胡蘿卜微觀區室結構對紅外干燥效率和水分遷移的影響

劉玉輝，王相友，魏忠彩

胡蘿卜微觀區室結構對紅外干燥效率和水分遷移的影響

劉玉輝，王相友※，魏忠彩

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255049）

為充分利用果蔬微觀結構的特點提高干燥效率，探究切片方式對胡蘿卜干燥效率的影響，根據胡蘿卜切片的微觀區室結構具有各向異性多孔介質的特征，在紅外干燥過程中，分別對樣品采用縱切和橫切方式進行對照試驗，在加熱功率為800 W，輻照距離為50 cm，表面溫度為60 ℃條件下，直徑40 mm、厚度為 5mm的圓餅狀橫切薄片，比35 mm× 35 mm×5 mm的長方體縱切薄片，濕基含水率到達10%的時間少1.5 h，說明橫切胡蘿卜薄片的干燥速率高于縱切薄片，橫向切片的干燥效率更高，能耗更低。對干燥后橫切樣品的中心和邊緣部位分別取樣，利用掃描電鏡觀察，由掃描電鏡圖像分析得到：失水后干物質形成蜂窩狀區室結構，各區室形成的內部孔隙在軸向上前后連接；橫截面方向上，孔隙被干物質隔斷為獨立的單元空間，且樣品中心部位比邊緣部位孔隙率高，物料彎曲度低，區室舒展，孔隙系數大，區室空間開闊，微孔半徑大。用高光譜技術測定胡蘿卜薄片干燥過程中的含水率，發現在同一時間點上，中心部位的含水率始終高于邊緣部位，兩部位的含水率變化率基本相同，說明物料中心和邊緣部位的水分遷移相互獨立，水分沿橫向遷移不明顯，由于中心部位的初始含水率高，所以中心部位對紅外輻射能量的利用率更高。在新鮮胡蘿卜和干燥后樣品的同一位置取樣，根的上部方向為上表面，根冠的方向為下表面，利用透射電鏡對細胞的超微結構進行對照觀察，由透射電鏡圖像分析得到：失水后的細胞內容物沉積于細胞壁橫截面的四周，與細胞壁緊密結合在一起，降低了該區域細胞壁的通透性；在細胞壁橫截面的頂部和底部，未發現細胞內容物形成的干物質沉積，孔隙的通透性較高。在垂直于區室壁的方向上，水遷移受到的阻力較大，物料中的水主要沿區室連通的方向進行遷移。研究結果為胡蘿卜橫向切片具有較高干燥效率做出了微觀解釋。

光譜；干燥；超微結構；胡蘿卜；紅外干燥；區室結構

0 引 言

利用紅外輻射加熱技術對果蔬干燥，紅外光線在果蔬生物組織間、細胞間、組織間隙乃至細胞內部不同部位之間進行傳播的過程中，會發生吸收、散射、反射和透射等[1-2]。果蔬的微觀結構對紅外光的傳播、能量傳遞和水分遷移都有影響，不同種類果蔬、果蔬的不同部位以及生物組織微觀區室的結構、形態、成分都存在差異，對紅外線的吸收和能量傳遞會表現出不同的光學特性。作為植物的根，胡蘿卜內部組織結構具有方向性差異，在橫切面上，胡蘿卜具有以軸向為中心的同心圓型環狀結構，不同層級結構的致密度也存在顯著差異，在宏觀上具有明顯的紋理特征，在微觀結構上，物料中運輸水分的輸導組織是由微小的區室狀空間單元組成的，這些空間單元在不同方向上具有結構和組成材質的差異，在對物料進行紅外干燥的過程中，傳熱傳質都無法呈現出各向同性的特征。

