熱風(fēng)干制對紅棗收縮特性的影響

韋玉龍，于 寧，陳 愷，朱 霞，方 元，黃雪姣，李煥榮

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

熱風(fēng)干制對紅棗收縮特性的影響

韋玉龍，于 寧，陳 愷，朱 霞，方 元，黃雪姣，李煥榮*

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

以哈密大棗為原料，研究了不同熱風(fēng)干制溫度對棗收縮特性的影響，結(jié)果表明：不同干制溫度下紅棗的干制過程由升速期、降速期和恒速期三個階段組成，高溫條件下降速期是主要的干制過程，低溫條件下恒速期是主要的干制過程；紅棗在干制過程中的體積的變化呈收縮與小幅度的膨脹交替的規(guī)律進(jìn)行至干制結(jié)束；在干制過程中棗果內(nèi)存在的空腔、氣道、維管束組織和果核及表皮的支撐作用使得棗果失水體積遠(yuǎn)大于收縮體積；模型擬合結(jié)果顯示選用的指數(shù)收縮模型預(yù)測效果較好，R2≥0.9992、PE≤1.5764%、RMSE≤6.4162%，能很好地模擬棗在熱風(fēng)干制過程中的收縮特性。

棗，熱風(fēng)干燥，收縮模型

紅棗（zizyphus jujube dates），又名中華大棗、棗、刺 棗 ，是 鼠 李 科（Rhamnaceae）棗 屬 植 物 棗 樹（Ziziphusjujube Mill）的 果 實(shí)[1]，棗 屬 是 鼠 李 科 50多 個屬中最富經(jīng)濟(jì)價值的一個屬[2]。鮮棗形似橄欖，營養(yǎng)豐富，含水量高、易腐爛變質(zhì)，經(jīng)儲藏反季節(jié)銷售的鮮棗數(shù)量有限[3]。目前除少量鮮食外，總產(chǎn)量75%以上的紅棗被制成干棗銷往國內(nèi)外[4]。紅棗干制方法有自然干制法、烘房烘干法[5-7]、烘箱熱風(fēng)干制法[8-9]、變溫壓差膨化干制法[10-11]、真空冷凍干制法[12-13]、太陽能集能制干法[14-15]等。自然干制方法操作簡單、成本低廉，但受氣候條件影響較大，干制時間長、產(chǎn)品衛(wèi)生條件及質(zhì)量難以控制、遭遇陰雨天氣易導(dǎo)致棗果霉?fàn)€變質(zhì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[16]。熱風(fēng)干制[17]是目前采用較為普遍的一種方法，整個干制過程可受人為控制和調(diào)整，在縮短干制時間的同時，可有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量，熱風(fēng)干制法對干制條件要求較高，不適條件會導(dǎo)致紅棗營養(yǎng)成分損失、棗果收縮嚴(yán)重、色澤及風(fēng)味品質(zhì)降低，直接影響其商品價值。因而研究紅棗干制過程的收縮特性，制定適宜的熱風(fēng)干制工藝，為紅棗的熱風(fēng)干制加工提供理論和技術(shù)支撐意義重大。實(shí)驗以新疆優(yōu)質(zhì)哈密大棗為材料，研究熱風(fēng)干制溫度對紅棗體積收縮規(guī)律、水分含量、干制速率、組織結(jié)構(gòu)變化等方面的影響，建立紅棗干制過程中的收縮模型，為提高紅棗的干制效率、預(yù)測和控制干制過程中的收縮特性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮哈密大棗 采自新疆哈密陶家宮鄉(xiāng)馬場村一隊，選擇大小、著色、成熟度均勻、無機(jī)械損傷的棗果置于溫度為0～4℃的冷庫中貯藏備用。

DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；PL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；AS0020201型數(shù)顯游標(biāo)卡尺 靖江棱環(huán)量具有限公司；Testo 405-V1型風(fēng)速計 德圖儀器國際貿(mào)易（上海）有限公司 。

