熱風干燥過程中小白杏色澤的變化及其動力學研究

閆圣坤 李忠新 王慶惠 孫儷娜

(新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

熱風干燥過程中小白杏色澤的變化及其動力學研究

閆圣坤 李忠新 王慶惠 孫儷娜

(新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

為降低小白杏因干燥引起的褐變，保證產品干燥后色澤良好，同時為小白杏干燥設備選型及工藝確定提供理論依據，選擇熱風干燥的方式，以新疆小白杏為原料，以亮度值(L)、紅綠值(a)、黃藍值(b)、總色差(△E)和褐變指數(BI)為考察指標，研究了熱風干燥溫度(40，50，60 ℃)和風速(2，3，4 m/s)對新疆小白杏色澤的影響，并在該基礎上建立新疆小白杏熱風干燥色澤變化動力學模型，有效預測、調節杏褐變程度。結果表明：小白杏在不同風速、不同干燥溫度條件下均發生了較為明顯的顏色變化，不同熱風干燥溫度對干燥時間和干燥后杏干色澤均有顯著影響，而不同干燥風速對干燥后杏干色澤影響不顯著。在不同熱風干燥溫度和不同風速條件下干燥小白杏的L值和b值隨著干燥時間的延長逐漸降低，而a值、△E值和BI值均逐漸升高。小白杏熱風干燥過程中顏色參數的反應速率常數k值隨著干燥溫度的升高而呈現出一定的規律性變化，其中k值受熱風溫度的影響較大，受風速的影響較小。根據擬合決定系數R2的比較結果，通過動力學方程模擬，得出0階模型能更好地描述和預測不同風速和不同干燥溫度條件下小白杏在熱風干燥過程中的顏色變化，而在不同風速和干燥溫度條件下小白杏褐變動力學模型模擬效果較好的是1階模型。該研究為小白杏干燥工藝及杏干產品感官品質控制提供了理論依據。

小白杏；熱風干燥；色澤變化；動力學

杏，薔薇科李屬植物(PrunusarmeniacaL.)，起源于中國的新疆。新疆是中國杏栽培面積和產量最大的地區，截止2013年底，年產量達到了132.54萬t[1]。新疆的杏主栽品種有賽買提、小白杏、明星杏和胡安娜等20余種[1]。杏果實因其香氣濃郁、營養豐富，不僅可以生津止渴，還對癌癥及心血管疾病有一定的保健功效，深受人們的喜愛。但是鮮杏成熟期短，極不耐貯存，容易腐爛變質，常溫貨架期僅5 d左右，因此，將杏脫水干燥制成杏干成為延長杏貯藏期的重要方法之一。

目前，鮮杏干燥的主要方法為自然晾曬法，這種方法不需任何設備，成本低[2]，但受環境條件制約，產品質量很難保證，加工周期也較長，杏干成色較差。為防止傳統干燥過程中杏子褐變嚴重，生產上通常是在干燥過程中進行熏硫處理。硫可以抑制杏內部部分酶促反應，但非酶促反應仍在繼續[3]，而且硫對人體的消化系統具有很大的損害。因此，亟需一種現代干燥技術取代自然晾曬，既能縮短干燥時間，又能提高杏干的品質。

微波真空干燥、紅外線干燥、真空脈動干燥等干燥技術都是近年來國內外果蔬干燥方法中常用的方法[4]，具有高效保留營養成分的優點，但是這些干燥方法存在著能耗大、成本高、穩定性要求高等缺點。相反，熱風干燥可降低干燥成本[5-7]。目前關于杏熱風干燥的研究多集中于干燥動力學的研究，Togrul等[8]研究了杏在不同干燥溫度和風速下的干燥動力學模型，確定了logarithmic模型為最優模型；Oguz[9]則進行了薄層干燥模型的研究，確定了Page模型為最佳動力學模型。而在干燥品質方面，色澤是影響小白杏品質的重要指標[8]，杜志龍等[10]研究了兩個品種杏在促干劑和氣體射流沖擊作用下的干燥特性和色澤變化，得出不同處理的杏干燥特性不同，而相同處理不同杏，則干燥特性相近；Ali[11]研究了杏干干燥后儲藏過程中的色澤變化規律，但未有涉及杏干燥過程中品質尤其是色澤劣變機理的研究。

