传统干燥工艺条件下葡萄制干特性及干燥模型研究

谢 辉，张 雯，韩守安，王 敏，钟海霞，伊卜拉伊木江·努尔麦麦提，潘明启，陆胜祖

(1.新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国葡萄干的主产区，年产量约为15×104～18×104t，占全国葡萄干总产量的95%以上，世界葡萄干产量排名第三，是新疆林果业的支柱产业[1-3]。新疆葡萄干的制干工艺主要以晾干和晒干两种传统工艺为主，其中晾干方式是新疆绿色葡萄干的主要生产工艺，晒干方式是新疆红褐色葡萄干的主要生产方式[4-7]，研究传统干燥工艺，对葡萄制干特性及干燥模型的影响具有重要的意义。【前人研究进展】新疆葡萄制干流传下来的主要制干工艺为晾干和晒干，一种为绿色葡萄干，一种为红褐色葡萄干[8]。前人关于葡萄制干进行了大量的研究，但是研究主要集中在不同制干工艺对葡萄成干速度[9,10]、葡萄干品质[11，12]及风味[13，14]等方面的影响。关于干燥工艺对物料制干特性及干燥模型的研究在红枣[15]、荔枝[16]、杏干[17]及蔬菜[18]上进行了研究。研究发现干燥模型能够较好的阐释以上干果干制过程中水分散失规律、干燥速率、水分散失速率和活化能，为干燥工艺的改进提供实践数据和理论指导。【本研究切入点】有关传统干燥工艺对葡萄制干特性及干燥模型的研究较少。研究针对新疆葡萄干生产中的主要传统工艺晾干、晒干进行研究，分析两种制干方式对葡萄制干特性、干燥模型及有效水分扩散系数的影响。【拟解决的关键问题】研究不同制干工艺对葡萄制干特性的影响，分析传统制干工艺干燥条件下葡萄果实内的干燥特性及失水规律，建立干燥动力学模型，分析葡萄干燥期间的水分变化规律，为葡萄干燥工艺的改进提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

无核白鸡心葡萄，可溶性固形物含量23.6%。无核白鸡心葡萄购买与鄯善县园艺场，总计购买鲜葡萄500 kg。测定无核白鸡心葡萄果粒的基本参数，单粒重4.65 g，纵横径分别为27.18 mm、17.02 mm，干燥半径8.5 mm。新疆农业科学院园艺所惠普园艺科技有限公司生产的促干剂。千分之一天平、路格L95-4型号温、湿度记录仪。

1.2 方 法

1.2.1 温度测定

采用路格L95-4型号温度记录仪放置在各个制干环境中，每个制干环境放置3台仪器，最后取平均值。

1.2.2 含水量测定

取200 g无核白鸡心葡萄干于制干环境中，每天采用百分之一天平测定其重量变化情况，然后计算葡萄干剩余的含水量。

1.2.3 干燥参数的计算[19]

干基含水率(Wt)计算公式为：

(1)

式中：Wt代表葡萄果实干基含水率，单位g/g；md代表葡萄干物质的质量，单位为g；mt为任意t时刻葡萄的质量，单位为g。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR为水分比，Mt-样品任意时刻葡萄果实的干基含水率，单位为g/g，Me-葡萄干的平衡干基含水率，单位为g/g；M0-葡萄的初始干基含水率，单位为g/g。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui为i时刻试验葡萄果实的干燥速率，单位为g/(g·min)，Mi为i时刻试验葡萄果实干基含水率，单位为g/g。

有效水分扩散系数(Deff)计算公式：

(4)

式中：Deff为葡萄的有效水分扩散系数，单位为m2/s；L为物料厚度，单位为米(m)；t为干燥时间，单位为小时(h)。

1.2.4 葡萄干干燥模型的建立

物料(葡萄)干燥过程是一个非常复杂的热量传递过程，涉及多种物理现象[20]，研究选用4个常见的干燥动力学数学模型进行拟合[21]。采用薄层干燥常用的4种数学模型对葡萄果实制干过程中水分比的笔画进行拟合。葡萄果实的干燥过程主要以降速阶段为主，葡萄制干过程中有效水分扩散系数采用Fick第二定律公式计算。表1

