預(yù)處理對無核白葡萄熱風(fēng)干燥特性的影響

康 彥，關(guān)志強*，李 敏，吳寶川

（廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室，廣東普通高等學(xué)校水產(chǎn)品深加工重點實驗室，廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東 湛江 524088）

預(yù)處理對無核白葡萄熱風(fēng)干燥特性的影響

康 彥，關(guān)志強*，李 敏，吳寶川

（廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室，廣東普通高等學(xué)校水產(chǎn)品深加工重點實驗室，廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東 湛江 524088）

為研究預(yù)處理對無核白葡萄熱風(fēng)干燥特性的影響，用5 g/100 mL碳酸鉀和0.6 g/100 mL橄欖油混合液浸泡無核白葡萄，進行不同干燥溫度條件下的熱風(fēng)干燥實驗。然后對4種常見的農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥模型進行非線性擬合，并比較評價決定系數(shù)（R2）、卡方（χ2）值和標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSE）。結(jié)果表明：Parabolic模型更加適合描述無核白葡萄熱風(fēng)干燥 水分比與干燥時間之間的關(guān)系。在干燥溫度分別為50、60、70 ℃時，預(yù)處理組的干燥時間比對照組的干燥時間 分別縮短33.3%、19.2%、15.4%。預(yù)處理組的無核白葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別提高47.4%、32.0%、32.4%；預(yù)處理組的平均活化能比對照組降低16.1%。預(yù)處理組葡萄干制品的復(fù)水率大于對照組。干燥前預(yù)處理可以縮短干燥時間、提高物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)、降低干燥活化能和保持干制品良好品質(zhì)。

葡萄；預(yù)處理；干燥模型；水分?jǐn)U散率；活化能

葡萄是一種世界性水果，是加工比例最高、國際貿(mào)易量最大的水果之一[1]。葡萄是一種季節(jié)性水果，除鮮食外，主要加工制品為葡萄酒、葡萄干、葡萄汁。葡萄干的傳統(tǒng)制作方法是使用晾房設(shè)備自然干燥，這種方式耗時長，不易控制且衛(wèi)生狀況不能保證。熱風(fēng)干燥簡便，干燥效率高，控制性良好。在葡萄干制前預(yù)處理的研究上，國內(nèi)外同行作了大量的工作，干燥預(yù)處理的添加物質(zhì)主要包括堿性物質(zhì)、脂肪酸類和脂類，常見的預(yù)處理試劑包括：氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸鉀、碳酸鉀、甲酯或乙酯的堿性乳濁液的混合物[2-7]。碳酸鉀可以增加葡萄表皮對水分的滲透性，橄欖油是一種具有美容等多重保健功效的天然植物油，這兩種添加劑對提高葡萄干燥速率和保持葡萄干的品質(zhì)有很好的作用[6-7]。而碳酸鉀和橄欖油復(fù)配用于干制黑葡萄、蘋果渣等產(chǎn)品，使用較少且對其作用探討不夠深入。本實驗采用熱風(fēng)干燥方式對無核白葡萄進行干燥，預(yù)處理中加入一定比例的碳酸鉀和橄欖油混合物，探討預(yù)處理對熱風(fēng)干燥特性的影響，確定擬合度較好的干燥模型，為葡萄干制品的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

無核白葡萄購置于廣東省湛江霞山農(nóng)貿(mào)市場，平均直徑為（1.56±0.2）cm。直接干燥法（GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》）測得無核白葡萄平均含水率為（78.5±1.0）%。

預(yù)處理試劑碳酸鉀和橄欖油均為分析純和食品級。

1.2 實驗步驟

配制5 g/100 mL和0.6 g/100 mL的碳酸鉀和一定量橄欖油的混合預(yù)處理溶液，將配好的預(yù)處理溶液放入40 ℃水浴鍋進行預(yù)熱。稱取無核白葡萄（50.0±2.0）g，浸入預(yù)處理溶液，40 ℃浸泡3 min，取出，吸干表面水分后晾干（約1 h），放入熱風(fēng)干燥裝置進行干燥。熱風(fēng)干燥條件為：熱風(fēng)溫度設(shè)定為50、60、70 ℃，風(fēng)速2.0 m/s[6,8-9]。放入樣品前，先對熱風(fēng)干燥設(shè)備進行調(diào)試，約2 h達到穩(wěn)定的設(shè)定條件后再進行實驗。從放入樣品開始計時，每隔1 h用電子天平記錄一次無核白葡萄的質(zhì)量，計算干基含水率。干燥到無核白葡萄的干基含水率為0.25±0.30時終止實驗。每組溫度的實驗重復(fù)兩次取平均值。冷卻后稱取適量干燥樣品測量復(fù)水率。剩余樣品放入聚乙烯樣品袋常溫密封保存。

