基于追光型-光伏干燥箱的果蔬干燥特性及品质研究

梁海斌 ，韩四海 ，郭金英 ，黄蓓蓓

（1.河南科技大学 食品与生物工程学院，河南洛阳 471000；2.三门峡市食品药品检验检测中心，河南三门峡 472000；3.三门峡职业技术学院 食品与景观学院，河南三门峡 472000）

0 引言

新鲜果蔬含水率在70%～95%，果蔬脱水通过降低水分活度，能够抑制微生物的生存繁殖，从而使产品具有良好的保藏性［1-2］。传统果蔬干燥大多采用自然晾晒、热风干燥和微波干燥等，分别存在周期长、能耗高、品质差和商品率低等缺点［3-4］。随着国家碳中和、碳达峰政策加强，新型太阳能果蔬干燥技术日益成为农产品干燥领域重要的现实需求。刘阳明等采用连接单片机或PLC控制电动机，设计太阳能追光装置［5-6］。双层太阳能集热器的太阳能板只能沿某条轴线进行旋转，无法进行万向旋转，并且采用电气部件容易发生故障问题［7-8］。目前，波动和无法获得太阳辐照是太阳能干燥器面临的主要挑战，主要解决技术有辅助泵蓄能、相变储热和太阳能电池等［9-11］。追光型-光伏干燥箱具有机械追光装置，能根据太阳方位变化自动调节集光板姿态（追光），以有效获得稳定充足太阳能，并具储能及换气速率变频调节的干燥设备。

本文利用追光型-光伏干燥箱对木耳、香菇、大枣、柿子和核桃等果蔬进行干燥试验，以温度、湿度和换气速度为试验因素，设计二次回归正交旋转组合试验，优化干燥工艺，并对果蔬干燥特性和品质进行分析，以期为设计开发节能环保的太阳能干燥设备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

木耳、香菇、大枣、柿子和核桃（三门峡市农贸市场）；石油醚、无水乙醇、硫酸铜、硫酸钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、硫酸、盐酸、偏磷酸、草酸、苯酚、2，6-二氯靛酚、葡萄糖、抗坏血酸、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、酚酞（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

1.1.2 主要仪器设备

追光型-光伏干燥箱，由河南科技大学和三门峡市食品药品检验检测中心联合研制；SH10A型快速水分测定仪（上海恒平科学仪器有限公司）；Protmex型专业数字风速计风速仪（深圳菲比斯科技有限公司）；DSR-TH-UA型温湿度记录仪（佐格微系统有限公司）；S1020A3型高拍仪（深圳市轩好韵电子有限公司）；Universal TA型质构仪（上海腾拔仪器科技有限公司）；SRJX-4-9型箱式电阻炉（湖北英山国营无线电元件厂）；CPA225D型电子分析天平（赛多利斯科学仪器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品处理

柿子：选取金黄略带红色，萼尖薄黄，果重在170～200 g，硬度适中的渑池甜柿［12］，剔除病虫害、果面缺陷、软烂的柿子。在5%氯化钠水溶液中浸泡1 h后，用纯水洗净沥干，去皮后备用。

大枣：选取色泽深红、果实饱满、肉质肥厚，直径>32 mm的灵宝大枣，杂质<0.5%，剔除虫果、病果、伤果，以防侵染其它熟果腐烂［13］。在沸水中热烫5～10 min，立即冷却并沥干备用。

核桃：选取果实充分成熟的新鲜卢氏山核桃，去皮、洗净后，放在通风处晾干。挑选色泽自然黄白色，大小均匀，直径为1.95～2.15 cm，果实饱满，无空籽、瘪籽，半粒籽率<1%，无破损、畸形和霉变果［14］，备用。

香菇：选取形态自然，菌盖色泽呈褐色且圆整，规格为4～6 cm，杂质<0.5%的新鲜卢氏香菇［15］。在沸水中进行漂烫处理后，沥干水分备用。

木耳：选取卢氏黑木耳，耳面黑褐色，朵片完整，耳片厚度1～2 mm，大小2 cm，杂质<0.3%，剔除拳耳、流耳、虫蛀、霉烂木耳［16］。

1.2.2 太阳能干燥

将物料装盘平铺直入干燥箱，每4 h记录1次干基含水量。柿子、大枣、香菇、木耳、核桃的干基含水量分别降低至 0.4，0.2，0.2，0.2，0.06 g/g以下，停止干燥。