在應用紅外輻射加熱技術對胡蘿卜薄片進行干燥的試驗中，張麗麗等[3-4]研究表明，輻射強度和物料厚度對水分擴散系數影響較大，隨著輻射強度增加和樣本厚度變小，有效水分擴散系數變大，在胡蘿卜片厚度為4.5 mm，輻照距離為12 cm，物料溫度55 ℃時，在保證干燥品質較好的條件下，效率最高；劉英[5]研究表明，在干燥溫度為70 ℃，切片厚度為4 mm，輻照距離為240 mm時，胡蘿卜的干燥效果較好；馬國軍等[6]求解得出干燥溫度為72.4 ℃、切片厚度3.01 mm和輻照距離239.99 mm狀態下，遠紅外輻射對胡蘿卜薄片干燥工藝較優。上述試驗對胡蘿卜薄片的分析都停留在宏觀層面的基礎上，而分析不同切割方向下物料微觀結構對干燥的影響則會對物料干燥工程實際更加具有指導意義。馬學文等[7]對餅狀污泥和球狀污泥的干燥特性差異進行了研究，分析了形狀差異對干燥速率和物料內外溫差的影響；Nazghelichi等[8]通過流化床對胡蘿卜立方體進行干燥，探究干燥變量對能源利用率的影響，結果表明小顆粒、深床和高溫提高了傳熱傳質的能量利用率，但均未涉及干燥特性與微觀結構之間相互作用。

本文對胡蘿卜進行縱向和橫向2種切片方式進行試驗，探究區室結構的各向異性對紅外輻射能的吸收率和水分遷移率的影響；利用高光譜技術測定干燥過程中物料不同區域含水率的變化規律，探究干燥過程中水分在物料中的遷移方向；通過掃描電鏡觀察物料不同部位區室結構的差異，分析水分遷移與區室結構之間的關聯特性和相互作用機理；通過透射電鏡觀察物料干燥過程中細胞超微結構的變化，探究紅外干燥過程中物料區室結構的變化規律和內在機理，為紅外干燥的光學機理、能量傳遞、水分遷移理論做進一步完善，為紅外輻射加熱技術在農產品干燥過程中更好地利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

優質紅森胡蘿卜（購自淄博當地超市，新鮮清潔、品質優良）。

YHG-50*55BS型遠紅外恒溫干燥箱（上海躍進醫療器械廠）；TP-114型電子天平（最大稱量220 g，最小稱量0.1 mg，丹佛儀器（北京）有限公司）；物料盤若干；樣品厚度可調節刀具；鑷子；手套；與試驗樣品直徑一致的模具；Quanta250型掃描電子顯微鏡（FEI香港有限公司）；JEOL-1200EX型透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）、LKB-V型切片機（瑞典LKB公司）。

高光譜成像系統：CCD攝像頭（ImSpector V10E, Spectral Imaging Ltd, Finland）、精密電控平移臺（SC30021A, Zolix Instruments Ltd, China）、150W 光纖鹵素燈（Fiber-Lite DC-950 Illuminator，Dolan-Jenner Industries Inc，America）、電子控制箱（SC300-1A，Zolix Instruments Ltd，China）和計算機等部件。

1.2 試驗設計

1.2.1 濕基含水率

胡蘿卜在干燥過程中的濕基含水率根據 GB/T5009.3—2010《食品中水分的測定方法》進行測定[9]，計算公式如下：

式中M為物料的濕基含水率，%；m為物料在時刻質量，g；m為物料干燥平衡時的質量，g。

對樣品按照縱向和橫向兩種方式進行切割，如圖1所示，分別取樣試驗。橫切樣品直徑為40 mm，厚度為5 mm的圓餅狀薄片，面積1 256 mm2，體積6 280 mm3，取樣部位為胡蘿卜中部橫切面，芯部面積占比約為1/4；縱切樣品為35 mm×35 mm×5 mm的長方體薄片，面積1 225 mm2，體積6 125 mm3，取樣部位為胡蘿卜中部，以中軸部位為中心，左右兩側對稱，樣品應盡可能多包含胡蘿卜的組織結構（髓、木質部、韌皮部、厚角組織、微管束和皮層）。

圖1 胡蘿卜的兩種切片方式

取橫切厚度5 mm的胡蘿卜薄片，用直徑10 mm的打孔器在薄片的中心髓部和邊緣皮層部分別取樣，樣品面積78.5 mm2，體積274.75 mm3。

用紅外輻射加熱系統（表面溫度分別為60 ℃，輻照距離50 cm，功率800 W）對上述2種樣品進行干燥。每隔0.5 h取樣1次并稱質量，每隔1 h對樣品進行1次高光譜數據采集，再將所取樣品置于105 ℃紅外恒溫箱內至絕干，干燥至濕基含水率降至8.7%以下時試驗結束。每個試驗重復3次，取平均值。

