太阳能干燥温度对哈密瓜片品质的影响

摘 要：目的：探明干燥温度对哈密瓜片品质的影响。方法：以哈密瓜片为原料，采用不同的太阳能干燥温度40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，分析不同干燥温度对哈密瓜片干燥时间、干燥速率、水分活度、质构、色泽、香气成分、抗坏血酸及能耗等指标影响。结果：哈密瓜片干燥过程只有降速阶段，随着干燥时间增加水分活度减小、抗坏血酸含量减少；随着干燥温度升高，干燥时间缩短，干制品硬度、黏附性、弹性和咀嚼性均逐步增大，内聚性逐渐减小，色泽L*值下降，b*值增加；香气成分醇、酮、醛和酯类四类物质相对含量较高，干燥温度70 ℃的总能耗和单位时间耗电量显著高于其他温度。结论：40～60 ℃太阳能干燥温度下，哈密瓜片干制品硬度、黏附性、弹性和咀嚼性、抗坏血酸含量、香气成分等理化特性较优，干燥能耗低，适于哈密瓜片的干燥。

关键词：太阳能干燥；温度；哈密瓜片；品质；能耗

哈密瓜风味独特，富含矿物元素、膳食纤维和抗坏血酸、黄酮类化合物等健康功能成分［1］。哈密瓜采收期集中且货架期短，因受温度和生产季节等因素的影响［2］，贮运过程中有部分腐烂变质，造成损失和浪费，影响其商品性，但通过干燥技术可以解决以上问题 ［3］。干燥技术在哈密瓜加工中被广泛应用。目前，对于哈密瓜的干燥研究主要集中在采用不同干燥方法分析对哈密瓜品质的影响。自然晾晒是加工哈密瓜干普遍采用的方法，一般需要10 d 左右时间［4］；杨咪等［5］采用正交试验对哈密瓜进行热风烘干工艺研究，对比得出最佳烘干工艺参数；高静静等［2］采用热风和真空冷冻干燥对哈密瓜片进行干燥，分析得出2种不同的干燥方式对哈密瓜片的营养成分、微观结构以及香气成分等均有显著影响；罗磊等［6］采用充氮低氧热泵干燥哈密瓜片，得到最佳干燥工艺参数为切片厚度5 mm、干燥温度50 ℃、氧体积分数5%；毕金峰等［7］采用变温压差膨化干燥哈密瓜片，对工艺进行优化，通过响应面分析得出含水率、膨化温度、抽空时间对干制后的产品含水率、色泽、膨化度和脆度都有显著的影响；张茜等［8］将气体射流冲击干燥技术用于哈密瓜片的干制，通过建立模型发现，Modified Page模型可以较好地模拟干燥过程中的水分比变化，且与温度和风速都呈正相关，干燥时间为6 h。太阳能干燥技术是一种新型的节能环保加工技术［9-11］，其干燥农产品可减少常规能耗50%以上［12-15］。郭雪霞等［16］研究对比了自然晾晒、太阳能干燥、真空冷冻干燥和市售4种条件下的哈密瓜干产品品质，得到不同干燥方式对哈密瓜干色泽、硬度、能耗、感官评分影响差异显著，太阳能干燥适合哈密瓜的干燥。本研究以哈密瓜片为原料，研究不同太阳能干燥温度对哈密瓜片品质的影响，旨在为哈密瓜片工业干制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

哈密瓜（金蜜宝），购自超市。

1.2 仪器设备

强制对流太阳能干燥器，张家口市泰华机械厂；DRT-2辐照仪，北京天裕德有限公司；温度传感器，天津市万博仪表制造有限公司；无纸记录仪，北京中旺传感设备公司；OH6-914385-III电热恒温鼓风干燥箱，广东精华智能装备有限公司；TMS-Pro型食品物性分析仪，美国 Food Technology Corporation 公司；FA-stlab水分活度测定仪，法国 GBX 公司；CR-400型色彩色差计，柯尼卡美能达公司；DY5多功能电量检测仪，深圳多一电子有限公司；高效液相色谱，美国Waters公司；GC-MS气质联用仪，美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 预处理方法 选择无病虫害、成熟度适宜、大小适中的哈密瓜，经过清洗、去皮、挖瓤等，将哈密瓜切成厚度均匀的切片。

