不同干燥工藝對新疆主要制干葡萄干燥特性的影響

謝 輝，張 恒，王 敏，韓守安，艾爾買克·才卡斯木， 鐘海霞，王文勇，張 雯，潘明啟

(1. 新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆農業科學院國際科技合作交流處，烏魯木齊 830091； 3. 新疆農業大學科技學院生物科學系，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國葡萄干的主產區，葡萄干產業是新疆林果業的重要支柱產業[1-3]。新疆葡萄干的生產主要以晾房加工和曬場曬干2種工藝為主，綠色葡萄干是新疆葡萄干的主要產品，加工工藝為晾干工藝，棕褐色葡萄干占有一定的比例，加工工藝為曬干工藝[4, 5]，這2種加工工藝是新疆葡萄干產業主要的傳統工藝，研究晾干和曬干干燥工藝條件下葡萄的干燥特性對于傳統工藝的干燥具有重要的意義。【前人研究進展】對于葡萄干燥特性主要采用烘干工藝對無核白[6,7]和黑色葡萄干[8,9]進行研究。干燥工藝對果蔬制干特性及干燥模型的研究有紅棗[10]、荔枝[11]、明星杏[12]及魔芋[13]研究發現，干燥模型能夠較好的闡釋以上干果干燥過程中有效水分散失規律、干燥速率和活化能。【本研究切入點】在葡萄干干燥工藝對干燥時間[14, 15]、葡萄干的品質[16，17]和風味[18-20]等已有研究，對于采用以上2種工藝對葡萄干干燥特性的研究較少。研究不同制干工藝對新疆主要制干葡萄品種無核白和無核白雞葡萄干燥特性的影響。【擬解決的關鍵問題】采用傳統工藝對新疆主要的制干葡萄品種無核白和無核白雞心進行研究，分析傳統工藝下這2種葡萄的干燥特性，為新疆葡萄干燥工藝的改進提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

選擇栽培條件相同成熟度一致的無核白雞心和無核白葡萄各500 kg，采用棚架栽培模式栽培，無核白雞心葡萄樹齡7年，無核白葡萄樹齡9年，樣品選自吐魯番鄯善縣園藝場葡萄瓜果研究所試驗基地。樣品于2018年8月18日采集，樣品采集時選擇果粒大小均勻，顏色一致的葡萄作為試驗材料進行干燥特性研究。

葡萄果粒參數：無核白雞心葡萄果粒的基本參數：可溶性固形物含量23.6%、單粒重為4.65 g、縱橫徑分別為27.18、17.02 mm，干燥半徑8.5 mm，表面積為12.70 cm2。無核白葡萄果粒的基本參數：可溶性固形物22.8%、單粒重為3.22 g，縱橫徑分別為22.43、15.67 mm，干燥半徑7.8 mm，表面積為9.92 cm2。

干燥預處理：采用新疆農業科學院惠普園藝公司生產的促干劑預處理，每袋促干劑溶解于15 kg水中，將新鮮葡萄浸入溶液中1 min，制干。

葡萄干燥：研究分別采用曬干和晾干的方法進行干燥，每個處理挑選葡萄200 kg干燥。曬干：將葡萄采用促干劑處理后，平鋪在水泥地上，下雨時采用大棚膜遮擋。晾干：將葡萄采用促干劑處理后，將葡萄均勻掛在鐵絲網格上，在吐魯番磚塊結構晾房中晾干。

實驗儀器：百分之一天平、路格L95-4型號溫濕度記錄儀。

1.2 方 法

1.2.1 溫、濕度

環境溫濕度由Ll95-4型儀器每30 min測量1次。將探頭置于各干燥制造環境中，各干燥制造環境中放置3臺儀器。晾房是農戶生產用晾房，按照從南到北的順序分別在南、北靠墻0.5 m、高度1.5 m的區域掛溫濕度計1個，中間掛溫濕度計1個。曬干環境在水泥地上進行，設置3個重復，溫濕度探頭遮陰，避免陽光暴曬。

