香蕉低壓過熱蒸汽-真空組合干燥研究

王瑞芳 王竟成 趙東海 徐 慶 肖 波 呂黃珍

(1.天津科技大學(xué)天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300222；2.天津科技大學(xué)天津市低碳綠色過程裝備國(guó)際聯(lián)合研究中心， 天津 300222；3.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所， 廣州 510630； 4.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100083)

0 引言

低壓過熱蒸汽干燥(Low-pressure superheated steam drying， LPSSD)是在低于大氣壓力的條件下采用過熱蒸汽對(duì)物料進(jìn)行干燥的一種方法。具有傳質(zhì)阻力小、無氧化反應(yīng)、產(chǎn)品孔隙結(jié)構(gòu)豐富、復(fù)水性好、表面不易結(jié)殼、營(yíng)養(yǎng)保留率高等特點(diǎn)[1]。目前LPSSD主要應(yīng)用于果蔬[2-4]、茶葉[5]、奶豆腐[6]、稻谷[7]、山竹殼[8]、蔬菜種子[9-10]等熱敏性物料的干燥。

過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度是降低干燥時(shí)間、提高干燥效率的重要參數(shù)，其針對(duì)水分在物料表面的蒸發(fā)階段，即物料的恒速干燥階段。對(duì)于熱敏性物料(如果蔬類)，在LPSSD過程中一般無恒速干燥階段，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的求解可以采用第一降速階段(Falling rate period，F(xiàn)RP)和全階段(Whole drying period，WDP)間接表示[11-12]，也可以通過對(duì)比相同操作條件不同干燥方式的干燥時(shí)間表示逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度[13-14]。LPSSD時(shí)，為了提高干燥速率，介質(zhì)溫度需高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。香蕉為一種熱敏性物料，文獻(xiàn)[15-16]對(duì)不同壓力下LPSSD和真空干燥(Vacuum drying，VD)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)香蕉的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度介于80～90℃之間。為了提高香蕉LPSSD的干燥速率，介質(zhì)溫度應(yīng)高于香蕉逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，但過高的介質(zhì)溫度會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，對(duì)于高逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的香蕉LPSSD時(shí)，需要探索提高干燥速率的同時(shí)又能降低物料溫度、保證產(chǎn)品品質(zhì)的方法。

本文提出低壓過熱蒸汽-真空組合干燥(LPSSD-VD)方法，利用LPSSD在高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)的干燥速率優(yōu)勢(shì)以及形成的豐富孔隙結(jié)構(gòu)，通過組合VD，降低物料溫度、提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用廣東香蕉一號(hào)，成熟度為70%～80%，物料切成直徑(15±3) mm、厚度(3±0.5) mm的薄片，實(shí)驗(yàn)前用0.3%檸檬酸進(jìn)行護(hù)色預(yù)處理[17]，物料的初始干基含水率為(350±30)%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

低壓過熱蒸汽干燥實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)，如圖1所示，由蒸汽發(fā)生裝置、蒸汽加熱裝置、真空干燥腔及低溫蒸汽冷凝收集裝置組成，可以實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生、蒸汽過熱、蒸汽干燥及蒸汽收集的連續(xù)操作。其中干燥腔內(nèi)尺寸為300 mm×300 mm×275 mm，在腔體夾層中分布有電加熱板。蒸汽分布器上開有直徑3 mm的孔，開孔率為2.5%。距離蒸汽分布器以上80 mm放置物料托盤，物料托盤的材料為聚四氟乙烯，多孔狀結(jié)構(gòu)。將物料托盤吊置于質(zhì)量檢測(cè)裝置(JJ600型電子天平，精度0.01 g，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠)進(jìn)行在線質(zhì)量檢測(cè)。為了減小干燥過程中蒸汽和溫度對(duì)質(zhì)量傳感器精確度的影響，傳感器放置在干燥腔外部密封箱體中，僅通過金屬桿與干燥腔內(nèi)部的物料托盤連接，質(zhì)量顯示器置于干燥腔外部。物料溫度由TES-1310型熱電偶(精度0.1℃，泰仕電子工業(yè)股份有限公司)在線測(cè)量。干燥腔內(nèi)的真空環(huán)境由V-700型隔膜真空泵(BUCHI，瑞士)實(shí)現(xiàn)。為防止實(shí)驗(yàn)過程中管路內(nèi)蒸汽冷凝，所有管路及干燥腔均由保溫材料包裝。

