直觸式超聲強化熱風干燥梨片的干燥特性

孫暢瑩 劉云宏,2 曾 雅 石曉微 席慧涵

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023； 2. 農(nóng)產(chǎn)品干燥裝備河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471023)

梨(Pyrusspp)為薔薇科梨屬果實[1]，含有豐富的營養(yǎng)成分，具有生津潤肺、清熱解毒等功效[2]。梨除了鮮用之外，將其干燥制成梨片進行銷售和貯藏是目前常用的手段[3]。熱風干燥作為梨片干燥加工過程中最常用的干燥方式[4]，其優(yōu)勢在于操作簡單、設(shè)備成本低，但同時具有熱能利用率低、耗時長、干燥品質(zhì)差等缺點[5]。若能通過有效手段來加快梨在干燥過程中的水分傳遞，將有利于減少干燥時間、保證產(chǎn)品品質(zhì)。

超聲波作為一種高頻機械振動波，在介質(zhì)內(nèi)部能夠產(chǎn)生空化效應(yīng)和機械效應(yīng)，從而能促進水分擴散與遷徙[6]。由于超聲波良好的強化傳質(zhì)效應(yīng)，超聲在干燥方面的應(yīng)用引起人們越來越多的關(guān)注。直觸式超聲強化干燥是目前干燥研究熱點之一，這種干燥方式是將物料直接放在輻射板上，超聲能量能直接傳播到物料內(nèi)部，從而減少能量損耗、提高強化效率[7]。Kek等[8]對比了直觸式超聲波和氣介式超聲波對番石榴對流干燥的強化效果，發(fā)現(xiàn)在縮短干燥時間和降低能耗損失方面，直觸式超聲能夠取得比氣介式超聲更為有效、明顯的效果。Ortuno等[9]通過直觸式超聲功率對橙皮干燥過程中的水分遷移及微觀結(jié)構(gòu)變化的研究，發(fā)現(xiàn)增大超聲功率能夠顯著提高傳質(zhì)系數(shù)和水分擴散系數(shù)，且橙皮細胞結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生大量的微孔洞，從而提高橙皮的水分遷移。上述研究表明，將直觸式超聲與熱風干燥相結(jié)合，能夠有效促進傳質(zhì)過程、縮短干燥時間。然而，目前缺乏將直觸式超聲應(yīng)用于梨片熱風干燥過程強化的研究報道。

本試驗擬以皇冠梨為原料，在梨片熱風干燥過程中采用直觸式超聲進行干燥過程的強化，探討不同超聲功率對梨片熱風干燥特性的強化效應(yīng)，建立干燥過程的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型，分析超聲對梨片總酚、總黃酮、VC、復水品質(zhì)指標的影響，并采用層次分析法(AHP)對梨片超聲強化熱風干燥過程進行參數(shù)優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

皇冠梨：河南洛陽大張超市，采用105 ℃烘箱法[5]測定新鮮皇冠梨的干基含水率為(890±5)%；

沒食子酸(純度≥95%)、兒茶素(純度≥95%)、Folin-Ciocalteu 試劑：上海源葉生物科技有限公司；

其他試劑均為分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲強化熱風干燥裝置：河南科技大學自制，具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見文獻[10]；

切片機：SHQ-1型，德州天馬糧油機械有限公司；

電子天平：DT-2000E型，常熟市嘉衡天平儀器有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101-3ES型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；

超聲波清洗機：SB-120DT型，寧波新芝生物科技有限公司；

紫外-可見分光光度計：T6新世紀型，北京普析通用儀器有限公司；

高速離心機：TG16-WS型，湘儀離心機儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 梨片干燥處理 將梨清洗干凈后去皮，用切片機將梨切成直徑50 mm、厚度5 mm的圓形梨片。干燥時，將約70 g 梨片均勻平鋪在超聲強化熱風干燥機中的超聲振動圓盤上，將熱風干燥風速固定為1 m/s，設(shè)定超聲功率分別為0，24，48 W，熱風溫度分別為35，45，55 ℃，研究超聲強化熱風干燥特性及品質(zhì)特性。干燥過程中，每隔30 min將物料連同超聲輻射裝置從熱風干燥設(shè)備取出并快速稱重，然后放入干燥倉中繼續(xù)進行干燥。連續(xù)2次所稱質(zhì)量保持不變時，表明已沒有水分脫除，結(jié)束干燥。每次稱量質(zhì)量減去超聲輻射裝置質(zhì)量即為物料質(zhì)量。每組試驗均重復3次。