本研究擬通過研究不同干燥溫度及風速條件下杏亮度值(L)、紅綠值(a)、黃藍值(b)、總色差(△E)和褐變指數(BI)[12](以Hunter Lab表色系統中L、a和b為基本參數，通過公式計算得到)隨干燥時間的變化規律，及在此基礎上利用不同模型建立新疆小白杏熱風干燥色澤變化動力學模型，旨在為新疆小白杏熱風干燥工藝的確定和產品的品質控制方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

杏：新疆庫車小白杏，購于新疆烏魯木齊北園春市場。其平均直徑約為 2.3 cm，平均質量為 13.2 g/個，濕基含水率為81.2%(烘干法測定[10]，105 ℃烘24 h)。試驗前，鮮杏放于紙箱中，置于(5±1) ℃冰箱保存。

1.1.2 主要儀器設備

內循環熱風干燥試驗裝置：新疆農業科學院農業機械化研究所研制；

電子天平：ME104E型，梅特勒-托利多儀器公司；

色差儀：CR-10型，日本Konica Minolta公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9140A型，上海一恒科技有限公司；

風速計：AS-836型，東莞萬創電子制品有限公司。

1.2 方法

將杏從冰箱中取出，常溫放置4 h。挑選大小、成熟度基本一致，無創傷的作為試驗物料，洗凈、擦干表面水分，放入密封袋中待用。開啟干燥設備，當干燥室內溫度達到設定溫度時，將小白杏均勻地擺放在聚乙烯物料盤中，試驗裝置內托盤為上中下共3層，同一托盤中相鄰的物料不重疊，開始試驗。

分別采用不同的干燥溫度(40，50，60 ℃)和風速(2，3，4 m/s)進行熱風干燥試驗[13-14]，在前50 h，每隔10 h從設備中取出10個杏樣品，測定樣品的L、a、b值，自50 h后，每隔2 h從設備中取出10個杏樣品，測定樣品的L、a、b值，直到小白杏濕基含水率降到15%時停止試驗。具體試驗安排見表1。

表1 不同干燥條件下試驗溫度及風速設定?Table 1 Test temperature and air velocities setting under different drying condition

?t終：小白杏干燥到濕基含水率降到15%以下所用的總時間。

1.2.1 色澤的測定 將鮮樣和干燥后的杏干用色差儀測定顏色參數亮度值L、紅綠值a、黃藍值b，每組樣品檢測6次，取平均值，并以此為依據，按式(1)計算總色差△E。

(1)

式中：

△E——總色差；

L0、a0、b0——初始原料測得的顏色指標；

L1、a1、b1——干燥時間t測得的顏色指標。

1.2.2 褐變指數BI的計算 將干燥后的杏干用色差儀測定，其中L值越大說明色澤亮度越大，b值越大說明其黃色度越大，a值越大說明其紅色度越大。有研究[15]指出，由表色系統為基本色澤參數，進一步利用相關公式來計算BI值經常被用來評價高糖物料的褐變大小，小白杏屬于高糖物料，所以本研究也用此法表示物料的褐變程度。BI值表示在加工或儲藏過程中小白杏的顏色變化，按式(2)計算[12]：

(2)

(3)

式中：

BI——在干燥過程中小白杏的褐變指數；

L——亮度值；

a——紅綠值；

b——黃藍值；

x——色度坐標。

1.2.3 色澤變化動力學模型 通過測定不同干燥條件下L、a、b、△E及BI值的變化，繪制顏色變化動力學曲線，為有效預測、調節杏褐變程度提供理論依據。根據已有研究[16-18]報道中均采用0階模型和1階模型來表現物料顏色變化與時間的關系，因此，本研究采用0階模型和1階模型，見式(4)、(5)。

