苹果热风干燥工艺优化和特性分析

王迪芬，苑 亚，*，魏 娟，张 冲，杨鲁伟，*

(1.中国科学院理化技术研究所，北京100190;2.中国科学院大学，北京100049)

苹果作为我国最受欢迎的水果之一，具有较高的水分含量和营养价值［1］。鲜苹果在储存过程中会因部分腐烂而造成浪费［2］，干燥可以延长苹果存储时间，并且减少运输和储存过程中的物理损伤和品质恶化［3－4］。随着经济生活质量的提高，苹果干燥产品逐渐走进了大众视野［5］。苹果片品质和干燥速率是制约其工业化推广的主要因素，也是目前研究的重点［6－9］。

热风干燥是一种传统的、操作简单和成熟的干燥技术，在我国干燥行业被广泛使用［10］。目前，热风干燥技术的主要问题是物料在干燥过程易发生氧化，产生褐变［11］，降低了物料的干燥品质。目前，主要采用干燥前预处理的方式来解决物料干燥过程中的氧化问题［12］。苑亚等［13］采用漂烫预处理的方案，不仅解决氧化问题，而且提高了物料的干燥速率。李泽珍等［14］报道了超声波预处理方式可以提高苹果片干燥品质，这说明超声波可以抑制干燥过程物料的氧化。化学渗透法［15－16］和辐照预处理方式［17］都可以提升干燥速率。针对苹果的不同预处理方法已有大量报道，但是对于不同预处理干燥效果对苹果热风干燥特性影响的对比尚未研究。虽然热风干燥试验的数学模型已经有报道［18－19］，但是尚未研究关于不同预处理方式对于苹果片的热风干燥过程的模拟。

本文以苹果片作为试验材料，以预处理方式(超声波和护色剂)、热风温度以及切片厚度作为试验因素，对苹果片热风干燥正交试验，研究了其热风干燥特性，选出了最佳正交试验条件，建立了描述其干燥特性的数学模型，为苹果片的工业化生产提供了技术支持和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜的红富士苹果 购于洛川苹果旗舰店，将购入的苹果放入4℃的冰箱保存;氯化钠、蔗糖、海藻糖 分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

WGL－30B型电热恒温鼓风干燥箱 天津泰斯特仪器有限公司;SB－202A型电子天平 盛博电子衡器有限公司;NH310电脑色差仪 深圳市三恩驰科技有限公司;BG－01型80W超声波清洗机 广州邦洁电子产品有限公司;水果切片机 购于福瑞特旗舰店。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果干燥工艺 在干燥之前，将苹果进行去皮和去核，然后利用切片机对其进行切片，选取直径大小为85 mm的苹果片，进行预处理，将预处理的苹果片每片均匀平铺在物料盘上，放入风速为1.5 m/s的恒温干燥箱中。每隔5 min测一次物料的重量，为减少称重过程对干燥过程的影响，将称重时间控制在20 s以内，干燥至前后两次物料的重量小于0.01 g。

1.2.2 预处理方式 超声波预处理:将切好的苹果片放入超声波清洗机进行超声波预处理，将处理好的苹果片用无尘纸除去表面的水分，并在称重之后准备进行干燥加工。

护色剂预处理:准备好0.1%的NaCl、1.0%的蔗糖和0.8%的海藻糖的护色剂溶液［20］，将切好的苹果片放入护色剂溶剂的烧杯内浸泡30 min，将处理好的苹果片用无尘纸除去表面的水分，并在称重之后准备进行干燥加工。

1.2.3 单因素干燥实验 采用干燥时间作为评价指标，对干燥过程进行评价。试验A组:预处理方式均为无处理，切片厚度均为3 mm，热风温度分别为50、55和60℃分别标记为AI、AII和AIII，进行3组试验;试验B组:预处理方式均为无处理，热风温度均为60℃，切片厚度分别为1.5、3和5 mm分别标记为BI、BII和BIII，进行3组试验;试验C组:热风温度均为55℃，切片厚度均为3 mm，预处理方式为无处理、超声波和护色剂分别标记为CI、CII和CIII，进行3组试验。干燥进行到干燥前后两次物料重量小于0.01 g结束。

