干燥方法對水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)變化的影響

袁越錦 ，韓思明，徐英英，楊佳琪，張國安，施俊文

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710086）

水蜜桃肉質(zhì)鮮美，香味濃甜，營養(yǎng)豐富，且桃肉甘酸性溫，具有生津活血、解煩止渴等功效，深受市場歡迎。但水蜜桃不易儲存，通過干燥能夠使它的水分減少，延長保存時間，增加經(jīng)濟(jì)效益。

水蜜桃細(xì)胞之間存在細(xì)胞間隙，水分和營養(yǎng)物質(zhì)能夠通過間隙輸送，以維持細(xì)胞的生長。干燥過程伴隨的高溫高壓等條件不僅會改變細(xì)胞和細(xì)胞間隙的原始形狀，還會損失水蜜桃的營養(yǎng)物質(zhì)。干燥方法不當(dāng)會嚴(yán)重影響細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)而影響干燥效率和干燥品質(zhì)。因此對于干燥過程的研究不應(yīng)僅聚焦于復(fù)水、感官、色澤等方面，更應(yīng)向細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)方向深入研究。

目前，將顯微技術(shù)和圖像處理技術(shù)結(jié)合在一起能夠定量測定細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)。描述果蔬微觀結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)主要包括細(xì)胞截面積、截面周長、直徑、圓度、孔隙率和分形維數(shù)等。Segura等通過分析對流干燥下蘋果片的細(xì)胞面積、周長、直徑及圓度等參數(shù)，認(rèn)為干燥過程能顯著改變細(xì)胞及細(xì)胞間隙的形狀且蘋果片的宏觀變化與細(xì)胞微觀變化行為相同，但是干燥過程中物料的宏觀變化與微觀變化的關(guān)系未定量描述。Wang 等利用光學(xué)顯微鏡和image-pro-plus 軟件獲得了黃桃經(jīng)不同溫度熱風(fēng)干燥后的細(xì)胞截面積頻率分布曲線，認(rèn)為高溫會導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)難以維持。常劍等結(jié)合石蠟切片及顯微觀測技術(shù)分析了熱風(fēng)干燥過程中馬鈴薯、蘋果、胡蘿卜的微觀結(jié)構(gòu)并獲得三種物料不同水分比下細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（面積、周長、當(dāng)量直徑等）的分布規(guī)律，還得到了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和水分比的線性關(guān)系，然而由于干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的演化趨勢較為復(fù)雜，因此該線性關(guān)系無法準(zhǔn)確描述水分比和微觀參數(shù)之間的關(guān)系。近年來，發(fā)現(xiàn)利用計算機(jī)模擬干燥過程在優(yōu)化干燥工藝方面有極大的作用，因此許多研究者利用此方法來研究干燥過程中物料的微觀結(jié)構(gòu)變化。但是建立模擬所需的微觀模型和數(shù)學(xué)模型必須獲得物料微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，然而任意水分比下微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量步驟繁瑣，因此可通過擬合得到水分比和細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，然后通過該方程更容易獲得任意水分比下的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為了描述不同干燥方法下水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，結(jié)合石蠟切片制備、顯微觀測及圖像處理等技術(shù)，獲得了五種不同干燥方法對應(yīng)的不同含水率下水蜜桃切片的顯微圖像和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布曲線且分析了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。通過多項(xiàng)式擬合建立了水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬合方程，將水分比與該方程結(jié)合起來能夠預(yù)測干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。該研究結(jié)果為探究不同干燥方式下水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)隨水分比的變化規(guī)律和建立水蜜桃在干燥過程中的數(shù)學(xué)模型提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用的水蜜桃 產(chǎn)于上海，品種為上海水蜜。其質(zhì)量范圍250±10 g，最大直徑范圍7±0.5 cm，每100 g 桃肉中約含水85 g，脂肪0.1 g，蛋白質(zhì)0.8 g，碳水化合物7 g，粗纖維4.1 g，還包括維生素C 及胡蘿卜素等其他營養(yǎng)物質(zhì)總和約3 g，且要求果型圓潤、硬度適中、品質(zhì)新鮮；番紅溶液（1 g 番紅溶入100 mL 50%酒精）、蒸餾水、冰醋酸、甲醛（40%）、二甲苯、石蠟、中性樹膠、固綠溶液（固綠0.1 g 溶入100 mL 95%酒精）、無水乙醇等 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