D=D0+kt，

(4)

D=D0·exp(kt)，

(5)

式中：

D0——初始顏色指數；

D——不同烘干條件下的顏色指數；

t——烘干時間，h；

k——變化速率常數。

將試驗數據與0階、1階模型進行擬合，計算出k值及其他參數，并利用R2評價模型擬合好壞，選擇擬合度高的模型描述杏干燥過程中的顏色變化規律。

2 結果與分析

2.1 不同風速條件下L、a、b、△E及BI的變化及動力學模型研究

2.1.1L、a、b、△E的變化及動力學模型研究 由圖1(a)、(c)可知，L、b值均隨著干燥時間的增加而降低，而且干燥溫度越高，下降速率越快。由圖1(b)、(d)可知，a值和△E值則是隨著干燥時間的增加呈增大趨勢，干燥溫度越高，a值上升的速率越快，即隨著干燥時間的增長，小白杏的亮度降低，顏色加深，變為深紅色。但小白杏在不同風速條件下，L、a、b、△E值差距不明顯，說明風速對小白杏顏色變化影響不大。這些顏色的變化可能跟它在干燥過程中發生了褐變反應有較大的關系?！鱁值作為色差綜合評定指標，其值越大表示顏色差異越大，當△E>3.5時，色差就已經比較明顯。因此，在不同風速條件下干燥小白杏，在視覺上均能觀察出其顏色發生了明顯變化。

由表2可知，按照0階模型擬合L、a、b、△E的反應速率常數k值均呈現了較好的規律性變化。同一干燥溫度，干燥風速由2 m/s變為4 m/s，L的k值則由-0.261 1 min-1逐漸降低到-0.269 9 min-1，a的k值由0.093 6 min-1降低到0.092 2 min-1，b的k值由-0.139 3 min-1逐漸降低到-0.146 9 min-1，△E的k值由0.306 5 min-1逐漸上升到0.321 0 min-1，說明小白杏在干燥過程中，風速越高，小白杏的顏色變化速率越快，但是變化速率幅度很小。按照1階模型擬合L、a、b、△E的反應速率常數k值的變化均僅為0.000 1～0.000 2。由表2可知，小白杏熱風干燥過程中顏色參數的反應速率常數k值受風速的影響較小。同時，從擬合決定系數R2比較得出，0階模型的擬合程度要優于1階模型，因此，用0階模型能更好地描述和預測不同風速條件下小白杏在熱風干燥過程中的顏色變化。

2.1.2BI的變化及動力學模型研究 由圖2可知，鮮杏的初始BI值約為130.53。隨著干燥時間的延長，小白杏的褐變指數BI值逐漸升高，表明在熱風干燥過程中，小白杏的褐變程度在增加，當含水率達到15%時，風速為2 m/s干燥時間為70 h，褐變指數BI值最高(157.96)，其次是風速為4 m/s 干燥時間為68 h，褐變指數BI值為156.93，風速為3 m/s，干燥時間也為70 h，褐變指數BI值最低(156.53)，說明不同風速對小白杏的褐變指數BI影響不大，僅在干燥時間上存在略微差異。

圖1 不同風速條件下小白杏的L、a、b、△E隨干燥時間的變化曲線Figure 1 L, a, b, △E value of white apricot changes with drying time in different air velocities

表2 不同風速條件下小白杏L、a、b、△E變化動力學模型擬合結果Table 2 Kinetic model parameters for L, a, b, △E change of white apricot in different air velocities

圖2 不同風速條件下小白杏褐變指數隨干燥時間 的變化曲線Figure 2 BI value of white apricot changes with drying time in different air velocities

0階模型和1階模型對小白杏在不同風速條件下干燥的褐變動力學模擬結果見表3，可知，兩種模型在不同風速條件下的擬合決定系數R2為0.879 4～0.943 5，模擬效果均良好，其中在風速為2，3，4 m/s條件下，均是1階模型的模擬效果較好，R2分別為0.894 2，0.931 0，0.952 3，因此，在不同風速條件下小白杏褐變動力學模型模擬效果較好的是1階模型。