1.3.2 指標測定

(1) 干燥過程中樣品干基含水率[11-12]：

(1)

式中：

M——物料的干基含水率，%；

Mt——干燥t時間對應(yīng)的物料質(zhì)量，g；

Md——物料所含絕干物料質(zhì)量，g。

(2) 總酚含量的測定：采用Folin-Ciocaileu 法[13]。

(3) 總黃酮含量的測定：采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法[14]。

(4) VC含量的測定：采用2,4-二硝基苯肼比色法[15]。

(5) 復水率的測定：參照文獻[16]。

1.3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行干燥過程模擬。將熱風溫度、超聲功率及干燥時間參數(shù)作為輸入層向量，即輸入層節(jié)點數(shù)為3。輸出層向量為梨的實時含水率，即輸出層節(jié)點數(shù)為1。根據(jù)Kolmogorov定理[17]和多次訓練，隱藏層節(jié)點數(shù)為7時可實現(xiàn)最優(yōu)的訓練效果。綜上，采用3-7-1 單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對梨的含水率進行訓練和預測。網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Figure 1 BP neural network model structure diagram

1.3.4 AHP的工藝參數(shù)優(yōu)化 采用層次分析法(AHP)[18]進行超聲強化熱風干燥梨片的干燥參數(shù)優(yōu)化。以總酚、總黃酮、VC含量及復水率4個品質(zhì)指標為多指標性成分，在確定和對比同一層次目標的相對重要性的基礎(chǔ)上進行比較矩陣的構(gòu)建，各層次評分標準見表1，4項指標進行成對比較判斷的優(yōu)先矩陣見表2。

平均隨機一致性指標RI(random index)見表3。

一致性比例的計算方法[18]：

(2)

式中：

CR——一致性比例；

CI——指標權(quán)重系數(shù)；

表1 各層次評分標準Table 1 Evaluation standard of different levels

表2梨片4個品質(zhì)指標成對比較判斷的優(yōu)先矩陣

Table 2 Priority matrix about pair-wise comparison judgment of pear slices’ four quality indexes

評價指標總酚總黃酮VC復水率總酚131/33總黃酮1/311/42VC3414復水率1/31/21/41

表3 平均隨機一致性指標表Table 3 Mean random consistency indexes

RI——平均隨機一致性指標。

當CR<0.1時，說明各指標判斷優(yōu)先矩陣滿足一致性要求，所得權(quán)重系數(shù)合理有效。利用AHP方法，可計算確定總酚、總黃酮、VC、復水率對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w1、w2、w3、w4分別為 0.261 1，0.126 1，0.523 4，0.089 4。本研究所計算出的CR為0.054 2，明顯小于0.100 0，因此，所建立的優(yōu)先矩陣滿足一致性要求。

指標綜合評分計算方法為：

(3)

式中：

V——綜合評分；

a——總酚含量，mg/100 g；

b——總黃酮含量，mg/100 g；

c——VC含量，mg/100 g；

d——復水率；

Ha——最高總酚含量，mg/100 g；

Hb——最高總黃酮含量，mg/100 g；

Hc——最高VC含量，mg/100 g；

Hd——最大復水率，mg/100 g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用ORIGIN 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理及分析，采用MATLAB R2014a軟件進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，采用AHP 10.5軟件進行層次分析法計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 梨片超聲強化熱風干燥過程