1.3 干燥模型

無核白葡萄的干燥水分比由公式（1）計算。

式中：MR為水分比；Mt為任意時刻無核白葡萄的干基含水率；Me為終止干基含水率；M0為初始干基含水率。

選用4種常用的農(nóng)產(chǎn)品干燥模型：

1）Lewis模型，用于描述大麥[10]和葡萄[11]的干制過程：

2）Page模型，成功地用于描述一些農(nóng)產(chǎn)品[12-15]的干燥特性：

3）Parabolic模型，用于描述葡萄[6]的干燥特性：

4）Logarithmic模型，一般適用于描述桃子[3]、杏[4]和土豆[16]的干燥特性：

式中：t為干燥時間/h。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用JMP7.0軟件對干燥實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，由R2、χ2和RMSE來評價模型擬合度。R2越大、χ2和RMSE越小，說明擬合度越好[17-19]。χ2和RMSE由以式（6）、（7）計算。

式中：N指總項數(shù)；z指第z項。

1.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

農(nóng)產(chǎn)品的干燥特性可由菲克擴散方程來描述。假設(shè)：非穩(wěn)態(tài)擴散在球面坐標(biāo)中的水分遷移過程中忽略物質(zhì)收縮性，擴散系數(shù)為常數(shù)，且溫度恒定[20]，由菲克擴散方程推導(dǎo)得：

式中：Deff是有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；r是物質(zhì)半徑/m。對于較長時間的干燥過程，方程（8）還可以進一步簡化，簡化后方程為：

有效水分?jǐn)U散系數(shù)可由lnMR對時間的曲線獲得。由方程（9）可以看出，lnMR-t是一條直線，斜率K為：

在不同的干燥條件下，用實驗數(shù)據(jù)擬合lnMR-t直線方程，根據(jù)直線方程的斜率計算Deff。

1.6 活化能

與溫度有關(guān)的活化能由阿倫尼烏斯方程[21]計算：

式中：D0為阿倫尼烏斯方程前置因子/（m2/s）；Ea為活化能/（kJ/mol）；R為氣體常數(shù)/（kJ/（mol·K））；T為溫度/℃。

在不同的干燥溫度下，將方程兩邊取對數(shù)，對lnDeff與1/T進行線性擬合，由擬合直線的斜率計算出活化能Ea。

1.7 復(fù)水率

稱取一定質(zhì)量的干燥樣品（m1）放入燒杯中加500 mL水，40 ℃水浴5 h后取出，用濾紙吸干表面水分，在電子天平上稱質(zhì)量（m2），計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥數(shù)學(xué)模型的擬合

把干燥實驗的干基含水率轉(zhuǎn)換成水分比，對前述的4個模型（式（2）～（5））進行非線性回歸。4個模型的擬合度對比由R2、χ2和RMSE進行比較，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1～3。

表1 50 ℃薄層干燥模型擬合結(jié)果Table 1 Statistical results from various thin-layer drying models at 50 ℃

表2 60 ℃薄層干燥模型擬合結(jié)果Table 2 Statistical results from various t hin-layer drying models at 60 ℃Table 2 Statistical results from various t hin-layer drying models at 60 ℃

表3 70 ℃薄層干燥模型擬合結(jié)果Table 3 Statistical results from various t hin-layer drying models at 70 ℃Table 3 Statistical results from various t hin-layer drying models at 70 ℃

由表1～3可知，對于對照組和預(yù)處理組，4個模型中，Parabolic模型的R2最大、χ2和RMSE相對較小，R2范圍為0.803 39～0.999 11、χ2范圍為0.000 05～0.008 36、RMSE范圍為0.010 55～0.028 91。這說明無核白葡萄的干燥特性與二次多項式Parabolic模型最符合，分析結(jié)果與大蒜[22]和無核小葡萄[6]的模型分析相似，但是與黑葡萄[7]的最適模型Page模型不同，這可能與葡萄種類和干燥條件有關(guān)。

2.2 不同預(yù)處理對干燥時間的影響

圖1 預(yù)處理對無核白葡萄熱風(fēng)干燥時間的影響Fig.1 Effect of pretreatment on drying time of white grapes