2.2 不同熱風溫度條件下L、a、b、△E及BI的變化及動力學模型研究

2.2.1L、a、b、△E的變化及動力學模型研究 由圖3可知，L、b值均隨著干燥時間的增加而降低，而a值和△E值則是隨著干燥時間的增加呈增大趨勢。并且由圖可得出，溫度為40 ℃時，L、b值下降和a、△E值上升速率均為最慢，證明干燥溫度越低，干燥后的小白杏顏色越為鮮亮，但干燥時間卻較長，在同等時間條件下，最終干燥溫度均為60 ℃時，分段式熱風干燥較單一溫度干燥L、b值下降和a、△E值上升速率均慢，同時還印證了隨著干燥的時間的增長，小白杏的亮度降低，顏色變紅變深，說明顏色的變化與褐變反應有關。同理，在視覺上也能觀察出不同溫度條件下干燥小白杏的顏色發生了明顯變化。

由表4、5可知，按照0階模型擬合L、a、b、△E的k值均呈現了較好的變化規律。隨著熱風薄層干燥溫度的升高，恒定干燥溫度條件下L的k值由-0.272 3 min-1逐漸降低到-0.344 5 min-1，a的k值由0.095 9 min-1上升到0.104 1 min-1，b的k值由-0.188 8 min-1逐漸降低到-0.208 3 min-1，△E的k值由0.344 9 min-1逐漸上升到0.415 6 min-1，說明小白杏在干燥過程中，隨著溫度的升高小白杏的顏色變化速率加快；變溫干燥50 ℃→60 ℃條件下小白杏L、b的k值依次為-0.308 9，-0.194 6 min-1，均為最大，40 ℃→60 ℃條件下a、△E的k值依次為0.147 7，0.476 5 min-1，均為最大。按照1階模型擬合L、a、b、△E的反應速率常數k值也呈現了較好的變化規律，變化規律與0階模型相近。由表4分析可知，小白杏熱風干燥過程中顏色參數的反應速率常數k值受溫度的影響較大。同時，從擬合決定系數R2比較得出，0階模型的擬合程度要優于1階模型，因此用0階模型能更好地描述和預測不同熱風溫度條件下小白杏在熱風干燥過程中的顏色變化。

表3 不同風速條件下小白杏褐變動力學模型擬合結果Table 3 Fitting results of white apricot colour kinetics in different air velocities

圖3 不同熱風溫度條件下小白杏的L、a、b、△E隨干燥時間的變化曲線Figure 3 L, a, b, △E value of white apricot changes with drying time in different hot-air temperatures

2.2.2BI值的變化及動力學模型研究 在不同的干燥溫度條件下[恒溫40，50，60 ℃，變溫40 ℃(10 h)→60 ℃(結束)、50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)、40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)]小白杏BI值隨著干燥時間的變化曲線見圖4。由圖4可知，隨著干燥時間的延長，小白杏的BI值逐漸升高，這表明在熱風干燥過程中，小白杏的褐變程度在增加。熱風溫度60 ℃下，干燥至水分含量15%的時間為52 h，時間最短但小白杏的BI值最高，為169.54；熱風溫度50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)條件下，干燥時間為58 h，其BI值為166.97；熱風溫度40 ℃(10 h)→60 ℃(結束)條件下，干燥時間為54 h，其BI值為163.51；熱風溫度40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)條件下，干燥時間為60 h，其BI值為160.49；熱風溫度50 ℃下，干燥時間為64 h，其BI值為158.94；熱風溫度40 ℃下，干燥時間為70 h，干燥時間最長但其BI值最低，為156.53，說明干燥溫度越低，小白杏的BI值越小，其褐變程度越小，但干燥時間卻越長。另外，分段式熱風干燥較單一溫度干燥時的BI值??；干燥前30 h小白杏的褐變變化速率上升慢，30～50 h時上升快，50 h后趨于平緩。小白杏在干燥過程中的褐變反應分為酶促褐變和非酶促褐變，熱風干燥時小白杏中的多酚氧化酶在干燥過程中仍具有活性，在干燥過程中與氧氣、水作用發生酶促褐變，同時小白杏中的糖類物質分解發生美拉德反應，也生成了棕褐色的物質。因此，分段式干燥較單一溫度干燥既可縮短干燥時間，又可降低小白杏的褐變。