1.2 實(shí)驗方法

前期研究表明，哈密大棗熱風(fēng)干制溫度控制在35～55℃能夠保持相對較好的品質(zhì)，溫度低于35℃，干制時間長，收縮嚴(yán)重，干制過程中易霉變；溫度過高，紅棗收縮嚴(yán)重，口感酸、風(fēng)味差[18]。因此實(shí)驗中選取35、40、45、50、55℃對哈密鮮棗進(jìn)行熱風(fēng)恒溫干制，實(shí)驗中每個不同的溫度條件下設(shè)3組平行樣，各組選取20顆棗作為測試樣品，取其平均值，每組樣品質(zhì)量（350±10）g，干基含水量244.82%（濕基含水量70.90%），在同一烘箱內(nèi)進(jìn)行薄層干燥，風(fēng)速1.6～1.8m/s。每隔6h將試樣快速取出測量每顆棗的重量，并利用游標(biāo)卡尺對每顆棗果的縱徑、橫徑隨機(jī)測量5次，并記錄數(shù)據(jù)。干制過程中干基水分含量≤82%時，結(jié)束干制。

1.3 實(shí)驗參數(shù)

1.3.1 試樣干基含水量 計算公式如下：

式中，Mt為試樣干制t時刻的干基含水量，%；mt為試樣干燥至t時刻的質(zhì)量，g；mg為試樣干燥至絕干時的質(zhì)量，g。

1.3.2 試樣干燥速率 計算公式如下：

式中，Dr為試樣干燥速率，g/（g·h）；Mt+△t為試樣t+△t時刻的干基含水量，%；△t為干燥間隔時間，h。1.3.3 試樣水分比MR 計算公式如下：

式中，MR為試樣水分比，無量綱；Me為物料的平衡干基含水量，%；M0為物料的初始干基含水量，%；Me的值相對于Mt和M0來說較小，可以忽略不計，因而式（3）可以簡化為：

1.4 收縮模型

國內(nèi)外學(xué)者通過對不同物料的干燥收縮進(jìn)行研究，總結(jié)出不同的干燥收縮模型來描述物料干制中的收縮特性，本實(shí)驗選擇5種常用的數(shù)學(xué)模型，采用非線性回歸法對不同溫度條件下的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而建立紅棗的熱風(fēng)干燥收縮數(shù)學(xué)模型，如表1所示。

收縮數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗數(shù)據(jù)的匹配度可以用相關(guān)系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和模型精密度（PE）來衡量，R2越高，RMSE和 PE越小，則數(shù)學(xué)模型匹配度越好。

1.4.1 體積計算 紅棗干制前后均為非規(guī)則形狀，實(shí)驗中涉及到熱傳遞、水分蒸發(fā)不適宜用排水法、排沙法測量紅棗的體積，故將紅棗的形狀簡化為橢球體進(jìn)行測量、計算。體積計算公式：

式中，V為體積，mL；Da為長軸，mm；Db為短軸，mm。

1.4.2 試樣收縮量計算 將相對應(yīng)的紅棗縱橫徑數(shù)據(jù)帶入體積計算公式進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果得出紅棗體積收縮量。

式中，△V為紅棗的收縮量，mL；V0為紅棗的初始體積，mL；Vt為t時刻紅棗的體積，mL。

1.4.3 收縮體積比計算 用收縮量比初始體積得收縮體積比。

式中，Zt為紅棗的收縮體積比，%；△V為紅棗的收縮量，mL；V0為紅棗的初始體積，mL。

1.4.4 失水體積比計算 干制過程中紅棗質(zhì)量隨著水分的散失不斷減小，實(shí)驗中將失水的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的體積，通過計算得出失水體積比。

表1 常用的收縮數(shù)學(xué)模型Table 1 Contraction of commonly used mathematical model

式中，Zs為紅棗的失水體積比，%；m0為紅棗的初始質(zhì)量，g；mt為t時刻紅棗的質(zhì)量，g；ρs為水的密度，g/mL；V0為紅棗的初始體積，mL。

