热风干燥过程中带壳鲜花生水分迁移特性及品质变化

卢映洁，任广跃,2,*，段 续,2，张乐道,2，凌铮铮

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2.粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 洛阳 471023）

花生是世界更是中国的重要油料与经济作物[1]，其油脂、蛋白质含量丰富[2-3]，还富含VB2、VB3、VA、VD、VE、钙和铁等[4]，滋养补益，延年益寿，所以民间又称“长生果”，其味道鲜美，是一种营养价值很高的食品[5]。中国花生年产量可达1 728.98万 t，产量居世界首位。带壳鲜花生含水量高，采摘后若不及时干燥，很快便会发霉腐败，影响食用[6-8]。干制处理能延长花生的保存期，便于后期贮藏和运输。在中国，自然干燥是传统的花生干制方法，但由于其容易受天气变化的影响，干燥效果不稳定，且需要大量的晒场等资源，制约了花生产业的发展[9]。相对于自然干燥，机械化干燥不受天气和场地的限制，能提高干燥效率，保障花生品质。

近几年逐渐出现将机械干燥方式应用于花生干制的研究。杨潇等[10]研究了花生的热风干燥工艺，以干燥时间和能耗为评价指标，确定了热风温度、风机频率、料层厚度的干燥工艺参数；周琦等[11]采用微波干燥技术研究了不同微波功率、载物量条件下花生果的失水特性，并对其微波干燥工艺进行了优化；Mennouche等[12]设计了一种花生太阳能烘干机，有效提高了干燥效率；杨柳等[13]利用太阳能干燥装置进行干燥花生的实验，在太阳能作用的前提下，分析了太阳能干燥特点和花生干燥特性；武洪博等[14]通过水势理论模型研究了花生真空干燥过程中水分含量随真空度和干燥温度的变化规律，结果表明其干燥速率与真空度和干燥温度成正比。虽然花生机械干燥研究较多，但大多集中于干燥工艺等宏观研究，对干燥过程中物料内部发生的微观变化鲜见系统的报道。且带壳鲜花生为多层次物料，各层次有不同的干燥特性，但在干燥中常将其作为一个整体研究，对整体干燥中的花生壳与花生仁分离研究鲜见报道。

因此，本实验通过低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，研究带壳鲜花生在热风干燥过程中内部水分迁移情况，同时采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）和质构仪研究热风干燥过程中花生仁和花生壳的微观结构、孔隙和硬度变化，探讨不同干燥阶段带壳鲜花生水分含量与信号幅值、孔隙率及硬度之间的相关性。在实际干燥过程中，通过快速测定带壳鲜花生的水分含量来预测花生品质，为花生机械化干燥提供深层次理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

带壳鲜花生购于河南洛阳当地的新鲜带壳花生。

正己烷 江苏强盛功能化学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

101型电热鼓风干燥箱 北京科伟永兴仪器有限公司；A.2003N型电子天平 上海佑科仪器仪表有限公司；NMI120-015V-1 LF-NMR分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；TM3030plus SEM 日本日立高新技术公司；TA.XT Express食品物性分析仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 热风干燥实验

原料预处理：在实验前挑选大小均匀成熟饱满的花生，清除泥沙，用自封袋封装并放于4 ℃冰箱中保存备用。参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[15]测得花生的初始干基水分含量为0.764 g/g。

干燥处理：将带壳鲜花生恢复至室温，取500 g平铺于网状托盘（25 cm×25 cm，筛孔直径为5 mm）内，设定电热鼓风干燥箱风速为1 m/s，温度分别为40、50、60 ℃。取两盘花生进行同步干燥，A盘每隔1 h从干燥箱中取出，快速称质量后放回，记录数据；B盘每隔1 h取样品采用LF-NMR测定，另外，再不定时取A盘称质量，通过水分含量的计算以得到不同温度下相同水分含量的样品，并在相同水分含量时从B盘中取样。B盘取出的样品不再放回。干燥至安全水分（干基水分含量0.1 g/g）停止实验，并绘制干燥曲线和干燥速率曲线。每组实验重复3 次。