DZF-6090 型真空干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SFY-60 型紅外線水分測定儀 深圳市冠亞電子科技有限公司；JY104FC 型捷宇高拍儀 福建捷宇電腦科技有限公司；DHG 型熱風(fēng)干燥箱 上海一恒儀器有限公司；HH-3 型水浴鍋 常州天瑞儀器有限公司；TF-LFD-1 型冷凍干燥箱 上海田楓實(shí)業(yè)有限公司；E100 型顯微鏡 尼康。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水蜜桃干燥工藝 以水蜜桃為物料，選擇HAD（60 ℃、風(fēng)速1 m/s）、VD（60 ℃、0.08 MPa）、FD（預(yù)凍時間3 h、預(yù)凍溫度-30 ℃）、HA-VD（熱風(fēng)/真空干燥條件同上、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率50%）及FHAD（冷凍/熱風(fēng)干燥條件同上、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率50%）五種不同的干燥方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將同批次的新鮮水蜜桃處理干凈后進(jìn)行厚度為5 mm 的切片處理，然后在水蜜桃表皮下的相同位置（皮下2～7 mm 區(qū)域）進(jìn)行取樣（切為長10 mm、寬10 mm、厚5 mm的小塊）。

對樣品小塊分別進(jìn)行HAD、VD、FD、HA-VD和F-HAD 處理，實(shí)驗(yàn)時將樣品小塊分成兩組先后進(jìn)行以上五種工況下的干燥實(shí)驗(yàn)。第一組樣本小塊在同一個工況下進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)，然后在5 次實(shí)驗(yàn)過程中的同一干燥時間計算的5 個水分比求平均值，將該平均值作為樣本小塊在該時間的水分比。每次干燥過程中每隔5 min 對樣品小塊稱重5 次，然后求得平均質(zhì)量并記錄；稱重后將樣本繼續(xù)干燥且前后稱重兩次獲得的平均質(zhì)量差值小于0.001 g 則認(rèn)為干燥結(jié)束（此時樣本的質(zhì)量為絕干質(zhì)量），以此來計算每次實(shí)驗(yàn)中不同干燥時間的含水率和水分比。通過減小稱重時間間隔，多次稱重及增加同一工況下的實(shí)驗(yàn)次數(shù)能夠更準(zhǔn)確地獲得干燥過程中樣本小塊的水分比到達(dá)0.8、0.6、0.4、0.2 時所需的干燥時間。第二組樣本小塊在干燥時根據(jù)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果（即對應(yīng)的水分比到達(dá)0.8、0.6、0.4、0.2 的干燥時間）再進(jìn)行取樣，由于干燥過程中物料收縮不均勻，因此不同干燥方式對應(yīng)的每個水分比下取5 個顯微觀測樣本。最后，將第二組取得的所有樣品制作成顯微觀測所需的石蠟切片。

1.2.2 水蜜桃組織石蠟切片制備及顯微圖像處理 為了能夠清晰地在顯微鏡下觀察干燥后的水蜜桃組織的微觀結(jié)構(gòu)，采用石蠟切片法將第二組不同水分比下的樣本制成石蠟切片標(biāo)本（具體流程如圖1 所示）。首先，將第二組干燥實(shí)驗(yàn)中取得的所有顯微觀測樣品浸入甲醛（40%，5 mL）—冰醋酸（5 mL）—酒精（70%，90 mL）固定液至少24 h，接著將樣本浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酒精（35%酒精中1.5 h—75%酒精中4 h—85%酒精中2 h—90%酒精中2 h—95%酒精中1 h—無水乙醇中1 h）中脫水；然后使用二甲苯對樣品進(jìn)行透明處理，接著將樣品放入60 ℃融化石蠟（1 h，重復(fù)3 次）中浸蠟。其次，在熱風(fēng)溫度為60 ℃的干燥箱中進(jìn)行包埋，包埋之后將樣品放入切片機(jī)切片，厚度為5 μm 左右；再將切片在60 ℃烘箱內(nèi)烘干后依次浸入二甲苯（20 min，重復(fù)3 次）、無水乙醇（5 min，重復(fù)2 次）、75%酒精（5 min）和蒸餾水中脫蠟；將脫蠟后的切片先浸入番紅染液染色后，再浸入不同濃度的酒精溶液（50%酒精中5 s—70%酒精中5 s—80%酒精中5 s—90%酒精中5 s）脫色；接下來使用固綠染液染色60 s，再利用醇苯（5 min）、二甲苯（5 min，重復(fù)2 次）對切片進(jìn)行透明。最后，將透明后的切片放置于載玻片上，在30 ℃烘箱內(nèi)烘干后蓋上蓋玻片，并用中性樹膠封片。通過顯微鏡放大100 倍進(jìn)行觀察和拍照，然后利用Matlab 和Photoshop 軟件捕捉細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原始圖像。