1.3.2 干燥试验设计 本试验旨在探究温度参数对哈密瓜切片干燥过程的影响。设置4个水平，分别为干燥温度40、50、60、70 ℃，其中每个处理的切片厚度为5 mm，干燥风速为3 m/s。将经预处理的哈密瓜片，平铺到托盘里（共2个托盘），每个托盘均匀放置500 g哈密瓜片。干燥过程中每隔1 h测定哈密瓜质量、水分活度、设备耗电量。每次称重后待5 min再次称重，用来计算不同时刻的干燥速率，直至哈密瓜片的湿基含水率低于15%（企业标准），并测定哈密瓜干制品的理化性质。试验重复3次。

1.3.3 水分含量测定 初始含水率：参照Hossain等［17］方法并改进，将哈密瓜样品按照约1×1×1 mm大小切块，将其放入称量瓶中，置于105 ℃烘箱干燥24 h，记录初始重量M0和结束重量m干，试验重复3次。

半衰期是指哈密瓜干制过程中抗坏血酸的含量降低至初始含量一半时所需要的时间，抗坏血酸降解半衰期按方程t1/2=-ln0.5×k-1计算。

1.3.9 耗电量测定 利用DY5电量监测仪，参照文献［18］的方法测定。

1.3.10 统计分析方法 试验数据作图使用Excel软件、数据分析使用SPSS软件（差异显著性水平为0.05）、试验数据用±SD表示、香气成分分析使用Smica软件。

2 结果与分析

2.1 不同温度对哈密瓜切片干基含水率的影响

由图1可见，当风速为3 m/s、切片厚度为5 mm时，哈密瓜切片达到干燥终点的时间随着温度的上升而缩短，40 ℃、50 ℃均与70 ℃之间差异显著（P<0.05），60 ℃与70 ℃之间差异不显著。说明适当升高温度有利于提高干燥效率，但过高的温度也不利于干燥，这是因为温度越高，哈密瓜切片具有更大的温度梯度，从而使其内部水分扩散加快，缩短了干燥时间。但温度过高时，会使哈密瓜切片表面水分蒸发过快，而内部水分扩散慢，水分不能及时移动到产品表面，从而在样品表面形成一层干硬壳，阻碍了内部水分的排出。

2.2 不同温度对哈密瓜切片干燥速率的影响

从图2可见，当风速为3 m/s、切片厚度为5 mm条件一定时，不同温度下哈密瓜太阳能干燥过程都只观察到降速阶段，没有反映阶段0（初始阶段）和阶段I（恒定速率阶段），这是由于哈密瓜切片表面的非结合水很少，可以在很短时间内完全汽化，温度越高，哈密瓜干燥速率越快。这是因为降至临界含水量后，哈密瓜切片内部水分扩散速率低于表面水分蒸发速率，此阶段的干燥速率取决于材料内部的水分扩散活性。随着温度升高，哈密瓜内部水分扩散加快，从而使干燥速率加快。

2.3 不同温度对哈密瓜切片水分活度的影响

由图3可见，不同温度干燥的哈密瓜切片的水分活度会随着时间变化而减小，且在干燥初期，不同温度间水分活度差异不显著。这是由于干燥初期主要为大量游离水的蒸发，对水分活度影响不大［21］，当干燥进行到一定程度，水分活度会快速下降至0.4左右。干燥至5 h时，40 ℃和70 ℃的水分活度差异显著（P<0.05），说明温度越高，水分活度下降越快。这是因为干燥后期主要是内部结合水的扩散［22］，温度升高会使内部结合水迁移加快，从而使水分活度变化速率加快。

2.4 不同温度对哈密瓜切片质构的影响

由表1可见，当风速为3 m/s、切片厚度为5 mm条件一定时，随温度升高，哈密瓜切片干制品的硬度、黏附性、弹性和咀嚼性均逐步增大，内聚性逐渐减小。其中硬度除了60 ℃和70 ℃外，其余各组间差异性显著（P<0.05）；弹性各组间差异不显著；内聚性40 ℃与70 ℃之间差异性显著（P<0.05），其他组之间差异不显著；黏附性和咀嚼性均是60 ℃和70 ℃与40 ℃之间差异性显著（P<0.05）。说明干燥温度升高增加了硬度和咀嚼性，这是由于随着干燥温度升高，产品表面水分汽化速度快于内部水分扩散速度，水分不能及时移动到产品表面，从而使产品外硬内软［25］，硬度和咀嚼性数值增大。因此，适宜干燥温度范围为40～60 ℃。

