溫度對綠色葡萄干色澤及干燥特性的影響

doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.02.010

摘" 要：【目的】研究不同溫度條件下熱風干燥對葡萄干色澤相關指標、水分擴散系數的影響，為綠色葡萄干的工業化生產加工提供理論和技術支撐。

【方法】采用不同溫度（30、32.5、35、37.5和40℃）對無核白葡萄進行干燥，分析溫度對葡萄色澤、水分擴散系數及制干品質的影響，擬合干燥動力學模型。

【結果】干燥溫度為35℃時綠色葡萄干比率最高達到64%，色澤與原料的差異最小，色差ΔE僅為6.99，C、h0、L、a、b等色澤指標分別為18.23、1.4、14.57、2.99、17.95。葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、總酚含量分別為0.56、0.19、0.36、0.32、0.18 mg/g。35℃更適宜綠色葡萄干加工。最符合葡萄干燥的模型，決定系數 R2值最大，誤差平方和、SSE和均方根誤差RMSE均值最小，分別為 0.998 1、0.005 4和 0.007 7。綠色葡萄干最適宜的有效水分擴散系數為5.334 8×10-9。

【結論】熱風干燥溫度為35℃時最有利于無核白綠色葡萄制干，35℃時有效水分擴散系數分別為30、32.5、37.5和40℃的114.13%、110.58%、95.17%和76.58%，Logarithmic 模型可以有效的描述熱風干燥工藝條件下葡萄果實水分的變化規律。

關鍵詞：無核白葡萄; 溫度; 綠色葡萄干; 熱風干燥; 動力學模型; 有效水分擴散系數

中圖分類號：S663.1nbsp;"" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1001-4330（2024）02-0345-10

收稿日期（Received）：

2023-06-18

基金項目：

新疆維吾爾自治區天山英才青年拔尖人才項目“新疆特色制干果樹產業關鍵技術研究與示范”（2022TSYCCX0068）；葡萄干提質增效與葡萄生物活性物質高效提取關鍵技術研究（2022B02045-3）；國家自然科學基金項目（31960577）；新疆農業科學院科技創新重點培育專項（xjkcpy-2020001）；現代農業產業技術體系專項資金（CARS-29-ZP-08）；教育部第二批新工科研究與實踐項目“新工科教育體系下農業工程類專業人才培養質量提升路徑探索與實踐”（E-SPNL20202326，地方高校組）

作者簡介：

馬云龍（1996-），男，碩士研究生，研究方向為果蔬干燥，（E-mail）1286001135@qq.com

通訊作者：

張佳喜（1973-），男，研究員，研究方向為農牧業機械，（E-mail）563810112@qq.com

0" 引 言

【研究意義】葡萄除鮮食外，80%左右用以釀酒、制汁及加工成葡萄干制品。制干葡萄是我國新疆葡萄的重要加工產品，近年來新疆葡萄干年產量在18×104～20×104 t，占世界葡萄干總產量的15%～18%［1］。新疆葡萄干主要為綠色葡萄干，尤其是吐魯番葡萄干。新疆日照時間長、光照豐富、降水量少、晝夜溫差大、空氣濕度小，獨特的地理環境為綠色葡萄干的生產提供了良好的自然條件，新疆具有發展綠色葡萄干產業的優越性，所以研究不同溫度對無核白葡萄干色澤及干燥模型的影響具有重要意義。【前人研究進展】侯旭杰等［2］研究無核葡萄干護色保綠技術結果表明，葡萄制干期間溫度升高可明顯縮短制干時間，但溫度升高到40℃以上，褐變率會明顯提高。康彥等［3］利用熱風干燥技術，研究用碳酸鉀和橄欖油浸泡處理對無核白葡萄熱風干燥特性的影響，得出干燥前預處理可以提高葡萄干的品質、同時縮短干燥時間。孟陽等［4］研究了熱風干燥對無核白葡萄干品質的影響，得出溫度對無核白葡萄干干燥時間具有重要的影響。關于干燥工藝對物料制干特性及干燥模型的研究在扁豆［5］、姜片［6］、肉［7］及褐煤［8］上試驗，研究發現干燥模型能夠較好的闡釋以上熱風干燥過程中水分散失規律、干燥速率、水分散失速率和活化能。【本研究切入點】對于綠色葡萄干的加工，在熱風干燥上目前缺少具體的工藝參數研究，僅對葡萄熱風干燥開展了熱風干燥特性、水分擴散特性及干燥模型等的研究。需研究不同溫度對葡萄制干色澤的影響，分析不同溫度下無核白葡萄干的干燥色澤及失水規律。