1.2.2 高光譜成像數據的采集與標定

高光譜技術具有便捷、高效、快速、準確的特點，為研究胡蘿卜樣品中不同部位之間含水率的差異及測量水分在樣品干燥過程中的傳熱傳質特征帶來了便利。采用高光譜技術對同一樣品的中心部位和邊緣部位，在同一干燥時刻的含水率進行測量，分別找出中心部位和邊緣部位含水率的變化規律。

采集數據之前，將系統打開預熱30 min，將采集參數設置為：曝光時間為45 ms，圖像分辨率為618×1 628像素，平移臺的移動速度為90 mm/s，光譜分辨率為2.8 nm，光譜范圍為410～1 010 nm，采樣間隔為0.858 nm。采集時將胡蘿卜薄片樣本平放在平移臺上并關閉箱門，打開平移臺裝置，開始采集數據。樣品設置3個平行組，取平均值。樣本采集過程中的噪聲、暗電流會等因素會對圖像造成干擾，因此，對原始圖像進行校正后再提取數據。

1.2.3 超微結構的觀察與測定

對橫切胡蘿卜薄片樣品在60 ℃狀態進行紅外干燥至含水率降至8.7%，對干燥后樣品的中心髓部和邊緣部位分別取樣，切成2 mm×2 mm的小塊，用鑷子固定到樣品臺上，噴金鍍膜處理5 min，真空度為200 Pa，加速電壓為5 kV，采用電子顯微鏡觀察該樣品的表面結構。

分別在新鮮的蘿卜和紅外干燥后的樣品的髓部的同一位置取樣，用雙面刀片將選取的樣品，分別切成1 mm× 1 mm×2 mm大小的塊，用質量分數4%戊二醛溶液（0.1 mol/L磷酸緩沖液配制，pH值7.2）在4 ℃條件下前固定2 h，用pH值7.2的磷酸緩沖液漂洗3次，每次15 min。用質量分數1%餓酸溶液（磷酸緩沖配制）4 ℃后固定2 h，用磷酸緩沖液沖洗漂洗3次，每次30 min。用質量分數50%、70%、80%、90%、100%丙酮溶液梯度脫水，各級30 min。環氧樹脂Epon-812滲透包埋，37 ℃烘箱聚合12 h后，于45 ℃聚合12 h，最后于60 ℃聚合24 h。用LKB-V型超薄切片機切成60 nm的薄片，以根上部方向為上表面，根冠方向為下表面，再經鉛鈾電子染色后，在JEOLM-1230型透射電鏡觀察拍照。

1.2.4 傳熱傳質特征分析

對樣品的傳熱傳質特征進行分析，用到的公式如下[10]

非穩態擴散過程中的菲克第二定律

式中為擴散物質的體積濃度，kg/m3；為擴散時間，s；，，為3個維度上的距離，m；為擴散系數，cm2/s。

2 結果與分析

2.1 含水率的變化規律

試驗中采用單一輻照源，胡蘿卜薄片內部形成不穩定、不均衡的濕熱場，由式（2）可知，由于胡蘿卜物料在3個維度上對水的遷移阻力存在差異，不具有各向同性的特征，再加上干燥過程中物料的傳輸特性不斷發生變化，因此，水分在3個維度上的擴散系數必然存在差異。

如圖2所示，在物料干燥過程中，水分與物料的分離主要發生在紅外輻射源直接照射的輻照面（物料上表面），物料在吸收紅外輻射能量后，物料輻照面處在溫度升高的同時，含水率下降，由輻照面向內，溫度逐漸下降，含水率不斷升高，形成向著輻照面呈溫度遞增、濕度遞減的濕熱場，物料中的水分遷移，在熱力作用下，沿著軸的負方向，向物料上表面遷移，并最終在輻照面處與物料分離。在沿著軸和軸方向兩個維度上，由于缺少能量的持續供給，水的遷移主要是以滲透擴散的方式進行，遷移速率較慢。由于胡蘿卜具有各向異性非勻質多孔介質材料的性質，水在物料內不同方向上遷移過程中所受的阻力存在差異。在2種切割方式下，物料在3個維度上的厚度存在較大差別，水在向輻照面遷移時所受的阻力必然存在差異，消耗的能量也不盡相同。物料沿軸方向的通透性越好，干燥速率越快，能耗越低。由圖3可以看出，橫切方式的薄片，干燥過程中自1.5 h開始，含水率下降較快，到達絕干狀態用時較少，干燥過程中的能耗低，說明在橫切方式下，物料內部水分遷移到輻照面受到的阻力小，水在物料中的擴散系數大、滲透速率高。

