基于低場核磁的馬鈴薯切片干燥過程水分遷移規律研究

朱文學 尤泰斐 白喜婷 劉思佳 侯亞玲

(1.河南科技大學食品與生物工程學院， 洛陽 471023； 2.農產品干燥技術與裝備河南省工程技術研究中心， 洛陽 471023)

0 引言

我國馬鈴薯總產量居世界第一位，馬鈴薯富含淀粉、蛋白質、礦物質和維生素，深受人們的喜愛[1]。新鮮馬鈴薯含水率高，由于貯藏技術落后，每年損失超過15%。馬鈴薯的干燥加工既能延長貯藏期，又能提高馬鈴薯的附加值[2]。熱泵干燥操作簡單、熱效率高、品質好、處理量大，是目前廣泛采用的馬鈴薯干燥方法[3-4]。

低場核磁共振(Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)技術通過弛豫時間的變化從微觀的角度解釋樣品中水分的狀態和變化規律[5-7]，是一種有效、快速、無損的檢測方法。近年來國內外學者已在果蔬、肉制品、水產品加工過程中的水分狀態和變化等方面進行了深入研究[8-19]。KAMAL等[20]研究了蘋果醬的儲存時間和糖濃度對水體動力學的影響。WANG 等[21]研究了不同預處理方式對胡蘿卜片水分遷移和品質特性的影響。ZHU等[22]研究了甜櫻桃在貯藏期間的水分損失和軟化過程，并分析了甜櫻桃在4℃儲存期間的水分分布和遷移。這些研究都表明利用LF-NMR方法確定農產品及食品加工和貯藏過程中水分狀態的可行性。

長期以來，物料內部水分遷移規律是干燥研究領域內的研究熱點和難點，本文以馬鈴薯切片為研究對象，利用低場核磁共振技術研究物料內部水分的狀態及分布規律，為物料內部水分遷移規律的研究提供參考，也為改進馬鈴薯切片干燥工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮荷蘭十五馬鈴薯購于洛陽大張超市；AB104-N型電子天平，上海第二天平儀器廠；GHRH-20型熱泵干燥機，廣東省農業機械研究所與河南科技大學聯合設計制造；NMI120-015V-1型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1樣品制備及處理

將馬鈴薯去皮，切成指定厚度，尺寸為20 mm×20 mm 的馬鈴薯切片。用無菌水洗去表面淀粉，用濾紙拭去表面水分后放入物料盤中。根據預試驗結果，在風速 1.5 m/s、厚度 5 mm 的條件下，分別選取40、50、60、70℃溫度進行熱泵干燥試驗，干燥過程中每隔30 min取樣一次。

1.2.2LF-NMR檢測

參數設置：當溫度穩定在(32.0±0.1)℃范圍內時，利用分析軟件FID脈沖序列矯正初始系統參數[23]。多脈沖回波序列CPMG參數設為：主頻21 MHz，偏移頻率305 468.85 Hz，90°脈沖時間13 μs，180°脈沖時間26 μs，采樣點數432 008，重復采樣等待時間400 ms，累加次數64，回波時間0.18 ms，回波數12 000，模擬增益20.0 dB，數字增益3 dB。

檢測方法：稱取1.0 g干燥樣品，放入直徑18 mm樣品管中，用封口膜封口后，放入核磁共振儀器中測定，獲取指數衰減圖譜。測量時放入的樣品高度不超過20 mm。每次采集信號3次，用于觀測信號幅值的穩定性和數據修補，最后應用核磁共振橫向弛豫時間T2反演軟件MuhiExp Inv Analysis反演得到T2的反演譜。

1.3 計算方法

1.3.1初始干基含水率

物料初始含水率測定采用105℃恒溫干燥法，參照GB 5009.3—2010[24]。

1.3.2干燥速率

干燥速率的計算公式為

(1)

式中DR——干燥速率，%/min

Mt1——t1時刻的干基含水率，%

Mt2——t2時刻的干基含水率，%

1.3.3水分比

由于馬鈴薯平衡干基含水率遠小于初始干基含水率M0和t時刻含水率Mt，水分比計算公式可簡略為

(2)

式中MR——t時刻物料水分比

1.3.4水分有效擴散系數

用Fick擴散定律計算馬鈴薯切片干燥過程中物料的水分有效擴散系數，公式為

(3)