【擬解決的關鍵問題】利用熱風干燥裝置對無核白葡萄進行干燥，研究不同溫度無核白葡萄干燥的色澤相關指標，分析不同溫度對色澤的影響規律，確定最佳的干燥溫度，通過熱風干燥裝置實時稱量得到更精確的重量數據，分析重量變化規律，掌握無核白葡萄熱風干燥過程中水分的擴散規律，建立干燥動力學模型，分析葡萄干燥期間的水分變化規律，為綠色葡萄干的加工生產提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 材 料

1.1.1" 干燥裝置

主要由控制系統（控制系統、溫濕度傳感器）、加熱系統（翅片管散熱器）、循環系統（風機、排濕系統、進風系統）和機架等組成。設定好各個干燥階段的參數后，開啟加熱系統和風機。當干燥溫度達到設定溫度時，將擺放在托盤內的物料放入干燥裝置內，開始干燥。工作時，風機將空氣吹至翅熱管散熱器處，加熱后的空氣經一側條形風道進入到干燥室內，在風機的作用下，熱風從另一側的條形風道排出干燥室再一次運動到風機處形成循環風。圖1

1.1.2" 原 料

選用無核白葡萄購于新疆烏魯木齊市北園春市場，挑選大小、色澤一致的葡萄作為原料，無核白葡萄的平均橫徑為23 mm，平均縱徑為15 mm，平均單株粒重為4 g，沒有機械損傷。原料要求新鮮、大小均勻、無表面破損和病蟲害等。

1.2" 方 法

1.2.1" 促干劑溶液

試驗前配置促干劑溶液（350 g藥劑溶于15l蒸餾水中），將外形尺寸基本相似無核白葡萄在質量濃度為3.5%的促干劑溶液（新疆惠普園藝新技術公司專利產品）中浸泡1 min取出試驗。

1.2.2" 測定指標

無核白葡萄質量由AL204-IC電子分析天平測試，范圍為0～210 g，精度為0.1 mg。風速由as856熱線風速計測量，范圍為0.2～2.0 m/s，分辨率為0.01 m/s。采用干燥箱內SHT10溫濕度探頭測試干燥室上部和底部的空氣溫度以及濕度，溫度范圍為-40～100℃，分辨率為0.1℃，濕度范圍為0%～100% RH，分辨率為0.1% RH，用兩個通道探頭測量每個測量點，并將平均溫濕度作為測試值。熱風干燥條件：熱風溫度分別設定為30、32.5、35、37.5和40℃。放入樣品前，先對熱風干燥設備進行調試，約2 h達到穩定的設定條件后再進行試驗。從放入樣品開始計時，每隔4h用干燥箱自動記錄1次無核白葡萄的質量，計算干基含水率。每天定期觀察無核白葡萄干燥狀態。直到沒有觀察到無核白葡萄的重量變化時確定為干燥終點。