如圖2所示，在同一溫度條件下，超聲功率增大會導致梨片的干燥時間顯著縮短。以熱風溫度為45 ℃為例，未采用超聲強化(0 W)的單一熱風干燥所需干燥時間為1 440 min，當采用功率為24，48 W的超聲進行強化時，所需干燥時間分別縮短至1 080，600 min，減少幅度分別為25%和58.3%。可見，在梨片熱風干燥中應(yīng)用直觸式超聲，可以實現(xiàn)明顯的干燥強化效果，且超聲功率越大，強化效果越明顯。在直觸式超聲強化熱風干燥過程中，超聲輻射板產(chǎn)生的超聲波可直接傳入物料并作用于物料內(nèi)部，超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)可在梨片內(nèi)部組織液體中快速產(chǎn)生大量微泡，這些微泡隨即爆破的瞬間能產(chǎn)生強大的動能和壓縮能[9]，從而提高內(nèi)部水分的湍動并提高水分子能量；超聲的機械效應(yīng)可使梨片組織結(jié)構(gòu)發(fā)生高頻、反復擴張和收縮[7]，進而提高水分流動性及減弱與管壁結(jié)合緊密的水分的吸附力[19]。超聲產(chǎn)生的高頻振動及微泡沖擊還能夠增大梨片內(nèi)部細胞間隙和擴張毛細微管[20]，有利于強化傳質(zhì)通道及促進內(nèi)部水分向外遷移。隨著超聲功率增大，超聲在物料內(nèi)部產(chǎn)生的機械效應(yīng)和空化效應(yīng)也越強，對梨片水分流動性及向外遷移通道的影響越明顯，越有利于傳質(zhì)速率的提高及干燥時間的縮短。

圖2 不同溫度及超聲功率下熱風干燥梨片的干燥曲線

Figure 2 Drying curves of hot air dried pear slices under different temperatures and ultrasonic powers

由圖2可以看出，溫度對梨片干燥曲線的影響，在同樣的超聲功率條件下，溫度提高會縮短干燥時間。以超聲功率24 W 時為例，干燥溫度為55 ℃時所需干燥時間為900 min，與35 ℃時所需干燥時間1 440 min相比縮短了37.5%。這是由于提高干燥溫度有利于增加分子內(nèi)能和加快分子運動，有利于促進物料表面的熱空氣對流及增加對物料內(nèi)部的熱量傳遞，加速了表面水分子的擴散以及內(nèi)部水分子的遷移，導致傳質(zhì)速率有所提高[21]；同時溫度不斷升高時，物料表面與內(nèi)部溫度差隨之增大，致使梨片與干燥介質(zhì)之間的蒸氣壓差增大，梨片水分外遷速率也隨之提高。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干燥過程模擬

梨在不同熱風溫度、超聲功率、干燥時間下，對應(yīng)的含水率共257組數(shù)據(jù)，從中隨機選取230組進行網(wǎng)絡(luò)訓練，剩余的27組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)測試。在進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合之前，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將有量綱的表達式轉(zhuǎn)化為無量綱的表達式，使其在[-1，1]。使用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的newff函數(shù)，按照上述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)建立模型。將230組數(shù)據(jù)訓練完成后，得到如圖3所示的訓練誤差曲線，經(jīng)過281次訓練停止，均方誤差值小于0.000 5。

建立模型后，將余下的27組數(shù)據(jù)進行測試，預測含水率與實測含水率的網(wǎng)絡(luò)輸出回歸直線如圖4所示(y=0.993 2x+7.001 3)，決定系數(shù)R2為0.995 8，說明梨超聲聯(lián)合熱風干燥過程中含水率變化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預測值與實測值擬合較好，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的干燥過程性能預測。

