基于追光型-光伏干燥箱的果蔬干燥特性及品質研究

梁海斌 ，韓四海 ，郭金英 ，黃蓓蓓

（1.河南科技大學 食品與生物工程學院，河南洛陽 471000；2.三門峽市食品藥品檢驗檢測中心，河南三門峽 472000；3.三門峽職業(yè)技術學院 食品與景觀學院，河南三門峽 472000）

0 引言

新鮮果蔬含水率在70%～95%，果蔬脫水通過降低水分活度，能夠抑制微生物的生存繁殖，從而使產品具有良好的保藏性［1-2］。傳統(tǒng)果蔬干燥大多采用自然晾曬、熱風干燥和微波干燥等，分別存在周期長、能耗高、品質差和商品率低等缺點［3-4］。隨著國家碳中和、碳達峰政策加強，新型太陽能果蔬干燥技術日益成為農產品干燥領域重要的現實需求。劉陽明等采用連接單片機或PLC控制電動機，設計太陽能追光裝置［5-6］。雙層太陽能集熱器的太陽能板只能沿某條軸線進行旋轉，無法進行萬向旋轉，并且采用電氣部件容易發(fā)生故障問題［7-8］。目前，波動和無法獲得太陽輻照是太陽能干燥器面臨的主要挑戰(zhàn)，主要解決技術有輔助泵蓄能、相變儲熱和太陽能電池等［9-11］。追光型-光伏干燥箱具有機械追光裝置，能根據太陽方位變化自動調節(jié)集光板姿態(tài)（追光），以有效獲得穩(wěn)定充足太陽能，并具儲能及換氣速率變頻調節(jié)的干燥設備。

本文利用追光型-光伏干燥箱對木耳、香菇、大棗、柿子和核桃等果蔬進行干燥試驗，以溫度、濕度和換氣速度為試驗因素，設計二次回歸正交旋轉組合試驗，優(yōu)化干燥工藝，并對果蔬干燥特性和品質進行分析，以期為設計開發(fā)節(jié)能環(huán)保的太陽能干燥設備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

木耳、香菇、大棗、柿子和核桃（三門峽市農貿市場）；石油醚、無水乙醇、硫酸銅、硫酸鉀、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鉀、硫酸、鹽酸、偏磷酸、草酸、苯酚、2，6-二氯靛酚、葡萄糖、抗壞血酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、酚酞（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）。

1.1.2 主要儀器設備

追光型-光伏干燥箱，由河南科技大學和三門峽市食品藥品檢驗檢測中心聯合研制；SH10A型快速水分測定儀（上海恒平科學儀器有限公司）；Protmex型專業(yè)數字風速計風速儀（深圳菲比斯科技有限公司）；DSR-TH-UA型溫濕度記錄儀（佐格微系統(tǒng)有限公司）；S1020A3型高拍儀（深圳市軒好韻電子有限公司）；Universal TA型質構儀（上海騰拔儀器科技有限公司）；SRJX-4-9型箱式電阻爐（湖北英山國營無線電元件廠）；CPA225D型電子分析天平（賽多利斯科學儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理

柿子：選取金黃略帶紅色，萼尖薄黃，果重在170～200 g，硬度適中的澠池甜柿［12］，剔除病蟲害、果面缺陷、軟爛的柿子。在5%氯化鈉水溶液中浸泡1 h后，用純水洗凈瀝干，去皮后備用。

大棗：選取色澤深紅、果實飽滿、肉質肥厚，直徑>32 mm的靈寶大棗，雜質<0.5%，剔除蟲果、病果、傷果，以防侵染其它熟果腐爛［13］。在沸水中熱燙5～10 min，立即冷卻并瀝干備用。

核桃：選取果實充分成熟的新鮮盧氏山核桃，去皮、洗凈后，放在通風處晾干。挑選色澤自然黃白色，大小均勻，直徑為1.95～2.15 cm，果實飽滿，無空籽、癟籽，半粒籽率<1%，無破損、畸形和霉變果［14］，備用。

香菇：選取形態(tài)自然，菌蓋色澤呈褐色且圓整，規(guī)格為4～6 cm，雜質<0.5%的新鮮盧氏香菇［15］。在沸水中進行漂燙處理后，瀝干水分備用。

木耳：選取盧氏黑木耳，耳面黑褐色，朵片完整，耳片厚度1～2 mm，大小2 cm，雜質<0.3%，剔除拳耳、流耳、蟲蛀、霉爛木耳［16］。

1.2.2 太陽能干燥

將物料裝盤平鋪直入干燥箱，每4 h記錄1次干基含水量。柿子、大棗、香菇、木耳、核桃的干基含水量分別降低至 0.4，0.2，0.2，0.2，0.06 g/g以下，停止干燥。