色差值測：色差值由cr-10色差儀測量，分辨率為0.1。

葉綠素：稱取0.5 g經液氮研磨過的果肉，加入預冷的丙酮6 mL，避光浸提24 h后離心，測定上清液在663、645和440 nm處吸光度［9］。

1.2.3" 計算

假設平衡含水量相對較低［10］，無核白葡萄的水分比使用公式（1）計算含水率（MR）。

MR=MtM0.（1）

式中，

MR：水分比；

Mt：葡萄在任意t時刻的干基含水率（g/g）；

M0：葡萄初始干基含水率（g/g）；

干燥速率：

DR=Mt1-Mt2t2-t1.（2）

式中，

DR：干燥速率（g/（g·min））；

Mt1：t1時刻葡萄的干基含水率（g/g）；

Mt2：t2時刻葡萄的干基含水率（g/g）：

干基含水率Mt：

Mt=Wt-GG.（3）

式中，

Mt：干基含水率（g/g）；

Wt：葡萄在ｔ時刻的總質量（g）；

G：葡萄干物質質量（g）。

水分有效擴散系數Deff［11］：

lnMR=ln（8π2）-（π2DefftL2）.（4）

式中，

MR：水分比

T：干燥時間（s）；

L：葡萄當量半徑（m）；

Deff：水分有效擴散系數（m2/s）。

葡萄在干燥過程中的裝載密度（Mq）：

Mq=MzVz.（5）

Mq：裝載密度（kg/m2）；

MZ：干燥室中葡萄的總質量（kg）；

VZ：干燥室的總體積（m3）；

葡萄干色澤：

ΔE=（L*-L*0）2+a*-a*0）2+b*-b*0）2.

（6）

C=（a*）2+（b*）2.（7）

h0=tan-1（b*a*）.（8）

式中，ΔE：新鮮產品和干燥產品之間的色差；

C ：色度；

h0：色相角；

L：果實光澤明亮度；

a：紅綠指標；

b：黃藍指標。

1.3" 數據處理

干燥模型是干燥過程控制的工具，可用于設計新的干燥系統，確定最佳干燥條件，預測干燥過程中的傳熱傳質現象。選取10種常見的模型［12-21］。表1

選擇相關系數（R2）、誤差平方和（SSE）、均方根誤差（RMSE）等統計變量［22］。具有最高R2值和最低SSE和RMSE值的模型被選為描述干燥特性的最佳模型。

SSE=Ni=1（MRexp·i-MRpre·i）2.（9）

R2=1-Ni=1（MRexp·i-MRpre·i）2

Ni=1（MRexp·i-MRpre·mean）2.

（10）

RMSE=1NNi=1（MRexp·i-MRpre·i）2.（11）

2 結果與分析

2.1" 溫度對無核白葡萄干燥速率的影響

研究表明，當干燥溫度在30～40℃時，干燥初期，由于葡萄果實組織細胞結構破壞，水分向外擴散速率較快水分比（MR）在初始操作階段迅速降低，并在后期操作階段逐漸變得平緩。無核白葡萄在干燥溫度為30、32.5、35、37.5和40℃時所需干燥時間分別為214、202、184、160和148 h。無核白葡萄在40 ℃時干燥時間最短，為148 h，且為30、32.5、35和37.5℃時所需干燥時間的69%、73%、80%、92%。圖2

2.2" 溫度對無核白葡萄色澤的影響

研究表明，35℃干燥的葡萄比30、32.5、37.5、40℃干燥的葡萄更好地保持顏色。與新鮮葡萄相比，通過熱風干燥的葡萄的ΔE值增加。35℃干燥的葡萄的ΔE值低于30、32.5、37.5、40℃干燥的。較低的ΔE值表明產品在干燥過程中顏色變化較小，葡萄干色澤與原材料最接近更容易被消費者接受。變色通常與干燥溫度和干燥時間有關。35℃比30、32.5、37.5、40℃具有更好的保色性，35℃條件下干燥葡萄，更好的減少果實的顏色變化。

干燥時間和產品質量受到干燥溫度的影響。應根據產品質量和干燥效率的考慮選擇適當的溫度干燥條件。葡萄的最佳干燥工藝為35℃，35℃干燥的葡萄的總色差為6.99，優于30、32.5、37.5、40℃干燥。表2，圖3

2.3" 溫度對無核白葡萄干葉綠素及總酚的影響

研究表明，葉綠素、類胡蘿卜素等脂溶性色素是影響葡萄干色澤的主要物質，藍綠色的葉綠素a和黃綠色的葉綠素b在熱過程中被分解、脫鎂、置換為黑褐色的脫鎂葉綠素，類胡蘿卜素及其轉化產物的黃色色澤會逐漸顯露，同時相對長時間的干燥過程中葉抗壞血酸的褐變、美拉德反應的褐變等，使得葡萄干的綠度下降。35℃干燥時葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素高于30、32.5、37.5、40℃干燥的，總酚含量是低于其他溫度的。色澤與葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素呈現正相關關系，與總酚呈負相關關系。表3