圖1 石蠟切片制備流程圖Fig.1 Flow chart of paraffin section preparation

圖2a 為冷凍干燥過程捕捉的細(xì)胞原始圖像，在Matlab 中調(diào)用rgb2gray 函數(shù)先將顯微鏡拍攝的原始圖片轉(zhuǎn)換成灰度圖像，如圖2b；然后調(diào)用graythresh和im2bw 函數(shù)對細(xì)胞圖像進(jìn)行閾值分割，將灰度圖像進(jìn)行二值化表達(dá)，以此識別細(xì)胞的邊緣輪廓，如圖2c；最后利用photoshop 軟件消除二值圖像內(nèi)部雜質(zhì)，填充邊緣及孔隙并調(diào)整圖像亮度和對比度，最終圖像如圖2d。

圖2 圖像處理過程Fig.2 Image processing process

1.3 數(shù)據(jù)處理及測量指標(biāo)

對得到的每張原圖進(jìn)行圖2 中的圖像處理過程得到對應(yīng)的最終圖像，再利用Matlab 軟件中bwlabel、regionprops、bwperim 等函數(shù)測量和計算所有最終圖像上每個細(xì)胞截面積和截面周長，并根據(jù)如下公式利用Matlab 編程計算水蜜桃細(xì)胞的圓度，壁面粗糙度及孔隙率。

細(xì)胞圓度S：

式中：A 為圖像上的細(xì)胞截面積，m；L 為圖像上的細(xì)胞截面周長，m。

細(xì)胞壁面粗糙度r：

式中：L 為細(xì)胞圖像上的實(shí)際周長，m；L表示與其細(xì)胞相似度一致的正多邊形的周長，m。

孔隙率e：在截面上，多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙和多孔介質(zhì)總面積的比值：

式中：A為多孔介質(zhì)內(nèi)部細(xì)胞面積，m；A為多孔介質(zhì)內(nèi)部總面積，m。

含水率：干燥過程中某一時刻稱取5 次物料的質(zhì)量并求得平均質(zhì)量，然后利用該時刻的平均質(zhì)量結(jié)合物料絕干質(zhì)量計算該時間點(diǎn)樣品的含水率w，其計算公式如下：

式中：m為t 時刻取樣物料的平均質(zhì)量，kg；m 為物料的絕干質(zhì)量，kg。

水分比：干燥過程中樣品某一時刻的含水率與樣品初始含水率之比（即w/w）。

將所有計算結(jié)果以文本格式自動保存，利用Excel 軟件對編程計算得到的不同干燥方式中每個水分比下5 個石蠟切片最終圖像對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)求取平均值。將微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)平均值的總分布范圍劃分為n 個小區(qū)間，統(tǒng)計每個細(xì)胞微觀參數(shù)在不同的小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量，再使用該小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量除以每張圖像上的細(xì)胞總數(shù)得到此小區(qū)間內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布頻率，計算公式如下：

式中：p為第m 個小區(qū)間內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布頻率；k為第m 個小區(qū)間內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量；K為每張圖片上的細(xì)胞總數(shù)；1≤m≤n 且m、n 為整數(shù)。最后將所有小區(qū)間內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分布頻率進(jìn)行統(tǒng)計，并使用Origin 軟件繪制各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的頻率分布曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面積的變化規(guī)律