1.2.2 含水量

分別取200 g無核白和無核白雞心葡萄各6份，總計12份試驗材料放置于晾房和水泥地上，每個處理3次重復，每天采用百分之一天平測定其重量變化情況并記錄。

1.2.3 葡萄干燥特性計算

(1)無核白和無核白雞心葡萄干燥參數的計算[21]

干基含水率(Wt)計算公式為：

(1)

式中：Wt代表葡萄果實的干基含水率，單位g/g；md代表葡萄干物質的質量(g)；mt為任意t時刻葡萄的質量(g)。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR為水分比，Mt-樣品任意時刻葡萄果實的干基含水率(g/g)，Me-葡萄干的平衡干基含水率(g/g)；M0-葡萄的初始干基含水率(g/g)。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui為i時刻試驗葡萄果實的干燥速率，單位為g·(g/min)，Mi為i時刻試驗葡萄果實干基含水率(g/g)。

有效水分擴散系數(Deff)計算公式：

(4)

式中：Deff為葡萄的有效水分擴散系數，單位為m2/s；L為物料厚度(m)；t為干燥時間，單位為h。

(2)葡萄干干燥模型的建立

葡萄果實的干燥過程是一個極為復雜的熱量傳遞過程，研究選用4種常見的干燥動力學數學模型進行擬合[21,22]。表1

將2種葡萄干燥水分變化得到的數據進行擬合回歸分析，并用決定系數R2、卡方檢驗值λ2和均方根誤差RMSE來評價模型擬合的適用性，公式如下：

(5)

(6)

R2值越大，x2和RMSE越小，葡萄干燥模型的擬合性越好。

在曬干和晾干工藝下，無核白雞心和無核白葡萄果實的半徑分別為為0.85和0.78 cm，對模型進行驗證。

1.3 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2013軟件進行數據統計分析、作圖，采用Origin 9.0軟件進行模型擬合和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 制干工藝對葡萄果實干燥特性的影響

2.1.1 制干工藝對葡萄果實干基含水率和干燥速率的影響

研究表明，曬干工藝葡萄果實的干燥速率高于晾干葡萄果實的干燥速率。曬干工藝下無核白雞心和無核白葡萄果實干燥時間分別為180和144 h，晾干工藝則為380和288 h。干燥時間與葡萄果粒大小、重量2個指標未形成線性關系，無核白雞心葡萄的單粒重和表面積分別是無核白葡萄果粒重量和表面積的1.44和1.28倍。曬干和晾干環境中無核白雞心葡萄的干燥時間是無核白葡萄干燥時間的1.25和1.31倍，小于果實重量的差異值，干燥時間介于兩者之間。不同葡萄品種隨著葡萄果粒重的增加干燥時間未呈現出線性關系，可能與不同品種間葡萄表皮的組織結構，質地具有一定的關系。24 h內無核白雞心葡萄果實在曬干環境的干燥速率與晾干環境的干燥速率相比，制干第1 d曬干工藝葡萄果實干燥速率是晾干工藝的1.66倍，第2 d、第3 d、第4 d分別是3.06、2.32、2.29倍。無核白葡萄曬干工藝第1 d葡萄果實干燥速率是晾干條件果實干燥速率的2.97倍，第2 d、第3 d分別為2.81、3.21倍。圖1，圖2

2.1.2 白晝環境及制干工藝對無核白雞心葡萄果實干燥特性的影響

研究表明，白晝條件下，曬干工藝的平均溫度高于晾房中的平均溫度，2017年白晝曬干工藝的平均溫度分別為50.9℃，夜間平均溫度為27.8℃；晾房中白晝平均溫度為35℃，夜間條件平均溫度為28.4℃。第1 d曬干工藝下無核白雞心葡萄的干燥速率是晾干工藝的3.12倍，第2 d為2.19倍，第3 d為1.21倍，后期隨著曬干環境中無核白雞心葡萄果實失水較多，干燥速率低于晾干工藝。夜間曬干環境的平均溫度較晾房內的平均溫度較低，晾房中的平均溫度較曬干環境中的平均溫度高0.6℃。在制干第1、第2 d曬干環境內果實的失水速率顯著高于晾房內果實的失水速率，后期晾房內葡萄果實的失水速率高于曬干環境內葡萄果實的失水速率。圖3

