预处理对无核白葡萄热风干燥特性的影响

康 彦，关志强*，李 敏，吴宝川

（广东省水产品加工与安全重点实验室，广东普通高等学校水产品深加工重点实验室，广东海洋大学食品科技学院，
广东 湛江 524088）

摘 要：为研究预处理对无核白葡萄热风干燥特性的影响，用5 g/100 mL碳酸钾和0.6 g/100 mL橄榄油混合液浸泡无核白葡萄，进行不同干燥温度条件下的热风干燥实验。然后对4种常见的农产品薄层干燥模型进行非线性拟合，并比较评价决定系数（R2）、卡方（χ2）值和标准误差（RMSE）。结果表明：Parabolic模型更加适合描述无核白葡萄热风干燥水分比与干燥时间之间的关系。在干燥温度分别为50、60、70 ℃时，预处理组的干燥时间比对照组的干燥时间分别缩短33.3%、19.2%、15.4%。预处理组的无核白葡萄的有效水分扩散系数分别提高47.4%、32.0%、32.4%；预处理组的平均活化能比对照组降低16.1%。预处理组葡萄干制品的复水率大于对照组。干燥前预处理可以缩短干燥时间、提高物料有效水分扩散系数、降低干燥活化能和保持干制品良好品质。

关键词：葡萄；预处理；干燥模型；水分扩散率；活化能

Effect of Pretreatment on Hot Air Drying Characteristics of White Seedless Grapes

KANG Yan, GUAN Zhi-qiang*, LI Min, WU Bao-chuan

(Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Process and Safety, Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution, College of Food Science and Technology,
Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Abstract: The effects of pretreatment by soaking in a mixed solvent system containing 5 g/100 mL potassium carbonate and 0.6 g/100 mL olive oil and hot-air temperature (50, 60 and 70 ℃) on drying characteristics of white grapes were studied using a hot air dryer. Non-linear regression analysis was used to develop four common agricultural thin layer-drying models based on the data obtained and these models were evaluated by coefficient of determination (R2), chi-square value (χ2) and root mean squared error (RMSE). It turned out that the Parabolic model was more appropriate to describe the relationship between moisture ratio and drying time. Compared with the control group, the drying time for the pretreatment group was shorten by 33.3%, 19.2% and 15.4% at 50, 60 and 70 ℃, respectively, the effective diffusivity of white grapes was increased by 47.4%, 32.0% and 32.4%, respectively. In addition, the activation energy was decreased by 16.1%, and the rehydration of dried grapes from the pretreatment group was higher. This pretreatment is not only good for shortening the drying time, improving effective moisture diffusivity and reducing activation energy, but also help preserve the quality of dried products.

Key words: grape; pre-treatment; drying mathematical models; moisture diffusivity; activation energy

中图分类号：TS255.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）05-0119-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201405024

葡萄是一种世界性水果，是加工比例最高、国际贸易量最大的水果之一[1]。葡萄是一种季节性水果，除鲜食外，主要加工制品为葡萄酒、葡萄干、葡萄汁。葡萄干的传统制作方法是使用晾房设备自然干燥，这种方式耗时长，不易控制且卫生状况不能保证。热风干燥简便，干燥效率高，控制性良好。在葡萄干制前预处理的研究上，国内外同行作了大量的工作，干燥预处理的添加物质主要包括碱性物质、脂肪酸类和脂类，常见的预处理试剂包括：氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钾、碳酸钾、甲酯或乙酯的碱性乳浊液的混合物[2-7]。碳酸钾可以增加葡萄表皮对水分的渗透性，橄榄油是一种具有美容等多重保健功效的天然植物油，这两种添加剂对提高葡萄干燥速率和保持葡萄干的品质有很好的作用[6-7]。而碳酸钾和橄榄油复配用于干制黑葡萄、苹果渣等产品，使用较少且对其作用探讨不够深入。本实验采用热风干燥方式对无核白葡萄进行干燥，预处理中加入一定比例的碳酸钾和橄榄油混合物，探讨预处理对热风干燥特性的影响，确定拟合度较好的干燥模型，为葡萄干制品的工业化生产提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

无核白葡萄购置于广东省湛江霞山农贸市场，平均直径为（1.56±0.2）cm。直接干燥法（GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》）测得无核白葡萄平均含水率为（78.5±1.0）%。

预处理试剂碳酸钾和橄榄油均为分析纯和食品级。

1.2 实验步骤

配制5 g/100 mL和0.6 g/100 mL的碳酸钾和一定量橄榄油的混合预处理溶液，将配好的预处理溶液放入40 ℃水浴锅进行预热。称取无核白葡萄（50.0±2.0）g，浸入预处理溶液，40 ℃浸泡3min，取出，吸干表面水分后晾干（约1 h），放入热风干燥装置进行干燥。热风干燥条件为：热风温度设定为50、60、70 ℃，风速2.0m/s[6,8-9]。放入样品前，先对热风干燥设备进行调试，约2 h达到稳定的设定条件后再进行实验。从放入样品开始计时，每隔1 h用电子天平记录一次无核白葡萄的质量，计算干基含水率。干燥到无核白葡萄的干基含水率为0.25±0.30时终止实验。每组温度的实验重复两次取平均值。冷却后称取适量干燥样品测量复水率。剩余样品放入聚乙烯样品袋常温密封保存。