圖1 低壓過熱蒸汽干燥裝置示意圖Fig.1 Schematic of low-pressure superheated steam drying system1.蒸汽發(fā)生裝置 2.調(diào)節(jié)閥 3.蒸汽加熱裝置 4.蒸汽壓調(diào)節(jié)閥 5.真空表 6.加熱板 7.物料托盤 8.蒸汽分布器 9.質(zhì)量檢測(cè)裝置 10.物料溫度檢測(cè)裝置 11.蒸汽溫度檢測(cè)裝置 12.對(duì)照樣托盤 13.干燥腔 14.質(zhì)量采集裝置 15.溫度采集裝置 16.控制面板 17.冷凝裝置 18.低溫蒸汽冷凝收集裝置 19.隔膜真空泵

1.3 參數(shù)及其測(cè)量方法

1.3.1干基含水率

物料干基含水率按照AOAC 925.10—2002[18]測(cè)定。將物料靜置在105℃的熱風(fēng)干燥箱內(nèi)，干燥至物料質(zhì)量不再減小時(shí)認(rèn)為物料達(dá)到絕干。實(shí)驗(yàn)前測(cè)定香蕉片的平均干基含水率為(350±30)%。物料干基含水率的計(jì)算公式為

X=(mt-mg)/mg×100%

(1)

式中mt——干燥到t時(shí)刻的物料質(zhì)量，g

mg——物料絕干后的質(zhì)量，g

1.3.2干燥速率

干燥速率定義為1 g干基物料單位時(shí)間內(nèi)去除水分的質(zhì)量。計(jì)算公式為

(2)

式中U——干燥速率，g/(min·g)

Δt——干燥時(shí)間，min

Δm——Δt時(shí)間內(nèi)去除的水分質(zhì)量，g

1.3.3色澤

采用NS 800型色差儀(深圳市三恩馳科技有限公司)測(cè)試物料及干制品的色澤。測(cè)色過程中每片物料取兩面不同位置測(cè)試6次，選取5片干制品一共測(cè)量30次取算術(shù)平均值。采用亮度L、紅色值a和黃色值b表示物料色澤。物料色澤變化的容差ΔE計(jì)算公式為

(3)

其中

ΔL=L-L0

Δa=a-a0Δb=b-b0

式中L0、a0、b0——鮮物料的亮度、紅色值、黃色值

1.3.4力學(xué)特性

采用CT3-10K型質(zhì)構(gòu)儀(負(fù)載量程0～10 000 g，負(fù)載精度5 g，美國(guó)博勒飛公司)對(duì)力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量。香蕉干制品的力學(xué)特性主要考慮脆性及脆性層次性。測(cè)試中以峰個(gè)數(shù)表示脆性，峰個(gè)數(shù)越多代表酥脆性越大；利用第1次斷裂衰減量代表干制品的脆性層次性，衰減量越小說明脆性層次感越強(qiáng)。

1.3.5維生素C含量

利用高效液相色譜法進(jìn)行維生素C(Vitamin C)含量的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)選取的色譜柱型號(hào)為Eclipse XDB C-18(4.60×150 mm，5 μm)，檢測(cè)波長(zhǎng)為254 nm，色譜柱溫度為室溫(20℃)，每次進(jìn)樣量為10 μL。