晾房白晝平均溫度較夜間平均溫度高6.6℃，曬干白晝平均溫度較夜間平均溫度高23.1℃。干燥初期晾干工藝下無核白雞心葡萄果實白晝的干燥速率是夜間的2.00～6.14倍，白晝極端高溫天氣的干燥速率達到夜間的10倍以上。曬干環境內無核白雞心葡萄果實白晝條件下的干燥速率是夜間葡萄果實干燥速率的1.02～6.12倍。當干燥環境內的溫度低于30℃時，葡萄的干燥速率極為緩慢。圖4

2.2 葡萄干燥動力學模型

2.2.1 2種葡萄干燥動力學模型擬合

研究表明，4個模型均可模擬2種葡萄干燥過程中的水分比變化規律，通過R2值的比較，Page模型適宜于無核白雞心葡萄干燥過程的擬合結果最好，R2的均值為0.998 20，χ2均值為0.000 885，RSME平均值為0.001 55，Midilli模型對無核白雞心葡萄的擬合結果接近于Page模型。表1～3

表2 曬干和晾干工藝下無核白雞心葡萄果實數據擬合結果Table 2 Statistical results of drying models for Centennial Seedless grape under the different drying conditions

Midilli模型的擬合結果的R2值最高，晾干的模型擬合R2值為0.994 82，曬干模型的擬合結果為0.997 39，其次為曬干葡萄的Page模型擬合結果，R2為0.997 33，與Midilli模型的擬合結果接近。Newton和Wang and singh 2個模型對晾干無核白葡萄擬合結果R2值均高于Page模型。無核白葡萄的R2均值為0.983 79，x2均值為0.001 53，RSME均值為0.015 87。無核白和無核白雞心2個葡萄品種的模型擬合結果略有差異，其中無核白曬干的Page模型擬合度最高，晾干則是Midlli模型擬合度最高，但是在相關的對杏干及其他干果的干燥中也發現Page模型適用于以上水果干燥過程水分比的變化，以Page模型研究2個葡萄品種的干燥特性。表3

表3 傳統干燥工藝條件下無核白葡萄果實數據擬合結果Table 3 Statistical results of drying models for ‘Thompson Seedless’ grape under the different drying conditions

2.2.2 Page模型的求解

Page模型適用于描述曬干和晾干工藝下無核白和無核白雞心葡萄果實的干燥過程，模型中的n和k是干燥工藝和半徑(r)的函數，采用一元線性回歸的方法對n和k與干燥工藝和半徑進行分析：

當無核白雞心葡萄果實干燥半徑為0.85 cm時，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1).

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1).

當無核白葡萄果實干燥半徑為0.78 cm時，

k=1.181 3T+0.015 5(R2=1).

n=1.954T-0.373(R2=1).

2.2.3 Page模型的驗證

研究表明，試驗值與預測值體現出較高的擬合度，Page模型可較好的描述2種葡萄果實在2種干燥工藝下制干過程中葡萄果實水分變化的規律。圖5，圖6

2.3 葡萄果實有效水分擴散系數

研究表明，干燥過程中葡萄果實水分比MR的自然對數與干燥時間t呈現出線性關系，可計算出不同干燥工藝下葡萄果實的有效水分擴散系數Deff。曬干和晾干工藝條件下無核白雞心葡萄果實的有效水分擴散系數分別為2.036 25 E-8和6.468 75 E-9m2/h，曬干工藝的有效水分擴散系數是晾干工藝的3.14倍。表4

表4 傳統干燥工藝條件下無核白雞心葡萄果實干燥有效水分擴散系數Table 4 Effective moisture diffusivity of Centennial Seedless under tradition drying conditions

無核白葡萄果實有效水分擴散系數，晾干無核白葡萄果實的有效水分擴散系數為6.023 16E-9m2/h，曬干方式無核白葡萄的有效水分擴散系數為1.892 12E-8m2/h，無核白葡萄在曬干環境中的有效水分擴散系數高于晾干無核白葡萄的有效水分擴散系數，是其擴散系數的3.18倍。表5