1.3 干燥模型

无核白葡萄的干燥水分比由公式（1）计算。

MR=

Mt－Me

M0－Me

（1）

式中：MR为水分比；Mt为任意时刻无核白葡萄的干基含水率；Me为终止干基含水率；M0为初始干基含水率。

选用4种常用的农产品干燥模型：

1）Lewis模型，用于描述大麦[10]和葡萄[11]的干制过程：

MR=exp（－kt） （2）

2）Page模型，成功地用于描述一些农产品[12-15]的干燥特性：

MR=exp（－ktn） （3）

3）Parabolic模型，用于描述葡萄[6]的干燥特性：

MR=a+bt+ct2 （4）

4）Logarithmic模型，一般适用于描述桃子[3]、杏[4]和土豆[16]的干燥特性：

MR=b+a exp（－t） （5）

式中：t为干燥时间/h。

1.4 数据分析

用JMP7.0软件对干燥实验数据进行回归分析，由R2、χ2和RMSE来评价模型拟合度。R2越大、χ2和RMSE越小，说明拟合度越好[17-19]。χ2和RMSE由以式（6）、（7）计算。

（6）

（7）

式中：N指总项数；z指第z项。

1.5 有效水分扩散系数

农产品的干燥特性可由菲克扩散方程来描述。假设：非稳态扩散在球面坐标中的水分迁移过程中忽略物质收缩性，扩散系数为常数，且温度恒定[20]，由菲克扩散方程推导得：

（8）

式中：Deff是有效水分扩散系数/（m2/s）；r是物质半径/m。

对于较长时间的干燥过程，方程（8）还可以进一步简化，简化后方程为：

（9）

有效水分扩散系数可由lnMR对时间的曲线获得。由方程（9）可以看出，lnMR-t是一条直线，斜率K为：

（10）

在不同的干燥条件下，用实验数据拟合lnMR-t直线方程，根据直线方程的斜率计算Deff。

1.6 活化能

与温度有关的活化能由阿伦尼乌斯方程[21]计算：

（11）

式中：D0为阿伦尼乌斯方程前置因子/（m2/s）；Ea为活化能/（kJ/mol）；R为气体常数/（kJ/（mol•K））；T为温度/℃。

在不同的干燥温度下，将方程两边取对数，对lnDeff与1/T
进行线性拟合，由拟合直线的斜率计算出活化能Ea。

1.7 复水率

称取一定质量的干燥样品（m1）放入烧杯中加500mL水，40 ℃水浴5 h后取出，用滤纸吸干表面水分，在电子天平上称质量（m2），计算公式为：

（12）

2 结果与分析

2.1 干燥数学模型的拟合

把干燥实验的干基含水率转换成水分比，对前述的4个模型（式（2）～（5））进行非线性回归。4个模型的拟合度对比由R2、χ2和RMSE进行比较，数据分析结果见表1～3。

表 1 50 ℃薄层干燥模型拟合结果

Table 1 Statistical results from various thin-layer drying models at 50 ℃

表 2 60 ℃薄层干燥模型拟合结果

Table 2 Statistical results from various t hin-layer drying models at 60 ℃

表 3 70 ℃薄层干燥模型拟合结果

Table 3 Statistical results from various t hin-layer drying models at 70 ℃

由表1～3可知，对于对照组和预处理组，4个模型中，Parabolic模型的R2最大、χ2和RMSE相对较小，R2范围为0.80339～0.99911、χ2范围为0.00005～0.00836、RMSE范围为0.01055～0.02891。这说明无核白葡萄的干燥特性与二次多项式Parabolic模型最符合，分析结果与大蒜[22]和无核小葡萄[6]的模型分析相似，但是与黑葡萄[7]的最适模型Page模型不同，这可能与葡萄种类和干燥条件有关。

2.2 不同预处理对干燥时间的影响

图 1 预处理对无核白葡萄热风干燥时间的影响

Fig.1 Effect of pretreatment on drying time of white grapes

由图1可知，随着干燥过程的进行，无核白葡萄含水率不断下降，且预处理组比对照组下降更快，干燥时间明显缩短。要达到预期的最终含水率，当干燥温度为50 ℃，对照组需要42 h，预处理组只需28 h；干燥温度为60 ℃时，对照组需要26 h，预处理组只需21 h；干燥温度为70 ℃时，对照组需要13 h，预处理组只需11 h。干燥温度为50、60、70 ℃时，经过预处理的无核白葡萄干燥时间分别缩短33.3%、19.2%、15.4%，这与文献[7, 23-26]的干燥预处理规律相似。干燥温度相对较低时，干燥时间缩短的比例相对较大，说明预处理对缩短干燥时间的贡献率随着干燥温度的降低而增大，即在一定干燥温度范围内，温度越低，预处理对缩短干燥时间的作用越明显。由此可见，采用预处理，可以显著提高干燥速率，缩短干燥时间。