2.5 不同温度对哈密瓜干制品色泽的影响

由表2可知，当风速为3 m/s、切片厚度为5 mm条件一定时，L*值随着干燥温度的上升而下降，除了40 ℃和50 ℃外，其他各组间差异性均显著（P<0.05）；a*值在不同干燥温度下变化趋势不明显；b*值随着温度的增加而增加，说明干燥温度是影响哈密瓜干制品色泽的重要因素。这可能是由于随着温度的升高，加快了美拉德反应的发生，影响了哈密瓜干的色泽。因此，干燥时温度不宜过高，适宜干燥温度范围为40～60 ℃。

2.6 不同温度对哈密瓜干香气组成的影响

由表3可知，不同温度下制得的哈密瓜干中，40 ℃和60 ℃相对含量最高的4类物质均为醇、酮、醛和酯类，50 ℃相对含量最高的4类物质为醇、酮、酯和其他类，70 ℃相对含量最高的4类物质为酮、醛、酯和其他类。对表3中的数据进行PCA主成分分析，进一步分析不同温度对哈密瓜干香气组成的影响。由图4可见，第一主成分（F1）的方差贡献率为61.3%，第二主成分（F2）为27.5%，二者方差贡献率合计88.8%，说明这两种主成分可以解释原有大部分香气的成分信息。F1主要和烯类、酸类呈正相关，和酮类、烷类、酚类呈负相关；F2主要和醛类呈正相关，和醚类、其他类呈负相关。高温干燥的哈密瓜位于代表醛类和酮类较多的象限，说明高温会使哈密瓜干中具有不良气味的醛类和酮类化合物增多。这可能是由于温度越高，在干燥过程中发生氧化反应和美拉德反应越剧烈，从而产生了更多的醛类和酮类物质。因此干燥哈密瓜的温度不宜过高。

2.7 不同温度对哈密瓜干抗坏血酸降解的影响

由图5可知，不同干燥温度下，哈密瓜中抗坏血酸含量均随着干燥时间的增加而减少。由表4可知，不同参数下线性回归方程的R2介于0.94～0.99，由此说明哈密瓜干制过程中抗坏血酸降解符合一级反应动力学特征，且随着温度升高，抗坏血酸的降解速率增大，半衰期显著缩短。温度对哈密瓜太阳能干制过程中抗坏血酸降解有着显著影响，可能是因为温度上升，使一系列生化反应加快，从而使抗坏血酸降解速率上升。

2.8 不同温度对哈密瓜切片干燥过程中能耗变化的影响

由图6可知，不同干燥温度单位时间耗电量，70 ℃显著高于其他各温度（P<0.05），其余各温度间差异不显著；不同干燥温度总耗电量70℃>40℃>50℃>60℃，且70 ℃与其余各温度间差异显著（P<0.05）。当干燥温度过高，太阳能设备的能耗会显著增加，因此较适宜温度范围为40～60 ℃。这是因为当温度设定过高时，太阳能集热器所收集的热量不足以满足干燥室的设定温度，干燥设备自动打开热泵补充干燥室热量，从而使干燥能耗大幅上升。

3 结论

通过分析不同的太阳能干燥温度（40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃）对哈密瓜片品质的影响，发现哈密瓜片干燥时间随着温度的升高而缩短，干燥过程只有降速阶段，水分活度随着时间增加而减小，随温度升高，哈密瓜切片干制品的硬度、黏附性、弹性和咀嚼性均逐步增大，内聚性逐渐减小，哈密瓜干制品色泽L*值随着干燥温度的上升而下降；不同温度下制得的哈密瓜干中，40 ℃和60 ℃相对含量最高的4类物质均为醇、酮、醛和酯类，50 ℃相对含量最高的4类物质为醇、酮、酯和其他类，70 ℃相对含量最高的4类物质为酮、醛、酯和其他类。不同温度下哈密瓜片中抗坏血酸含量均随着干燥时间的增加而减少，哈密瓜干制过程中抗坏血酸降解符合一级反应动力学特征，且随着温度升高，抗坏血酸的降解速率增大，半衰期显著缩短。不同干燥温度总耗电量70 ℃>40 ℃> 50 ℃> 60 ℃，且70 ℃与其余各组间差异显著（P<0.05），单位时间耗电量70 ℃显著高于其他温度（P<0.05），且其余各组温度间差异不显著；40～60 ℃太阳能干燥温度下，哈密瓜片品质优于其他温度，较为适于哈密瓜片的干燥。