热风干燥过程中小白杏色泽的变化及其动力学研究

闫圣坤 李忠新 王庆惠 孙俪娜

(新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

热风干燥过程中小白杏色泽的变化及其动力学研究

闫圣坤 李忠新 王庆惠 孙俪娜

(新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

为降低小白杏因干燥引起的褐变，保证产品干燥后色泽良好，同时为小白杏干燥设备选型及工艺确定提供理论依据，选择热风干燥的方式，以新疆小白杏为原料，以亮度值(L)、红绿值(a)、黄蓝值(b)、总色差(△E)和褐变指数(BI)为考察指标，研究了热风干燥温度(40，50，60 ℃)和风速(2，3，4 m/s)对新疆小白杏色泽的影响，并在该基础上建立新疆小白杏热风干燥色泽变化动力学模型，有效预测、调节杏褐变程度。结果表明：小白杏在不同风速、不同干燥温度条件下均发生了较为明显的颜色变化，不同热风干燥温度对干燥时间和干燥后杏干色泽均有显著影响，而不同干燥风速对干燥后杏干色泽影响不显著。在不同热风干燥温度和不同风速条件下干燥小白杏的L值和b值随着干燥时间的延长逐渐降低，而a值、△E值和BI值均逐渐升高。小白杏热风干燥过程中颜色参数的反应速率常数k值随着干燥温度的升高而呈现出一定的规律性变化，其中k值受热风温度的影响较大，受风速的影响较小。根据拟合决定系数R2的比较结果，通过动力学方程模拟，得出0阶模型能更好地描述和预测不同风速和不同干燥温度条件下小白杏在热风干燥过程中的颜色变化，而在不同风速和干燥温度条件下小白杏褐变动力学模型模拟效果较好的是1阶模型。该研究为小白杏干燥工艺及杏干产品感官品质控制提供了理论依据。

小白杏；热风干燥；色泽变化；动力学

杏，蔷薇科李属植物(PrunusarmeniacaL.)，起源于中国的新疆。新疆是中国杏栽培面积和产量最大的地区，截止2013年底，年产量达到了132.54万t[1]。新疆的杏主栽品种有赛买提、小白杏、明星杏和胡安娜等20余种[1]。杏果实因其香气浓郁、营养丰富，不仅可以生津止渴，还对癌症及心血管疾病有一定的保健功效，深受人们的喜爱。但是鲜杏成熟期短，极不耐贮存，容易腐烂变质，常温货架期仅5 d左右，因此，将杏脱水干燥制成杏干成为延长杏贮藏期的重要方法之一。

目前，鲜杏干燥的主要方法为自然晾晒法，这种方法不需任何设备，成本低[2]，但受环境条件制约，产品质量很难保证，加工周期也较长，杏干成色较差。为防止传统干燥过程中杏子褐变严重，生产上通常是在干燥过程中进行熏硫处理。硫可以抑制杏内部部分酶促反应，但非酶促反应仍在继续[3]，而且硫对人体的消化系统具有很大的损害。因此，亟需一种现代干燥技术取代自然晾晒，既能缩短干燥时间，又能提高杏干的品质。

微波真空干燥、红外线干燥、真空脉动干燥等干燥技术都是近年来国内外果蔬干燥方法中常用的方法[4]，具有高效保留营养成分的优点，但是这些干燥方法存在着能耗大、成本高、稳定性要求高等缺点。相反，热风干燥可降低干燥成本[5-7]。目前关于杏热风干燥的研究多集中于干燥动力学的研究，Togrul等[8]研究了杏在不同干燥温度和风速下的干燥动力学模型，确定了logarithmic模型为最优模型；Oguz[9]则进行了薄层干燥模型的研究，确定了Page模型为最佳动力学模型。而在干燥品质方面，色泽是影响小白杏品质的重要指标[8]，杜志龙等[10]研究了两个品种杏在促干剂和气体射流冲击作用下的干燥特性和色泽变化，得出不同处理的杏干燥特性不同，而相同处理不同杏，则干燥特性相近；Ali[11]研究了杏干干燥后储藏过程中的色泽变化规律，但未有涉及杏干燥过程中品质尤其是色泽劣变机理的研究。