流動(dòng)相選取80%的0.05 mol/L磷酸二氫鉀溶液和20%甲醇的混合溶液。每次實(shí)驗(yàn)開始前需要利用準(zhǔn)備好的甲醇以1.0 mL/min的流速?zèng)_洗色譜柱30 min，然后用純水以1.0 mL/min的流速清洗色譜柱30 min，最后用流動(dòng)相以1.0 mL/min的流速洗至基線穩(wěn)定后方可進(jìn)樣。實(shí)驗(yàn)所用的甲醇與純水都經(jīng)過0.45 μm的濾膜過濾并用超聲振蕩器振蕩30 min除去空氣。測(cè)得新鮮香蕉的維生素C含量(質(zhì)量比)為28 mg/(100g)。

1.3.6微觀結(jié)構(gòu)分析

物料干制品的微觀結(jié)構(gòu)采用Sigma 300型掃描式電子顯微鏡(卡爾·蔡司股份公司)進(jìn)行觀測(cè)。其表征過程為：用專用導(dǎo)電膠粘附適量待測(cè)樣品，將其固定在樣品臺(tái)表面，一次可固定1～12個(gè)待測(cè)樣品，隨后對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行噴金預(yù)處理，處理后對(duì)待測(cè)樣品截面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥對(duì)比

介質(zhì)溫度作為影響干燥過程的主要因素，對(duì)物料的色澤、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保留以及物料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)都有較大的影響。研究介質(zhì)溫度對(duì)干燥動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響，有助于尋找LPSSD的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，并為L(zhǎng)PSSD-VD探尋提高干燥速率、降低物料溫度的方法。因此，首先分別研究LPSSD與VD在不同介質(zhì)溫度下的干燥動(dòng)力學(xué)及干制品品質(zhì)。

具體實(shí)驗(yàn)方法為：LPSSD與VD前首先對(duì)干燥系統(tǒng)預(yù)熱至設(shè)定溫度并穩(wěn)定30 min，然后將物料放入干燥腔內(nèi)的物料托盤后，關(guān)閉腔門，關(guān)閉泄氣閥，打開真空泵，抽至指定壓力，開始干燥。干燥過程利用蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生低溫飽和蒸汽(VD不通入蒸汽，其他操作相同)，流經(jīng)蒸汽加熱裝置加熱后進(jìn)入真空干燥腔內(nèi)與物料直接接觸進(jìn)行干燥。由干燥箱排出的低溫蒸汽經(jīng)冷凝裝置冷凝后收集。干燥過程中，操作壓力為(9 000±500) Pa，介質(zhì)溫度為80、85、90℃，蒸汽流量為2.2 g/min，當(dāng)物料干基含水率達(dá)到8.7%時(shí)干燥結(jié)束。

2.1.1干燥動(dòng)力學(xué)分析

(1)香蕉內(nèi)部溫度

LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度下香蕉的內(nèi)部溫度如圖2所示。以90℃低壓過熱蒸汽干燥為例，整個(gè)干燥過程溫度變化可以分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段：物料溫度迅速升高并穩(wěn)定于水分蒸發(fā)溫度。在真空狀態(tài)下，水分的蒸發(fā)溫度僅與真空度有關(guān)，在操作壓力9 000 Pa下水的飽和溫度為45℃。在LPSSD時(shí)水的蒸發(fā)溫度約為53℃，高于操作壓力下的飽和溫度。這是因?yàn)樵贚PSSD中，為了避免冷凝現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置了電加熱板，當(dāng)存在其他傳熱方式時(shí)，物料溫度高于操作壓力下的沸點(diǎn)溫度。第Ⅱ階段：物料溫度恒定于水的沸點(diǎn)溫度。該階段外界提供的能量主要用于水分的遷移，物料內(nèi)部水分向表面遷移的速度基本和水分從物料表面向周圍環(huán)境的擴(kuò)散速度一致，水分蒸發(fā)速度極快。第Ⅲ階段：物料內(nèi)部水分逐漸減少，水分從物料內(nèi)部遷移至表面所需的驅(qū)動(dòng)力逐漸增大，且由于內(nèi)部水分向表面的遷移速度逐漸小于表面液體汽化的速度，干燥速度逐漸減小，物料吸收的部分熱量進(jìn)一步升高物料溫度。第Ⅳ階段：物料溫度接近或略高于干燥介質(zhì)溫度并保持穩(wěn)定。

