微波間歇干燥過程中荔枝整果的物理變化及機理探討

趙懿琨，李長友，陳 燕，陳 震

（華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

微波間歇干燥過程中荔枝整果的物理變化及機理探討

趙懿琨，李長友，陳 燕，陳 震

（華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

為了探討微波干燥荔枝整果的熱質變化機理，揭示干燥過程中荔枝的物理變化過程。基于荔枝的干燥速率、能量消耗、溫差梯度、褐變情況和果肉收縮度的變化，分析了微波間歇干燥荔枝鮮果至半干型荔枝干過程中的物理變化過程，證明了采用微波間歇干燥工藝干燥整果荔枝具有快速干燥、半干型荔枝干果肉質量均勻、低能耗、設備工藝簡單的優點。實驗表明在綜合能耗、色澤和收縮度的條件下，700W微波輸出功率下7s/65s加熱間歇時間為最佳工藝，能耗為2.11，荔枝干呈現均勻金黃色，L*、a*、b*值分別為37.5、14.4和16.4，果肉收縮度遵循近線性膨脹/收縮，果皮表面無明顯凹陷。實驗研究為半干型荔枝干選擇適宜的微波干燥方式和研究微波干燥中荔枝的水分和溫度變化的計算機仿真模型提供了參考。

荔枝，微波干燥，間歇干燥，物理變化

荔枝是我國南方的優勢特色水果，其果體結構為多重結構復合體，包括多孔介質果殼、柔性體果肉以及軟木結構果核，各組分間的熱物性參數差異很大［1-2］，干燥去水特性有別于一般的多孔介質和均質體［3］。荔枝的生產具有季節性且收獲期集中，果體含水率大多在80%以上，大量高水分荔枝需要及時干燥且干燥設備不足，導致荔枝腐爛變質變壞問題十分突出，解決荔枝鮮果及時高效干燥具有重要的社會意義和經濟價值。

目前荔枝鮮果多層結構干燥工藝研究已取得了一定成果［4-15］，研究人員圍繞半干型荔枝干燥進行了微波［7］、熱風［3，11，13-14］、真空［6，9-10］、熱泵微波聯合干燥［8，12-15］等工藝研究，獲得了荔枝連續干燥和間歇干燥工藝參數特性曲線，并有研究采用Poisson方程［17］、熱風傳質方程［18-19］以及物料濕相的分形模型理論［20］得出了物料隨含水率變化［21-23］的外部整體收縮規律，但尚無法有效監控荔枝鮮果各層的干燥過程變化特性。其原因在于，荔枝屬多重結構復合體，分析果體干燥過程變化時，未考慮果殼、果肉、果核物性的非線性變化和各層之間的熱質傳遞規律，忽略了荔枝微小孔隙結構對整果的影響。

鑒于此，本文通過實驗，采用微波間歇干燥工藝對顆粒狀荔枝鮮果在質量、色澤、收縮性和內外溫度的變化四方面進行比較分析，從而發現微波干燥荔枝鮮果的內部物理變化過程，并分析各變化階段內各部分升溫和失水的機理變化，為半干型荔枝干選擇適宜的微波干燥方式和研究微波干燥中荔枝的水分和溫度變化的計算機仿真模型提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

荔枝 品種為槐枝的荔枝成熟鮮果，從廣州從化果園購得，隨機抽取1000顆成熟荔枝，摘葉，剪蒂，進行大小分級，其中，小粒果12～14g，占7‰；中小粒果15～16g，占120‰，中粒果17～18g，占292‰，中大粒果19～20g，占331‰；大粒果21～22g，占170‰；特大粒果23～25g，占80‰。

HF-300/d型電子天平 量程310g，精度0.001g，A&D Company，Lim ited.Japan；JB101S-2A型數顯不銹鋼電熱鼓風干燥箱 控溫范圍：室溫～300℃，精度±1℃，輸入功率2.2kW，上海金忠科學儀器有限公司；MM 721NH 1-PW型美的微波爐 微波工作頻率（2450±50）MHz，額定輸入輸出功率1150W/700W，機械式玻璃轉盤，廣東美的微波電器制造有限公司；YZC-1C/1kg應變式稱重傳感器 精度0.02g，YZC Comapany，Lim ited.USA；T3805稱重顯示儀 精度0.5g，上海三積分電子有限公司；E型熱電偶線XMTD-2001數字式溫度顯示調節儀 測量精度±1℃，江南儀表有限公司；CR-10型Konica M inolta色差儀 測量時間：1s，柯尼卡美能達株式會社；100m L和10m L玻璃量筒 精度分別為5m L和1m L，江都星火玻璃廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 荔枝鮮果整果含水率測試 隨機選取分級荔枝鮮果各3粒，合計18粒，擦干荔枝表面，每組各1粒放入鋁制容器中，共3組。設定烘箱105℃，分別進行24h烘干，進行質量測定。