本研究拟通过研究不同干燥温度及风速条件下杏亮度值(L)、红绿值(a)、黄蓝值(b)、总色差(△E)和褐变指数(BI)[12](以Hunter Lab表色系统中L、a和b为基本参数，通过公式计算得到)随干燥时间的变化规律，及在此基础上利用不同模型建立新疆小白杏热风干燥色泽变化动力学模型，旨在为新疆小白杏热风干燥工艺的确定和产品的品质控制方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

杏：新疆库车小白杏，购于新疆乌鲁木齐北园春市场。其平均直径约为 2.3 cm，平均质量为 13.2 g/个，湿基含水率为81.2%(烘干法测定[10]，105 ℃烘24 h)。试验前，鲜杏放于纸箱中，置于(5±1) ℃冰箱保存。

1.1.2 主要仪器设备

内循环热风干燥试验装置：新疆农业科学院农业机械化研究所研制；

电子天平：ME104E型，梅特勒-托利多仪器公司；

色差仪：CR-10型，日本Konica Minolta公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9140A型，上海一恒科技有限公司；

风速计：AS-836型，东莞万创电子制品有限公司。

1.2 方法

将杏从冰箱中取出，常温放置4 h。挑选大小、成熟度基本一致，无创伤的作为试验物料，洗净、擦干表面水分，放入密封袋中待用。开启干燥设备，当干燥室内温度达到设定温度时，将小白杏均匀地摆放在聚乙烯物料盘中，试验装置内托盘为上中下共3层，同一托盘中相邻的物料不重叠，开始试验。

分别采用不同的干燥温度(40，50，60 ℃)和风速(2，3，4 m/s)进行热风干燥试验[13-14]，在前50 h，每隔10 h从设备中取出10个杏样品，测定样品的L、a、b值，自50 h后，每隔2 h从设备中取出10个杏样品，测定样品的L、a、b值，直到小白杏湿基含水率降到15%时停止试验。具体试验安排见表1。

表1 不同干燥条件下试验温度及风速设定†Table 1 Test temperature and air velocities setting under different drying condition

†t终：小白杏干燥到湿基含水率降到15%以下所用的总时间。

1.2.1 色泽的测定 将鲜样和干燥后的杏干用色差仪测定颜色参数亮度值L、红绿值a、黄蓝值b，每组样品检测6次，取平均值，并以此为依据，按式(1)计算总色差△E。

(1)

式中：

△E——总色差；

L0、a0、b0——初始原料测得的颜色指标；

L1、a1、b1——干燥时间t测得的颜色指标。

1.2.2 褐变指数BI的计算 将干燥后的杏干用色差仪测定，其中L值越大说明色泽亮度越大，b值越大说明其黄色度越大，a值越大说明其红色度越大。有研究[15]指出，由表色系统为基本色泽参数，进一步利用相关公式来计算BI值经常被用来评价高糖物料的褐变大小，小白杏属于高糖物料，所以本研究也用此法表示物料的褐变程度。BI值表示在加工或储藏过程中小白杏的颜色变化，按式(2)计算[12]：

(2)

(3)

式中：

BI——在干燥过程中小白杏的褐变指数；

L——亮度值；

a——红绿值；

b——黄蓝值；

x——色度坐标。

1.2.3 色泽变化动力学模型 通过测定不同干燥条件下L、a、b、△E及BI值的变化，绘制颜色变化动力学曲线，为有效预测、调节杏褐变程度提供理论依据。根据已有研究[16-18]报道中均采用0阶模型和1阶模型来表现物料颜色变化与时间的关系，因此，本研究采用0阶模型和1阶模型，见式(4)、(5)。