表1 用于干燥曲线分析的数学模型
Table 1 Mathematical models for drying curves

编号Number模型名称Model Name模型Model1NewtonMR=exp(-kt)2PageMR=exp(-ktn)3Simplified Fick’s diffusionMR=aexp(-ctL2)4Wang and SinghMR=1+at+bt2

将试验得到的数据进行拟合回归分析，并用决定系数R2、卡方检验值λ2和均方根误差RMSE来评价模型拟合的适用性，其表达式如下[21]：

(5)

(6)

R2值越大、χ2和RMSE越小，说明模型的拟合性越好。

在传统干燥工艺条件下，葡萄果实半径为0.85 cm条件下进行干燥试验，对模型进行验证。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007、 Origin 9.0软件进行数据处理、模型拟合和回归分析。

2 结果与分析

2.1 传统制干工艺条件下环境变化

研究表明，晒干制干工艺的最高温度高于晾干工艺，晒干制干工艺中的最低温度低于晾干制干工艺中的最低温度，晒干工艺中的最高温度68.2℃，晾干工艺的最高温度36.8℃；晒干工艺中的最低温度8.8℃，晾干工艺中的最低温度12.3℃。晒干工艺中温度差达到59.4℃，是晾干工艺的2.48倍。晾干工艺中的最高湿度低于晒干工艺中的最高湿度，晾干工艺中的最低湿度高于晒干工艺中的最低湿度。图1，图2

图1 传统制干工艺条件下制干环境中最高、最低温度变化
Fig.1 Changes in the highest and lowest temperature in a dry environment under traditional drying process conditions

图2 传统制干工艺条件下制干环境中最高、最低湿度变化
Fig.2 Changes in the highest and lowest humidity in a dry environment under traditional drying process conditions

2.2 传统工艺条件下葡萄果实的干燥特性

研究表明，两种制干工艺的干燥特性具有一定的差异，晒干制干工艺条件下葡萄果实的干燥速率高于晾干葡萄果实的干燥速率。晒干工艺制干所需时间180 h，晾干工艺制干所需时间380 h。干燥初期，由于葡萄果实组织细胞结构破坏，水分向外扩散速率较快，两种制干工艺的干基含水率下降明显，晒干工艺的干基含水率高于晾干工艺的干基含水率，是由于晒干环境中的温度明显高于晾干环境中的温度引起的。制干后期两种传统制干工艺条件下的干燥速率区别不明显，主要是由于制干后期外界气温下降，晒干环境中的温度显著下降；随着葡萄果实内水分含量的下降，葡萄果实表面硬化，导致水分扩散速率减慢，干燥速率降低。图3

图3 传统工艺条件下葡萄干燥曲线及干燥速率曲线

Fig.3Grapedryingcurveanddryingratecurveundertraditionalprocessconditions

2.3 葡萄薄层干燥动力学模型

2.3.1 葡萄干燥动力学模型的拟合

研究采用了薄层干燥常用的4种数学模型对葡萄果实制干过程中水分比的变化进行了拟合。计算葡萄的水分比MR，用Origin 9.0软件对表1中的4个干燥模型进行拟合，模型中干燥时间t的单位为小时(h)。传统制干工艺条件下，4个模型的常数及R2、χ2和RMSE等拟合检验指标结果见表2。筛选出的4个模型均可以模拟葡萄制干过程中的水分变化情况，通过对R2值的比较，page模型拟合结果最好，R2的均值达到了0.998 20，χ2值的结果为0.000 885，RSME平均值的结果为0.001 55。表2

表2 传统干燥工艺条件下葡萄果实数据拟合结果
Table 2 Statistical results of drying models for grape fruit under the different drying conditions