圖3 訓練誤差曲線Figure 3 Training error curve

圖4 網(wǎng)絡(luò)輸出回歸直線Figure 4 Network output regression line

2.3 干燥條件對梨片品質(zhì)的影響

不同干燥溫度及超聲功率條件下，梨片總酚含量、總黃酮含量、VC含量及復水率的結(jié)果見表4。由表4可知，超聲功率及熱風溫度對梨片品質(zhì)均有顯著影響(P<0.05)。在同一超聲功率下，隨著熱風溫度的升高，梨片的總酚、總黃酮含量也隨之上升，但當溫度繼續(xù)升高時，總酚、總黃酮含量卻有所下降，即整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。酚類物質(zhì)及黃酮類物質(zhì)均為熱敏性和氧敏性的生物活性物質(zhì)，在溫度較低時，溫度升高會導致干燥時間的縮短，梨片與氧氣接觸時間就越短，會減少酚類物質(zhì)及黃酮類物質(zhì)被氧化的時間，最終有利于總酚、總黃酮含量的上升。但溫度過高會導致酚類物質(zhì)及黃酮類物質(zhì)的降解速率增大，從而不利于總酚與總黃酮物質(zhì)的保留[22-23]。在溫度較低時，增大超聲功率有利于提高總酚和總黃酮含量。例如，在溫度為35，45 ℃時，單純熱風干燥梨片的總酚含量分別為307.49，344.27 mg/100 g，當超聲功率為24 W時，總酚含量分別增加了4.67%，14.62%；超聲功率提高至48 W時，總酚含量分別增加了32.97%，35.66%。當溫度為35 ℃，超聲功率為0，24，48 W時，梨片的總黃酮含量分別為130.46，144.21，157.94 mg/100 g，超聲功率為24，48 W時總黃酮含量比超聲功率為0 W時分別提高了10.54%，21.06%，這是由于提高超聲功率會強化其產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機械效應(yīng)，減小梨片內(nèi)部水分外遷通道阻力并縮短干燥時間，進而縮短了酚類物質(zhì)及黃酮類物質(zhì)的氧化降解反應(yīng)時間。但在干燥溫度為55 ℃時，隨著超聲功率的提高，總酚、總黃酮含量呈下降趨勢，這是由于在溫度較高時，物料細胞組織敏感性增強，較高的超聲功率容易造成梨片內(nèi)部細胞組織的損傷，物料內(nèi)部的活性成分容易在多酚氧化酶和過氧化物酶等催化酶的作用下發(fā)生較快的氧化反應(yīng)，從而導致梨片中總酚和總黃酮物質(zhì)快速降解[24]。此外，超聲功率增大雖然會增大物料的傳質(zhì)通道，但同時也會增大物料內(nèi)部的細胞間隙，從而加快了酚類物質(zhì)及黃酮類物質(zhì)從細胞中的析出速率，這將大幅增加與氧氣的接觸幾率及降解反應(yīng)速率，從而導致梨片中總酚、總黃酮含量降低。綜上可知，在較低溫度下，施加超聲功率對提高干制梨片的總酚、總黃酮含量具有積極作用，且超聲功率越高其保護作用越強；但在較高溫度下，超聲功率升高則不利于梨片總酚、總黃酮物質(zhì)的保留。Altemimi等[25]通過桃和南瓜的超聲強化熱風干燥研究，發(fā)現(xiàn)在低溫下施加超聲對總酚物質(zhì)的保留率要好于在高溫下施加超聲的。Tiho等[26]研究干燥溫度對成熟水果中總酚及總黃酮等抗氧化性物質(zhì)含量影響，表明在60 ℃時的黃酮保留率要低于40 ℃的，也證明在較低溫度干燥下更有利于黃酮類物質(zhì)的保留率。

在溫度相同的情況下，隨著超聲功率的升高，梨片VC含量隨之增加。以溫度35 ℃為例，超聲功率為0 W時，梨片的VC含量為30.21 mg/100 g，而采用功率為24，48 W的超聲強化后，對應(yīng)的VC含量比超聲功率為0 W時分別提高了15.19%，40.22%。這是由于超聲功率大，干燥時間短，VC與氧氣接觸時間短，且隨著干燥時間的縮短，超聲功率大的水溶性VC隨著水分向外遷移量要少于超聲功率小的。在超聲功率相同的情況下，梨片VC含量均隨溫度的升高而減少。以24 W為例，干燥溫度45，55 ℃時梨片VC含量比干燥溫度為35 ℃時的(34.80 mg/100 g)分別減少了18.45%，24.51%。VC含有多個不飽和鍵及活性基團，具有較高的熱敏性，在較高的干燥溫度下，極易導致VC降解速率的加快，從而造成VC損失率的提高。Kaya等[27]在獼猴桃干燥研究中，發(fā)現(xiàn)提高干燥溫度導致獼猴桃中VC損失率不斷增加。

表4 不同干燥溫度及超聲功率對梨片影響總酚、總黃酮、VC含量及復水率的影響?Table 4 Effects of hot air temperature and ultrasound power on total phenol, total flavonoids, VC and rehydration ratio