式中Me——物料的平衡干基含水率，%

Deff——水分有效擴散系數，m2/s

H——物料厚度，m

n——迭代數

其簡化形式為

(4)

兩邊取對數后可寫為

(5)

lnMR與t呈線性關系，其直線斜率

(6)

對不同條件的lnMR與t用OriginPro 8.0 進行線性擬合確定k值，由式(6)即可得到有效水分擴散系數Deff。

2 試驗結果與討論

2.1 熱泵干燥規律

圖1、2是馬鈴薯切片熱泵干燥過程中的水分比、干燥速率隨干燥時間的變化曲線。由圖1可知，隨著熱風溫度的升高，干燥速率明顯加快，干燥時間縮短。這是由于在相同含濕量的情況下，熱風溫度越高，其在飽和前所能容納的蒸汽量也就越大，干燥能力就越強[25]。熱風溫度的提高有利于增大物料內的水分子動能，進而加快傳熱和傳質速率。由圖2干燥速率曲線可知，干燥前期干燥速率迅速上升達到最大值，隨后逐漸下降。這是由于干燥前期主要由表面汽化主導，水分從表面擴散到干燥介質中的速率等于或小于水分從內部轉移到表面的速率。隨后干燥速率進入降速干燥階段，干燥開始由表面汽化控制過渡到內部擴散控制，到達干燥后期由于水分遷移阻力增大，水分子擴散作用變弱，干燥速率呈現逐漸減小的趨勢[26]。

圖1 不同熱風溫度下水分比曲線Fig.1 Variation curves of moisture ratio at different air temperatures

圖2 不同熱風溫度下干燥速率曲線Fig.2 Variation curves of drying rate at different air temperatures

2.2 干燥過程中內部水分分布狀態與遷移規律

2.2.1橫向弛豫時間反演譜

由于不同溫度下馬鈴薯切片的橫向弛豫時間T2反演譜相似，故以熱風溫度60℃為例進行說明。圖3是新鮮馬鈴薯切片的T2反演圖譜，按波峰所在區域劃定物料中水分的3種狀態，橫向弛豫時間T2范圍分別為結合水橫向馳豫時間T21(0.1～1 ms)、不易流動水橫向弛豫時間T22(1～10 ms)和自由水橫向弛豫時間T23(>10 ms)。由于峰面積A2x(x=1,2,3)可以表示不同狀態的含水率，故用A2x對物料中不同狀態含水率進行分析[27]。由圖4發現，隨著干燥進行，整個T2圖譜逐漸向結合水T21峰移動，自由水T23峰逐漸減小并向不易流動水T22峰靠攏，最后只有結合水T21一個小峰。這是因為物料內自由水的自由度大，易被脫除，不易流動水和結合水自由度低于自由水，其流動性低，在大部分自由水脫出后才開始去除[28]。圖4中，由于3種相態水分的流動性和含量均不斷降低，其曲線呈現不斷向左移動，波峰面積不斷減小的趨勢。為研究各狀態水分的遷移規律，故對各狀態水分峰面積A2x進行研究。

圖3 新鮮馬鈴薯切片T2反演圖譜Fig.3 Inversion spectrum of transverse relaxation time T2 of fresh potato sample

圖4 60℃下新鮮馬鈴薯切片干燥過程中的T2弛豫譜Fig.4 Spectra of T2 relaxation of fresh potato during drying process at 60℃

2.2.2自由水分狀態

圖5為馬鈴薯切片自由水峰面積A23隨時間的變化曲線。由圖5看出，自由水在干燥開始90 min內緩慢下降,之后迅速減少，40、50、60、70℃干燥條件下分別經過360、240、210、180 min脫除自由水。這是由于前90 min主要是表面水分汽化，隨著干燥的進行，物料由內到外形成水分梯度，內部自由水需要擴散到表面才能脫除，水分脫除速度有所減慢[29]。干燥溫度的升高，可以減少自由水脫去的時間。自由水峰面積A23為0時，物料的水分比約為0.14，說明新鮮馬鈴薯中自由水約占總水分的86%。

圖5 不同熱風溫度下馬鈴薯切片自由水峰面積隨時間的變化曲線Fig.5 Free water area changing curves of potato slices with drying time at different temperatures