1.2.3 感官测定

感官指标分别按GB/T 20456—2006《柿子产品质量等级》、GB/T 22741—2008《地理标志产品 灵宝大枣》、GB/T 38581—2020《香菇》、GB/T 23395—2009《地理标志产品 卢氏黑木耳》和GB/T 24307—2009《山核桃产品质量等级》测定。

1.2.4 干基含水量、水分含量、干燥曲线及干燥速率

在果蔬干燥过程中，每4 h取出干燥样品，用快速水分测定仪分别读取其初始质量和干燥后质量，计算干基含水量Md、水分M0，然后绘制干基含水量—时间曲线；干燥速率DR为物料干基含水量随时间的变化率，作干燥速率—干基含水量曲线。

式中 m0——干燥前的质量，g；

m1——干燥后的质量，g；

m1，i——4 h 前的干基；

m1，i+1——4 h 后的干基。

1.2.5 复水率的计算

随机挑选干燥后的果蔬物料，称量其质量，然后将其浸渍在20 ℃的纯水中复水，按下式计算复水率RR。

式中 m2——干物质的质量，g；

m3——吸水后的质量，g。

1.2.6 硬度

1.2.7 收缩比

在干燥过程中，随机取出3个干燥样品，对其横截面进行拍照记录，按下式计算收缩比SR。

式中 A0——干燥前横截面面积，mm2；

At——干燥后横截面面积，mm2。

1.2.8 组分测定

总糖、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、灰分测定分别按GB/T 15672—2009《食用菌中总糖含量的测定》、GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》第一法、GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》第一法、GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》和GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》第一法。酸价和过氧化值测定分别按GB/T 5009.37—2003《食用植物油卫生标准的分析方法》、GB 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》、GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》。总酸按GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》。维生素C按GB 5009.86—2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》第三法。

1.2.9 工艺优化

采用DPS2006软件对果蔬干燥品质的综合分数进行数据整理和分析，并对影响干燥的因素进行二次正交组合旋转试验并进行回归分析、极差分析。

2 结果与分析

2.1 太阳能辐照度与干燥箱内环境

太阳能辐照度是影响果蔬干燥速率和品质的重要因素。三门峡地区10月10日～15日晴天的有效辐射时间约10 h，有效辐照时间段为9：00～16：00；13：00 时太阳辐照度达到最大值约980 W/m2。日间太阳能辐照的波动，影响果蔬的太阳能干燥作业。追光型-光伏干燥箱的集光板与果蔬烘干室采用球铰式连接，随太阳能辐照角度自动调整到最佳姿态，并具有储能辅助，箱体具有较好保温效果，使干燥箱内部环境相对稳定，克服太阳能辐照度大幅波动造成的干燥果蔬返潮等局限。

2.2 果蔬干燥特性

选取豫西地区代表性的特色农产品进行干燥试验。所选的5种新鲜果蔬，包括浆果、核果、坚果及食用菌等不同质构，初始含水率为30%～80%，涵盖了低、中、高水分物料。初始干基含水量由高到低依次为木耳（4.21）、香菇（4.00）、大枣（2.03）、柿子（1.00）和核桃（0.33），分别在28，40，36，40，32 h 达到产品干燥质量要求，如图1所示。与自然晾晒相比，干燥时间分别缩短1，2，6，10，4 d。5种果蔬干燥曲线均为持续下降趋势，未因太阳辐照度变化而产生波动。

图1 果蔬的干燥曲线Fig.1 The drying curve of fruits and vegetables

初始干燥速率差异较大，主要受初始干基含水量影响。如图2所示，木耳和香菇初始干基含水量较高，初始干燥速率也较高，分别为0.31，0.17 g·g-1·h-1。

图2 果蔬的干燥速率曲线Fig.2 The drying rate curve of fruits and vegetables

大枣和柿子干燥速率远低于木耳和香菇，除了干基含水量原因外，与它们果皮结构在一定程度阻止内部水分蒸发有关。核桃初始干基含水量最低，初始干燥速率也最低，仅为0.014 g·g-1·h-1。果蔬干燥主要是游离水及部分结合水的蒸发［17］。在干燥初期，外部水分扩散较快；干燥至一半以后，干燥速率与内部水分的转移速率正相关［18］，果蔬内部水分差值越大，干燥速度越大。此外，在干燥时，由于各部分存在一定的温差，水分热扩散从其内部温度比较高的地方逐渐向内部温度比较低的地方进行转移，而太阳能干燥过程中所形成的内外温度差适中，热扩散的程度更明显。