注：箭頭表示輻照方向。

圖3為紅外干燥過程中胡蘿卜兩種切割薄片的含水率變化曲線。從圖中可以看出，兩種切樣方式下，樣品含水率隨紅外干燥時間的變化趨勢相同。但是，兩種樣品干燥過程中含水速率的變化存在差異。在干燥初期的1 h，兩種方式下樣品的含水率相近，此時物料失去的主要是靠近輻照面部位的水，因此，和組織結構對內部水分遷移的阻礙作用關系較小。從1.5 h開始，橫切樣品的失水速率開始高于縱切樣品，在3.5 h之后，橫切樣品的含水率開始快速下降，7 h后，橫切樣品含水率降至10%，趨于穩定。縱切樣品在4 h后，含水率開始快速下降，8.5 h后，縱切樣品含水率降至10%，趨于穩定，濕基含水率降至10%所需時間比橫切樣品大約多1.5 h。整個干燥過程中，縱切薄片含水率一直高于橫切薄片，縱切薄片具有明顯的滯后特征。由于物料中水分的散失遵循先外后內的規律，首先失去的是處于物料表面的水分，內部的水分需要遷移到表面位置之后，才能實現與物料的最終分離，因此，在兩種切片的干燥過程中，只有最初位于物料表面處的水分遷移特征具有一定的相似性，位于物料內部的水分散失過程差異較大。

圖3 兩種胡蘿卜薄片含水率隨紅外干燥時間的變化曲線

在中心髓部和邊緣皮層部取相同形狀、表面積和體積的橫切物料，在相同條件下（表面溫度分別為60 ℃，輻照距離50 cm，功率800 W）進行干燥，得到如圖4所示的含水率變化曲線。

圖4 胡蘿卜中心髓部和邊緣皮層部含水率變化曲線

由圖4可以看出，在6.5 h處兩部位含水率基本相同，在6.5 h之前的相同時間節點上，中心髓部的含水率一直高于邊緣皮層部，但兩者含水率變化趨勢大致相同，6.5 h之后兩部位含水率變化基本相同。將兩條曲線按照橫切面積1:3的比例進行加權平均，則與圖3中的橫切樣品含水率曲線具有較高的吻合度，說明在干燥過程中，物料中心髓部和邊緣皮層部的水分遷移具有一定的相對獨立性。

2.2 光譜反射率分析

從圖5干物料的表征特性可以看出，物料在干燥過程中，中心部位和邊緣部位的收縮度、彎曲率以及物料的致密度等都有較大的差異。中心部位收縮率高，物料中心和邊緣在干燥過程中產生應力差，物料在失水過程中發生扭曲變形，這種差異除去材料自身的特性外，水的遷移對物料也會起到一定作用。這就需要對中心部位和邊緣部位含水率的變化進行對比研究。

圖5 兩種胡蘿卜切片干物料

圖6為通過高光譜技術測量的樣品對光線的反射率光譜圖，從圖6中可以看出，胡蘿卜樣品對980 nm附近的光線具有較低的反射率，形成一個突出的吸收峰值，這是由于水對于波長為980 nm的紅外線具有較強的吸收能力所導致的。同時，水分子有較寬的吸收峰，所以水分子的紅外吸收光譜在980 nm附近形成具有一定寬度的帶狀光譜。在980 nm附近的波譜段上，樣品含水率越大，反射率就越低。隨著干燥時間的增長，樣品含水率不斷下降，樣品中水對于980 nm波段光的吸收能力不斷下降，譜線在該波段的反射率也隨著干燥時間的增加不斷上升。在干燥時間達到7 h后，樣品對980 nm波段的反射峰值消失，這與樣品干燥曲線中含水率的關系相吻合。