D=D0+kt，

(4)

D=D0·exp(kt)，

(5)

式中：

D0——初始颜色指数；

D——不同烘干条件下的颜色指数；

t——烘干时间，h；

k——变化速率常数。

将试验数据与0阶、1阶模型进行拟合，计算出k值及其他参数，并利用R2评价模型拟合好坏，选择拟合度高的模型描述杏干燥过程中的颜色变化规律。

2 结果与分析

2.1 不同风速条件下L、a、b、△E及BI的变化及动力学模型研究

2.1.1L、a、b、△E的变化及动力学模型研究 由图1(a)、(c)可知，L、b值均随着干燥时间的增加而降低，而且干燥温度越高，下降速率越快。由图1(b)、(d)可知，a值和△E值则是随着干燥时间的增加呈增大趋势，干燥温度越高，a值上升的速率越快，即随着干燥时间的增长，小白杏的亮度降低，颜色加深，变为深红色。但小白杏在不同风速条件下，L、a、b、△E值差距不明显，说明风速对小白杏颜色变化影响不大。这些颜色的变化可能跟它在干燥过程中发生了褐变反应有较大的关系。△E值作为色差综合评定指标，其值越大表示颜色差异越大，当△E>3.5时，色差就已经比较明显。因此，在不同风速条件下干燥小白杏，在视觉上均能观察出其颜色发生了明显变化。

由表2可知，按照0阶模型拟合L、a、b、△E的反应速率常数k值均呈现了较好的规律性变化。同一干燥温度，干燥风速由2 m/s变为4 m/s，L的k值则由-0.261 1 min-1逐渐降低到-0.269 9 min-1，a的k值由0.093 6 min-1降低到0.092 2 min-1，b的k值由-0.139 3 min-1逐渐降低到-0.146 9 min-1，△E的k值由0.306 5 min-1逐渐上升到0.321 0 min-1，说明小白杏在干燥过程中，风速越高，小白杏的颜色变化速率越快，但是变化速率幅度很小。按照1阶模型拟合L、a、b、△E的反应速率常数k值的变化均仅为0.000 1～0.000 2。由表2可知，小白杏热风干燥过程中颜色参数的反应速率常数k值受风速的影响较小。同时，从拟合决定系数R2比较得出，0阶模型的拟合程度要优于1阶模型，因此，用0阶模型能更好地描述和预测不同风速条件下小白杏在热风干燥过程中的颜色变化。

2.1.2BI的变化及动力学模型研究 由图2可知，鲜杏的初始BI值约为130.53。随着干燥时间的延长，小白杏的褐变指数BI值逐渐升高，表明在热风干燥过程中，小白杏的褐变程度在增加，当含水率达到15%时，风速为2 m/s干燥时间为70 h，褐变指数BI值最高(157.96)，其次是风速为4 m/s 干燥时间为68 h，褐变指数BI值为156.93，风速为3 m/s，干燥时间也为70 h，褐变指数BI值最低(156.53)，说明不同风速对小白杏的褐变指数BI影响不大，仅在干燥时间上存在略微差异。

图1 不同风速条件下小白杏的L、a、b、△E随干燥时间的变化曲线Figure 1 L, a, b, △E value of white apricot changes with drying time in different air velocities

表2 不同风速条件下小白杏L、a、b、△E变化动力学模型拟合结果Table 2 Kinetic model parameters for L, a, b, △E change of white apricot in different air velocities

图2 不同风速条件下小白杏褐变指数随干燥时间 的变化曲线Figure 2 BI value of white apricot changes with drying time in different air velocities

0阶模型和1阶模型对小白杏在不同风速条件下干燥的褐变动力学模拟结果见表3，可知，两种模型在不同风速条件下的拟合决定系数R2为0.879 4～0.943 5，模拟效果均良好，其中在风速为2，3，4 m/s条件下，均是1阶模型的模拟效果较好，R2分别为0.894 2，0.931 0，0.952 3，因此，在不同风速条件下小白杏褐变动力学模型模拟效果较好的是1阶模型。