從圖3 中可以看出，新鮮水蜜桃的細(xì)胞截面積分布范圍是600～78000 μm。HAD 過程中，面積為40000～78000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯降低，面積為0～45000 μm的細(xì)胞數(shù)量略有增加，同時出現(xiàn)少部分面積大于80000 μm的細(xì)胞。這說明HAD 能夠使水蜜桃細(xì)胞顯著收縮，但是高溫會導(dǎo)致部分細(xì)胞的細(xì)胞壁被破壞，從而導(dǎo)致幾個細(xì)胞破裂后融合在一起形成“大細(xì)胞”。與HAD 相比，VD 能更有效保持物料的原始形狀。水分比由1 降至0.6 的過程中細(xì)胞截面積變化幅度小，細(xì)胞截面積峰值處于區(qū)間8000～10000 μm內(nèi)；繼續(xù)干燥至水分比為0.2 時，細(xì)胞截面積在15000 μm下的細(xì)胞數(shù)目明顯增加，小于20000 μm的細(xì)胞約占60%。這主要是因?yàn)樗值拇罅空舭l(fā)導(dǎo)致細(xì)胞失去支撐，再加上負(fù)壓的共同作用造成了細(xì)胞截面積減小。FD 能最大程度地維持細(xì)胞的原始形狀。從水分比為1 下降至0.8 時，細(xì)胞截面積平均值增加6%，這主要是因?yàn)樵诶鋬鲞^程中細(xì)胞內(nèi)水凝結(jié)成冰導(dǎo)致細(xì)胞略有膨脹；當(dāng)水分比從0.6 下降至0.4 時，細(xì)胞內(nèi)的部分冰晶由于真空條件直接升華，造成細(xì)胞內(nèi)外存在壓差，故細(xì)胞截面積有細(xì)微減小；水分比繼續(xù)下降至0.2 時，細(xì)胞截面積平均值又有所增大，原因是細(xì)胞內(nèi)剩余的冰晶持續(xù)升華為氣體，氣體向外擴(kuò)散導(dǎo)致對細(xì)胞的“膨脹”作用加劇。

圖3 不同干燥方法下細(xì)胞截面積頻率分布曲線圖Fig.3 Frequency distribution curve of cell area under different drying methods

HA-VD 條件下水分比從1 降至0.5 這一階段為HAD 過程，面積為16000～78000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯下降，面積在600～16000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯增加，因此細(xì)胞收縮明顯。轉(zhuǎn)入VD 過程后，當(dāng)水分比0.4 時細(xì)胞截面積最大值為6000 μm，水分比從0.4 降至0.2 時細(xì)胞截面積大于25000 μm的細(xì)胞數(shù)量增長8%，細(xì)胞截面積均值增大，可能是由于HAD過程破壞了細(xì)胞壁，使得VD 過程加劇了細(xì)胞破裂變形，再加上VD 過程細(xì)胞收縮率降低共同導(dǎo)致大細(xì)胞數(shù)目增多。F-HAD 條件下，水分比從1～0.6 這一階段為FD 過程。水分比降至0.6 時，由于冰晶升華，因此20000 μm以下的細(xì)胞占比超過60%。轉(zhuǎn)入HAD 過程后，主要是由于FD 過程中冰晶升華破壞了大量細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此HAD 會導(dǎo)致大量面積較小的細(xì)胞破裂后在發(fā)生融合，故0～17000 μm的細(xì)胞數(shù)量明顯減少，其融合導(dǎo)致面積在17000 μm以上的細(xì)胞數(shù)量顯著增加。

隨著干燥過程的進(jìn)行，分布曲線的偏移量，曲線峰值增大或減小的程度各不相同，可能的原因是干燥過程中細(xì)胞內(nèi)的水分轉(zhuǎn)移不均勻?qū)е录?xì)胞的收縮變形是不連續(xù)的。