由圖1可知，隨著干燥過程的進行，無核白葡萄含水率不斷下降，且預(yù)處理組比對照組下降更快，干燥時間明顯縮短。要達到預(yù)期的最終含水率，當(dāng)干燥溫度為50 ℃，對照組需要42 h，預(yù)處理組只需28 h；干燥溫度為60 ℃時，對照組需要26 h，預(yù)處理組只需21 h；干燥溫度為70 ℃時，對照組需要13 h，預(yù)處理組只需11 h。干燥溫度為50、60、70 ℃時，經(jīng)過預(yù)處理的無核白葡萄干燥時間分別縮短33.3%、19.2%、15.4%，這與文獻[7, 23-26]的干燥預(yù)處理規(guī)律相似。干燥溫度相對較低時，干燥時間縮短的比例相對較大，說明預(yù)處理對縮短干燥時間的貢獻率隨著干燥溫度的降低而增大，即在一定干燥溫度范圍內(nèi)，溫度越低，預(yù)處理對縮短干燥時間的作用越明顯。由此可見，采用預(yù)處理，可以顯著提高干燥速率，縮短干燥時間。

2.3 預(yù)處理對有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

有效水分?jǐn)U散系數(shù)越大，則水分?jǐn)U散能力越強，干燥速率越快。一般食品材料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為10－10～10－8m2/s。將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為lnMR-t，并進行線性擬合，擬合方程的斜率為K，根據(jù)式（10）計算得Deff。不同干燥條件下無核白葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表4所示，有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為1.9×10－10～4.9×10－10m2/s，這一結(jié)果與其他干燥實驗的數(shù)據(jù)相似[27-30]。

表4 不同干燥條件下無核白葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 4 The effective diffusivity of white grapes at different drying condittiioonnss

從圖2、表4可知，有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著溫度的升高而增加，預(yù)處理組有效水分?jǐn)U散系數(shù)大于對照組有效水分?jǐn)U散系數(shù)。50 ℃預(yù)處理組和對照組水分?jǐn)U散系數(shù)分別為2.8×10－10m2/s和1.9×10－10m2/s；60 ℃預(yù)處理組和對照組水分?jǐn)U散系數(shù)分別為3.3×10－10m2/s和2.5×10－10m2/s；70 ℃預(yù)處理組和對照組水分?jǐn)U散系數(shù)分別為4.9×10－10m2/s和3.7×10－10m2/s，預(yù)處理組比對照組的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別提高了47.4%、32.0%、32.4%。從結(jié)果可以看出，干燥預(yù)處理可以顯著提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)，促進水分向物料表面擴散，從而提高干燥速率。預(yù)處理添加劑的作用就是增加干燥物料內(nèi)外的滲透壓，從而加快水分?jǐn)U散。一般有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，上述結(jié)果顯示，干燥溫度為50 ℃時有效水分?jǐn)U散系數(shù)提高的幅度最大，干燥溫度為60 ℃和70 ℃時有效水分?jǐn)U散系數(shù)提高的幅度相當(dāng)。這可能因為，當(dāng)干燥溫度升高到60～70 ℃時，干燥表面?zhèn)魅氲哪芰看笥谒秩コ枘芰繒r，物料微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，改變了原有水分脫除的通道，少量的糖分外滲使物料表面黏性變大，對內(nèi)外水分?jǐn)U散也產(chǎn)生較大的影響，這些復(fù)雜的因素使得有效水分?jǐn)U散系數(shù)提高的幅度與干燥溫度的關(guān)系不呈單調(diào)變化規(guī)律。

圖2 不同干燥溫度的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig.2 Variation of effective diffusivity with drying temperature

2.4 預(yù)處理對平均活化能的影響

將式（11）兩邊取對數(shù)，然后將lnDeff與1/（T+273.15）的曲線進行線性擬合，根據(jù)擬合直線的斜率計算出無核白葡萄的活化能Ea。式（13）和（14）分別表示預(yù)處理組和對照組溫度的阿倫尼烏斯關(guān)系。一般食品材料干燥過程的活化能范圍為12.7～110 kJ/mol[27]。

由圖3可知，本實驗中預(yù)處理組和對照組的平均活化能分別為23.26 kJ/mol和27.71 kJ/mol，預(yù)處理組的平均活化能比對照組的平均活化能降低16.1%。活化能越低，水分越容易除去。由此可見，預(yù)處理對無核白葡萄干燥過程具有促進作用。

圖3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)與絕對溫度倒數(shù)關(guān)系Fig.3 Effective diffusivity vs. reciprocal absolute temperature

2.5 預(yù)處理對復(fù)水率的影響

復(fù)水率是評價干燥品品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，它可以反應(yīng)干燥過程或預(yù)處理對干燥產(chǎn)品的破壞程度，較低的復(fù)水率可能是由于樣品組織結(jié)構(gòu)破壞程度較大造成的。

表5 不同干燥條件下無核白葡萄的復(fù)水率Table 5 Rehydration rates of white grapes at different drying conditions %