表4 不同熱風溫度條件下小白杏L、a、b、△E變化動力學模型擬合結果(0階模型)

Table 4 Kinetic model parameters forL,a,b, △Echange of white apricot in different hot-air temperatures(0-order model)

干燥溫度/℃參數D=D0+ktD0kR2L69.0640-0.27230.931440a2.85760.09590.8457b52.6510-0.18880.9218△E-2.43140.34490.9241L67.8430-0.29470.984850a3.62750.11250.9899b51.1820-0.20050.9961△E-0.44720.37370.9935L66.3420-0.34450.984360a4.13980.10410.9916b51.3420-0.20830.9882△E0.82000.41560.9872L67.7420-0.37080.992940→60a3.57430.14770.9845b51.8870-0.26050.9945△E-0.78050.47650.9934L67.4900-0.30890.987450→60a3.75530.10230.9785b51.0400-0.19460.9935△E-0.06790.37900.9916L68.0880-0.34110.988340→50→60a3.15960.12660.8874b51.9340-0.23740.9735△E-0.18990.43450.9797

表5 不同熱風溫度條件下小白杏L、a、b、△E變化動力學模型擬合結果(1階模型)

Table 5 Kinetic model parameters forL,a,b, △Echange of white apricot in different hot-air temperatures(1-order model)

干燥溫度/℃參數D=D0?exp(kt)階段溫度/℃D0kR2L69.9250-0.00470.905540a403.57090.01440.9361b53.1790-0.00420.8991L68.4970-0.00520.973150a504.10190.01580.9949b51.4860-0.00450.9962L66.6860-0.00600.991560a604.31590.01600.9573b51.5200-0.00460.989340→60Lab4067.2000-0.00351.00006068.3640-0.00660.9882403.90000.01871.0000604.05380.02020.98044051.4000-0.80381.00006052.3040-0.00590.987650→60Lab5067.2000-0.00411.00006068.0110-0.00540.9793503.90000.02281.0000604.10150.01530.98855051.4000-0.00441.00006051.2490-0.00430.995740→50→60Lab4067.2000-0.00351.00005068.6000-0.00551.00006068.8380-0.00610.9769403.90000.01871.0000503.94460.01751.0000603.83490.01760.96364051.4000-0.00381.00005052.1330-0.00521.00006052.4230-0.00540.9576

圖4 不同熱風溫度條件下小白杏褐變指數隨干燥 時間的變化曲線

Figure 4BIvalue of white apricot changes with drying time in different hot-air temperatures

0階模型和1階模型對小白杏在不同熱風溫度條件下干燥的褐變動力學模擬結果見表6、7。兩種模型在不同熱風溫度條件下的擬合決定系數R2為0.919 9～0.993 9，其中在熱風恒溫溫度為40，50，60 ℃，變溫50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)和40 ℃(10 h)→50 ℃(10 h)→60 ℃(結束)條件下，均是1階模型的模擬效果較好，R2依次為0.931 0，0.970 5，0.985 5，0.993 9，0.984 4，在40 ℃(10 h)→60 ℃(結束)熱風溫度條件下，0階模型的模擬效果較好，R2為0.984 0，比較兩種模型的R2，表明不同熱風溫度條件下小白杏褐變動力學模型模擬效果較好的是1階模型。

表6 不同熱風溫度條件下小白杏褐變動力學模型擬合結果(0階模型)

Table 6 Fitting results of white apricot colour kinetics in different hot-air temperatures(0-order model)