? 不同小寫字母代表不同功率下含量的差異顯著(P<0.05)； 不同大寫字母代表不同溫度下含量的差異顯著(P<0.05)。

在溫度相同的情況下，提高超聲功率會增大干制梨片的復水率。以45 ℃為例，超聲功率為0，24，48 W時的梨片復水率分別為2.66，2.87，3.15，超聲功率為24，48 W時梨片復水率比超聲功率為0 W時分別增加了7.89%，18.42%。隨著超聲功率的不斷增大，梨片內(nèi)部組織間隙也隨之增大，同時超聲波所產(chǎn)生的微孔道增多，致使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松，進而導致梨片復水率的增大。由表4可知，隨著熱風溫度不斷升高，梨片的復水率呈下降趨勢，這是由于溫度升高會提高物料內(nèi)部與物料表面形成的蒸氣壓差，使梨片表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象[28]，同時細胞組織及毛細管的收縮嚴重，從而不利于梨片的復水。

2.4 AHP干燥參數(shù)優(yōu)化

不同熱風溫度和超聲功率下的梨片干燥AHP綜合評分結(jié)果見表5。由表5可知，最優(yōu)綜合評分對應(yīng)的干燥溫度和超聲功率分別為35 ℃和48 W，其干制梨片的總酚、總黃酮、VC含量分別為408.88，157.94，42.36 mg/100 g，復水率為3.32。次優(yōu)組合為45 ℃和48 W，且施加超聲功率試驗組的綜合評分皆較高，說明在梨片熱風干燥過程中輔以超聲強化，能在有效縮短干燥時間的同時，實現(xiàn)保護營養(yǎng)成分、提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

3 結(jié)論

進行了直觸式超聲強化熱風干燥梨片的試驗研究。結(jié)果表明，熱風溫度和超聲功率對梨片干燥特性均有顯著影響，溫度越高，超聲功率越大，越有利于水分的脫除，則干燥時間越短。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對干燥過程中含水率變化進行訓練和預測，所建立的數(shù)學模型能夠?qū)崿F(xiàn)較高的預測精度。品質(zhì)特性研究表明，超聲功率與熱風溫度對梨片總酚、總黃酮、VC含量及復水率均有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)：低溫下施加超聲有利于總酚和總黃酮物質(zhì)的保留，而高溫下施加超聲則會降低總酚和總黃酮含量；提高超聲功率有利于提高VC含量，而提高干燥溫度則會降低VC含量；超聲功率越大，則梨片的復水率越高，而溫度升高則不利于產(chǎn)品的復水。上述研究結(jié)果表明，直觸式超聲對熱風干燥進程有明顯的強化效應(yīng)，在較低溫度下施加超聲更有利于保護熱風干燥產(chǎn)品品質(zhì)。超聲強化熱風干燥梨片的AHP干燥參數(shù)優(yōu)化為熱風溫度35 ℃、超聲功率48 W，對應(yīng)的梨片總酚含量、總黃酮含量、VC含量分別為408.88，157.94，42.36 mg/100 g，復水率為3.32。

表5超聲強化熱風干燥梨片的AHP綜合評分表

Table 5 AHP comprehensive evaluation
Table for ultrasound enhanced hot air drying of pear slices

干燥溫度/℃超聲功率/W綜合評分3500.7214500.6945500.67335240.77345240.77555240.71235480.93645480.8865548 0.704

本試驗通過直觸式超聲強化熱風干燥梨片的干燥特性及品質(zhì)特性研究，證實直觸式超聲可有效改善常規(guī)熱風干燥的時間長和品質(zhì)低等狀況，研究結(jié)果可為直觸式超聲強化熱風干燥技術(shù)的理論研究及應(yīng)用提供參考。不過，本試驗也發(fā)現(xiàn)在低溫下，直觸式超聲對干燥過程能夠表現(xiàn)更好的強化效果，因此，在不同溫度下尤其是在低溫下，直觸式超聲對干燥過程中水分遷徙以及傳質(zhì)孔道的影響機理需要進行更深入的研究。