2.2 不同热风温度条件下L、a、b、△E及BI的变化及动力学模型研究

2.2.1L、a、b、△E的变化及动力学模型研究 由图3可知，L、b值均随着干燥时间的增加而降低，而a值和△E值则是随着干燥时间的增加呈增大趋势。并且由图可得出，温度为40 ℃时，L、b值下降和a、△E值上升速率均为最慢，证明干燥温度越低，干燥后的小白杏颜色越为鲜亮，但干燥时间却较长，在同等时间条件下，最终干燥温度均为60 ℃时，分段式热风干燥较单一温度干燥L、b值下降和a、△E值上升速率均慢，同时还印证了随着干燥的时间的增长，小白杏的亮度降低，颜色变红变深，说明颜色的变化与褐变反应有关。同理，在视觉上也能观察出不同温度条件下干燥小白杏的颜色发生了明显变化。

由表4、5可知，按照0阶模型拟合L、a、b、△E的k值均呈现了较好的变化规律。随着热风薄层干燥温度的升高，恒定干燥温度条件下L的k值由-0.272 3 min-1逐渐降低到-0.344 5 min-1，a的k值由0.095 9 min-1上升到0.104 1 min-1，b的k值由-0.188 8 min-1逐渐降低到-0.208 3 min-1，△E的k值由0.344 9 min-1逐渐上升到0.415 6 min-1，说明小白杏在干燥过程中，随着温度的升高小白杏的颜色变化速率加快；变温干燥50 ℃→60 ℃条件下小白杏L、b的k值依次为-0.308 9，-0.194 6 min-1，均为最大，40 ℃→60 ℃条件下a、△E的k值依次为0.147 7，0.476 5 min-1，均为最大。按照1阶模型拟合L、a、b、△E的反应速率常数k值也呈现了较好的变化规律，变化规律与0阶模型相近。由表4分析可知，小白杏热风干燥过程中颜色参数的反应速率常数k值受温度的影响较大。同时，从拟合决定系数R2比较得出，0阶模型的拟合程度要优于1阶模型，因此用0阶模型能更好地描述和预测不同热风温度条件下小白杏在热风干燥过程中的颜色变化。

表3 不同风速条件下小白杏褐变动力学模型拟合结果Table 3 Fitting results of white apricot colour kinetics in different air velocities

图3 不同热风温度条件下小白杏的L、a、b、△E随干燥时间的变化曲线Figure 3 L, a, b, △E value of white apricot changes with drying time in different hot-air temperatures

2.2.2BI值的变化及动力学模型研究 在不同的干燥温度条件下[恒温40，50，60 ℃，变温40 ℃(10 h)→60 ℃(结束)、50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)、40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)]小白杏BI值随着干燥时间的变化曲线见图4。由图4可知，随着干燥时间的延长，小白杏的BI值逐渐升高，这表明在热风干燥过程中，小白杏的褐变程度在增加。热风温度60 ℃下，干燥至水分含量15%的时间为52 h，时间最短但小白杏的BI值最高，为169.54；热风温度50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)条件下，干燥时间为58 h，其BI值为166.97；热风温度40 ℃(10 h)→60 ℃(结束)条件下，干燥时间为54 h，其BI值为163.51；热风温度40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)条件下，干燥时间为60 h，其BI值为160.49；热风温度50 ℃下，干燥时间为64 h，其BI值为158.94；热风温度40 ℃下，干燥时间为70 h，干燥时间最长但其BI值最低，为156.53，说明干燥温度越低，小白杏的BI值越小，其褐变程度越小，但干燥时间却越长。另外，分段式热风干燥较单一温度干燥时的BI值小；干燥前30 h小白杏的褐变变化速率上升慢，30～50 h时上升快，50 h后趋于平缓。小白杏在干燥过程中的褐变反应分为酶促褐变和非酶促褐变，热风干燥时小白杏中的多酚氧化酶在干燥过程中仍具有活性，在干燥过程中与氧气、水作用发生酶促褐变，同时小白杏中的糖类物质分解发生美拉德反应，也生成了棕褐色的物质。因此，分段式干燥较单一温度干燥既可缩短干燥时间，又可降低小白杏的褐变。

