洋葱切片热风干制特性和数学模型的建立

王存堂++张雄峰++王伟++李鑫++王璐瑶+++王芝伟++李萌

摘要：研究洋葱切片在60、70、80、90 ℃不同干制温度下薄层热风干制特性，建立干制过程中的数学模型，以分析热风干制温度对洋葱切片干制特性的影响。结果表明，洋葱切片热风干制过程以降速干燥为主，热风干制时的水分转移符合菲克（Fick）扩散模型，从确定系数（R2）、卡方（χ2）、均方根误差（RMSE）3个统计数据分析，Page方程模型与洋葱切片干制过程的拟合度较高。

关键词：洋葱切片；干制特性；薄层干制模型；温度

中图分类号： TS255.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0369-03

收稿日期：2015-05-11

基金项目：黑龙江省自然科学基金面上项目（编号：C2015050）；齐齐哈尔大学青年教师科研启动支持计划（编号：2014K-M25）。

作者简介：王存堂（1980—），男，甘肃高台人，博士，副教授，主要从事农产品储藏与加工研究。Tel：（0452）2714727；E-mail：robbertwang@163.com。洋葱（Allium cepa）系百合科葱属多年生草本植物，以肥大的肉质鳞茎供食用，营养价值较高，在欧美素有“蔬菜皇后”之美誉[1]。 洋葱在中国分布很广，南北各地均有栽培，而且种植面积还在不断扩大，是目前中国主栽蔬菜之一[2]。洋葱收获季节相对比较集中，其鳞茎含水量高，易腐烂，贮藏难度大，在运输过程中损失较大，运输成本较高，因此，通常将洋葱干制脱水后再进行外销。洋葱有红皮洋葱、黄皮洋葱、白皮洋葱之分，本试验选用黄皮洋葱，其皮为黄色或淡黄色，扁圆形，直径6～8 cm，肉质为鳞片状，组织细密，辣味较浓，产量虽比红皮种低，但品质较好，可作脱水加工用[3]。

果蔬干制有晒干、烘干、减压干制及冷冻干制等多种方式。晒干过程果蔬容易被微生物污染，产品卫生质量差，质量不均一；烘干、冷冻干燥耗时耗能。为缩短干制时间，减少营养成分损失和能量消耗，物料切片后再干制被广泛应用于果蔬的脱水干制加工[4]。但是，果蔬干制过程中水分变化对干燥过程的意义重大，将直接影响产品的品质，而限于现代干燥技术，实现干燥过程中物料水分的在线检测是个难题。研究干燥过程中果蔬水分的变化规律，将为其实际脱水生产提供更多的数据支持。目前，已有学者对辣椒、番茄、胡萝卜、梨等果蔬物料切片进行热风干燥特性和动力学模型研究[5-11]，而关于洋葱切片热风薄层干制数学模型的研究鲜见报道。因此，本试验将洋葱进行切片处理并热风干制，考查洋葱切片热风干制温度对其干制特性的影响，建立干制过程中的数学模型，以望为洋葱的生产加工实践提供基础数据支持。

1材料与方法

1.1试验材料

无软烂、大小均一的新鲜黄皮洋葱，购于黑龙江省齐齐哈尔农贸市场。

1.2主要仪器设备

数显101A-2型电热鼓风干燥箱，由上海浦东荣丰科学仪器有限公司生产；BS222S电子天平，由赛多利斯科学仪器（北京） 有限公司生产。

1.3试验方法

干制之前，将洋葱外层干皮剥去，用刀将洋葱横切成宽度为（0.5±0.1） cm的切片，切片大小均匀一致，初始的水分含量（M0）为（10.43±0.52） g/g（水分质量/干物质质量，下同）；干制试验前2 h，将热风干燥箱开机并分别选定温度，以获得稳定的干制条件；准确称取洋葱切片200 g，单层平铺于铁丝网上，置于电热鼓风进行干燥，干制温度分别为60、70、80、90 ℃，风速恒定为1.0 m/s；每隔10 min 记录1次洋葱切片的质量变化，精确至0.01 g，每次称质量不超过20 s，直至连续3次质量不发生变化为止。重复3次。