1.2.2 荔枝鮮果各重結構含水率測試 隨機選取分級荔枝鮮果各6粒，合計36粒，擦干荔枝表面，仔細剝取殼，果肉與果核，放入鋁制容器中。分別稱量每個荔枝的果殼、果肉、果核質量，重復3次求平均值。設定烘箱105℃，將樣品進行24h恒溫烘干，分別取出果殼、果肉、果核進行整體質量測定，由下式計算含水率：

濕基含水率（%）=物料中所含水的質量/（物料中所含水的質量+物料中所含干物質的質量）×100

鬧鐘響的時候，天真的還很昏暗。阿東爬起來，洗漱完后，又把錄音機試聽了一下，毫無問題，然后再去叫阿里。阿里睡意蒙眬，說：“姆媽還沒叫。”

干基含水率（%）=物料中所含水的質量/物料中所含干物質的質量×100

1.2.3 荔枝質量和溫度變化測試 參考陳燕等［5］的研究，實驗采取間歇干燥工藝，選取微波加熱時間7、10、13s，間歇時間為65s，從而降低破殼率。每組實驗取荔枝大小粒混合21顆，約425g，均勻平鋪在帶孔料盤上，在微波爐頂端開小孔，采用魚線保證料盤平衡懸掛，另開辟小孔放置熱電偶線，自行對微波爐控制系統進行改裝，保證加熱與間歇時間精準。實驗開始即啟動質量測試系統進行數據采集和記錄，每組實驗重復3次。實驗過程中，控制室內溫度約25～28℃，加熱時料盤處于微波爐轉盤上，間歇時提升料盤，干燥進行到荔枝濕基含水率約30%（w.b）以下。干燥過程將熱電偶線插入荔枝果中部果核表皮以及內核和果肉界面處，進行溫度測量，干燥過程任意時刻荔枝質量和溫度通過自行開發的測試軟件集錄和顯示。文中數據的處理選擇每加熱-間歇5次作為一組，即在第5次間歇期內選取一組質量和溫度數據進行分析。

1.2.4 荔枝果皮與果肉褐變測試 采用1.2.3中方法對荔枝進行7s/65s、10s/65s和13s/65s微波間歇干燥，其中，荔枝為通過質量和體積測定選擇同重量（20g）和同體積（18m L）的中大粒果荔枝，荔枝擺放在同半徑圓周上，每組實驗重復3次，5次微波-間歇后取出盤內一顆荔枝，測試果皮的顏色變化，并在小心剝皮后測試果肉的顏色變化。先用純白色對色差儀進行定標，然后將鏡頭對準荔枝果皮的中部及果肉的蒂部、中部和底部，保證無光透出，進行測試，記錄各處的△L*，△a*，△b*。L*值（亮度），其值從0～100變化；0表示黑色，100表示白色。a*值（紅色度），表示從紅到綠的值；100為紅色，-80為綠色。b*值（黃色度），表示從黃色到藍色的值；100為黃色，-80為藍色，每種樣品取3次樣，每樣旋轉3次不同角度分別讀數，取9次讀數的平均值。相對色差值E*和色密度C*由下式計算得出［24］：

1.2.5 荔枝果肉收縮率測定 采用1.2.3中方法對荔枝進行7s/65s和10s/65s微波間歇干燥，其中，荔枝為通過質量和體積測定選擇同重量（20g）和同體積（18m L），新鮮連核果肉體積約為16m L的中大粒果荔枝，荔枝擺放在同半徑圓周上，每組實驗重復3次，5次微波-間歇后取出盤內一顆荔枝，并在小心剝皮后測試荔枝果肉的質量變化和體積變化。干制荔枝取出剝皮后迅速放入裝有60m L水的100m L量筒，用圓形薄片將樣品全部壓入在水中，10s內讀出體積變化量。每樣重復3次，取平均值，分別可算出其鮮樣及干品的密度ρ0和ρd，ρ0和ρd見式（1）和式（2），并利用式（3）計算出收縮度［24］：