由表5可知，在相同溫度下，預(yù)處理組的復(fù)水率都比對照組高，且70 ℃預(yù)處理組的復(fù)水率最高，這與柿子片[8]、甜櫻桃[9]、檳榔葉[31]等干燥產(chǎn)品復(fù)水率變化的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

3.1 比較評價4種常用農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥模型非線性擬合的R2、χ2和RMSE，Parabolic模型的模擬效果最好，更加適合描述無核白葡萄熱風(fēng)干燥水分比與干燥時間之間的關(guān)系。

3.2 無核白葡萄經(jīng)5 g/100 mL碳酸鉀和0.6 g/100 mL橄欖油混合液進行干燥預(yù)處理后，能明顯改善干燥效果。通過比較預(yù)處理組和對照組的干燥特性，得出如下結(jié)論：干燥前預(yù)處理可以縮短干燥時間、提高物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)和降低干燥活化能，達到降低干燥能耗的目的。

3.3 預(yù)處理得到的干制品，復(fù)水率比對照組高，說明本實驗設(shè)計的預(yù)處理方法不僅可以提高干燥速率，而且對保持干制品的品質(zhì)有較好的效果。

[1] 喬憲生. 中國葡萄及其加工品貿(mào)易現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 中國食物與營養(yǎng), 2004(3): 27-31.

[2] SARAVACOS G D, MAROUSIS S N, RAOUZEOS G S. Effect of ethyl oleate on the rate of air-drying of foods[J]. Journal of Food Engineering, 1988, 7(4): 263-270.

[3] DOYMAZ I. Effect of pre-treatments using potassium metabisulphide and alkaline ethyl oleate on the drying kinetics of apricots[J]. Biosystems Engineering, 2004, 89(3): 281-287.

[4] KINGSLY R P, GOYAL R K, MANIKANTAN M R, et al. Effects of pretreatments and drying air temperature on drying behavior of peach slice[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2007, 42(1): 65-69.

[5] KASSEM A S, SHOKR A Z, EL-MAHDY A R, et al. Comparison of drying characteristics of ‘Thompson’ seedless grapes using combined microwave oven and hot air drying[J]. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 2011, 10(1): 33-40.

[6] DOYMAZ ?, ALTINER P. Effect of pretreatment solution on drying and color characteristics of seedless grapes[J]. Food Science and Biotechnology, 2012, 21(1): 43-49.

[7] DOYMAZ ?. Drying kinetics of black grapes treated with different solutions [J]. Journal of Food Engineering, 2006, 76(2): 212-217.

[8] DOYMAZ ?. Evalution of some thin-layer drying models of persimmon slices (Diospyros kaki L.)[J]. Energy Conversion and Management, 2012, 56: 199-205.

[9] DOYMAZ ?, ?SMAIL O. Drying characteristics of sweet cherry[J]. Food and Bioproducts Processing, 2011, 89(1): 31-38.

[10] BRUCE D M. Exposed-layer barley drying, three models fi tted to new data up to 150 ℃ [J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1985, 32(4): 337-347.

[11] ROBERTS J S, KIDD D R, PADILLA-ZAKOUR O. Drying kinetics of grape seeds[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 89(4): 460-465.

[12] da SILVA M A, PINEDO R A, KIECKBUSCH T G. Ascorbic acid thermal degradation during hot air drying of Camu-Camu (Myrciaria dubia [H.B.K.] Mc Vaugh) slices at different air temperatures[J]. Drying Technology, 2005, 23(9/11): 2277-2287.

[13] HASSAN-BEYGI S R, AGHBASHLO M, KIANMEHR M H, et al. Drying characteristics of walnut (Juglans regia L.) during convection drying [J]. International Agrophysics, 2009, 23(2): 129-135.

[14] SINGH S, RAINA C S, BAWA A S, et al. Effect of pretreatments on drying and rehydration kinetics and color of sweet potato slices[J]. Drying Technology, 2006, 24(10): 1487-1494.

[15] JANGAM S V, JOSHI V S, MUJUMDAR A S, et al. Studies of dehydration of sapota (Achras zapota) [J]. Drying Technology, 2008, 26(3): 369-377.

[16] KHAZAEI J, CHEGINI G R, MARYAM B. A novel alternative method for modeling the effects of air temperature and slice thickness on quality and drying kinetics of tomato slices: superposition technique[J]. Drying Technology, 2008, 26(6): 759-775.

[17] SACILIK K, ELICIN A K, UNAL G. Drying kinetics of Ueryani plum in a convective hot-air dryer[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 76(3): 362-368.