2.4" 不同溫度下色澤指標相關性系數

研究表明，不同溫度處理色澤之間和葉綠素等之間具有相關性。色差和葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素均呈現負相關關系，綠品率和色差呈負相關關系，和葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、L呈正相關關系。圖4

2.5" 葡萄薄層干燥動力學模型

2.5.1" 干燥動力學模型的擬合

研究表明，熱風干燥工藝條件下，10個模型的常數及R2、SSE和 RMSE 等擬合檢驗指標結果。R2是一個介于0和1之間的數值，表示擬合模型對觀測數據的解釋程度。R2越接近1，模型對數據的解釋能力越強，擬合效果越好；而R2越接近0，則模型對數據的解釋能力越弱，擬合效果越差。 當SSE值越小，模型和實際數據之間的偏差越小，模型越準確，反之則模型和實際數據之間的偏差越大，擬合程度越差。RMSE反映了測量數據偏離真實值的程度，數值越小，表示測量精度越高。

Logarithmic和wang 模型的R2值分別為0.998 1、0.997 265 3，數值較大，代表擬合結果較好，確定Logarithmic和wang等2種模型哪種更具有最優擬合結果，所選2種模型的實驗MR和預測MR之間具有良好的一致性。Logarithmic model模型的平均SSE最低，為0.005 4，平均RMSE為0.007 7，平均R2最高，為0.998 1優于wang等模型的結果。Logarithmic模型具有最好的擬合結果和統計參數。Logarithmic模型更適合無核白葡萄的熱風干燥過程。圖5，表4～6

2.5.2" 模型求解

研究表明，Logarithmic 模型適用于描述葡萄果實的干燥過程，模型中的 a、k和 c 是干燥溫度和半徑（r）的函數，采用多元線性回歸的方法對 a、k 和c 與干燥溫度和半徑如下：

當葡萄果實干燥半徑為0.78 cm時：

a=-0.026 1t2 + 0.089 2t + 1.287 5（R2 = 0.940 4）；

k= 0.001t2-0.003 2t + 0.009 5（R2 = 0.991 3）；

c = 0.020 5t2-0.059 8t-0.287 9（R2 = 0.937 9）。

2.5.3" 有效水分擴散系數

研究表明，葡萄果實干燥過程中水分比 MR的自然對數與干燥時間 t 呈線性關系。不同溫度干燥條件，有效水分擴散系數分別為 4.671 0×10-9、4.823 3×10-9、5.334 8×10-9、5.608 8×10-9、6.966 9×10-9，在干燥的過程中，隨著干燥溫度的升高，Deff也隨之升高，隨著溫度的上升，水分擴散系數也會增大。表7

3" 討 論

3.1

試驗采用經典的干燥模型對熱風干燥工藝進行了分析， Logarithmic 模型是最適合用來描述熱風干燥工藝對葡萄薄層干燥的過程。該模型可用于估算干燥箱中自然空氣和低溫的干燥速率，在簡單性和求解速度方面具有優勢。與董艷華等［23］在無核白葡萄干的干燥過程中的研究結論一致。

3.2

試驗對不同溫度干燥的無核白葡萄干進行了色澤相關指標的測定，結果顯示35℃時色差值最低，綠品率最高，當溫度為40℃時葡萄會發生明顯的褐變。造成褐變的原因主要包括葉綠素的降解及酚類物質氧化。葉綠素和類胡蘿卜素是決定植物色澤的兩大主要光合色素，葉綠素包括葉綠素a和葉綠素b，葉綠素a呈藍綠色、葉綠素b呈黃綠色［24］。當葉綠素含量較高時，葡萄干呈綠色，反之，則呈褐色。酚類化合物是果蔬組織褐變發生的基礎物質和酶促褐變的反應底物。試驗中，當干燥溫度過高或時間過長，會導致葉綠素破壞過多，葡萄色澤變黃暗，且易干燥過度產生高火氣、焦氣等不良氣味。當溫度接近40℃時，由于溫度過高，葡萄葉綠素降解，總酚含量因糖苷鍵、酯鍵被破環，使得與糖類或細胞壁相結合的酚類物質被釋放，導致總酚含量升高，使得葡萄會明顯發生褐變，當溫度接近30℃時，溫度較低，導致干燥時間過長，酚類發生氧化，也導致葡萄開始發生褐變，與代羽可欣［25］等和黃健航［26］等的研究一致。