2.2 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面周長的變化規(guī)律

如圖4，水蜜桃鮮樣細(xì)胞截面周長主要分布范圍為0～1300 μm。HAD 過程中，周長頻率分布曲線峰值變化不大，但是水分比至0.2 時由于細(xì)胞破裂、融合和變形導(dǎo)致細(xì)胞截面周長大于750 μm 的細(xì)胞數(shù)量增加了6%。VD 過程中細(xì)胞發(fā)生形變但基本上不發(fā)生細(xì)胞破裂及細(xì)胞融合。當(dāng)水分比至0.8 時細(xì)胞截面周長在1000 μm 以下的細(xì)胞數(shù)量減少了10%；水分比從0.8 降至0.2 的過程中，截面周長主要分布區(qū)間變?yōu)?00～1780 μm，整個區(qū)間內(nèi)幾乎大部分曲線均右移但移動幅度不大，因此幾乎所有細(xì)胞的截面周長略有增大。FD 過程中細(xì)胞截面周長呈增大趨勢。水分比0.8 時，細(xì)胞截面周長均值增長10%左右；水分比0.6 時，細(xì)胞截面周長頻率分布曲線左移，表明細(xì)胞失去較多水分皺縮。水分比降低至0.2 時與鮮樣細(xì)胞相比細(xì)胞截面周長在500 μm 以上的細(xì)胞數(shù)量重新增加。

圖4 不同干燥方法下細(xì)胞截面周長頻率分布曲線圖Fig.4 Frequency distribution curve of cell perimeter under different drying methods

HA-VD 過程中水分比降至0.2 時，有50%左右的細(xì)胞截面周長超過了670 μm，與最初未干燥的水蜜桃細(xì)胞相比提升了23%。F-HAD 過程中，當(dāng)水分比為0.2 時與鮮樣細(xì)胞相比，頻率分布曲線右移明顯，這主要是由于后半程的HAD 使細(xì)胞皺縮形變導(dǎo)致所有細(xì)胞截面周長變大。

2.3 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞圓度的變化規(guī)律

從圖5 可得水蜜桃鮮樣細(xì)胞大部分圓度分布在0.4～0.9 之間，圓度大于0.85 的細(xì)胞占比約26%。HAD 過程中，從整體上看水蜜桃細(xì)胞圓度是減小的。水分比為0.2 時的細(xì)胞圓度均值相比于水分比0.4時有所增加，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是細(xì)胞破裂后又發(fā)生了融合。HAD 會導(dǎo)致細(xì)胞收縮，變形及細(xì)胞壁折疊，這都是細(xì)胞圓度發(fā)生變化的原因。VD 過程中，從整體上看細(xì)胞圓度是降低的。當(dāng)水分比為0.8 時，細(xì)胞圓度分布范圍主要為0.3～0.8，隨著干燥過程的進(jìn)行圓度頻率分布曲線持續(xù)左移，這表明細(xì)胞圓度會隨著水分比的持續(xù)降低而降低，水分比為0.2 時曲線峰值對應(yīng)的圓度為0.35。FD 過程中，水分比從1 降為0.8 時細(xì)胞圓度變化幅度不大，75%以上的水蜜桃細(xì)胞圓度大于0.4，當(dāng)水分比從0.8 降至0.6 時細(xì)胞圓度大幅度降低。水分比從0.6 降至0.2 這一過程中細(xì)胞圓度變化幅度較小，水分比0.2 為時細(xì)胞圓度主要分布在0.2～0.7 之間。

圖5 不同干燥方法下細(xì)胞圓度頻率分布曲線圖Fig.5 Frequency distribution curve of cell roundness under different drying methods

HA-VD 過程中細(xì)胞圓度總體上呈減小趨勢，但水當(dāng)分比為0.2 時，圓度大于0.5 的細(xì)胞數(shù)量比VD 多10%左右，造成此現(xiàn)象的原因主要是前半程采用了不同的干燥方法。這表明相比于VD，熱風(fēng)干燥能更好的維持細(xì)胞圓度。F-HAD 過程中水分比1～0.5 之間為FD 過程，細(xì)胞圓度減小幅度大，其頻率分布曲線左移并與FD 過程類似，當(dāng)轉(zhuǎn)入HAD 過程后，高溫使得細(xì)胞變形、收縮和破裂，因此導(dǎo)致細(xì)胞圓度持續(xù)減小。