2.3 果蔬干燥品质

香菇、木耳、大枣、柿子和核桃经追光型太阳能干燥箱干燥后，感官、理化指标均符合相关国家标准要求，如表1所示。干燥后色泽、口味、气味和形态具有该果蔬应有的特征，而且没有出现焦斑、异味、硬壳及破损等缺陷。香菇、木耳和大枣收缩比在正常值范围，复水率理想；柿子的水分、肉色和质地达到特级质量等级；核桃干燥后水分达到标准要求，酸价和过氧化值合格。果蔬干燥品质主要受化学性质、物理性质、营养成分及干燥方式的影响，主要涉及褐变反应、油脂氧化、变色和糊化，硬度增大，复水性变差，维生素和蛋白质的流失［19-20］。试验结果表明追光型太阳能干燥箱干燥过程中，褐变、干缩、表面硬化及氧化反应较弱；干燥前后总糖、总酸、维生素C、含油率、粗蛋白和粗脂肪等营养指标无明显差异；干燥品质优良。

表1 果蔬太阳能干燥前后理化指标对比Tab.1 Comparison of physical and chemical indexes of fruits and vegetables before and after solar drying

2.4 干燥品质影响因素分析及工艺优化

对干燥工艺进行优化，设计果蔬太阳能干燥三元二次回归正交（1/2实施）试验：试验因素为温度、湿度和换气速度；因素水平为温度A（40，50，60 ℃）、湿度B（40%，55%，65%）和换气风速C（4.0，7.0，12.0 m/s）；以果蔬干燥品质综合评分为评价指标。试验结果如表2、表3。

表2 果蔬太阳能干燥试验结果Tab.2 Experimental results of solar drying of fruits and vegetables

表3 果蔬干燥品质综合评分的极差分析Tab.3 Analysis of extreme deviation of comprehensive score of drying quality of fruits and vegetables

对表2试验数据进行分析，设柿子、核桃、大枣、香菇和木耳干燥品质的综合评分变量与各因素之间为Quadratic二次多项式回归模型关系，得出各个试验因素对太阳能综合干燥品质的多元二次回归方程式：

回归方程 Y1，Y2，Y3，Y4，Y5的相关系数 R2分别为 0.97，0.86，0.93，0.90，0.88，显著性检验结果分别为高度显著、显著、高度显著、显著、显著。说明所建立的二次回归模型正确，可以对响应值为86%～97%的变化情况进行解释，即可以对果蔬太阳能干燥的综合品质进行预测及分析。

由表3，对综合评分进行极差分析，柿子较优组合为B2A2C2。核桃较优组合为B2C2A2。大枣较优组合为A2B2C2。香菇较优组合为A2B3C2。香菇最佳干燥温度与文献报道［21］的香菇的最佳干燥温度是55 ℃有所不同，这是由于不同干燥设备系统的影响。木耳较优组合为B2A2C1。传统木耳变温热风干燥温度为25 ℃～60 ℃，包括加速干燥和降速干燥2个阶段，从而避免朵片粉碎［22］，木耳的太阳能干燥温度与此一致，因此形态保持较好。

3 结语

采用追光型-光伏干燥箱成功进行香菇、木耳、大枣、柿子和核桃等不同果蔬的干燥试验，建立一种节能环保的绿色干燥工艺。干燥箱的追光集热结构，使其内部干燥工作环境较为稳定可靠地实现不间断连续干燥，克服了自然晾晒中太阳能辐照度波动大及干燥效率低等不足。所选用的几种果蔬产品均获得优良的干燥品质，能够较好地满足脱水果蔬农产品质量要求。通过优化温度、湿度和换气速度等干燥条件，分别得到香菇、木耳、大枣、柿子和核桃最佳工艺条件。该干燥工艺还可以根据生产规模的不同，因地制宜，设计出不同的容量，在田间地头实现果蔬干燥的工厂+农户模式，从而产生较好的规模效益。