带壳鲜花生的干基水分含量（X/（g/g））按式（1）[16]计算。

式中：mt为t时刻物料的质量/g；m为物料干燥至绝干（质量不再变化）时的质量/g。

干燥过程中的干燥速率（U/（g/（g·h）））按式（2）[17]计算。

式中：Xt为t时刻干基水分含量/（g/g）；Xt+Δt为t+Δt时刻干基水分含量/（g/g）。

1.3.2 水分分布的测定

将干燥过程中的花生取出后进行脱壳处理，切取约0.3 cm×0.3 cm×1 cm大小的花生仁放入样品管中，置于LF-NMR仪的永久磁场中心位置的射频线圈的中心，利用多脉冲回波序列（Carr-Purcell-Meiboom-Gill，CPMG）测量样品的横向弛豫时间T2[18]。参数设置：测量温度为（32.0±0.1）℃，主频为21 MHz，采样间隔时间（TW）为1 500 ms，回波时间（TE）为0.5 ms，累加次数（NS）为16 次，回波个数（NECH）为3 500，重复时间为10 000 ms，90°脉冲时间为15 μs，180°脉冲时间为30 μs。每个样品重复3 次，将T2进行反演，得到反演图。

切取大约0.3 cm×0.3 cm×1 cm花生仁放入样品管中，利用自旋回波SE脉冲序列质子密度二维成像[19]。参数设置：TE为20 ms；重复时间（TR）为1 200 ms，矩阵256×256。形成样品的质子密度图像，每个样品重复3 次。

1.3.3 SEM观察微观结构

采用SEM对干燥过程中的花生仁和花生壳进行观察。在花生最饱满处用刀片切取适宜大小的花生仁与花生壳，用SEM观察样品表面结构变化。放大倍数为200 倍。

1.3.4 孔隙率的测定

孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下占总体积的比例。采用比重法测孔隙率。将比重瓶注满正己烷，连同瓶塞一起，称其质量m1（精确至0.001 g，下同）。将样品尽量粉碎去除杂质，称2 g样品置于比重瓶中，再取同样正己烷注满比重瓶称质量（m2）。

真密度（ρs/（g/cm3））按式（3）计算。

式中：ms为样品质量/g；ρ为正己烷的密度（20 ℃时）/（g/cm3）；m1为装有正己烷的比重瓶质量/g；m2为装有正己烷和样品的比重瓶质量/g。

在对样品的测试过程中，由排沙法测得样品的体积。通过电子天平测得质量，每组样品重复3 次。孔隙率（θ）按式（4）[20]计算。

式中：m为样品质量/g；V为样品体积/cm3。

1.3.5 硬度的测定

根据本实验花生样品的不规则性，选择能有效且方便表现出其质构特性的穿刺实验，并进行分析。穿刺实验参数如下：探头类型P/2 mm，测前速率0.8 mm/s，测试速率0.5 mm/s，测后速率0.8 mm/s，压缩程度40%，触发感应力10 g。每个实验点重复测试5 次，去除最大值和最小值之后求平均值。峰的最大值表示花生仁的硬度，单位：g。

1.4 数据处理与分析

本实验数据采用Excel软件进行处理，采用Origin Pro 8.5软件绘图；使用DPS 7.05软件对实验数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 带壳鲜花生在不同温度下的热风干燥特性

图1 带壳鲜花生的热风干燥曲线（a）及干燥速率曲线（b）Fig. 1 Hot air drying curves (a) and drying rate curves (b) of fresh in-shell peanuts

从图1a可知，带壳鲜花生的干基水分含量随着热风干燥的进行逐渐降低。当风温为40、50、60 ℃时，干燥到花生安全水分含量（干基水分含量0.1 g/g）以内所需时间分别为20、15、11 h。当干燥温度从40 ℃提升至60 ℃，干燥时间缩短45%。随着温度的提高，热风干燥曲线变陡，一方面，花生初始水分含量较高，热风温度越高，花生周围的相对湿度越低，花生与其周围环境的湿度差增大，水分可以更加快速地向外迁移，缩短干燥时间；另一方面，高温使花生中水分子的动能增大、活跃度升高，从而加速水分的迁移。从图1b可以看出，温度越高，干燥速率越大。干燥过程具有明显的降速阶段，说明带壳鲜花生的干燥由内部扩散控制，而内部扩散阻力决定了传质过程的速率。干燥初期，干燥速率下降趋势明显，表明在干燥温度的影响下，带壳鲜花生水分快速脱除，温度是影响干燥速率的主要因素；但干燥后期的干燥速率较为缓慢，可能是随着干燥的进行，带壳鲜花生水分含量逐渐降低，相对温度稳定，导致干燥过程缓慢；另一方面，水分迁移还受到物料自身体积、孔隙变化等多方面的影响，而带壳鲜花生由壳与仁两部分组成，花生壳的保护机制造成其内部水分更加不易散失，延缓干燥的进行。

2.2 热风干燥过程中带壳鲜花生的LF-NMR结果

图2 热风干燥过程中带壳鲜花生的横向弛豫时间反演谱Fig. 2 Transverse relaxation time inversion of fresh in-shell peanuts during hot air drying process