表5 傳統干燥工藝條件下無核白葡萄果實干燥有效水分擴散系數Table 5 Effective moisture diffusivity of Thompson Seedless under tradition drying conditions

晾干無核白雞心葡萄的有效水分擴散系數是無核白葡萄有效水分擴散系數的1.33倍，曬干工藝無核白雞心葡萄的有效水分擴散稀釋無核白葡萄有效水分擴散系數的1.38倍，2種制干工藝的水分擴散系數都介于重量比與表面積比之間。

3 討 論

新疆吐魯番、哈密地區晾房建造的戈壁灘上營造晾干葡萄小環境[4,15]。雖然采用烘干方式、微波干燥、壓差干燥等處理方式對葡萄進行干燥的研究較多，但是綠色葡萄干的烘干技術還未見成熟的技術報道。國外采用40、50、60和70℃及不同風速組合的實驗中發現Page模型能夠很好的解釋黑色葡萄干燥的實驗結果[13]。Ibrahim對黑色葡萄干的研究得出同樣的結論，并得到水分擴散系數為3.82×10-10到1.28×10-9m2/s[8]。也有學者采用fick第二定律對50～65℃，3～9 m/s風速條件下葡萄水分擴散系數計算結果為1.821 0×10-10到5.84×10-10m2/s[9]。而采用曬干和晾干工藝的水分散失速率則在1.673×10-12到7.265 10-12m2/s，顯著小于其他研究水分擴散系數，這個主要是因為曬干、晾干工藝干燥環境中的溫度和風速顯著低于熱風干燥的干燥條件。Page模型適宜于描述曬干和晾干工藝對葡萄薄層干燥的過程。

通過干燥動力學和干燥特性的研究發現葡萄在夜間溫度低于30℃時失水速率較低，白晝失水速率最高是夜間的6.14倍，但是干燥溫度過高將影響葡萄干的品質。前人研究結果表明，干燥環境中的溫度[23，24]、濕度[25]及預處理方式[17,26,27]通過對葡萄果實的多酚氧化酶活性[28]和干燥速率[29]等方式影響干燥時間和干果品質，因此，可提出晾房的改造方案。在這一基礎上提出了以保持葡萄干品質為前提，提升夜間溫度、降低白晝最高溫度的方式提升干燥速率和干果品質，是下一步研究的重點方向，研究結果對晾房的改造提供改造方向和科學數據。研究僅針對曬干和晾干工藝對無核白雞心和無核白葡萄干燥特性的影響進行了分析，未設置不同粒重、不同直徑的無核白和無核白雞心葡萄果實，是有待進一步研究的內容。

4 結 論

4.1通過對白晝和夜間葡萄果實的失水速率分析發現，曬干和晾干環境中白晝失水速率是夜間的2.00～6.14倍，葡萄的水分主要是在白晝散失的。制干初期，曬干工藝失水速率是晾干失水速率的1.21～3.12倍。當溫度低于30℃時，葡萄果實內的水分散失極為緩慢。

4.2通過對無核白和無核白雞心葡萄果實的干燥速率比較，曬干工藝高于晾干工藝。Page模式適宜于解釋2種葡萄干燥過程中的失水過程，擬合度較高，2種工藝下無核白雞心和無核白的R2均值分別為0.998 20和0.983 8；χ2分別為8.85×10-4和0.001 53；RSME分別為0.001 5和0.015 87。

4.3曬干工藝的有效水分擴散系數高于晾干工藝，分別是晾干的3.14和3.18倍，無核白雞心果實的有效水分擴散系數高于無核白葡萄果實的有效水分擴散系數。無核白雞心葡萄在曬干和晾干工藝下的有效水分擴散系數分別為2.615 45×10-8和8.308 75×10-9m2/h，無核白葡萄在2種工藝下的有效水分擴散系數分別為6.023 16×10-8和1.892 12×10-8m2/h。