研究未對不同風速、不同密度的干燥特性進行系統分析，在后續研究中將考慮這些因素對葡萄干燥特性的影響。

4" 結 論

采用不同溫度（30、32.5、35、37.5和40℃）對無核白葡萄果實進行制干，40℃下制干時間更短。35℃條件下無核白葡萄的顏色變化幅度ΔE最小，綠色葡萄干比率最高。隨著溫度的升高，干燥速率也增大，干燥時間縮短，并且在整個干燥過程中，隨著干燥溫度及風速的升高，Deff也隨之升高。35℃時綠色葡萄干的水分擴散系數為5.3348×10-9，分別為30、32.5，37.5和40℃的114.13%、110.58%、95.17%、76.58%。Logarithmic模型的擬合效果最好，最能描述葡萄干燥過程中水分比的變化規律，利用該模型預測并控制無核白葡萄干燥條件，優化葡萄干干燥工藝。

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Effects of temperature on color and drying characteristics of green raisins

MA Yunlong1，2， XIE Hui2， ZHANG Wen2， ZHU Xuehui2，3，WANG Yanmeng2，3，MAI Sile2，3， ZHANG Jiaxi1

（1." College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2." Scientific Observing and Experimental Station of Pomology（Xinjiang）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs /The State Key Laboratory of Genetic Improvement and Germplasm Innovation of Crop Resistance in Arid Desert Regions（Preparation）/Key Laboratory of Genome Research and Genetic Improvement of Xinjiang Characteristic Fruits and Vegetables/ Institute of Horticultural Crops， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091， China; 3. College of Horticulture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：【Objective】 The effects of hot air drying on the color and luster indexes and moisture diffusion coefficient of raisins under different temperature conditions were studied， which provided theoretical and technical support for the industrial production and processing of green raisins.

【Methods】 Different temperatures（30， 32.5， 35， 37.5 and 40℃）were used to dry seedless white grapes， and the effects of temperature on grape color change， moisture diffusion coefficient and raisin quality were analyzed， and the drying kinetic model was fitted.

【Results】" When the drying temperature was 35°C， the ratio of green raisins reached 64%， the difference between color and raw materials was the smallest， the color difference ΔE was only 6.99， and the color indexes of C， h0， L， a， b and so on were 18.23， 1.4， 14.57， 2.99 and 17.95， respectively.Chlorophyll， chlorophyll a， chlorophyll b， carotenoids and total phenols were 0.56， 0.19， 0.36， 0.32 and 0.18 mg/g， respectively.35℃ is more suitable for green raisin processing.The most consistent model for grape drying， with the largest coefficient of determination R2， the sum of squared errors and the mean of SSE and root mean square error Rmse the smallest， respectively， 0.998，1， 0.005，4， and 0.007，7.The most suitable effective water diffusion coefficient of green raisins is 5.334，8×10-9.

【Conclusion】" The effective water diffusion coefficients of 30， 32.5， 37.5 and 40℃ were 114.13%， 110.58%， 95.17% and 76.58%， respectively， and the Logarithmic model could effectively illustrate the variation of grape fruit moisture under the hot air drying process.

Key words：white kernelless grapes; temperature; green raisins; hot air drying; kinetic model; effective moisture diffusion coefficient

Fund projects：Talent Project（Autonomous Region Youth Top Talent Project， Research and Demonstration of Key Technologies of Xinjiang Characteristic Dried Fruit Tree Industry2022TSYCCX0068）;Study on the key techniques of improving quality of raisins and extracting bioactive sub stances from grape（2022B02045-3）;National Natural Science Foundation of China（31960577）; The Preliminary Study Special Program of Key Project of Xinjiang Academy of Agricultural Science（xjkcpy-2020001）;Modern agriculture industry technology system special fund（CARS-29-ZP-08）;The Second New Engineering Research and practice project of the Ministry of Education\"The exploration and practice of improving the quality of agricultural engineering talents under the new engineering education system\"（E-SPNL20202326，Local University Group）

Correspondence author：ZHANG Jiaxi（1973-）， male， associate professor， research field：design and experimental study of agricultural and animal husbandry machinery， （E-mail）563810112@qq.com