切片厚度對太陽能干燥哈密瓜片品質的影響

郭雪霞，張子赫，劉 瑜，冉國偉，郭海楓，王 海*

（1.農業農村部 規劃設計研究院/農業農村部 農產品產后處理重點實驗室，北京 100125；2.河北農業大學，河北 保定 071001）

哈密瓜有“瓜中之王”的美稱，風味獨特，營養豐富，富含大量的礦物元素、豐富的膳食纖維和抗壞血酸、黃酮類化合物等健康功能成分，經常食用對身體健康有極大益處，其深受廣大消費者喜愛［1］。哈密瓜采收期集中且貨架期短，容易受溫度、生產季節等不利因素的影響［2］，造成大量的浪費，在貯運過程中有部分腐爛變質就會嚴重影響其商品性，因此哈密瓜的干燥技術逐漸受到人們的重視［3］。

干燥技術在哈密瓜加工中被廣泛應用。目前，哈密瓜的干燥技術研究主要有自然晾曬、普通熱風干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、變溫壓差膨化干燥、氣體射流沖擊干燥、太陽能干燥等。自然晾曬哈密瓜干是其加工普遍采用的方法，自然晾曬一般需要10 d左右時間［4］；楊咪等［5］也對哈密瓜熱風烘干的工藝進行了正交試驗，對比得出哈密瓜最佳的熱風烘干工藝參數，為后續的加工貯藏提供依據。高靜靜等［2］研究了熱風干燥和真空冷凍的干燥方式對哈密瓜片品質的影響，得出不同干燥方式對哈密瓜片的營養成分、色澤、微觀結構以及香氣成分均有顯著影響。羅磊等［6］開展了充氮低氧熱泵干燥哈密瓜片的工藝研究，得到最佳干燥工藝參數為干燥溫度50 ℃，切片厚度5 mm，氧體積分數5%。畢金峰等［7］對哈密瓜變溫壓差膨化的干燥工藝進行了優化研究，得出回歸方程，通過響應面分析表明預干燥后原料的3個變量對干制后的產品含水率、色澤、膨化度和脆度都有顯著的影響，干燥時間大約8.1 h。張茜等［8］將氣體射流沖擊干燥技術用于哈密瓜片的干制，通過建立模型，經過對比分析，發現Modified Page模型可以較好地模擬干燥過程中的水分比變化，且與溫度和風速都呈正相關，整個過程干燥的時間為6 h。太陽能干燥技術是一種新型、節能、環保加工技術［9-11］，其干燥農產品可減少常規能耗50%以上［12-15］。郭雪霞等［16］研究對比了自然晾曬、太陽能干燥、真空冷凍干燥和市售這4種條件下的哈密瓜干產品品質，得到不同干燥方式對哈密瓜干的色澤、硬度、能耗、感官評分等影響差異顯著，太陽能的干燥時間短，干燥產品的硬度、咀嚼性、色澤較好，香氣成分保留較好，能耗較低，適合哈密瓜的干燥。本研究以哈密瓜片為原料，研究了不同太陽能干燥溫度對哈密瓜片品質的影響，旨在為哈密瓜片工業干制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

哈密瓜為金蜜寶品種（購自超市）；強制對流太陽能干燥器產自張家口市泰華機械廠；DRT-2輻照儀產自北京天裕德有限公司；溫度傳感器產自天津市萬博儀表制造有限公司；無紙記錄儀產自北京中旺傳感設備公司；OH6-914385-III電熱恒溫鼓風干燥箱產自廣東精華智能裝備有限公司；FA-stlab水分活度測定儀產自法國 GBX 公司； TMS-Pro型食品物性分析儀產自美國 Food Technology Corporation 公司；CR-400型色彩色差計產自柯尼卡美能達公司；電子秤產自凱豐集團有限公司；DY5多功能電量檢測儀產自深圳多一電子有限公司；高效液相色譜產自美國Waters公司；GC-MS氣質聯用儀產自美國Agilent公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 預處理方法 選擇的哈密瓜大小適中，成熟度適宜，無病蟲害，清洗、去皮、挖瓤。按照由內到外的順序將哈密瓜切成厚度均勻的切片。每次試驗前均使用新鮮樣品進行預處理，同時測定初始含水率。

1.2.2 干燥試驗設計 本試驗旨在探究不同厚度參數對哈密瓜切片干燥過程的影響。設置4個水平，分別為切片厚度2、5、8、11 mm，其中每個處理的干燥風速恒定為3 m/s，干燥溫度恒定為60 ℃。將經預處理的哈密瓜切片，平鋪到干燥箱2個托盤里，每個托盤里均勻放置500 g哈密瓜切片。干燥過程中每隔1 h測定哈密瓜的質量、水分活度和設備耗電量。每次稱重待5 min后再次稱重，用來計算不同時刻的干燥速率，直至哈密瓜切片的濕基含水率低于15%，并測定哈密瓜干制品的理化性質。每個試驗重復3次。