1.4.5 精密度計算 通過計算PE值來估計模型的精密度[23]：

式中，PE為精密度值，%；n為樣本量；V為干燥過程中紅棗的體積，mL；V0為紅棗鮮樣的體積，mL。

1.4.6 均方根誤差計算

式中，RMSE為均方根誤差，%；N為樣本量，V為干燥過程中紅棗體積，mL；V0為紅棗鮮樣體積，mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗的干燥特性

2.1.1 紅棗的干燥曲線 由圖1可知，試樣的MR（水分比），隨干制時間的延長而不斷下降，隨著干制溫度的升高，下降速率逐漸加快；35℃熱風(fēng)干制條件下經(jīng)132h紅棗的MR仍未趨于平緩，而55℃熱風(fēng)干制條件下經(jīng)54h紅棗的MR就趨于平緩，在干制過程中，干制溫度越高所用的干制時間越短。

圖1 不同溫度條件下的干燥曲線Fig.1 The drying curves under different temperature conditions

2.1.2 紅棗的干燥速率曲線 由圖2可知，哈密大棗在整個實(shí)驗前6h內(nèi)干制速率呈上升趨勢，在6～12h內(nèi)干制速率下降最快，這和紅棗表面水分的快速蒸發(fā)有關(guān)。隨著干制時間的延長，紅棗干制速率逐漸減小或趨于平緩。在55℃條件下紅棗的干制速率下降最快，而35℃條件下紅棗的干制速率保持較為平穩(wěn)，但干制時間最長；在50℃條件下紅棗的干制速率在18～36h內(nèi)干制速率相對下降較慢，36h直至干制結(jié)束過程中干制速率下降較快；在45℃條件下紅棗的干制速率在12～48h內(nèi)趨于平穩(wěn)，在48～72h內(nèi)呈下降趨勢，而后保持平穩(wěn)；在35℃和40℃條件下紅棗的干制速率經(jīng)過干制初期的快速下降后保持平穩(wěn)。由此可知，哈密大棗的干制過程可以分為3個的階段，升速期、降速階段和恒速階段，50℃和55℃條件下降速階段占主要過程，35、40、45℃恒速階段占主要過程。紅棗中的水分在熱風(fēng)的作用下，由內(nèi)部向表面擴(kuò)散，隨著水分含量的下降，水分的擴(kuò)散阻力也不斷在增加，干制速率也在逐漸降低。

圖2 不同溫度干燥時干燥速率與干燥時間的關(guān)系Fig.2 The relationship between drying rate and drying time of the different drying temperature

2.1.3 干燥速率與水分的關(guān)系 由圖3可知，哈密大棗在不同溫度干制過程中，干制初期紅棗水分含量大，干制速率高；干制過程中干制速率隨著紅棗水分含量的降低而降低，接近干制結(jié)束時，紅棗水分含量小，干制速率低。由此得知，紅棗的干制速率與水分含量和干制溫度有關(guān)，干制溫度越高、水分含量越大，干制速率就越高，反之則越小。

圖3 干燥速率與水分含量的關(guān)系Fig.3 The relationship between drying rate and moisture content

2.2 干制過程中體積收縮規(guī)律

2.2.1 不同干制溫度下紅棗的收縮曲線 由圖4可知，隨著干制時間的延長，不同溫度干制的紅棗體積都發(fā)生明顯的變化，在干制前期體積均有一個快速收縮期。在實(shí)驗的干制溫度范圍內(nèi)（除45℃外）的整個干制過程中，紅棗體積變化總是由收縮與小幅度膨脹交替進(jìn)行著直至干燥結(jié)束，其中干制溫度越高、收縮與膨脹交替的頻率越快、棗果的收縮率越大，至干制結(jié)束時55℃干制的棗體積收縮量最大、體積比最小，35℃干制條件下收縮量最小、體積比最大，這種規(guī)律與干制溫度、紅棗的組織結(jié)構(gòu)及干燥過程中表面汽化和內(nèi)部擴(kuò)散控制規(guī)律有關(guān)，干制初期體積收縮程度大，是紅棗表面水分快速蒸發(fā)的結(jié)果，隨著干制時間的延長表面收縮，水分在表皮擴(kuò)散的阻力也不斷在增加，使得組織內(nèi)部的水分不能及時排出，在內(nèi)部積累導(dǎo)致棗果體積出現(xiàn)小幅膨大，此后在蒸汽壓的作用下水分緩慢向外部擴(kuò)散，失去水分的紅棗體積再一次收縮，當(dāng)紅棗中水分含量足夠小時這種收縮與膨脹的交替作用才會結(jié)束。但在45℃干制條件下的整個干制過程中，棗果體積保持較均衡的收縮速度，只在干制后期出現(xiàn)了一個較快的收縮期，這是否與在該溫度下棗果表面與果肉組織的收縮特性有關(guān)有待于進(jìn)一步探討。