圖2 LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度時(shí)香蕉內(nèi)部溫度變化曲線Fig.2 Temperature of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

由圖2可知，LPSSD與VD相比，相同的介質(zhì)溫度，LPSSD物料的最終溫度均高于VD，如：當(dāng)介質(zhì)溫度為90℃時(shí)，LPSSD物料的最終溫度達(dá)到93.6℃，而VD物料的最終溫度為85.3℃。較高的物料溫度不利于保證干制品的品質(zhì)。

(2)香蕉含水率

LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度下香蕉的干基含水率曲線如圖3(圖3b為圖3a的局部放大圖)所示。由圖3可見，80℃和85℃LPSSD的干燥速率低于VD，90℃時(shí)相反。該結(jié)論與文獻(xiàn)[16]對(duì)低壓過熱蒸汽-遠(yuǎn)紅外組合干燥和真空-遠(yuǎn)紅外組合干燥香蕉片的研究結(jié)果相同。從圖3b可以看到，在同一時(shí)刻，LPSSD在80～90℃之間的干基含水率變化范圍大于VD，說明LPSSD受溫度的影響大于VD。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，這是因?yàn)樵诟稍镞^程中，去除水分因素主要取決于兩部分，一方面是物料溫度與環(huán)境溫度之間的溫度差異，另外一方面取決于干燥介質(zhì)與干燥物料之間的傳熱系數(shù)。LPSSD的溫差來自在相應(yīng)操作壓力下過熱蒸汽溫度和飽和溫度的差異，而VD的溫差來自濕球溫度和飽和溫度之間的差異。在較低的溫度下，VD的溫差大于LPSSD的溫差。相對(duì)于VD，LPSSD的傳熱系數(shù)更高。因此，VD雖然溫差大，但是傳熱系數(shù)低，LPSSD的溫差雖然小，但是傳熱系數(shù)大，溫差和傳熱系數(shù)的共同作用造成了LPSSD受溫度影響較大，同時(shí)，傳熱系數(shù)和溫差的抵消作用形成了LPSSD的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。

圖3 LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度時(shí)香蕉干基含水率的變化Fig.3 Moisture contents of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

2.1.2干制品品質(zhì)分析

(1)香蕉色澤

水果在干燥過程中，顏色的變化主要是由于美拉德反應(yīng)以及酶促褐變，其主要影響因素包括溫度、所處環(huán)境以及干燥時(shí)間等。香蕉在LPSSD和VD的色澤如圖4所示。在介質(zhì)溫度小于90℃時(shí)，LPSSD的亮度和黃色值高于VD，紅色值低于VD，在90℃時(shí)，則相反。這種現(xiàn)象說明在80～90℃之間存在一個(gè)溫度，使得LPSSD和VD對(duì)顏色的影響發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。LPSSD的容差均大于VD，說明LPSSD對(duì)香蕉干制品的色澤破壞大于VD，其主要原因?yàn)長(zhǎng)PSSD香蕉的最終溫度均高于VD。

圖4 LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度時(shí)香蕉色澤的變化Fig.4 Color of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