表4 不同热风温度条件下小白杏L、a、b、△E变化动力学模型拟合结果(0阶模型)

Table 4 Kinetic model parameters forL,a,b, △Echange of white apricot in different hot-air temperatures(0-order model)

干燥温度/℃参数D=D0+ktD0kR2L69.0640-0.27230.931440a2.85760.09590.8457b52.6510-0.18880.9218△E-2.43140.34490.9241L67.8430-0.29470.984850a3.62750.11250.9899b51.1820-0.20050.9961△E-0.44720.37370.9935L66.3420-0.34450.984360a4.13980.10410.9916b51.3420-0.20830.9882△E0.82000.41560.9872L67.7420-0.37080.992940→60a3.57430.14770.9845b51.8870-0.26050.9945△E-0.78050.47650.9934L67.4900-0.30890.987450→60a3.75530.10230.9785b51.0400-0.19460.9935△E-0.06790.37900.9916L68.0880-0.34110.988340→50→60a3.15960.12660.8874b51.9340-0.23740.9735△E-0.18990.43450.9797

表5 不同热风温度条件下小白杏L、a、b、△E变化动力学模型拟合结果(1阶模型)

Table 5 Kinetic model parameters forL,a,b, △Echange of white apricot in different hot-air temperatures(1-order model)

干燥温度/℃参数D=D0•exp(kt)阶段温度/℃D0kR2L69.9250-0.00470.905540a403.57090.01440.9361b53.1790-0.00420.8991L68.4970-0.00520.973150a504.10190.01580.9949b51.4860-0.00450.9962L66.6860-0.00600.991560a604.31590.01600.9573b51.5200-0.00460.989340→60Lab4067.2000-0.00351.00006068.3640-0.00660.9882403.90000.01871.0000604.05380.02020.98044051.4000-0.80381.00006052.3040-0.00590.987650→60Lab5067.2000-0.00411.00006068.0110-0.00540.9793503.90000.02281.0000604.10150.01530.98855051.4000-0.00441.00006051.2490-0.00430.995740→50→60Lab4067.2000-0.00351.00005068.6000-0.00551.00006068.8380-0.00610.9769403.90000.01871.0000503.94460.01751.0000603.83490.01760.96364051.4000-0.00381.00005052.1330-0.00521.00006052.4230-0.00540.9576

图4 不同热风温度条件下小白杏褐变指数随干燥 时间的变化曲线

Figure 4BIvalue of white apricot changes with drying time in different hot-air temperatures

0阶模型和1阶模型对小白杏在不同热风温度条件下干燥的褐变动力学模拟结果见表6、7。两种模型在不同热风温度条件下的拟合决定系数R2为0.919 9～0.993 9，其中在热风恒温温度为40，50，60 ℃，变温50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)和40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(结束)条件下，均是1阶模型的模拟效果较好，R2依次为0.931 0，0.970 5，0.985 5，0.993 9，0.984 4，在40 ℃(10 h)→60 ℃(结束)热风温度条件下，0阶模型的模拟效果较好，R2为0.984 0，比较两种模型的R2，表明不同热风温度条件下小白杏褐变动力学模型模拟效果较好的是1阶模型。

表6 不同热风温度条件下小白杏褐变动力学模型拟合结果(0阶模型)

Table 6 Fitting results of white apricot colour kinetics in different hot-air temperatures(0-order model)

干燥温度/℃D=D0+ktD0kR240126.280.40070.919950128.830.36760.963660128.630.72590.978940→60128.760.61840.984050→60128.560.64860.992140→50→60128.820.51000.9837