1.2.4 正交试验方案设计 切片厚度、热风温度和预处理方式为试验因素的正交试验方案，正交试验因素和水平设计如表1所示，以干燥速率和色泽作为苹果热风干燥工艺的评价指标。

表1 正交试验因素和水平设计Table 1 Orthogonal test factors and horizontal design

1.2.5.水分比 计算方法参考文献［21］为:

式中，MR为水分比;mt为某一时刻的干基含水率，g/g;Mb为苹果的平衡干基含水率，g/g;M0为初始时刻的干基含水率，g/g。

1.2.6 色泽测定 使用色差仪测量可以测量得到L*、a*、b*的值。L*为明度，数值越大越白;a*表示从红到绿的数值变化，b*表示从黄到蓝的数值变化。褐变指数(BI)表示了苹果的褐变程度［22］，BI表示如下式:

1.2.7 综合评价法 采用综合评价法对色泽和干燥时间两个试验指标进行权重计算，对热风温度、切片厚度和预处理方式对这两个试验指标的影响进行综合评价。

假设正交试验中评价指标有m个，分别为xi(i=1，…，m)，试验个数为n个，则矩阵为:

式中，tij为第j组试验的第i个指标值。采用极值法对矩阵进行归一化处理。

第i个指标的熵Hi可定义为

第i个指标的熵权wi:

综合评价指数ESI为:

1.2.8 干燥模型 采用较常用的薄层模型［23－24］(如表2)对热风干燥的试验数据进行拟合，决定系数(R2)、卡方(χ2)和均方根误差(RMSE)对拟合结果进行评价。公式如下式:

式中:MRp，i为模型预测的水分比;MRe，i为试验所得水分比;N为试验点的个数;Z为模型参数个数。

表2 三种薄层干燥模型Table 2 Three thin layer drying models

1.2.9 有效扩散系数 有效扩散系数是表示水分迁移机理关系的参数，可以根据Fick第二定律，式(2)计算［25］:

式中，Deff为物料有效扩散系数，m2/s;L为苹果片厚度，m;t为干燥时间，s。

1.3 数据处理

本文采用Origin pro 9.1软件对文章中的试验数据作图，并采用SPSS Statistics 21进行单因素方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 干燥特性

2.1.1 热风温度对苹果片干燥特性的影响 取切片厚度为3 mm的苹果片进行无预处理的热风干燥试验，对不同温度下的干燥试验进行分析，得出温度对苹果片干燥动力学曲线图。由图1可知，苹果片的含水量在干燥初期下降较快，在后期则是减缓。随着温度的升高，干燥完成的时间更短。

图1 热风温度对干燥过程的影响Fig.1 Effect of hot air temperature on drying process

2.1.2 切片厚度对苹果片干燥特性的影响 取不同的切片厚度的苹果片进行无预处理的热风干燥试验，对不同厚度的热风干燥的动力学曲线进行分析，如图2所示。在图2中，可以看出来厚度不同也影响着干燥过程的快慢。选择1.5、3和5 mm厚度的苹果片进行热风干燥，发现厚度越小，整个干燥过程完成所需的时间更短，干燥曲线也越陡。这是因为厚度越小，通透性越好，传热传质过程快，因此干燥速率增高，反之干燥速率降低。

图2 切片厚度对干燥过程的影响Fig.2 Effect of slice thickness on drying process

2.1.3 预处理方式对苹果片干燥特性的影响 对预处理的苹果进行热风干燥试验并对结果进行分析，不同处理方式下干燥动力学曲线如图3所示。从图3可以看出，在前期超声波对干燥过程有明显影响，干燥速率明显加快;护色剂对干燥速率也有一定的影响。