由圖6的反射率光譜求出物料對波長980 nm處光的反射率，得到如圖7所示樣品對波長為980 nm處光的反射率隨干燥時間變化曲線。從圖中可以看出，在相同時間點上，中心部位始終低于邊緣部位，但兩部位反射率隨時間變化的規律和趨勢基本相同，并且在相同時刻，兩部位反射率的變化梯度值接近，其差值與兩部位物料表面的孔隙形狀、孔隙率以及表面粗糙度有關。

在含水率降到10%以前，對于980 nm波段附近的光線，樣品中心部位的反射率一直低于邊緣部位，說明無論是新鮮的胡蘿卜還是在干燥失水的過程中的同一時間點上，中心部位的含水率都高于邊緣部位，中心部位和邊緣部位之間的含水率一直存在梯度差，與圖4結果一致，可以看出在相同的時間點上，物料中心部位和邊緣部位含水率的變化率基本相同，這說明在干燥過程中，兩部位之間水分的遷移不明顯，水主要沿胡蘿卜縱向遷移，與縱向的遷移量相比，水在橫向的遷移量占比較低。可見，在紅外輻射干燥過程中，樣品中的水分遷移路徑主要是沿平行于中軸的縱向進行的，在橫向上由內向外進行水分遷移的特征不明顯。

圖6 胡蘿卜表面的反射率光譜

圖7 中心和邊緣對波長980 nm的反射率

2.3 掃描電鏡（Scanning Electron Microscope）微觀結構分析

多孔介質的滲透差異是由孔隙結構決定的[11-12]，孔隙的微觀差異會造成水的分布和溫度場不均衡[13]，多孔介質的空間節點和矩陣格子特征都會對多孔介質流體運動和溶質運移過程的相關參數產生較大影響[14-17]，孔隙率、彎曲率、孔隙形狀和微孔半徑等結構特性都會影響到流體的滲透率[18]。胡蘿卜作為多孔介質材料，在干燥過程中，水在物料不同部位遷移速率的差異，與這些部位孔隙的特點必然存在一定的關聯性，因此，取橫切、縱切薄片為研究樣本，對干燥后的胡蘿卜薄片的中心部位和邊緣部位分別取樣，通過掃描電鏡進行觀察，對二者在水分遷移速率上存在差異的微觀特性進行分析。

圖8是干燥后樣品在掃描電鏡下微觀結構圖。將橫切樣品SEM圖像中心和邊緣部位的結構進行比較，可以看出：樣品中心部位的結構相對松散，干物質含量相對較少，相等空間范圍中含有的區室數量少，單位區室占有的空間大，干物質所形成的孔隙壁較薄；邊緣部位區室緊湊，單位區室占有的空間小，區室壁厚度大，物質結構致密。中心部位的區室材質相對松散，區室內部空間較大，具有更強的水合能力，因此，在胡蘿卜的橫切面上，中間部位比邊緣部位的含水率高。在孔隙結構排列上，兩部位的區室壁都沿縱向排列，區室之間的聯通方式也都呈現出橫向阻隔、縱向聯通的狀態。具有相似特點的區室之間有機結合，形成了區室之間在縱向上聯通、在橫向上彼此隔離的微孔結構，樣品吸收紅外輻射能后，大部分的水會沿著平行于胡蘿卜中軸方向，在這些微管束中向輻照面方向進行遷移。

圖8 干燥胡蘿卜樣品表面SEM圖像（50 μm）

與橫切樣品相比，縱切樣品中心部位不但孔隙數量少，而且孔隙的深度較淺，而邊緣部位表面平整度較高，沒有明顯的孔隙結構。與橫切薄片相比，孔隙通道較少的縱切薄片，內部水分在向表面遷移的過程中所受阻力較大。

2.4 透視電鏡（Transmission Electron Microscope）超微結構分析

對物料進行紅外干燥時，細胞所具有的生命力與傳熱傳質之間產生一定的相互影響和相互作用。為此，試驗中對鮮物質中含水率高且在干燥過程中失水速率較快的中心部位細胞取樣，通過透射電鏡進行觀察（圖9），對水分遷移的內在機理作進一步的探究。