式（1）中m0和V0為單顆荔枝（鮮樣）的初始連核果肉質量和體積；式（2）md和Vd為每5次加熱-間歇干燥后取出的單顆荔枝（干品）的連核果肉質量和體積；式（3）中s為收縮率，x0和xd分別為鮮樣及干品的干基含水率。鮮樣的s值為1，干品的s值越小，則收縮越大。

2 結果與分析

2.1 鮮果含水率測試

荔枝整果平均濕基含水率78.8%，果皮、果肉、果核的平均濕基含水率分別為70.0%、84.6%、47.4%，平均干基含水率分別為233.3%、551.3%、89.9%。

荔枝微波間歇干燥實驗中將荔枝干燥至濕基含水率30%以下，三者果殼基本無破裂，但微波加熱時間越長，果皮凹陷的數量越多，三者的能耗分別為2.11、2.04和1.91。根據干燥過程中總質量變化和荔枝鮮果初始平均濕基含水率和初始平均干基含水率可計算出三種加熱間歇微波干燥中的荔枝整果干基含水率M。由于荔枝屬于高含水率物料，可忽略平衡含水率Me，利用式（4）可換算出荔枝整果的自由含水比MR。圖1為微波間歇干燥下荔枝整果的自由含水比變化，圖1中實線為page指數模型的擬合線。

式中，M為任意時間t內濕物料的干基含水率，M0為初始濕物料的干基濕水率。荔枝微波間歇干燥以自由含水比表示的MR干燥曲線符合一級擴散模型（一級動力學模型），page指數模型，即式（5）。

式中，k與n為與微波干燥參數有關的經驗常數。利用page指數模型擬和三者，回歸相關系數R2為0.99263、0.99536、0.99664。當n取值為定值1.5823時，三者的k值分別為0.06998、0.13575和0.23013，標準差分別為0.00065、0.00134和0.0022，誤差非常小，這表明，在荔枝微波間歇實驗中，n與微波干燥時間不相關。

圖1 微波間歇干燥荔枝自由含水比變化Fig.1 Change ofmoisture content ratio in microwave intermittent drying Litch

根據圖1計算出微波間歇干燥荔枝的速率，荔枝微波間歇干燥的全過程可分為加速、恒速、降速三個階段，荔枝內部的糖使得干燥速率出現波動變化，其中，13s/65s平均加熱速率最大為1.34%/h，10s/65s的平均加熱速率為0.89%/h，7s/65s平均加熱速率最小為0.69%/h，這表明去水平均速率與微波加熱時間成正比關系。在干燥初期，受果體溫度和果皮表面水分蒸發的影響，呈現出短暫的升速干燥段，由于此段受測試條件和人為操作參數的影響較大，且高濕荔枝吸收微波迅速加熱，以致于內部蒸汽的形成速率有可能超過其遷移速度，在荔枝內迅速形成的總壓梯度遷移動力，使荔枝內水分快速向外擴散，以致于部分水分還未來得及被汽化而已被排出荔枝，此段持續的時間較短。干燥中期呈現勻速降水，后期出現降速降水趨勢。

實驗中，當間歇時間一定時，出現了隨著加熱時間增加荔枝果殼發生向內部凹陷或從內部破裂的現象。13s/65s的果殼凹陷最多，10s/65s無果殼凹陷，在干燥過程中，果體內部的水分氣化形成的水蒸氣分壓力是造成荔枝爆裂、果殼塌陷的主要因素。果體的含水率和微波加熱時間決定了果體內部水蒸氣分壓力的大小，含水率越高，微波加熱時間越長，果體內水蒸氣分壓力越大。當加熱單位時間內荔枝各部分水分吸收微波電磁能轉化為熱能造成的水蒸氣氣壓大于間歇單位時間內果肉汽化減少而導致的收縮壓力，且兩者差值變化值快于組織各部分細胞壁可承受力度及壓力就會造成該部分組織外部膨脹破裂。反之，當加熱單位時間內微波能轉化為熱能造成的蒸氣氣壓小于間歇單位時間內汽化減少而導致的收縮壓，且兩者差值變化值快于組織各部分細胞壁可承受力度及壓力就會造成該部分組織收縮凹陷。其中，各部分細胞壁可承受力包括內部膨脹收縮力與外部相鄰部分的膨脹收縮力；一旦外部相鄰部分斷開連接（接觸面），則形成空腔，此時，兩者之間的直接水分傳遞停止，傳輸通道由果殼膜和果肉間的微小通道變為水蒸汽氣壓高的組織通過空腔向水蒸汽氣壓低的組織進行熱傳遞，但在間歇期內空腔中的水蒸汽逐漸冷卻，最終在果殼內表面形成液態水。這部分液態水可以自由流動，在微波加熱時參與加熱；同時，伴有荔枝汁液以氣態逸出，并附著在果殼膜上，微波繼續加熱后會在果殼的孔隙處和微裂紋處出現糖分。如繼續加熱將導致糖分焦化，果皮部分位置發黑變黏，甚至有焦糖味。