1.2.3 感官測定

感官指標分別按GB/T 20456—2006《柿子產品質量等級》、GB/T 22741—2008《地理標志產品 靈寶大棗》、GB/T 38581—2020《香菇》、GB/T 23395—2009《地理標志產品 盧氏黑木耳》和GB/T 24307—2009《山核桃產品質量等級》測定。

1.2.4 干基含水量、水分含量、干燥曲線及干燥速率

在果蔬干燥過程中，每4 h取出干燥樣品，用快速水分測定儀分別讀取其初始質量和干燥后質量，計算干基含水量Md、水分M0，然后繪制干基含水量—時間曲線；干燥速率DR為物料干基含水量隨時間的變化率，作干燥速率—干基含水量曲線。

式中 m0——干燥前的質量，g；

m1——干燥后的質量，g；

m1，i——4 h 前的干基；

m1，i+1——4 h 后的干基。

1.2.5 復水率的計算

隨機挑選干燥后的果蔬物料，稱量其質量，然后將其浸漬在20 ℃的純水中復水，按下式計算復水率RR。

式中 m2——干物質的質量，g；

m3——吸水后的質量，g。

1.2.6 硬度

1.2.7 收縮比

在干燥過程中，隨機取出3個干燥樣品，對其橫截面進行拍照記錄，按下式計算收縮比SR。

式中 A0——干燥前橫截面面積，mm2；

At——干燥后橫截面面積，mm2。

1.2.8 組分測定

總糖、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、灰分測定分別按GB/T 15672—2009《食用菌中總糖含量的測定》、GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》第一法、GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》第一法、GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》和GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》第一法。酸價和過氧化值測定分別按GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛(wèi)生標準的分析方法》、GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》、GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》?？偹岚碐B/T 12456—2008《食品中總酸的測定》。維生素C按GB 5009.86—2016《食品安全國家標準 食品中抗壞血酸的測定》第三法。

1.2.9 工藝優(yōu)化

采用DPS2006軟件對果蔬干燥品質的綜合分數進行數據整理和分析，并對影響干燥的因素進行二次正交組合旋轉試驗并進行回歸分析、極差分析。

2 結果與分析

2.1 太陽能輻照度與干燥箱內環(huán)境

太陽能輻照度是影響果蔬干燥速率和品質的重要因素。三門峽地區(qū)10月10日～15日晴天的有效輻射時間約10 h，有效輻照時間段為9：00～16：00；13：00 時太陽輻照度達到最大值約980 W/m2。日間太陽能輻照的波動，影響果蔬的太陽能干燥作業(yè)。追光型-光伏干燥箱的集光板與果蔬烘干室采用球鉸式連接，隨太陽能輻照角度自動調整到最佳姿態(tài)，并具有儲能輔助，箱體具有較好保溫效果，使干燥箱內部環(huán)境相對穩(wěn)定，克服太陽能輻照度大幅波動造成的干燥果蔬返潮等局限。

2.2 果蔬干燥特性

選取豫西地區(qū)代表性的特色農產品進行干燥試驗。所選的5種新鮮果蔬，包括漿果、核果、堅果及食用菌等不同質構，初始含水率為30%～80%，涵蓋了低、中、高水分物料。初始干基含水量由高到低依次為木耳（4.21）、香菇（4.00）、大棗（2.03）、柿子（1.00）和核桃（0.33），分別在28，40，36，40，32 h 達到產品干燥質量要求，如圖1所示。與自然晾曬相比，干燥時間分別縮短1，2，6，10，4 d。5種果蔬干燥曲線均為持續(xù)下降趨勢，未因太陽輻照度變化而產生波動。

圖1 果蔬的干燥曲線Fig.1 The drying curve of fruits and vegetables

初始干燥速率差異較大，主要受初始干基含水量影響。如圖2所示，木耳和香菇初始干基含水量較高，初始干燥速率也較高，分別為0.31，0.17 g·g-1·h-1。

圖2 果蔬的干燥速率曲線Fig.2 The drying rate curve of fruits and vegetables

大棗和柿子干燥速率遠低于木耳和香菇，除了干基含水量原因外，與它們果皮結構在一定程度阻止內部水分蒸發(fā)有關。核桃初始干基含水量最低，初始干燥速率也最低，僅為0.014 g·g-1·h-1。果蔬干燥主要是游離水及部分結合水的蒸發(fā)［17］。在干燥初期，外部水分擴散較快；干燥至一半以后，干燥速率與內部水分的轉移速率正相關［18］，果蔬內部水分差值越大，干燥速度越大。此外，在干燥時，由于各部分存在一定的溫差，水分熱擴散從其內部溫度比較高的地方逐漸向內部溫度比較低的地方進行轉移，而太陽能干燥過程中所形成的內外溫度差適中，熱擴散的程度更明顯。