图3 预处理方式对干燥过程的影响Fig.3 Effect of pretreatment on drying process

2.2 褐变结果

以上述实验产生的褐变结果进行分析，如表3所示。当切片厚度为3 mm，无处理的苹果片热风干燥温度为50、55和60℃的干燥后的褐变指数分别是41.18、44.26和48.52，褐变指数随着热风温度的升高而增加，表明温度降低有利于苹果片热风干燥中的褐变程度降低;当热风温度为60℃，无预处理的苹果片热风干燥的厚度分别为1.5、3和5 mm时，褐变指数分别为28.19、48.52和49.16，随着苹果切片厚度的增加，褐变指数升高，表明褐变程度随苹果厚度的增加而升高;当热风温度为55℃，苹果切片厚度为3 mm，超声波预处理后的苹果片褐变指数为25.92，护色剂预处理后的苹果片的褐变指数为26.22，对于不同预处理方式，超声波和护色剂都降低了褐变程度，对苹果色泽有一定的提升效果。

2.3 正交试验结果

通过得出干燥因素对干燥过程特性的综合评价，根据极差分析可以得出，对苹果片热风干燥过程的影响程度的排序依次为苹果片厚度、预处理方式和热风温度。根据综合评价指数，苹果片热风干燥的最优方案为A3B1C3，即60℃的热风温度，1.5 mm的切片厚度和护色剂预处理。

表3 褐变结果Table 3 Result of browning

2.4 干燥模型拟合

选择3 mm的切片厚度、50℃的热风温度，未经预处理的苹果片的热风干燥试验数据进行模拟。由表6中的薄层干燥拟合结果可知，Weibull模型的拟合度最优，R2最大，RMSE和χ2的值最小，因此选择Weibull模型对单因素热风干燥试验进行模拟。模拟结果如表7所示，所有模型的R2均大于0.9973，所有RMSE均小于1.6161×10－2，χ2的值均小于2.7758×10－4，可以使用Weibull模型预测苹果片的热风干燥中水分变化规律。

2.5 有效扩散系数

水分有效扩散系数可以表示水分迁移的快慢，通过Fick第二定律率可知，做ln(MR)和时间t的曲线，拟合曲线可以得出有效扩散系数，如表8所示。有效扩散系数随着热风温度的升高而增大，随着热风温度的升高，有效扩散系数从1.8694×10－8m2·s－1增加到了3.1096×10－8m2·s－1，研究结果与Doymaz等［26］一致;当热风温度为60℃时，有效扩散系数随着苹果片厚度的增加而增大，苹果片的厚度在1.5、3和5 mm时，其有效扩散系数分别是1.1278×10－8、3.1096×10－8和5.2940×10－8m2·s－1，其研究结果与［18，27］一致;使用超声波作为预处理的苹果片有效扩散系数为4.6506×10－8m2·s－1，护色剂浸泡处理的苹果片有效扩散系数为3.3922×10－8m2·s－1，大于无处理的苹果片的有效扩散系数1.9150×10－8m2·s－1，表明通过预处理的苹果片水分更容易迁移扩散。

表4 正交试验的结果和分析Table 4 Orthogonal test results and analysis

表5 方差分析表Table 5 ANOVA analysis

表6 薄层拟合结果Table 6 Result of thin layer fitting

表7 Weibull模拟结果Table 7 Results of simulation on Weibull model

表8 不同干燥条件下的有效扩散系数Table 8 Effective diffusion coefficient under different drying conditions

3 结论

本文以热风温度、切片厚度和预处理方式作为试验变量，对苹果片进行热风干燥的正交试验研究。结果发现:苹果片热风干燥处于降速干燥阶段，热风温度与干燥速率呈正比关系，而切片厚度与干燥速率呈反比关系，相对于无处理和护色剂预处理的方案，超声波预处理方式相对提高干燥速率。根据正交试验，切片厚度对热风干燥过程的影响最为显著，其次为预处理方式和热风温度，苹果片热风干燥的最优方案为60℃的热风，1.5 mm的切片厚度和护色剂预处理。相对于Lewis模型和Henderson and Paris模型，Weibull模型描述苹果片的干燥特性相对较优，干燥过程苹果片的有效扩散系数范围为1.1278×10－8～5.2940×10－8m2·s－1。