(2)香蕉力學(xué)特性

由圖5可見，在80℃和85℃時(shí)，LPSSD的干制品峰個(gè)數(shù)小于VD，說明VD的干制品脆性較好；當(dāng)溫度為90℃時(shí)，LPSSD的峰個(gè)數(shù)大于VD，說明溫度越高，LPSSD得到的干制品脆性越好。這與文獻(xiàn)[19]研究的微波真空干燥香蕉片溫度對(duì)脆性的影響不同，該研究指出隨著溫度的升高，香蕉片的脆性先增大后減小。在相同介質(zhì)溫度下，LPSSD的第1次斷裂衰減量均低于VD，說明LPSSD干制品的脆性層次感強(qiáng)于VD。隨著介質(zhì)溫度的升高，LPSSD與VD均呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢(shì)，但LPSSD升高的幅度小于VD，說明在高溫時(shí)LPSSD依然能保持較好的脆性層次感。這是因?yàn)長(zhǎng)PSSD形成豐富的孔隙結(jié)構(gòu)促進(jìn)了斷裂的層次性。LPSSD與VD的孔隙結(jié)構(gòu)如圖6所示。文獻(xiàn)[20]在白蘿卜LPSSD和VD的研究中發(fā)現(xiàn)：LPSSD的干制品比VD具有更好的空隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]在胡蘿卜LPSSD和VD研究中也得出相同結(jié)論。

圖5 LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度時(shí)干制品峰個(gè)數(shù)和第1次斷裂衰減量的變化Fig.5 Number of peaks and fracture attenuation of dried banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

圖6 90℃時(shí)LPSSD和VD香蕉干制品的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Micro-structure of dried product for LPSSD and VD at 90℃

(3)香蕉維生素C含量

新鮮香蕉的維生素C含量為28 mg/(100g)。由圖7可見，兩種干燥方式對(duì)維生素C的破壞均比較高，而且隨著介質(zhì)溫度的升高，破壞程度增強(qiáng)。VD和LPSSD的最大維生素C保留率僅為新鮮物料的19.5%和23.9%。LPSSD對(duì)香蕉中維生素C的破壞程度略小于VD，這是因?yàn)樵谶^熱蒸汽環(huán)境中沒有氧氣存在，而真空環(huán)境依然有少量氧氣，因此在過熱蒸汽的干燥環(huán)境中，更好地抑制了氧化現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[21]對(duì)比研究了低壓過熱蒸汽、真空、熱風(fēng)及真空冷凍干燥對(duì)芋頭品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥在維生素C保留率方面雖不及真空冷凍干燥，但均優(yōu)于真空干燥和熱風(fēng)干燥。文獻(xiàn)[22]對(duì)低壓過熱蒸汽干燥、真空干燥和熱風(fēng)干燥芒果塊研究發(fā)現(xiàn)：低壓過熱蒸汽干燥比真空干燥和熱風(fēng)干燥能保留更高的抗壞血酸、β-胡蘿卜素、總酚含量及抗氧化活性。文獻(xiàn)[23]對(duì)印度醋栗進(jìn)行低壓過熱蒸汽干燥，研究證明，盡管低壓過熱蒸汽干燥需要更長(zhǎng)的干燥時(shí)間，但由于低壓過熱蒸汽干燥過程不涉及氧化反應(yīng)，醋栗干中維生素C的含量比真空干燥的含量高。

圖7 LPSSD和VD在不同介質(zhì)溫度時(shí)干制品維生素C含量的變化Fig.7 Vitamin C retention of dried banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

2.1.3香蕉逆轉(zhuǎn)點(diǎn)分析

在介質(zhì)溫度對(duì)含水率的影響中，當(dāng)介質(zhì)溫度為80℃和85℃時(shí)，LPSSD的干燥速率低于VD，而在90℃時(shí)LPSSD的干燥速率高于VD，證明了在LPSSD和VD之間存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。由于果蔬類物料在LPSSD過程中無恒速干燥階段，因此選取第一降速階段(FRP)和全階段(WDP)間接表示逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。WDP是指物料從初始干基含水率降至約8.7%的過程；FRP對(duì)應(yīng)恒溫段。圖8為香蕉在操作壓力9 000 Pa的條件下分別基于FRP和WDP干燥速率求解的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，分別為88.75℃和89.06℃。基于WDP計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度高于FRP計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，說明低壓過熱蒸汽在干燥前期更具有動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[24-25]研究表明：影響FRP計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的主要因素為物料表面溫度和干燥介質(zhì)之間的溫差，基于WDP計(jì)算得出的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，會(huì)受到干燥溫度和物料本身變化的綜合影響。