2.3 果蔬干燥品質

香菇、木耳、大棗、柿子和核桃經追光型太陽能干燥箱干燥后，感官、理化指標均符合相關國家標準要求，如表1所示。干燥后色澤、口味、氣味和形態(tài)具有該果蔬應有的特征，而且沒有出現焦斑、異味、硬殼及破損等缺陷。香菇、木耳和大棗收縮比在正常值范圍，復水率理想；柿子的水分、肉色和質地達到特級質量等級；核桃干燥后水分達到標準要求，酸價和過氧化值合格。果蔬干燥品質主要受化學性質、物理性質、營養(yǎng)成分及干燥方式的影響，主要涉及褐變反應、油脂氧化、變色和糊化，硬度增大，復水性變差，維生素和蛋白質的流失［19-20］。試驗結果表明追光型太陽能干燥箱干燥過程中，褐變、干縮、表面硬化及氧化反應較弱；干燥前后總糖、總酸、維生素C、含油率、粗蛋白和粗脂肪等營養(yǎng)指標無明顯差異；干燥品質優(yōu)良。

表1 果蔬太陽能干燥前后理化指標對比Tab.1 Comparison of physical and chemical indexes of fruits and vegetables before and after solar drying

2.4 干燥品質影響因素分析及工藝優(yōu)化

對干燥工藝進行優(yōu)化，設計果蔬太陽能干燥三元二次回歸正交（1/2實施）試驗：試驗因素為溫度、濕度和換氣速度；因素水平為溫度A（40，50，60 ℃）、濕度B（40%，55%，65%）和換氣風速C（4.0，7.0，12.0 m/s）；以果蔬干燥品質綜合評分為評價指標。試驗結果如表2、表3。

表2 果蔬太陽能干燥試驗結果Tab.2 Experimental results of solar drying of fruits and vegetables

表3 果蔬干燥品質綜合評分的極差分析Tab.3 Analysis of extreme deviation of comprehensive score of drying quality of fruits and vegetables

對表2試驗數據進行分析，設柿子、核桃、大棗、香菇和木耳干燥品質的綜合評分變量與各因素之間為Quadratic二次多項式回歸模型關系，得出各個試驗因素對太陽能綜合干燥品質的多元二次回歸方程式：

回歸方程 Y1，Y2，Y3，Y4，Y5的相關系數 R2分別為 0.97，0.86，0.93，0.90，0.88，顯著性檢驗結果分別為高度顯著、顯著、高度顯著、顯著、顯著。說明所建立的二次回歸模型正確，可以對響應值為86%～97%的變化情況進行解釋，即可以對果蔬太陽能干燥的綜合品質進行預測及分析。

由表3，對綜合評分進行極差分析，柿子較優(yōu)組合為B2A2C2。核桃較優(yōu)組合為B2C2A2。大棗較優(yōu)組合為A2B2C2。香菇較優(yōu)組合為A2B3C2。香菇最佳干燥溫度與文獻報道［21］的香菇的最佳干燥溫度是55 ℃有所不同，這是由于不同干燥設備系統(tǒng)的影響。木耳較優(yōu)組合為B2A2C1。傳統(tǒng)木耳變溫熱風干燥溫度為25 ℃～60 ℃，包括加速干燥和降速干燥2個階段，從而避免朵片粉碎［22］，木耳的太陽能干燥溫度與此一致，因此形態(tài)保持較好。

3 結語

采用追光型-光伏干燥箱成功進行香菇、木耳、大棗、柿子和核桃等不同果蔬的干燥試驗，建立一種節(jié)能環(huán)保的綠色干燥工藝。干燥箱的追光集熱結構，使其內部干燥工作環(huán)境較為穩(wěn)定可靠地實現不間斷連續(xù)干燥，克服了自然晾曬中太陽能輻照度波動大及干燥效率低等不足。所選用的幾種果蔬產品均獲得優(yōu)良的干燥品質，能夠較好地滿足脫水果蔬農產品質量要求。通過優(yōu)化溫度、濕度和換氣速度等干燥條件，分別得到香菇、木耳、大棗、柿子和核桃最佳工藝條件。該干燥工藝還可以根據生產規(guī)模的不同，因地制宜，設計出不同的容量，在田間地頭實現果蔬干燥的工廠+農戶模式，從而產生較好的規(guī)模效益。