是因為聯(lián)合干燥組的變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥處理顯著提高了快速干燥階段的干燥速率，已經(jīng)由圖6a和b證實。由此得出在保障產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥方法比單一熱風(fēng)干燥更高效，即縮短了干燥時長，又節(jié)約了能耗。Atungulu等[29]在研究核桃催化紅外預(yù)干燥時得出催化紅外預(yù)處理可以顯著提高加工效率。

圖6 兩種干燥方式的核桃干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）Fig.6 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of walnut of two drying methods

2.5 變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥動力學(xué)結(jié)果

在最優(yōu)的變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥條件下，每隔一段時間測定水分比MR，根據(jù)表1的模型方程繪制該Ln(MR)-t、Ln[-Ln(MR)]-Lnt和MR-t曲線，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 不同模型的Ln(MR)-t曲線（a）、Ln[-Ln(MR)]-Lnt曲線（b）和MR-t 曲線（c）Fig.7 Curves of Ln(MR)-t (a), Ln[-Ln(MR)]-Lnt (b), and MR-t(c) of different drying models

根據(jù)曲線圖7的數(shù)據(jù)結(jié)合表1的公式分別計算Page、Henderson-Pabis和Wang and Singh模型的變量參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的模型驗證試驗，計算R2和RMSE值來評價模型的擬合程度，模型驗證和模型相關(guān)參數(shù)結(jié)果見圖8和表6。

圖8 不同模型的水分比實測值與預(yù)測值的相關(guān)性Fig.8 Correlation between measured values of water ratio and predicted values of different drying models

表6 不同干燥模型的相關(guān)參數(shù)Table 6 Related parameters of different drying models

由表6的相關(guān)參數(shù)可以看出，三種模型對于核桃的變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到了0.99以上，擬合度很高。圖8顯示水分比MR的試驗值和預(yù)測值具有很高的一致性，三種干燥模型的RMSE值分別為0.03、0.06和0.06，上述結(jié)果共同表明變溫滾筒紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程更符合Henderson-Pabis模型，該模型可以很好地預(yù)測核桃在變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程中的含水率以及干燥速率變化，這與劉治華[25]的研究結(jié)論相似：在金銀花熱風(fēng)干燥中，Henderson-Pabis模型對其干燥階段具有較高的擬合度，R2均大于0.98。姜苗[2]利用熱風(fēng)干燥的方式對核桃的干燥動力學(xué)進(jìn)行研究時也發(fā)現(xiàn)，Henderson-Pabis模型具有較好的擬合度，R2大于0.82，可以很好地預(yù)測核桃在熱風(fēng)干燥過程中的含水率以及干燥速率的變化。

3 結(jié)論

本文創(chuàng)新研制了一臺新型多機(jī)組合式滾筒變溫式催化紅外干燥設(shè)備，考察了催化紅外輻射溫度、距離及滾筒轉(zhuǎn)速對核桃預(yù)干燥效果的影響。單因素優(yōu)化試驗得出催化紅外輻射溫度越高，距離越近，滾筒轉(zhuǎn)速越低，脫水率越高，但當(dāng)溫度過高、距離太近、轉(zhuǎn)速過低時，核桃干燥后顏色變化較大，易產(chǎn)生褐斑和裂殼，影響產(chǎn)品品質(zhì)。在優(yōu)選的最佳催化紅外溫度組合300+400 ℃、輻射距離30 cm、滾筒轉(zhuǎn)速組合25+35+35 Hz、處理時間22.50 min的催化紅外預(yù)干燥階段，脫去了13.04%的外殼表面水分，然后繼續(xù)在熱風(fēng)溫度43 ℃、風(fēng)速3 m/s條件下熱風(fēng)干燥14 h至核桃干基含水率為8%，消耗的總干燥時長為14.38 h，與單一熱風(fēng)干燥（20 h）相比，聯(lián)合干燥組的時長縮短了28.10%，且節(jié)約了25.04%的單位體積能耗，干制核桃表殼無褐斑，開殼率為0%，顏色指標(biāo)L為54.24，a為10.61，b為19.89，呈較亮的紅黃色。干燥速率曲線也證實了變溫滾筒催化紅外預(yù)干燥處理顯著提高了干燥速率，最大干燥速率[0.28 g/(g·min)]顯著高于單一熱風(fēng)的最大干燥速率[0.11 g/(g·min)]。由此得出與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥相比，變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥是一種適宜硬殼堅果類產(chǎn)品干燥的新型高效節(jié)能方法。

干燥動力學(xué)建模結(jié)果得出變溫滾筒催化紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程更符合Henderson-Pabis模型，R2為0.99，RMSE為0.03，該模型擬合度較高，可以很好地預(yù)測核桃在該干燥過程中的含水率以及干燥速率的變化，為干果的新型干燥技術(shù)開發(fā)提供了理論模型。