圖8 基于FRP和WDP計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度Fig.8 Inversion temperature based on FRP and WDP

對(duì)于LPSSD，只有當(dāng)介質(zhì)溫度高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度時(shí)，干燥速率才會(huì)高于VD。而香蕉逆轉(zhuǎn)點(diǎn)接近于90℃，高逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)溫度過高影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此，對(duì)于高逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的熱敏性物料，探索介質(zhì)溫度高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度時(shí)，如何降低物料溫度，提高產(chǎn)品品質(zhì)是需要解決的問題。

2.2 低壓過熱蒸汽-真空組合干燥

2.2.1干燥方法

LPSSD-VD的目的是在高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的介質(zhì)溫度下提高干燥速率，同時(shí)降低物料溫度并提高產(chǎn)品品質(zhì)。根據(jù)香蕉逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，LPSSD-VD以介質(zhì)溫度為90℃進(jìn)行研究。由圖2可知，在第Ⅰ階段，VD的升溫速度高于LPSSD的升溫速度，因此，在LPSSD-VD第Ⅰ階段，選取VD，提高物料的升溫速度，同時(shí)減少冷凝。第Ⅱ階段LPSSD速率高于VD，而且水分散失主要集中在該階段，因此，LPSSD-VD的第Ⅱ階段采用LPSSD。在第Ⅲ階段，LPSSD溫升速度明顯高于VD，為了控制溫度，在LPSSD-VD的第Ⅲ階段，即當(dāng)LPSSD開始進(jìn)入第Ⅲ階段時(shí)采用VD，降低物料溫度。

具體LPSSD-VD工藝為：第Ⅰ階段(0～10 min)采用VD；第Ⅱ階段(10～90 min)采用LPSSD；第Ⅱ階段結(jié)束時(shí)，切斷過熱蒸汽，采用VD，進(jìn)入第Ⅲ階段。操作條件為：介質(zhì)溫度90℃，操作壓力9 000 Pa，蒸汽流量2.2 g/min。

2.2.2干燥動(dòng)力學(xué)分析

如圖9a所示，在LPSSD-VD的第I和第Ⅱ階段，物料溫度分別與該階段的VD和LPSSD的溫度相同。當(dāng)LPSSD-VD進(jìn)入第Ⅲ階段時(shí)，相比單純的LPSSD，物料溫度繼續(xù)在恒溫段保持20 min，升溫段向后推遲。當(dāng)物料達(dá)到安全含水率時(shí)物料內(nèi)部溫度相比LPSSD降低了8.5℃。由圖9b可知，在LPSSD-VD的第Ⅲ階段，干燥速率相比LPSSD和VD明顯提高，這是由于在第Ⅱ階段LPSSD使物料形成了豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，并減輕了表面硬化現(xiàn)象，有利于下一階段的水分散失。LPSSD-VD相比VD降低了30 min。由此可見，LPSSD-VD一方面縮短了干燥時(shí)間，另一方面降低了物料溫度，為保證良好的干制品品質(zhì)提供了條件。

圖9 不同干燥方法干燥動(dòng)力學(xué)對(duì)比Fig.9 Comparison of drying kinetics for different drying methods

2.2.3干制品品質(zhì)分析

2.2.3.1色澤

由圖10可知，LPSSD-VD的亮度L、黃色值a、紅色值b以及容差ΔE明顯優(yōu)于相同操作條件下LPSSD和VD，香蕉的色澤得到了有效的保護(hù)。這是因?yàn)長(zhǎng)PSSD-VD降低了物料溫度，減輕了溫度對(duì)色澤的破壞，提高了產(chǎn)品的色澤。同時(shí)由于LPSSD-VD干燥速率的提高，物料在高溫下存在時(shí)間縮短，減少了物料因長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)而造成的熱損傷現(xiàn)象。