放大倍率為5 000×的TEM圖像顯示：由于新鮮胡蘿卜含水率很高，因此，在鮮活的胡蘿卜細胞內，大部分空間都被占空比較大的液泡占據，細胞壁厚度均勻，排列規則有序，細胞器和細胞質被限定在液泡膜和緊貼細胞壁的細胞膜之間占比非常小的區域內。盡管細胞器在細胞內所占空間較小，但是這個空間所在的位置規則有序，從胡蘿卜的橫向切面方向看，細胞器都位于細胞橫切面上，緊貼于細胞壁的邊緣區域，在橫切面中央部位，未發現細胞器結構。在經紅外干燥后干樣品細胞的TEM圖像上，脫水后干細胞的細胞壁具有明顯的塌陷現象，細胞壁皺縮特征明顯，細胞膜和液泡膜等各種類型的膜結構均消失，細胞壁厚度不均，有干物質沉積的部位，細胞壁比較厚，沒有干物質沉積的部位，細胞明顯較薄。以細胞壁為骨架構建的區室中間形成一個空腔，空腔的中央部位沒有發現沉積的干物質，空腔沿軸向具有較高的通透性。

圖9 橫切鮮物料和干物料細胞結構的TEM圖像

通過放大倍率為15 000×的TEM圖像，對鮮物料與干物料在細胞壁附近區域進行比較，可見，隨著干燥過程的進行，細胞結構發生了明顯的變化。鮮物料細胞的細胞器被擠壓在液泡膜與細胞膜（細胞膜緊貼細胞壁）之間的狹小區域內，細胞膜和液泡膜結構完整，細胞器結構完整且排列緊湊有序，細胞質中固態物質的含量明顯高于液泡內的固態物質，細胞質內固態物質在膜結構的阻隔下，未能與細胞壁之間形成穩定的結合力，也無法達到與細胞壁緊密結合的狀態。失水后干物料細胞的細胞膜和液泡膜結構均消失，細胞器及細胞內其他內容物失水后形成的干物質沉積于臨近的細胞壁上，并與細胞壁緊密結合在一起，使該區室部位的細胞壁明顯變厚。在失水過程中，失水后的細胞器以及細胞質中的固態物質逐漸收縮為大小不等的固態顆粒物，沉積在細胞壁的孔隙處，降低了該部位細胞壁的通透性，削弱了細胞內剩余的水透過細胞橫向進行遷移的能力。

3 討 論

新鮮胡蘿卜細胞的細胞器位于細胞壁為框架的區室結構內沿軸向的細胞壁側壁部位[19-21]。在紅外輻照作用下，液泡膜的分解是一個逐漸的過程，在液泡膜分解之前，細胞失去的主要是細胞質內的自由水，液泡內溶液與細胞質溶液間的濃度差不斷加大[22-25]。液泡膜內液體濃度較低，呈現牛頓流體特征，黏稠力較小，而液泡外液體，隨著干燥過程的進行，濃度不斷升高，黏稠度也不斷上升，非牛頓流體特征越來越突出。隨著液泡膜內外溶液濃度差異的上升，在液泡膜的內外表面形成的壓力差也越來越大，加速了液泡膜的破裂。同時，具有較高黏度的細胞質逐漸黏附于鄰近的細胞壁上，阻塞了細胞壁上的孔隙，降低細胞壁橫向的通透性。

胡蘿卜的區室結構把物料中的水分分割在不同的空間體系中[26-27]，形成水分子的聚集團，在外部能量輸入過程中，由于區室內部各部位水的受熱不均，不同部位的水之間產生密度、溫度等物理量的差異，左右相鄰區域和上下層級區域之間都產生熱力梯度差，水的運動產生紊流現象，在區室內部形成局部湍流現象[28-29]，阻礙水分的遷移。垂直于紅外輻照方向上，橫切薄片的區室孔徑較大，紅外輻照能量在區室內垂直于紅外光傳播方向的橫截面上差異較小，區室內部水受熱均勻，熱力梯度差異小，湍流特征不明顯，這也是橫切薄片干燥速率較快的一個因素。

4 結 論

1）對胡蘿卜切片進行紅外加熱干燥時，水分沿縱向的遷移能力高于橫向，這既與胡蘿卜本身的結構和材質有關，也受物料干燥過程中出現的變化的影響。為提高胡蘿卜薄片紅外干燥的效率和降低能耗，脫水生產中應對胡蘿卜物料進行橫向切片。