1.2.3 水分含量測定 初始含水率的測定參照Hossain等［17］的方法并改進，將哈密瓜樣品按約1 mm×1 mm×1 mm大小切塊，稱重起始重量記為M0；然后放入稱量瓶中，置于105 ℃烘箱干燥24 h，再次稱重記為m干，試驗重復3次。

初始含水率計算公式：

初始干基含水率：Dbi=（M0-m干）/m干

初始濕基含水率：Wbi=（M0-m干）/M0

干燥過程中含水率計算公式：

干基含水率：Dbt=（Mt-m干）/m干

濕基含水率：Wbt=（Mt-m干）/Mt

其中，Dbt、Wbt分別為t時刻哈密瓜切片的干基含水率、濕基含水率，Mt為t時刻哈密瓜切片的質量。

1.2.4 水分活度測定 利用水分活度儀測定，參照文獻［18］的方法測定。

1.2.5 質構測定 參照畢金峰等［7］方法并改進，將哈密瓜干裁剪為2 cm×2 cm大小的方塊。具體參數為感應元量程999 N，樣品形變量75%，測試前后速度均為2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試距離5 mm，閾值0.3 N，探頭P/50。試驗重復3次。

1.2.6 色澤測定 利用CR-400型色彩色差計，參照文獻［18］的方法測定。

1.2.7 香氣成分測定 哈密瓜干粉碎、萃取、色譜條件、升溫程序、質譜條件、定性分析等參照文獻［18］的方法。

1.2.8 耗電量測定 利用DY5電量監測儀，參照文獻［18］的方法測定。。

1.2.9 試驗結果統計分析 試驗數據統計使用Excel軟件，數據分析使用SPSS軟件（差異顯著性水平為0.05），試驗數據用X±SD表示；香氣成分分析使用Smica軟件。

2 結果與分析

2.1 不同切片厚度對哈密瓜切片干基含水率的影響

不同切片厚度下哈密瓜切片的干基含水率隨時間的變化如圖1所示。從圖1可知，在干燥溫度為60 ℃、風速3 m/s條件時，哈密瓜切片達到干燥終點的時間隨著厚度的減小而縮短，各組之間差異顯著（P＜0.05），說明減小切片厚度可以顯著提高干燥效率。這可能是由于哈密瓜內部水分擴散到表面的時間和擴散距離呈正比，厚度小，水分擴散時間短，從而提高干燥效率，但厚度過小會使哈密瓜干的品質下降。

圖1 不同切片厚度下哈密瓜切片含水率隨時間的變化情況

2.2 不同切片厚度對哈密瓜切片干燥速率的影響

不同切片厚度對哈密瓜片干燥速率的影響如圖2所示。從圖2可見，在干燥溫度為60 ℃、風速3 m/s條件時，不同厚度的哈密瓜太陽能干燥過程都只觀察到降速階段，沒有反映出階段0（初始階段）和階段I（恒定速率階段），這是由于哈密瓜切片表面的非結合水很少，可以在很短時間內完全汽化，切片且厚度越大，哈密瓜干燥速率越慢。這是因為降至臨界含水量后，哈密瓜切片內部水分擴散速率低于表面水分蒸發速率，此階段的干燥速率取決于材料內部的水分擴散活性。隨著厚度增加，哈密瓜切片內部水分的擴散距離增加，同時單位體積哈密瓜切片的有效干燥面積減少［22］，從而降低了干燥速率。

圖2 不同哈密瓜切片厚度下干燥速率與干基含水率的關系

2.3 不同切片厚度對哈密瓜切片水分活度的影響

不同切片厚度對哈密瓜片水分活度變化的影響如圖3所示。由圖3可見，不同厚度的哈密瓜切片的水分活度會隨著時間變化而減小，且在干燥初期，不同厚度的水分活度差異不顯著。這是由于干燥初期主要為大量游離水的蒸發，對水分活度影響不大。當干燥進行到一定程度，水分活度會快速下降至0.4左右。其中干燥至4 h時，除了8 mm和11 mm外，其余各組間差異顯著（P＜0.05），說明厚度越大，水分活度下降越快。這是因為厚度越小，水分擴散時間越短，水分活度變化越快。

圖3 切片厚度和時間參數對哈密瓜水分活度的影響

2.4 不同切片厚度對哈密瓜干質構的影響

不同切片厚度對哈密瓜干質構的影響見表1。由表1可見，當干燥溫度為60 ℃、干燥風速3 m/s條件時，隨切片厚度增加，哈密瓜干制品的硬度、黏附性、彈性和咀嚼性均增加。其中，除了5 mm和8 mm切片厚度的哈密瓜外，其余厚度的硬度差異顯著（P＜0.05）；除了2 mm切片厚度哈密瓜的彈性、黏附性顯著減小，其余各組間差異不顯著；內聚性各組間差異均不顯著；咀嚼性在2 mm和11 mm之間差異顯著（P＜0.05），其他各組間差異不顯著。研究表明增加切片厚度可以增加哈密瓜干的硬度和咀嚼性，這可能是由于隨著切片厚度的增加，哈密瓜干制品的內部結合力增大，從而使硬度和咀嚼性增大。因此，適宜干燥風速范圍為2~8 mm。