圖4 體積變化與干燥時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the volume change and drying time

2.2.2 收縮量與水分關(guān)系曲線 由圖5可知，不同溫度干制的紅棗，隨著紅棗水分含量的降低，紅棗體積收縮量總體呈上升趨勢。45℃條件下干制的紅棗收縮量與水分含量具有較好的線性關(guān)系；35、40、50、55℃條件下干制，隨著紅棗水分含量的減少紅棗收縮量呈階梯式上升，說明在某段水分含量范圍內(nèi)紅棗體積沒有變化或變化量很小，這時紅棗體積變化與水分含量變化的關(guān)系不大。由此可以認(rèn)為在干制過程中，水分含量的變化并不是導(dǎo)致紅棗收縮唯一的因素。

圖5 收縮量與水分的關(guān)系Fig.5 The relationship between shrinkage and moisture

2.2.3 收縮體積比與失水體積比的關(guān)系 由圖6可知，在干制初期，不同溫度干制紅棗的收縮體積比近乎等于失水體積比，這說明干制初期棗果的收縮是由大量的表面水分汽化而引起的；在紅棗干制中后期失水體積遠(yuǎn)大于收縮體積，這是由于紅棗組織是多孔性組織結(jié)構(gòu)，在中果皮內(nèi)分布著大量用于棗果呼 吸 和 氣 體 交 換 空 腔 和 氣 道[24]、棗 果 中 果 皮 內(nèi) 分 布著豐富的維管束組織、中部有堅硬的果核，正是由于這些空腔、氣道、維管束組織和果核的存在保證棗果在干制時大量失水后還能保持較好的果形。

2.3 紅棗的收縮模型

2.3.1 模型擬合 用所選的5個收縮數(shù)學(xué)模型（表1）對哈密大棗在不同溫度條件下的收縮曲線進(jìn)行擬合，得到各收縮數(shù)學(xué)模型待定常數(shù)、R2、PE和RMSE值。實(shí)驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel和MATLBA7.8.0軟件進(jìn)行計算和擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 不同收縮數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 2 The fitting results of different contract model

如表2所示，對于所選的5種數(shù)學(xué)模型對實(shí)驗數(shù)據(jù)的擬合效果有明顯的差異。用各數(shù)學(xué)模型不同溫度條件下R2、PE和RMSE的平均值作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對它們的擬合效果進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)指數(shù)收縮數(shù)學(xué)模型（1）的擬合效果較好，待定常數(shù)少，應(yīng)用簡便，所以本實(shí)驗選擇指數(shù)收縮模型作為紅棗的最佳收縮數(shù)學(xué)模型。

2.3.2 模型驗證 為了驗證指數(shù)收縮模型的擬合效果，用實(shí)驗值與指數(shù)收縮模型預(yù)測值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示，實(shí)驗中所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在了直線Y=X附近，經(jīng)計算，實(shí)驗值與預(yù)測值的RMSE≤6.4162%，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，這說明指數(shù)收縮模型的預(yù)測效果較好，適合對紅棗熱風(fēng)干制過程中的收縮過程進(jìn)行模擬。

圖7 指數(shù)收縮模型預(yù)測值與實(shí)驗值的比較Fig.7 Compared with the experimental value index to predict shrinkage model