2.3 预处理对有效水分扩散系数的影响

有效水分扩散系数越大，则水分扩散能力越强，干燥速率越快。一般食品材料的有效水分扩散系数范围为10－10～
10－8 m2/s。将实验数据转换为lnMR-t，并进行线性拟合，拟合方程的斜率为K，根据式（10）计算得Deff。不同干燥条件下无核白葡萄的有效水分扩散系数如表4所示，有效水分扩散系数范围为1.9×10－10～4.9×10－10 m2/s，这一结果与其他干燥实验的数据相似[27-30]。

表 4 不同干燥条件下无核白葡萄的有效水分扩散系数

Table 4 The effective diffusivity of white grapes at different drying conditions

从图2、表4可知，有效水分扩散系数随着温度的升高而增加，预处理组有效水分扩散系数大于对照组有效水分扩散系数。50 ℃预处理组和对照组水分扩散系数分别为2.8×10－10 m2/s和1.9×10－10 m2/s；60 ℃预处理组和对照组水分扩散系数分别为3.3×10－10 m2/s和2.5×10－10 m2/s；70 ℃预处理组和对照组水分扩散系数分别为4.9×10－10 m2/s和3.7×10－10 m2/s，预处理组比对照组的有效水分扩散系数分别提高了47.4%、32.0%、32.4%。从结果可以看出，干燥预处理可以显著提高有效水分扩散系数，促进水分向物料表面扩散，从而提高干燥速率。预处理添加剂的作用就是增加干燥物料内外的渗透压，从而加快水分扩散。一般有效水分扩散系数随着温度的升高而增大，上述结果显示，干燥温度为50 ℃时有效水分扩散系数提高的幅度最大，干燥温度为60 ℃和70 ℃时有效水分扩散系数提高的幅度相当。这可能因为，当干燥温度升高到60～70 ℃时，干燥表面传入的能量大于水分去除所需能量时，物料微观组织结构发生了变化，改变了原有水分脱除的通道，少量的糖分外渗使物料表面黏性变大，对内外水分扩散也产生较大的影响，这些复杂的因素使得有效水分扩散系数提高的幅度与干燥温度的关系不呈单调变化规律。

图 2 不同干燥温度的有效水分扩散系数

Fig.2 Variation of effective diffusivity with drying temperature

2.4 预处理对平均活化能的影响

将式（11）两边取对数，然后将lnDeff 与1/（T+273.15）的曲线进行线性拟合，根据拟合直线的斜率，计算出无核白葡萄的活化能Ea。式（13）和（14）分别表示预处理组和对照组温度的阿伦尼乌斯关系。一般食品材料干燥过程的活化能范围为12.7～110kJ/mol[27]。

（13）

（14）

由图3可知，本实验中预处理组和对照组的平均活化能分别为23.26kJ/mol和27.71kJ/mol，预处理组的平均活化能比对照组的平均活化能降低16.1%。活化能越低，水分越容易除去。由此可见，预处理对无核白葡萄干燥过程具有促进作用。

图 3 有效水分扩散系数与绝对温度倒数关系

Fig.3 Effective diffusivity vs. reciprocal absolute temperature

2.5 预处理对复水率的影响

复水率是评价干燥品品质的一个重要指标，它可以反应干燥过程或预处理对干燥产品的破坏程度，较低的复水率可能是由于样品组织结构破坏程度较大造成的。

表 5 不同干燥条件下无核白葡萄的复水率

Table 5 Rehydration rates of white grapes at different drying conditions

%

由表5可知，在相同温度下，预处理组的复水率都比对照组高，且70 ℃预处理组的复水率最高，这与柿子片[8]、甜樱桃[9]、槟榔叶[31]等干燥产品复水率变化的结论一致。

3 结 论

3.1 比较评价4种常用农产品薄层干燥模型非线性拟合的R2、χ2和RMSE，Parabolic模型的模拟效果最好，更加适合描述无核白葡萄热风干燥水分比与干燥时间之间的关系。

3.2 无核白葡萄经5 g/100 mL碳酸钾和0.6 g/100 mL橄榄油混合液进行干燥预处理后，能明显改善干燥效果。通过比较预处理组和对照组的干燥特性，得出如下结论：干燥前预处理可以缩短干燥时间、提高物料有效水分扩散系数和降低干燥活化能，达到降低干燥能耗的目的。

3.3 预处理得到的干制品，复水率比对照组高，说明本实验设计的预处理方法不仅可以提高干燥速率，而且对保持干制品的品质有较好的效果。

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