模型Model处理Dispose干燥常数Drying constantR2χ2RSMEPage晾干K=3.089×10-4 n=0.026 90.998 820.001 450.001 45晒干K=0.003 81 n=0.073 240.997 580.000 320.001 65Newton晾干K=3.579×10-40.984 540.001 730.020 72晒干K=0.002 140.994 840.000 740.004 23Wang and singh晾干a=-0.006 41 b=3.447×10-70.997 840.000 240.002 65晒干a=-0.017 72 b=7.487×10-50.965 520.004 710.023 54Simplified Fick's diffusion晾干a=1.057 4 c=2.957×10-18 L=1.806×10-80.986 640.001490.01492晒干a=1.013 58 c=4.817×10-13 L=4.134×10-60.992 620.001 010.004 03

2.3.2 Page模型求解

Page模型适用于描述葡萄果实的干燥过程，模型中的n和k是干燥工艺和半径(r)的函数，采用一元线性回归的方法对n和k与干燥工艺和半径进行分析：

当葡萄果实干燥半径为0.85 cm时，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1)

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1)

2.3.3 Page模型的验证

试验值与预测值拟合较好，说明采用Page模型可以很好的描述葡萄果实在传统干燥工艺制干过程中水分变化的规律。图4

2.4 有效水分扩散系数

研究表明，葡萄果实干燥过程中水分比MR的自然对数与干燥时间t呈线性关系。通过线性回归计算出传统干燥工艺条件下有效水分扩散系数Deff。两种干燥工艺晒干、晾干条件时，晾干方式的有效水分扩散系数分别为6.468 75 E-9，晒干方式的有效水分扩散系数为2.036 25 E-8，由此说明，传统工艺中晒干方式的有效水分扩散系数显著高于晾干方式的有效水分扩散系数。表3

图4 Page模型验证
Fig.4 Validation of Page model表3 传统干燥工艺条件下葡萄果实干燥有效水分扩散系数
Table 3 Effective moisture diffusivity of Grape fruit under tradition drying conditions

处理Dispose拟合公式Fitting formulaR2Deff(m2/s)晾干AirdryingInMR=-0.0115 t+0.255 20.9826.46875E-9晒干SundryingInMR=-0.0362+0.2870.976 32.03625E-8

3 讨 论

晾干和晒干是新疆葡萄制干的传统工艺，有着悠久的历史。晾干方式是新疆绿色葡萄干的主要制干方式，在世界范围内新疆是绿色葡萄干的主要生产区域，这与新疆吐鲁番、哈密地区制干时期的环境条件及晾房结构和微环境具有密切关系[1，3，5]。但是，目前国内外没有采用机械烘干工艺生产绿色葡萄干的成熟工艺，研究针对新疆绿色和红褐色葡萄干制干工艺的制干环境及在相应制干环境下制干特性的差异进行了探讨。同时，采用经典的干燥模型对传统制干工艺进行了分析，Page模型是最适合用来描述传统工艺对葡萄薄层干燥的过程。这与前人在杏干及其他干果的干燥过程中的研究结论一致[15-18，20]。

研究仅是针对两种传统工艺条件下无核白鸡心葡萄干燥特性进行了分析，未对不同粒重、不同葡萄品种的干燥特性进行系统分析，在后续研究中将考虑这些因素对葡萄干燥特性的影响，为新疆葡萄干燥工艺的改进提供数据支撑。

4 结 论

葡萄果实采用传统制干工艺制干，晒干工艺的干燥速率高于晾干工艺的干燥速率。Page干燥模型对葡萄的干燥失水过程拟合度最好，χ2和R2均值最小，分别为0.998 2、8.55×10-4和0.001 5，Page模型具有形式简单，参数较少的优点，可以较好的模拟葡萄干燥过程中水分变化的情况，晒干工艺条件下葡萄果实的有效水分扩散系数为2.036×10-8，晾干工艺条件下葡萄果实的有效水分扩散系数为6.468×10-9，晒干工艺的有效水分扩散系数显著高于晾干工艺的有效水分扩散系数。

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