荔枝中部果殼表皮和果核表面的溫度變化見圖2。其中，由于荔枝表層和果肉的水分和兩者結構的差異以及表面蒸發冷卻的緣故，使得表皮的溫度低于荔枝內核的表面溫度，初期溫度快速增加，其溫度變化速率與微波加熱時間成正比，后期溫度緩慢增加。

荔枝的表皮溫度變化主要受表皮比表面積、表皮含水率、微波加熱時間與間歇時間比與微波爐內部通風影響，內核的溫度變化主要受果肉含水率和微波加熱時間與間歇時間比影響。因此，干燥中荔枝的溫度分布主要受微波加熱時間和間歇時間比影響，其次受體積變化影響。

圖2 微波間歇干燥果皮和果核表面溫度變化Fig.2 Temperature of surface on peels and seeds in microwave intermittent drying Litch

2.3 果皮和果肉色澤變化

微波間歇干燥加熱荔枝整果實驗中，微波作用后果皮中部開始變黃，果皮蒂部和底部顏色變化不明顯，加熱到中期，果皮表面開始滲水最終表皮發暗變硬，其中，13s/65s最終果皮滲糖變硬。實驗中觀察到微波間歇加熱工藝的中間時段荔枝果內部都會出現果肉下底部在加熱期間破裂的現象，荔枝汁液從破裂處逸出從而形成果肉體積明顯收縮，造成底部果肉與果殼膜首先分離。由于底部破裂加劇了失水，底部失水速率增加，并造成底部升溫速度大于果肉的其他部位，導致底部糖分出現焦化和粘合，底部明顯變黃，稍后失水速率降低，果皮內壁部分出現少量液態水或果殼微小破裂處出現糖分，果皮色澤變紅變黃。

連核果肉顏色初期不發生明顯變化，其后因失水整體變白，底部先變黃后中部變黃，其后變深黃色，最后至深褐色和黑色，其中，7s/65s最后的果肉呈現金黃色，L*、a*、b*值分別為37.5，14.4和16.4；10s/65s最終果肉呈現深褐色，L*、a*、b*值分別為21.4、9.4和3.5。13s/65s果肉在干燥過程中由淺黃色逐步變金黃色后快速變深褐色和黑色并部分發硬，L*、a*、b*值分別為10.4、2.5和1.0，經品嘗發苦，不適合食用。圖3為10s/65s下荔枝連核果肉相對色差值和色密度隨整果干基含水率變化圖。

圖3 10s/65s微波間歇干燥中不同干基含水率的連核果肉相對色差值和色密度變化Fig.3 Nuclear flesh color values and color intensity changes of different dry basismoisture content in 10s/65smicrowave intermittent drying

2.4 果肉體積變化和收縮度

微波間歇加熱荔枝整果體積變化初中期整體不明顯略有膨脹，后期果皮發硬和發黃，10s/65s在后期果皮個別開始出現凹陷；果肉初期體積膨脹開始失水，顏色變白；中期由于果肉底部在加熱期間破裂加劇失水出現去水速率加速的現象，其后果肉粘合去水速率保持恒速，果肉體積逐漸減小，果肉升溫局部色澤變紅；后期果肉粘合失水速率降低，果肉繼續升溫糖分作用下果肉變黃至褐色甚或黑色，體積收縮至最小，果肉近似無孔隙；最后當荔枝整果濕基含水率小于30%，果肉出現硬化和呈現孔隙，體積發生膨脹；果核體積有較小收縮但變化不明顯。