2.2.3.2力學(xué)特性

由圖11可知，相比LPSSD和VD，LPSSD-VD的峰個(gè)數(shù)分別增大38.27%和41.77%，提高了香蕉干制品的脆度。同時(shí)，香蕉干制品的第1次斷裂衰減量相對(duì)于LPSSD和VD分別下降7.37%和36.03%，說明LPSSD-VD增強(qiáng)了干制品的脆性層次感。產(chǎn)品的脆性及脆性層次感的增強(qiáng)說明產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)更疏松，即產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)更豐富。圖12為香蕉干制品在VD、LPSSD和LPSSD-VD條件下的電鏡分析圖，LPSSD-VD的香蕉干制品孔隙優(yōu)于LPSSD和VD。這也說明在整個(gè)干燥過程中，即使只是部分干燥段加入LPSSD，物料就可以獲得較好的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖11 不同干燥方法干制品脆度和第1次斷裂衰減量對(duì)比Fig.11 Comparison of crispiness and the first fracture attenuation of dried banana for different drying methods

圖12 不同干燥方法香蕉干制品孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.12 Comparison of micro-structure of dried banana for different drying methods

2.2.3.3維生素C含量

由圖13可知，LPSSD-VD大幅提高了維生素C的保留率，達(dá)到67.9%，相比單純的LPSSD和VD，分別提高了255%和191%。這是因?yàn)檎羝橘|(zhì)破壞了維生素C分解的氧化反應(yīng)環(huán)境，通過LPSSD-VD的控溫效應(yīng)，也降低了維生素C分解所需要的溫度環(huán)境，因此LPSSD-VD可以對(duì)維生素C含量的保留率有較大的提升。

圖13 不同干燥方法干制品維生素C含量對(duì)比Fig.13 Comparison of vitamin C retention of dried banana for different drying methods

通過以上對(duì)LPSSD-VD干燥動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)品品質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)LPSSD-VD可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高逆轉(zhuǎn)點(diǎn)香蕉干燥時(shí)，既提高干燥速率又降低物料溫度，從而保留更好的色澤及營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)獲得更好的力學(xué)特性，達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

3 結(jié)論

(1)提出LPSSD-VD方法，實(shí)現(xiàn)在高介質(zhì)溫度干燥條件下，提高香蕉干燥速率的同時(shí)又能降低物料溫度保證產(chǎn)品的品質(zhì)。LPSSD-VD為三段式，第Ⅰ階段采用VD，提高物料的升溫速度，同時(shí)減少冷凝；第Ⅱ階段采用LPSSD，提高干燥速率；第Ⅲ階段在低壓過熱蒸汽開始升溫時(shí)采用VD，降低物料溫度。

(2)在介質(zhì)溫度為80、85、90℃時(shí)對(duì)LPSSD和VD香蕉的干燥動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)：在介質(zhì)溫度為80℃和85℃時(shí)，VD的干燥速率大于LPSSD，當(dāng)90℃時(shí)，LPSSD干燥速率才明顯提高，相比VD干燥時(shí)間縮短30 min。在80、85、90℃下，LPSSD的最終溫度均高于VD，其干制品的色澤破壞大于VD，但LPSSD的維生素C保留率高于VD。當(dāng)介質(zhì)溫度為90℃時(shí)，LPSSD得到干制品的脆性及脆性層次感優(yōu)于VD。

(3)通過FRP和WDP計(jì)算的香蕉逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度分別為88.75℃和89.06℃。在高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的90℃介質(zhì)溫度進(jìn)行LPSSD-VD研究，結(jié)果表明：LPSSD-VD相比單純的LPSSD和VD，干燥時(shí)間縮短30 min，干燥過程中物料溫度降低8.5℃，產(chǎn)品色澤提高，脆性和脆性的層次感增強(qiáng)。維生素C保留率達(dá)到67.9%，比LPSSD和VD分別提高255%和191%。