2）在紅外干燥過程中，胡蘿卜細胞內容物失水后，以固態顆粒物的形式附著于橫向的細胞壁上，阻塞該部位細胞壁上的孔隙，降低了細胞的橫向通透性，增大了水透過該區域細胞壁的阻力。在失去生命特征之前，細胞與鄰近細胞之間會發生一系列生物化學反應，并且隨著含水率的下降，毗鄰細胞間的結合度上升，并在細胞間不斷拓展和外延，形成網狀空間區室結構體系，體系中的每一個區室都是以這些細胞為骨架材料構建的，橫向的區室壁緊密排列，縱向孔隙通道順次連接形成通路。這與掃描電鏡圖像顯示的胡蘿卜中的區室結構具有縱向通透和橫向阻隔的特征相吻合。

3）水在胡蘿卜這種以微觀區室結構為單元構成的多孔介質材料中遷移時，在垂直于軸向上的遷移阻力較大，在沿著軸向上則具有較高的傳質能力。干燥過程中，水在胡蘿卜內的遷移路徑主要為沿軸向孔隙連通的方向。

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Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer

Liu Yuhui, Wang Xiangyou※, Wei Zhongcai

(,,255049,)

This study aims to improve the drying efficiency and quality of a carrot during infrared drying. Two cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) were selected to treat the fresh produces, according to the anisotropic porous media of a carrot. The results showed under the surface temperature of 60 ℃, the cross-cutting carrots with the diameter of 40 mm and the thickness of 5 mm behaved the higher drying efficiency, compared with the longitudinal samples with the length of 35 m, the width of 35 mm, and the thickness of 5 mm. The 10% of moisture content was achieved about 5 hours for the treatment of cross cutting ones, indicating 1.5 hours less than that of longitudinal carrots. It suggested that the water in carrots was mainly transferred along the axial direction, whereas, the transport of water along the cross section cannot be found obviously during the drying process. A Scanning Electron Microscope (SEM) was used to observe the middle and edge positions of dried samples, to further verify the microcosmic mechanism. The SEM images showed that a honeycomb microstructure was formed after the process of water loss, which was connected in the axial direction, but divided in the horizontal direction. Compared with the marginal part, the central part presented the higher voidage, lower curvature, larger coefficient of voidage, wider chamber space, and larger micropore radius. A Transmission Electron Microscopy (TEM) was also used to characterize the ultrastructure of the cells for the samples. TEM images showed that the dehydrated cells were mostly deposited around the cross section of the cell wall. These sediments were closely bound to the cell wall, and thereby to reduce the permeability of the cell wall in this part. Furthermore, sediments were not observed at the top or bottom of cell wall in the cross section, due mainly to the higher of porosity. These cells served as the skeletal materials for the wall of compartments. It infers that the water in the material flowed mainly through the voids, possibly due to the high resistance for water in the direction perpendicular to the cell wall. Moreover, Hyperspectral images revealed that the water content in the center was higher than that at the edge during the whole drying process, indicating that the loss rate of water in the two parts showed no significant differences at the same time. There was no obvious water migration in the lateral direction of materials, whereas, the central part of the zone with loose structure had a higher utilization rate of infrared energy. These data demonstrated that the different cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) can strongly affect the efficiency of drying. The findings can contribute to a microcosmic explanation for the infrared drying characteristics of carrot slices, and further provide a theoretical basis to improve the energy efficiency in infrared drying of carrots.

spectrum; drying; ultrastructure; carrot; infrared drying; chamber structure

劉玉輝，王相友，魏忠彩. 胡蘿卜微觀區室結構對紅外干燥效率和水分遷移的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(23)：293-300.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

Liu Yuhui, Wang Xiangyou, Wei Zhongcai. Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 293-300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

2020-09-30

2020-11-18

國家自然科學基金面上項目（31271908）

劉玉輝，博士生，主要從事農產品加工技術研究。Email：liuyuhui@sdut.edu.cn

王相友，教授，博士生導師，主要從事農產品加工技術與裝備研究。Email：wxy@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034

TS253.4

A

1002-6819(2020)-23-0293-08