表7 不同热风温度条件下小白杏褐变动力学模型拟合结果(1阶模型)

Table 7 Fitting results of white apricot colour kinetics in different hot-air temperatures(1-order model)

干燥温度/℃D=D0•exp(kt)阶段温度/℃D0kR24040126.920.00280.93105050129.170.00260.97056060129.400.00490.985540→6040130.530.12901.000060129.300.00420.982950→6050130.530.27301.000060129.290.00440.993940→50→6040130.530.12901.000050125.430.63901.000060129.310.00350.9844

3 结论

(1) 小白杏热风干燥过程中，热风温度对干燥时间和产品品质(主要是褐变)有重要影响，在不同风速、不同温度的热风干燥条件下，小白杏均发生了较为明显的颜色变化，其中L值和b值逐渐降低，而a值、△E值和BI值均逐渐升高。

(2) 通过动力学方程模拟，0阶模型能更好地描述和预测不同风速和温度的热风干燥条件下小白杏的颜色变化，而1阶模型能够较好地模拟不同风速和温度的热风干燥条件下小白杏的褐变指数变化。同时，分段式变温干燥较单一温度干燥既可缩短小白杏的干燥时间，又可降低其褐变。

小白杏热风干燥过程的动力学研究，为实时监控干燥进程和保证产品质量，避免不必要的损失提供了数据支持，但从目前的研究现状来看，模型还需要进一步的精确化，模型未与自动化控制技术紧密结合，因此，利用动力学模型方法优化实际操作进程为未来的研究提供了理论依据。

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Kinetics of colour change of white apricot in XinJiang during hot-air drying

YAN Sheng-kunLIZhong-xinWANGQing-huiSUNLi-nai

(AgriculturalMechanizationInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

In order to ensure white apricot a good color after drying, avoiding brown appearance, as well as provide the theoretical basis for the selection of drying equipment and process determination of the small white apricot, the hot-air drying method was investigated in this study. The brightness value (L), red-green value (a), yellow-blue value (b), total chromatic aberration (△E) and browning index (BI) were taken as the study indexes, the influence of different hot-air drying temperatures (40, 50, 60 ℃) and wind speeds (2, 3, 4 m/s) on Xinjiang white apricot was studied. Moreover, the dynamic model of its color change of by hot-air drying was established by using different models to effectively predict and regulate the degree of apricot browning. The results showed that more obvious color changes have occurred to white apricots in the different wind speeds and different hot-air drying temperature conditions, and the different hot-air drying temperatures have significant effects on the drying time and color of dried apricot after drying. However, different drying wind speeds were found no significant effect on the color of dried apricot after drying. Under conditions of different hot-air drying temperatures and wind speeds, theLandbvalues of dried white apricots were gradually decreased with the extension of the drying time, while △EandBIvalues gradually increased. In the process of hot-air drying, the reaction rate constantkvalue of the color parameter of white apricot showed a certain regular changes with the increase of the drying temperature. Of which thekvalue is greatly affected by the hot-air temperature, and was less affected by the wind speed. According to the comparison result of the fitting determination coefficientR2, by means of kinetic equation simulation, it was concluded that the 0-order model could be used to better describe and predict the color change of white apricot in the hot-air drying process under different wind speeds and drying temperatures. However, under conditions of different wind speeds and drying temperatures, the first-order model was better for the dynamic simulation of white apricot browning. Our results provided the theoretical basis for drying process of white apricot as well as sensory quality control of dried apricots.

white apricot; hot-air drying; colour change; kinetics

国家自然科学基金地区基金项目(编号：31460397)

闫圣坤，女，新疆农业科学院农业机械化研究所助理研究员，硕士。

李忠新(1958-)，男，新疆农业科学院农业机械化研究所研究员。E-mail:13369677078@163.com

2016-11-25

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.009