由于不同温度下花生仁的横向弛豫时间T2反演谱相似，故以热风温度50 ℃为例进行说明。由图2可知，热风干燥过程中花生LF-NMR图谱中主要有3 个波峰，代表着3 种不同状态的氢质子。T2反映了样品内部氢质子所接触的化学环境，氢质子受束缚越大或自由度越小，T2越短，在T2谱上峰位置较靠左，反之则靠右。根据横向弛豫时间T2的差异将水分划分为3 种存在状态，分别为结合水T21（0.1～1.0 ms）、弱结合水T22（1～10 ms）、自由水T23（10～1 000 ms）[21]。另外，T23信号幅值在干燥终点依然较大，可能是由于花生油脂含量丰富，除水会提供氢质子以外，油脂也会提供一部分，通过LF-NMR分析不能将脂肪与水分完全分开；所以，在T2反演谱上呈现出的T23（10～1 000 ms）为花生油脂与自由水的弛豫峰谱，其在干燥过程中由于自由水的含量降低，因此其信号幅值也会发生变化[22]。

随着干燥时间的延长，信号幅值不断降低，水分逐渐被脱除。说明干燥温度能为组织内部水分子提供能量，减弱与质壁结合紧密的水分的吸附力，从而提高水分的迁移能力。观察结合水、弱结合水的水分状态分布可以发现，随着干燥的进行，弱结合水含量逐渐减少，且波峰逐渐往左偏移，表明花生在干燥过程中随着水分不断散失，花生内部弱结合水的自由度不断降低，即弱结合水在花生内部流动性减弱，可迁移性降低，从而造成细胞活性降低[23]。

为了更直观地描述各部分水变化的情况，将T21、T22、T23所对应的峰面积分别以M21、M22、M23表示，M0表示为总水分和油脂对应的总峰面积，大小等于M21、M22、M23值的和。

由图3a可知，M0随着干燥时间的延长持续降低，说明热风干燥有利于带壳鲜花生水分的脱除，在干燥过程中水分迁移较快，导致花生水分含量不断降低。由图3b可以看出，相较于整体水分变化而言，M21变化程度较小，说明干燥前期花生内部有少量有机物发生代谢，引起结合水微量变化。由图3c可知，M22从干燥初期便急剧减少，一直持续到6 h前后变化减缓。结合图1（干燥曲线图）分析可知，干燥至6 h左右时干基水分含量较低，干燥速率较缓慢，说明弱结合水的含量影响着干燥速率。在干燥前期，花生仁的水分含量减少主要是表面水分汽化，随着干燥的进行，物料由内向外形成水分梯度，内部弱结合水需要扩散至表面才能被脱除，所以弱结合水减少的趋势减缓。由图3d可知，M23变化幅度不明显，说明干燥前期由于温度升高，水分子中的氢质子活跃度增大，可能会有部分弱结合水向自由水转化，使自由水含量缓慢减少，但干燥后期M23略有下降，一方面，自由水在持续干燥过程中被脱除；另一方面，持续干燥可能也会对油脂含量造成影响，较高温度的热风干燥会降低油脂含量。这与王海鸥等[24]的研究结果相似。因此，干燥温度和时间会影响带壳鲜花生的水分迁移和干燥品质，水分含量的减少有利于保存，但提升油脂含量需要降低干燥温度或缩短干燥时间。

图3 3 M0（a）、aM2121（b）、bM2222（c）、cM2323（d）随干燥时间变化曲线Fig. 3 Variations in M0 (a), M21 (b) M22 (c) and M23 (d) with drying time

2.3 热风干燥过程中带壳鲜花生的MRI结果

图4 热风干燥过程中带壳鲜花生MRI图像变化Fig. 4 Changes in magnetic resonance image of fresh in-shell peanuts during hot air drying process

通过MRI成像能得到样品内部的质子密度加权像，其可反映样品中氢质子的分布，通常氢质子越密集的区域，质子密度加权像越明亮[25]。花生仁除含水分外，还含有大量油脂，油脂提供的氢质子也会使MRI图像变得明亮，这也是干燥至平衡时图像中红色部分依然明显的原因。从图4可以看出，刚开始干燥时，花生仁的红色部分较大，说明此时的水分含量较高、分布较广，有利于表面水分的扩散。随着干燥的进行，红色部分逐渐减少，周围黄绿色部分增多，说明热风干燥使得花生的温度升高，降低了水分所受到的束缚力[26]，导致水分逐渐散失，且内部水分逐渐向外迁移，这也说明在干燥后期是由于内部水分需要由内向外迁移导致干燥速率缓慢。