2.5 不同切片厚度對哈密瓜干色澤的影響

不同切片厚度對哈密瓜干色澤的影響見表2。由表2可知，在太陽能溫度為60 ℃、干燥風速3 m/s條件時，哈密瓜干制品的L*隨著切片厚度的增加而下降，a*和b*值均隨著厚度的增加而增加；5 mm和8 mm之間L*值和b*值差異性不顯著，其余各組間差異性均顯著（P＜0.05）；a*值在11、2、5 mm切片厚度之間差異性顯著（P＜0.05），說明厚度是影響哈密瓜干制品色澤的重要因素。這可能是由于厚度越大，干制品內部色素沉積越多，導致顏色加深；同時厚度增加使干燥時間大幅延長，從而導致干燥過程中各種反應的發生時間延長。因此，干燥時切片不應過厚，所以適宜切片厚度范圍為2~8 mm。

表2 厚度參數對哈密瓜干色澤的影響

2.6 不同切片厚度對哈密瓜干香氣組成的影響

不同切片厚度的哈密瓜制得的哈密瓜干中共檢測出170種香氣成分，根據官能團的不同，將檢測出的香氣成分分為10類，其相對含量、種類數量由表3所示。由表3可知，在不同切片厚度制得的哈密瓜干中，相對含量最高的4類物質為醇、酮、醛和酯類。為進一步分析不同厚度對哈密瓜干香氣組成的影響，對表3中的數據進行PCA主成分分析，其結果如圖4所示。

由圖4可知，第一主成分（F1）的方差貢獻率為60.6%，第二主成分（F2）的為30.4%，二者方差貢獻率合計91%，說明這兩種主成分可以解釋原有大部分香氣的成分信息。F1主要和酯類、酸類、其他類呈正相關，和烯類、醛類、醚類呈負相關；F2主要和酚類、烷類呈正相關，和酮類、醇類呈負相關。2 mm和11 mm的哈密瓜干位于代表醛類和酮類較多的象限，說明過薄或過厚都會使干燥過程產生更多具有不良氣味的醛類和酮類化合物。可能是由于2 mm的哈密瓜干雖然干燥時間短，但由于其厚度小，溫度梯度小，所以內部溫度相對厚度較大的哈密瓜干要高，使氧化反應和美拉德反應更劇烈；而11 mm的哈密瓜干由于干燥時間很長，從而產生了更多的醛類和酮類。因此哈密瓜切片厚度應適中。

2.7 不同切片厚度對哈密瓜片干燥過程中能耗的影響

切片厚度對哈密瓜太陽能干燥能耗的影響如圖5所示。由圖5可知，不同切片厚度下，單位時間能耗11 mm的處理顯著高于其他各組（P＜0.05），不同切片厚度下總能耗隨著切片厚度的增加而增加，除了5 mm和8 mm外，其余各組間差異顯著（P＜0.05）。說明切片厚度過高，會顯著增加太陽能設備的能耗，因此較適宜厚度范圍為2～8 mm。這是由于當哈密瓜切片厚度過大時，干燥速率低，干燥時間長。干燥后期太陽能輻照度下降，太陽能收集器所收集的熱量不足以維持整個干燥過程中干燥室的溫度恒定，干燥設備自動打開熱泵補償干燥室熱量，從而使能耗顯著提高。

3 結論

通過分析不同的切片厚度（2、5、8、11 mm）對哈密瓜片品質的影響，得出哈密瓜切片達到干燥終點的時間隨著厚度的減小而縮短，減小切片厚度可以顯著提高干燥效率；不同厚度的哈密瓜太陽能干燥過程都有降速階段，厚度越大，哈密瓜干燥速率越慢；不同厚度的哈密瓜切片的水分活度會隨著時間變化而減小；隨著切片厚度的增加，哈密瓜干制品的硬度、黏附性、彈性和咀嚼性均增加；哈密瓜干制品的色澤L*隨著切片厚度的增加而下降，a*和b*值均隨著厚度的增加而增加；不同切片厚度的干燥哈密瓜干中檢出170種香氣成分，相對含量最高的四類物質均為醇、酮、醛和酯類；不同切片厚度單位時間能耗在切片厚度11 mm時顯著高于其他各組（P＜0.05），不同切片厚度下總能耗隨著切片厚度的增加而增加；2~8 mm切片厚度下，哈密瓜片干制品硬度、黏附性、彈性和咀嚼性、香氣成分等理化特性較優，干燥能耗低，適宜哈密瓜片的干燥。