2.2.3不易流動水分狀態

圖6為馬鈴薯切片不易流動水峰面積A22隨時間的變化曲線。不同干燥溫度條件下不易流動水的峰面積A22呈現先增大再減小的變化。不易流動水在40、50、60、70℃時分別經過300、210、180、160 min升高到最大值，這是因為隨著干燥進行水分子活化能逐漸增大，自由水從無序狀態過渡至有序狀態或從分散狀態過渡至成簇狀態，部分自由水轉變為不易流動水，另外隨著干燥的進行，物料內部物質在酶的作用下開始分解，一部分結合水轉化為不易流動水[30]。不易流動水含量減小是因為隨著干燥的進行，物料內的不易流動水隨內部擴散逐漸脫除[28]。

圖6 不同熱風溫度下馬鈴薯切片不易流動水峰面積隨時間的變化曲線Fig.6 Immobilized water area changing curves of potato slices with drying time at different temperatures

2.2.4結合水分狀態

圖7是馬鈴薯切片結合水峰面積A21隨時間的變化曲線。由圖7可知，在干燥過程中，結合水峰面積A21隨著干燥的進行總體呈現先增加后減小的趨勢。干燥溫度的升高，結合水達到最大值所需的時間逐漸減少，40、50、60、70℃溫度時，分別在360、300、210、180 min時峰面積A21達到最大值，滯后于不易流動水的變化。干燥前期，自由水分子動能逐漸增大，其擴散能力逐漸增強，一部分自由水與淀粉等營養物質結合使結合水含量升高[31]。干燥后期，物料中有些物質在酶的作用下分解，結合水轉變為不易流動水被脫除，結合水減少。

圖7 不同熱風溫度下馬鈴薯切片結合水峰面積隨時間的變化曲線Fig.7 Bound water area changing curves of potato slices with drying time at different temperatures

對比水分狀態分析結果可知，馬鈴薯切片干燥過程中內部水分遷移規律為:部分自由水先向不易流動水和結合水轉變，之后不易流動水向結合水發生轉變，結合水向不易流動水的轉變伴隨著整個干燥過程。

2.3 水分有效擴散系數計算及模型擬合

2.3.1水分有效擴散系數

由表1可知，干燥溫度在40～70℃時，Deff從5.228×10-8m2/s上升到1.434×10-7m2/s，上升幅度達174.23%，因此溫度對Deff有顯著影響。溫度升高，物料內水分子動能增大，使得水分擴散能力增大，故在實際生產中，可通過增大溫度加快生產效率。但由于高溫下還原糖美拉德反應加快[32]，高于70℃時馬鈴薯片褐變加重。

表1 馬鈴薯切片的水分有效擴散系數Tab.1 Effective moisture diffusivity of potato slices at different temperatures

2.3.2干燥動力學模型

根據不同溫度干燥條件下A21、A22和A23隨干燥時間的變化規律，分別建立A21、A22和A23隨干燥時間變化的動力學模型。通過對所得數據研究發現，A21、A22和A23的變化趨勢是典型的非線性函數。利用OriginPro 8.0軟件對A21、A22和A23的變化進行曲線擬合得到A21、A22和A23隨干燥時間變化的動力學模型回歸方程及其參數，如表2所示。y表示不同溫度干燥條件下的A21、A22和A23值，x為干燥時間，單位min。

表2 不同溫度條件下A21、A22和A23隨干燥時間變化的動力學模型及其參數

由表2可知，不同溫度干燥條件下擬合所得A21、A22和A23隨干燥時間變化的動力學模擬回歸方程的決定系數R2均大于 0.98，這表明所得回歸方程具有較高的擬合精度。該模型能較為準確地預測馬鈴薯切片熱泵干燥過程中任意時刻的水分變化及其分布，為提高干燥產品質量，研究干燥過程中的水分狀態及其分布變化規律提供了參考。

3 結論

(1)馬鈴薯內部水分以結合水、不易流動水和自由水3種狀態存在。自由水約占新鮮馬鈴薯總水分的86%，為馬鈴薯特征水分。提高熱泵干燥溫度，可以提高干燥速率，促進水分遷移。

(2)馬鈴薯切片熱泵干燥過程中水分遷移規律為:部分自由水先向不易流動水和結合水轉變，之后不易流動水向結合水發生轉變，但結合水向不易流動水的轉變伴隨著整個干燥過程。

(3)所建立的干燥動力學模型可用于模擬馬鈴薯切片熱泵干燥過程中不同狀態水分的遷移和轉變規律。