2.4 热风干燥对带壳鲜花生微观结构的影响

从图5a可以看出，在干燥初期，花生仁的细胞结构饱满，孔径较大，网孔边界清晰，排列相对规则。随着干燥的进行，花生仁的细胞孔径逐渐减小，即单位面积内的孔状结构增多，花生仁的结构更加紧密；干基水分含量为0.4 g/g时，花生仁的网状结构开始出现变形，且表面出现凹凸不平的颗粒状结构；到干燥后期，花生仁的网状结构变形现象严重，颗粒状结构越发明显。结合干燥曲线（图1）分析可知，花生仁细胞结构的变化与水分含量关系密切，并实时影响着花生仁的干燥过程，由于干燥过程中花生仁的组织结构不断收缩，网状细胞结构逐渐变形，增加水分扩散阻力，从而不利于水分迁移[27]。结合图3d（M23变化曲线）分析可知，花生是含油量较高的一种油料作物，在干燥过程中，花生仁的水分逐渐散失，油脂逐渐浮现于表面，这表明干燥过程中花生仁表面的颗粒状结构可能为油脂。在不同干燥温度下，干燥温度越高，花生仁的细胞结构变化越快，干燥至终点时，细胞结构基本全部变形。由图5b可知，在干燥初期，花生壳的结构松散，随着干燥的进行，花生壳的结构收缩愈发明显，微观结构越来越致密，从而导致内部花生仁的水分不易扩散至表面，影响干燥效率。对比不同温度下相同干基水分含量的花生壳内部结构，发现高温使得花生壳在干燥前期内部结构就严重收缩，而40 ℃时花生壳的结构变化较为缓慢，说明温度对干燥的影响较为明显，较高的干燥温度能够加快水分散失，有利于加快脱水速率，水分脱除后结构快速收缩。

00Fig. 5 Scanning electron microscopy pictures of peanut kernels (a) and shells (b) during hot air drying process (× 200)

2.5 热风干燥对带壳鲜花生孔隙率的影响

从图6a可以看出，在干燥温度为40、50、60 ℃，干基水分含量为0.1 g/g的条件下，花生仁的孔隙率分别为54.35%、57.92%、61.11%。花生仁的孔隙率随着干基水分含量的降低而增加，孔隙率与干基水分含量几乎呈线性相关，温度越高，花生仁的孔隙率变化越快且干燥至终点时孔隙率越大。对于组织呈多孔结构的物料来说，在干燥过程中孔径收缩的体积几乎全部用于补偿孔隙中水分的损失。热风干燥使带壳鲜花生的水分逐渐散失，水分的去除使得花生仁的细胞进入脱水状态，孔径逐渐收缩，逐渐干瘪的细胞导致花生仁网状结构变形，孔隙逐渐增多，孔隙率持续上升，但呈现出先快后慢的增长趋势。在干燥初期，孔隙率的变化较为缓慢，此时干燥对象主要为花生壳，所以花生仁孔隙率变化不明显；随着干燥的进行，花生仁孔隙率曲线变陡，说明干燥中期花生仁失水较多，孔隙率变化较快；干燥进入后期时，孔隙率曲线趋于平缓，增加幅度减小，说明干燥后期的花生仁孔隙率受干基水分含量的影响逐渐减小。另外，在不同温度的一定干基水分含量条件下，干燥温度越高花生仁孔隙率越大，可能是由于干燥温度越高，花生仁的细胞结构变化越剧烈，孔隙率变化速率加快，孔隙率也较高。

由图6b可知，当干燥温度为40、50、60 ℃时，干燥终点时花生壳的孔隙率分别为90.23%、91.89%、93.64%。随着干燥时间的延长，花生壳的孔隙率逐渐增加，且温度越高花生壳的孔隙率变化越快。当干基水分含量大于0.4 g/g时，水分含量与孔隙率几乎呈线性关系，说明花生壳处于正常收缩阶段，失水体积等于收缩体积[28]。随着干燥的进行，花生壳内部孔隙网状结构逐渐致密，花生壳的孔隙率逐渐增大，即单位面积内的孔隙增多，但通道变窄使水分迁移路径受阻，水分不易扩散，会导致干燥速率降低；当干基水分含量降至0.4 g/g后，60 ℃花生壳的孔隙率几乎不变，此时处于零收缩阶段，体积不随水分含量的减小而变化，表明花生壳的大部分水已经除去，干燥的对象主要为花生仁，而40 ℃和50 ℃的孔隙率变化程度较小，说明此时失水体积大于收缩体积，花生壳还有收缩趋势，但收缩速率大大减缓。

图6 热风干燥过程中花生仁（a）与花生壳（b）的孔隙率变化Fig. 6 Porosity change of peanut kernels (a) and shells (b) during hot air drying process