干燥溫度/℃D=D0+ktD0kR240126.280.40070.919950128.830.36760.963660128.630.72590.978940→60128.760.61840.984050→60128.560.64860.992140→50→60128.820.51000.9837

表7 不同熱風溫度條件下小白杏褐變動力學模型擬合結果(1階模型)

Table 7 Fitting results of white apricot colour kinetics in different hot-air temperatures(1-order model)

干燥溫度/℃D=D0?exp(kt)階段溫度/℃D0kR24040126.920.00280.93105050129.170.00260.97056060129.400.00490.985540→6040130.530.12901.000060129.300.00420.982950→6050130.530.27301.000060129.290.00440.993940→50→6040130.530.12901.000050125.430.63901.000060129.310.00350.9844

3 結論

(1) 小白杏熱風干燥過程中，熱風溫度對干燥時間和產品品質(主要是褐變)有重要影響，在不同風速、不同溫度的熱風干燥條件下，小白杏均發生了較為明顯的顏色變化，其中L值和b值逐漸降低，而a值、△E值和BI值均逐漸升高。

(2) 通過動力學方程模擬，0階模型能更好地描述和預測不同風速和溫度的熱風干燥條件下小白杏的顏色變化，而1階模型能夠較好地模擬不同風速和溫度的熱風干燥條件下小白杏的褐變指數變化。同時，分段式變溫干燥較單一溫度干燥既可縮短小白杏的干燥時間，又可降低其褐變。

小白杏熱風干燥過程的動力學研究，為實時監控干燥進程和保證產品質量，避免不必要的損失提供了數據支持，但從目前的研究現狀來看，模型還需要進一步的精確化，模型未與自動化控制技術緊密結合，因此，利用動力學模型方法優化實際操作進程為未來的研究提供了理論依據。

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Kinetics of colour change of white apricot in XinJiang during hot-air drying

YAN Sheng-kunLIZhong-xinWANGQing-huiSUNLi-nai

(AgriculturalMechanizationInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

In order to ensure white apricot a good color after drying, avoiding brown appearance, as well as provide the theoretical basis for the selection of drying equipment and process determination of the small white apricot, the hot-air drying method was investigated in this study. The brightness value (L), red-green value (a), yellow-blue value (b), total chromatic aberration (△E) and browning index (BI) were taken as the study indexes, the influence of different hot-air drying temperatures (40, 50, 60 ℃) and wind speeds (2, 3, 4 m/s) on Xinjiang white apricot was studied. Moreover, the dynamic model of its color change of by hot-air drying was established by using different models to effectively predict and regulate the degree of apricot browning. The results showed that more obvious color changes have occurred to white apricots in the different wind speeds and different hot-air drying temperature conditions, and the different hot-air drying temperatures have significant effects on the drying time and color of dried apricot after drying. However, different drying wind speeds were found no significant effect on the color of dried apricot after drying. Under conditions of different hot-air drying temperatures and wind speeds, theLandbvalues of dried white apricots were gradually decreased with the extension of the drying time, while △EandBIvalues gradually increased. In the process of hot-air drying, the reaction rate constantkvalue of the color parameter of white apricot showed a certain regular changes with the increase of the drying temperature. Of which thekvalue is greatly affected by the hot-air temperature, and was less affected by the wind speed. According to the comparison result of the fitting determination coefficientR2, by means of kinetic equation simulation, it was concluded that the 0-order model could be used to better describe and predict the color change of white apricot in the hot-air drying process under different wind speeds and drying temperatures. However, under conditions of different wind speeds and drying temperatures, the first-order model was better for the dynamic simulation of white apricot browning. Our results provided the theoretical basis for drying process of white apricot as well as sensory quality control of dried apricots.

white apricot; hot-air drying; colour change; kinetics

國家自然科學基金地區基金項目(編號：31460397)

閆圣坤，女，新疆農業科學院農業機械化研究所助理研究員，碩士。

李忠新(1958-)，男，新疆農業科學院農業機械化研究所研究員。E-mail:13369677078@163.com

2016-11-25

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.009