1.4热风干制的特性

1.4.1水分比和干制速率的计算洋葱切片薄层干制试验的水分比（MR）和干制速率（DR）的计算方程分别为：

MR=（M-Me）/（M0-Me）；

DR=（Mt+dt-Mt）/dt。

式中：M为任意时刻的水分含量，M0为初始水分含量，Me为平衡水分含量，Mt为t时刻的水分含量，Mt+dt为t+dt时刻的水分含量，单位均为g/g；t为干制的某一时刻，单位为min。当干制时间较长时，与M或M0相比，Me值比较小时可以忽略不计，此时，MR=M/M0。

1.4.2相关系数和误差分析利用5个常见的理论-扩散模型（表1）分别描述洋葱切片的干制曲线[5，8]，以选择合适的数学模型描述洋葱切片的干制过程。

采用OriginPro 8.5数学统计软件分析线性和非线性回归方程，统计确定系数（R2）、卡方（χ2）、均方根误差（RMSE）3个参数。χ2、RMSE的计算方程分别为：

χ2=∑Ni=1（MRexp，i-MRpre，i）2N-z；

RMSE=1N∑Ni=1（MRexp，i-MRpre，i）2。

式中：MRexp，i、MRpre，i分别为试验MR值和预测MR值，N为观测点数量，z为干制数学模型中常数的数量。

2结果与分析

2.1洋葱切片的干制曲线

干制特性曲线是物料水分比（MR）与干制时间之间的关系曲线，可表明水分含量随干制时间延长而下降的过程。由图1可见，洋葱切片的MR值随干制时间延长而逐渐下降；热风温度对MR值的影响较为明显，温度分别为60、70、80、90 ℃ 条件下，干制获得平衡水分的时间分别为230、170、140、120 min；热风温度的增加加速了洋葱切片的干制过程，干制时间缩短。这在番茄片、梨切片、茄切片、苹果渣等[6，8，12-13]干制过程中均有类似报道。

2.2洋葱切片的干制速率

由图2可见，洋葱切片干制过程中只有极短时间的加速干燥，达到某一速率便依次进入减速干燥、降速干燥过程，洋葱切片干制没有出现恒速干燥过程。这主要是因为洋葱在干

制过程中，表面的水分扩散速率大于洋葱内部的水分转移速率，水分扩散过程很快，与Vega等的研究结果[5，12-13]相似。由图3可见，随水分含量持续下降，洋葱切片的干制速率降低；洋葱切片干制速率大于0.07 g/（g·min） 时，干制温度越高，干制速率越大，洋葱切片干制速率小于0.07 g/（g·min）时，干制温度越高，干制速率越小。干制后期，洋葱切片内部水分含量越低，干制的速率越小，水分也越难以除去。因此，在干制后期，可采用微波干制等干制方式以加快水分的蒸发，缩短干制时间[7]。

2.3洋葱切片的热风干制模型

由表2可见，R2、χ2、RMSE值的变化范围分别为 0.971 8～0.998 5、0.001 4×10-4～0.003 1、0.000 3～0.053 3；Page模型计算得到的R2相对较大，χ2、RMSE相对较小，这说明其拟合度相对较高，能很好地描述洋葱切片的薄层干制过程。由图4可见，Page方程预测和试验数据测得的MR值非常吻合，这与Demiray等的研究结论[6，8，12]类似。

3结论

试验结果表明，热风温度对洋葱切片薄层热风干燥特性的影响十分明显，在60～90 ℃试验温度范围内，热风温度越高，洋葱切片的干燥速率越快，干燥时间越短，其干燥过程为开始短暂的升速阶段，其后为降速干燥阶段，没有恒速干燥阶段。经验数学模型的拟和结果表明，Page模型拟合度相对较高，R2值相对较高，χ2、RMSE相对较小，是模拟洋葱切片薄层热风干燥过程最适合的数学模型，能准确表达和预测洋葱切片薄层热风干燥过程中不同温度条件任一时刻的水分含量和干燥速率。

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