3 結(jié)論

3.1 本實(shí)驗通過對紅棗不同干制溫度條件下的干制速率分析認(rèn)為整個干制過程可分為三個階段，即升速期、降速期和恒速期，較高溫度條件下降速期是主要的干制過程，在低溫條件下恒速期是主要的干制過程；與現(xiàn)有的研究中認(rèn)為干制過程中只有兩個階段 即 升 速 和 降 速[25]不 一 致 ，分 析 認(rèn) 為 可 能 與 干 制溫度的設(shè)置及棗果的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般的物料干制為了實(shí)現(xiàn)較快的干制速度其干制溫度都在50℃以上，但棗果是整棗干制，如果采用較高的溫度干制最終產(chǎn)品不但收縮嚴(yán)重影響感官且風(fēng)味品質(zhì)（包括香氣成分、糖酸比等）變差[26-27]。由于紅棗的干物質(zhì)含量高、組織致密、表皮的結(jié)構(gòu)等因素的影響使得干制時水分在內(nèi)部的擴(kuò)散速度成為對整個干制過程起控制作用的主要因素，而在較低的干制溫度時水分表面的汽化速度內(nèi)部擴(kuò)散速度均較慢且差別較小，因此在干制曲線出現(xiàn)了恒速期，這也有利于棗果體積的均勻收縮和果形的保持。

3.2 不同干制溫度條件下，紅棗在干制過程中體積的變化均呈現(xiàn)出收縮與小幅度膨脹交替的規(guī)律至干制結(jié)束。當(dāng)紅棗中水分含量足夠小時，這種收縮與膨脹的交替作用才會結(jié)束，干制溫度越高棗果的收縮率越大；紅棗的干制速率與水分含量和干制溫度有關(guān)，干制溫度越高，水分含量越大，干制速率就越高，反之則越小。

3.3 通過分析干制過程中收縮量與失水量的關(guān)系得出紅棗在干制過程中失水體積遠(yuǎn)大于收縮體積，與L Mayor[28]對部分果蔬材料的研究結(jié)論在干制過程中收縮量等于失水量有所不同，分析認(rèn)為在干制過程中棗果的表面收縮和內(nèi)部收縮同時存在，由于棗果內(nèi)存在的空腔、氣道、維管束組織和果核及表皮的支撐作用，使棗果在干制時大量失水后保持相對小的收縮量，從而保持較好的果形。

3.4 選擇5種常用的數(shù)學(xué)模型采用非線性回歸法對不同溫度條件下的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以R2、PE和RMSE的平均值作為評價標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)指數(shù)收縮數(shù)學(xué)模型的擬合效果較好，并用實(shí)驗值與指數(shù)收縮模型預(yù)測值進(jìn)行比較，實(shí)驗值與預(yù)測值的RMSE≤6.4162%，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，該收縮數(shù)學(xué)模型能很好地模擬棗在熱風(fēng)（溫度在35～55℃）干制過程中的收縮量，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

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Effect of hot air dried on shrinkage characteristics of jujube

WEI Yu-long，YU Ning，CHEN Kai，ZHU Xia，F(xiàn)ANG Yuan，HUANG Xue-jiao，LI Huan-rong*
（College of Food and Pharmaceutial Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Hami jujube was used as the material to research the effect of different dried temperature on shrinkage characteristics of jujube.The results showed that：dried process of jujube was made of speed up period，deceleration period and constant period.Deceleration period was the main dried process of high temperature，while constant period was the main dried process of low temperature.Volume shrinkage of jujube was with alternation of contraction and expansion during dried process.A supporting role in cavity ，airway，vascular tissue，core and peel of jujube resulted in water loss volume was much larger than jujube shrink volume.Model fitting results showed selected index contraction predicted better，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，RMSE≤6.4162%.

jujube；hot-air dried；shrinkage modelling

TS201.1

A

1002-0306（2014）22-0114-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.017

2014－01－17

韋玉龍（1989-），男，碩士研究生，主要從事果蔬加工過程中品質(zhì)變化機(jī)理方面的研究。

* 通訊作者：李煥榮（1965-），女，教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品深加工與綜合利用方面的研究。

國家自然科學(xué)基金（31360401）；新疆研究生科研創(chuàng)新項目（XJGRI2013101）。