圖4為7s/65s和10s/65s下微波間歇干燥荔枝果肉收縮變化。微波7s/65s果肉初期收縮度略大于1，后收縮度逐漸減小，最小到0.132；微波10s/65s果肉后期由于升溫較快含水量降低，后期收縮度變化減緩，最小到0.193。選用線性模型進行擬和，兩者的回歸相關系數R2分別為0.9558和0.9679，收縮速度即擬合斜率分別為-0.1146和-0.1521，斜率的標準差分別為0.004和0.005，誤差非常小。果肉收縮速度隨加熱時間增加而加快，主要原因是果肉升溫失水造成的。

干燥中荔枝內果肉體積變化表明采用微波間歇加熱方式，荔枝各部分體積變化機理是加熱時水分汽化增加至升溫膨脹與間歇時汽化減少至降溫收縮共存，改變的體積受各部分含水率變化速率、導熱系數及升溫汽化速率和細胞壁可承受力度及壓力共同影響。

圖4 微波間歇干燥果肉收縮度變化Fig.4 Pulp contraction change in microwave intermittent drying

3 結論

3.1 微波間歇干燥荔枝整果實驗證明了在特定功率下選用結合微波加熱與間歇法的工藝可保證荔枝外殼不破裂，加熱過程中長時間果肉高溫會導致果肉內的糖分出現焦糊，迅速發硬從而減緩升溫，因此需要選擇適合的能耗與間歇時間比。但，整體干燥荔枝速率過快會導致荔枝干發硬口感下降，表面色澤度差。因此，當微波輸出功率700W時，7s/65s加熱間歇工藝能最好均衡能耗，色澤，果皮光滑度，果肉口感佳。

3.2 微波加熱荔枝中果皮體積變化不明顯，后期果皮發硬和發黃；果肉體積初期膨脹，顏色變白；中期隨著去水加速和恒速區體積逐漸減小，果肉升溫局部色澤變紅；后期果肉粘合失水速率降低，果肉繼續升溫糖分作用下果肉變黃至褐色甚或是黑色，體積收縮至最小，果肉近似無孔隙；最后當荔枝整果濕基含水率小于30%，果肉出現硬化和呈現孔隙，體積發生膨脹；果核體積有較小收縮但變化不明顯。

3.3 微波加熱與間歇時間比與果肉色澤、收縮率變化呈現正比關系，根據本文探討的機理，研究可以在計算機仿真中將荔枝分為三部分進行仿真，假定果皮和果核體積不變，果肉體積可按照線性收縮進行近似，提高微波干燥荔枝的水分和溫度變化模擬精度。另外，在仿真中可以加入果肉色澤隨微波間歇加熱時間變化曲線，可得出微波能耗與間歇時間比和荔枝干果肉色澤的計算評價標準，簡化微波干燥荔枝干的工藝流程，保證干燥質量。

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Physical changes and mechanism of whole litchi in the process of intermittent microwave drying

ZHAO Yi-kun，LIChang-you，CHEN Yan，CHEN Zhen
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

The objective of this study was to discuss the mechanism of heat and mass change on whole litch and evaluate the physical changes in microwave drying.Based on the analysis of the drying rate of litchi，energy consumption，temperature gradient，browning and pulp shrinkage，physical changes on drying litchi process and corresponding mechanism was studied and discussed in this paper.This study p roved that the intermittent drying technology of microwave drying on whole litchi had the advantages of fast drying，high semi-dried litchi pulp quality advantages，low energy consumption，simple device and process.Experiments showed that considering the comprehensive physical changes including energy consumption，color，shrinkage，hardness and texture conditions，microwave power 700W 7s/65s heating interval time was the best technology. Meantime，energy consumption was 2.11，and litchipulp had uniform gold color，in which L*，a*，b*values were separately 37.5，14.4 and 16.4.With flash shrinkage coefficient followed nearly linear shrinkage expansion/ contraction，no obvious depression disappeared on surface.Meanwhile，it also helpd choosing proper microwave drying method，and gave reference to the establishment of the computer simulation model of microwave drying of litchi moisture and temperature change.

litchi；microwave drying；intermittent drying；physical changes

TS255.3

A

1002-0306（2015）08-0129-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.017

2014－07－02

趙懿琨（1981-），女，碩士，講師，研究方向：農產品產后加工與處理。

*通訊作者：李長友（1958-），男，博士，教授，研究方向：農業裝備技術研究。

國家自然科學基金（31071583）；廣東省產學研重點項目（20120904）；高等學校博士學科點專項科研基金聯合資助課題（20124404120006）。