2.4 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞壁面粗糙度的變化規(guī)律

由圖6 可知，水蜜桃鮮樣細(xì)胞壁面粗糙度主要分布在1～2 之間。干燥過程中隨著水分比的降低，細(xì)胞壁將產(chǎn)生褶皺。HAD 過程中水分比從1 降至0.6 這一階段，細(xì)胞壁快速皺縮導(dǎo)致細(xì)胞變形較大，當(dāng)水分比降至0.6 時，曲線峰值對應(yīng)的壁面粗糙度為1.5，此時壁面粗糙度主要分布在1.1～2.5 之間，這表明壁面粗糙度明顯增加；在水分比從0.6 降至0.2 時這一過程中，由于部分細(xì)胞破裂后發(fā)生融合，因此曲線左移但移動幅度較小，這表明壁面粗糙度略微減小。VD 過程中水分比為0.8 時，70%的水蜜桃細(xì)胞壁面粗糙度在1.2 以上，曲線峰值對應(yīng)的壁面粗糙度為1.3。與HAD 相比，VD 過程中細(xì)胞壁面粗糙度頻率分布曲線向右移動更加緩慢。水分比為0.2 時，曲線峰值對應(yīng)的壁面粗糙度為1.45，壁面粗糙度在1.26～1.75 之間的細(xì)胞占比超過60%。FD 相比其它干燥方式其平均壁面粗糙度最小且水分比從1 降至0.8 這一過程中壁面粗糙度變化幅度不大；水分比從0.8 降至0.6 這一過程中曲線右移明顯，因此壁面粗糙度明顯增大；水分比從0.6 至干燥結(jié)束，此階段壁面粗糙度變化不明顯；因此對于FD 過程，壁面粗糙度增大主要發(fā)生在前半程，后半程干燥過程幾乎不變。

圖6 不同干燥方式下細(xì)胞壁面粗糙度分布頻率曲線圖Fig.6 Frequency distribution curve of cell wall surface roughness under different drying methods

HA-VD 前半程壁面粗糙度的變化與單一HAD過程幾乎相同；當(dāng)水分比降至0.6 以下時，曲線峰值對應(yīng)的壁面粗糙度都在1.3～1.5 之間；由圖6（d）與單一HAD 相比，HA-VD 的壁面粗糙度均值介于HAD和VD 之間，這表明組合干燥進(jìn)一步降低了細(xì)胞壁面粗糙度。F-HAD 整個過程中曲線一直右移，這表明壁面粗糙度持續(xù)增大，與單一HAD 過程相比其壁面粗糙度均值增大幅度明顯降低。

2.5 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞截面孔隙率的變化規(guī)律

由圖7 可得，在HAD 過程中孔隙率先增大后減小，這主要是由于高溫會導(dǎo)致細(xì)胞收縮并破壞細(xì)胞壁，隨后發(fā)生破裂和融合；但這與香蕉、芒果等水果干燥時的孔隙率變化趨勢正好相反,其趨勢為先略微減小后增加。造成這種差異的原因主要是香蕉、芒果等水果干燥末期細(xì)胞的破裂融合程度沒有水蜜桃劇烈。VD 和FD 過程中孔隙率一直增大。FD 過程中水分比為0.8～0.4 時孔隙率增長較快，這是由于冰晶升華的過程中細(xì)胞主要發(fā)生形變且細(xì)胞截面積減小，導(dǎo)致孔隙率的增大。FD 與VD 過程均主要發(fā)生細(xì)胞變形，但是細(xì)胞截面變形小且細(xì)胞破裂和融合的程度遠(yuǎn)低于HAD。

圖7 細(xì)胞截面孔隙率變化直方圖Fig.7 Cell cross-section porosity histogram

HA-VD 前半程孔隙率的變化與HAD 過程類似，轉(zhuǎn)入VD 后，大部分細(xì)胞截面縮小的情況下，細(xì)胞截面積均值卻增大（即小細(xì)胞數(shù)量減少，大細(xì)胞數(shù)量增加，導(dǎo)致最后階段孔隙率減小），這一趨勢與VD 略有不同。整個F-HAD 過程中孔隙率的變化與HAD類似，水分比為0.2 時孔隙率略有減小，這是由于FD后的稀疏孔隙分布在HAD 高溫作用下細(xì)胞發(fā)生收縮，破裂及融合，故導(dǎo)致大細(xì)胞數(shù)量增加，因此孔隙率減小。