[18] HASSAN-BEYGI S R, AGHBASHLO M, KIANMEHR M H, et al. Drying characteristics of walnut (Juglans regia L.) during convection drying[J]. International Agrophysics, 2009, 23(2): 129-135.

[19] SOBUKOLA O. Effect of pre-treatment on the drying characteristics and kinetics of okra (Abelmoschus esculetus(L.) Moench) slices[J]. International Journal of Food Engineering, 2009, 5(2), doi: 10.2202/1556-3758.1191.

[20] CRANK J. The mathematics of diffusion[M]. Oxford : Clarendon Press, 1975.

[21] SIMAL S, FEMENIA A, C?RCEL J A, et al. Mathematical modeling of the drying curves of kiwi fruits: influence of the ripening stage[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2005, 85: 425-432.

[22] SHARMA G P, PRASAD S. Effective moisture diffusivity of garlic cloves undergoing microwave-convective drying[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 65(4): 609-617.

[23] DOYMAZ I. Effect of pre-treatments using potassium metabisulphide and alkaline ethyl oleate on the drying kinetics of apricots[J]. Biosystems Engineering, 2004, 89(3): 281-287.

[24] TARHAN S, ERGUNES G, TASER O F. Selection of chemical and thermal pretreatment combination to reduce the dehydration time of sour cherry (Prunus cerasus L.)[J]. Journal of Food Process Engineering, 2006, 29(6): 651-663.

[25] EISSEN W, MüHLBAUER W, KUTZBACH H D. Solar drying of grapes[J]. Drying Technology, 1985, 3(1): 63-74.

[26] VEGA-G?LVEZ A, MIRANDA M, BILBAO-S?INZ C, et al. Empirical modeling of drying process for apple (Cv. Granny Smith) slices at different air temperatures[J]. Journal of Food Processing & Preservation, 2008, 32(6): 972-986.

[27] ZOGZAS N P, MAROULIS Z B, MARINOS-KOURIS D. Moisture diffusivity data compilation in foodstuffs[J]. Drying Technology, 1996, 14(10): 2225-2253.

[28] TOGRUL I T. Modelling of heat and moisture transport during drying black grapes[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2010, 14(6): 23-32.

[29] XIAO Hongwei, PANG Changle, WANG Lihong, et al. Drying kinetics and quality of ‘Monukka’ seedless grapes dried in an air-impingement jet dryer[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(2): 233-240.

[30] V?ZQUEZ G, CHENLO F, MOREIRA R, et al. Effects of various treatments on the drying kinetics of ‘Muscatel’ grapes[J]. Drying Technology, 2000, 18(9): 2131-2144.

[31] BALASUBRAMANIAN S, SHARMA R, GUPTA R K, et al. Validation of drying models and rehydration characteristics of betel (Piper betel L.) leaves [J]. Journal of Food Science and Technology, 2011, 48(6): 685-691.

Effect of Pretreatment on Hot Air Drying Characteristics of White Seedless Grapes

KANG Yan, GUAN Zhi-qiang*, LI Min, WU Bao-chuan
(Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Process and Safety, Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution, College of Food Science and Technology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

The effects of pretreatment by soaking in a mixed solvent system containing 5 g/100 mL potassium carbonate and 0.6 g/100 mL olive oil and hot-air temperature (50, 60 and 70 ℃) on drying characteristics of white grapes were studied using a hot air dryer. Non-linear regression analysis was used to develop four common agricultural thin layer-drying models based on the data obtained and these models were evaluated by coeffi ci ent of determination (R2), chi-square value (χ2) and root mean squared error (RMSE). It turned out that the Parabolic model was more appropriate to describe the relationship between moisture ratio and drying time. Compared with the control group, the drying time for the pretreatment group was shorten by 33.3%, 19.2% and 15.4% at 50, 60 and 70 ℃, respectively, the effective diffusivity of white grapes was increased by 47.4%, 32.0% and 32.4%, respectively. In addition, the activation energy was decreased by 16.1%, and the rehydration of dried grapes from the pretreatment group was higher. This pretreatment is not only good for shortening the drying time, improving effective moisture diffusivity and reducing activation energy, but also help preserve the quality of dried products.

grape; pre-treatment; drying mathematical models; moisture diffusivity; activation energy

TS255.4

A

1002-6630（2014）05-0119-05

10.7506/spkx1002-6630-201405024

2013-02-04

康彥（1987—），女，碩士研究生，主要從事食品加工與貯藏研究。E-mail：kangyan@126.com

*通信作者：關(guān)志強（1956—），男，教授，碩士，主要從事食品冷凍與干燥工程技術(shù)研究。E-mail：mmcgzq@163.com