2.6 热风干燥对带壳鲜花生硬度的影响

由图7a可以看出，在带壳鲜花生的热风干燥过程中，在较高温度（50、60 ℃）条件下，花生仁的硬度随着干基水分含量的降低呈现出增大-减小-增大的趋势。结合SEM图（图5）分析可知，在干燥初期，花生仁孔径虽变小，但水分扩散良好，花生仁的水分含量减少，硬度增大。但随着干燥的进行，网状孔隙结构变形，水分扩散通道被阻挡，同时，花生壳作为一个保湿的重要结构，使得花生内部形成一个温度较高却潮湿的环境，花生仁开始变软，韧性增加，硬度降低。随着干燥继续进行，持续高温的环境使花生仁周围的湿度逐渐变小，花生仁的硬度又逐渐上升，直至干燥终点。但在较低温度（40 ℃）条件下，花生仁的硬度持续上升，可能是因为温度较低，花生仁升温速率较慢，传热传质缓慢进行，所以花生仁的硬度持续上升。

由图7b可以看出，在带壳鲜花生的热风干燥过程中，花生壳的硬度先降低再升高，且鲜花生壳的硬度最高。可能是因为鲜花生壳水分含量较高，干燥使得水分含量减少，韧性增加，所以硬度降低，但干燥后期花生壳的密度增大，硬度又逐渐上升。在较高温度下，花生壳水分丢失较快，孔隙率变化快，密度迅速增大，所以硬度变化不如较低温度的明显。另外，不同温度条件下带壳鲜花生干燥至平衡时，花生壳的硬度无明显差别，这也从侧面反映出花生壳在干燥后期几乎接近绝干，失水部分主要集中于花生仁。

图7 热风干燥过程中花生仁（a）与花生壳（b）硬度变化曲线Fig. 7 Hardness change of peanut kernels (a) and shells (b) during hot air drying process

2.7 带壳鲜花生热风干燥过程中各指标之间相关性分析结果

表1 带壳鲜花生热风干燥实验各指标之间相关性分析Table 1 Correlation analysis between all investigated indexes of fresh in-shell peanuts during hot air drying process

表1为50 ℃下带壳鲜花生热风干燥中各指标相关性分析结果，干基水分含量与LF-NMR信号幅值呈极显著正相关，与花生仁硬度呈显著负相关，与花生仁孔隙率和花生壳孔隙率呈极显著负相关，说明水分的丢失使得花生仁与花生壳的结构变得紧密，孔隙率升高，也使得花生仁的硬度升高。LF-NMR信号幅值与花生仁硬度和花生仁孔隙率分别呈极显著和显著负相关，说明信号幅值减小（总水分含量降低），花生仁的硬度和孔隙率上升。花生仁孔隙率与花生壳孔隙率呈极显著正相关，说明花生在干燥过程中壳与仁的干燥是同步进行的。花生壳的硬度与其他干燥指标都没有较为显著的相关性，主要是因为其在干燥过程中干燥速率呈现出先快后慢的趋势，干燥初期的带壳鲜花生水分丢失较快，干燥速率较大，而花生壳是此阶段主要干燥对象，所以硬度变化较大；干燥后期的带壳鲜花生水分丢失较慢，干燥速率缓慢，干燥主要对象由花生壳转移到花生仁，花生壳的硬度变化不再明显，与其他指标失去相关性。由此可见，带壳鲜花生的各干燥指标之间存在一定的相关性，进一步为带壳鲜花生的热风干燥基础研究提供了理论依据。

3 结 论

在热风干燥过程中，带壳鲜花生的干基水分含量逐渐降低，干燥速率随温度的升高而增大，表明温度升高有利于加快脱水速率。LF-NMR结果表明，花生在干燥过程中水分不断散失，花生内部弱结合水含量不断减少。MRI结果表明，干燥使得水分逐渐散失，且内部水分逐渐向外迁移。通过对带壳鲜花生干燥过程中微观结构的分析发现，干燥会使得花生壳与花生仁的结构变形，且孔隙率增加，油脂浮于表面，而孔隙率逐渐增大最终趋于稳定。通过穿刺实验发现，较高干燥温度下花生仁的硬度呈现出增大-减小-增大的趋势，说明花生在干燥中期内部会有不同于外界的湿度变化。花生壳的硬度在干燥过程中先快速降低再升高，说明干燥前期花生壳为主要干燥对象，后期干燥转移至花生仁。由相关性分析可知，带壳鲜花生的各干燥指标之间存在一定的相关性，进一步为带壳鲜花生的热风干燥基础研究提供了理论依据。