2.6 不同干燥方式下水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

在干燥過程中，為了能夠較易獲取任意水分比下的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，將水分比與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行擬合，只需測量干燥過程中任意時刻樣本的水分比后代入擬合公式即可獲得此時刻細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，擬合結(jié)果如圖8。由于水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與水分比呈非線性關(guān)系，故選取下列擬合公式：

式中：Y 表示細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均值比；X 為水分比；a,b,c,d 為系數(shù)，見表1。

所有干燥過程完成后水蜜桃細(xì)胞截面積均值有增有減，截面周長均值、壁面粗糙度均值、孔隙率都增大，而細(xì)胞圓度均值減小。根據(jù)表1，Y 和X 的（除A/A（HAD）及L/L（HA-VD）外）均在0.9 以上。由圖8 及表1 中的擬合系數(shù)綜合分析，不同干燥方式對細(xì)胞大小和形狀參數(shù)均值影響程度不同，其中包含HAD 干燥過程中對細(xì)胞截面積均值的影響較為劇烈；VD 和FD 對細(xì)胞截面周長均值影響程度更大；VD 對于細(xì)胞圓度均值影響最大而HAD 則最小；VD 對于細(xì)胞壁面粗糙度均值影響較小而HAD則最大；VD 對孔隙率的影響程度最大且干燥過程中孔隙率一直在增加。

圖8 不同干燥方式下水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均值比與水分比擬合曲線Fig.8 The correlation between the cell parameter ratios and the moisture ratio during different drying methods by polynomial fitting

表1 不同微觀參數(shù)的擬合系數(shù)及決定系數(shù)Table 1 Fitting coefficients and determination coefficients of different microscopic parameters

由表中的可得，HAD 過程中圓度、壁面粗糙度和孔隙率，VD 過程中細(xì)胞截面周長、圓度及孔隙率，F(xiàn)D 過程中的細(xì)胞截面周長、壁面粗糙度和孔隙率，HA-VD 過程中的圓度、壁面粗糙度及孔隙率，以及F-HAD 過程中的細(xì)胞截面積，周長，孔隙率和壁面粗糙度與水分比的擬合效果均較好，以上參數(shù)均可作為建立不同干燥方式下宏微觀關(guān)系式時可選擇的水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的代表。

3 結(jié)論

選擇細(xì)胞截面積，截面周長，圓度，壁面粗糙度和孔隙率為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了不同干燥方法下水蜜桃細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

水蜜桃微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的階段一般是在HAD前半程（水分比1～0.5）以及VD 和FD 的后半程（水分比0.5 以下）。選取水分比作為干燥過程中的宏觀參數(shù)，在不同干燥方式下建立了水分比與細(xì)胞微觀參數(shù)的擬合方程。結(jié)果表明細(xì)胞截面積均值的變化程度為：FD＜HAD＜VD＜HA-VD＜F-HAD，截面周長均值變大的幅度依次為：HAD＜HA-VD＜VD＜F-HAD＜FD，細(xì)胞圓度均值變小的程度依次為：HAD＜FD＜FHAD＜HA-VD＜VD，細(xì)胞壁面粗糙度均值增大幅度依次為：F-HAD＜VD＜FD＜HA-VD＜HAD，孔隙率增大的程度依次為：FD＜F-HAD＜HAD＜HA-VD＜VD。因此與單一干燥方法相比，相對應(yīng)的組合干燥能夠顯著抑制細(xì)胞截面周長，圓度，壁面粗糙度及孔隙率的變化。

不同干燥方法對細(xì)胞大小和形狀參數(shù)均值的影響程度明顯不同，其中，HAD 干燥過程中對細(xì)胞截面積均值的影響較為劇烈；VD、FD 及F-HAD 對細(xì)胞截面周長均值影響程度更大但差異不大；HAD 對于細(xì)胞圓度均值影響最小而VD 則最大；VD 對于細(xì)胞壁面粗糙度均值影響較小而HAD 則最大；VD 對孔隙率均值的影響最大，但是不同干燥方法對干燥結(jié)束后孔隙率的影響差異不大。