韦玉龙，于 宁，陈 恺，朱 霞，方 元，黄雪姣，李焕荣

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

热风干制对红枣收缩特性的影响

韦玉龙，于 宁，陈 恺，朱 霞，方 元，黄雪姣，李焕荣*

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

以哈密大枣为原料，研究了不同热风干制温度对枣收缩特性的影响，结果表明：不同干制温度下红枣的干制过程由升速期、降速期和恒速期三个阶段组成，高温条件下降速期是主要的干制过程，低温条件下恒速期是主要的干制过程；红枣在干制过程中的体积的变化呈收缩与小幅度的膨胀交替的规律进行至干制结束；在干制过程中枣果内存在的空腔、气道、维管束组织和果核及表皮的支撑作用使得枣果失水体积远大于收缩体积；模型拟合结果显示选用的指数收缩模型预测效果较好，R2≥0.9992、PE≤1.5764%、RMSE≤6.4162%，能很好地模拟枣在热风干制过程中的收缩特性。

枣，热风干燥，收缩模型

红枣（zizyphus jujube dates），又名中华大枣、枣、刺 枣 ，是 鼠 李 科（Rhamnaceae）枣 属 植 物 枣 树（Ziziphusjujube Mill）的 果 实[1]，枣 属 是 鼠 李 科 50多 个属中最富经济价值的一个属[2]。鲜枣形似橄榄，营养丰富，含水量高、易腐烂变质，经储藏反季节销售的鲜枣数量有限[3]。目前除少量鲜食外，总产量75%以上的红枣被制成干枣销往国内外[4]。红枣干制方法有自然干制法、烘房烘干法[5-7]、烘箱热风干制法[8-9]、变温压差膨化干制法[10-11]、真空冷冻干制法[12-13]、太阳能集能制干法[14-15]等。自然干制方法操作简单、成本低廉，但受气候条件影响较大，干制时间长、产品卫生条件及质量难以控制、遭遇阴雨天气易导致枣果霉烂变质严重影响产品质量[16]。热风干制[17]是目前采用较为普遍的一种方法，整个干制过程可受人为控制和调整，在缩短干制时间的同时，可有效提高产品的质量，热风干制法对干制条件要求较高，不适条件会导致红枣营养成分损失、枣果收缩严重、色泽及风味品质降低，直接影响其商品价值。因而研究红枣干制过程的收缩特性，制定适宜的热风干制工艺，为红枣的热风干制加工提供理论和技术支撑意义重大。实验以新疆优质哈密大枣为材料，研究热风干制温度对红枣体积收缩规律、水分含量、干制速率、组织结构变化等方面的影响，建立红枣干制过程中的收缩模型，为提高红枣的干制效率、预测和控制干制过程中的收缩特性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜哈密大枣 采自新疆哈密陶家宫乡马场村一队，选择大小、着色、成熟度均匀、无机械损伤的枣果置于温度为0～4℃的冷库中贮藏备用。

DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；PL204型电子天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司；AS0020201型数显游标卡尺 靖江棱环量具有限公司；Testo 405-V1型风速计 德图仪器国际贸易（上海）有限公司 。

1.2 实验方法

前期研究表明，哈密大枣热风干制温度控制在35～55℃能够保持相对较好的品质，温度低于35℃，干制时间长，收缩严重，干制过程中易霉变；温度过高，红枣收缩严重，口感酸、风味差[18]。因此实验中选取35、40、45、50、55℃对哈密鲜枣进行热风恒温干制，实验中每个不同的温度条件下设3组平行样，各组选取20颗枣作为测试样品，取其平均值，每组样品质量（350±10）g，干基含水量244.82%（湿基含水量70.90%），在同一烘箱内进行薄层干燥，风速1.6～1.8m/s。每隔6h将试样快速取出测量每颗枣的重量，并利用游标卡尺对每颗枣果的纵径、横径随机测量5次，并记录数据。干制过程中干基水分含量≤82%时，结束干制。

1.3 实验参数

1.3.1 试样干基含水量 计算公式如下：

式中，Mt为试样干制t时刻的干基含水量，%；mt为试样干燥至t时刻的质量，g；mg为试样干燥至绝干时的质量，g。

1.3.2 试样干燥速率 计算公式如下：

式中，Dr为试样干燥速率，g/（g·h）；Mt+△t为试样t+△t时刻的干基含水量，%；△t为干燥间隔时间，h。1.3.3 试样水分比MR 计算公式如下：

式中，MR为试样水分比，无量纲；Me为物料的平衡干基含水量，%；M0为物料的初始干基含水量，%；Me的值相对于Mt和M0来说较小，可以忽略不计，因而式（3）可以简化为：

1.4 收缩模型

国内外学者通过对不同物料的干燥收缩进行研究，总结出不同的干燥收缩模型来描述物料干制中的收缩特性，本实验选择5种常用的数学模型，采用非线性回归法对不同温度条件下的实验数据进行拟合，从而建立红枣的热风干燥收缩数学模型，如表1所示。

收缩数学模型与实验数据的匹配度可以用相关系数（R2）、均方根误差（RMSE）和模型精密度（PE）来衡量，R2越高，RMSE和 PE越小，则数学模型匹配度越好。

1.4.1 体积计算 红枣干制前后均为非规则形状，实验中涉及到热传递、水分蒸发不适宜用排水法、排沙法测量红枣的体积，故将红枣的形状简化为椭球体进行测量、计算。体积计算公式：

式中，V为体积，mL；Da为长轴，mm；Db为短轴，mm。

1.4.2 试样收缩量计算 将相对应的红枣纵横径数据带入体积计算公式进行计算，根据计算结果得出红枣体积收缩量。

式中，△V为红枣的收缩量，mL；V0为红枣的初始体积，mL；Vt为t时刻红枣的体积，mL。

1.4.3 收缩体积比计算 用收缩量比初始体积得收缩体积比。

式中，Zt为红枣的收缩体积比，%；△V为红枣的收缩量，mL；V0为红枣的初始体积，mL。

1.4.4 失水体积比计算 干制过程中红枣质量随着水分的散失不断减小，实验中将失水的质量转化为相应的体积，通过计算得出失水体积比。

表1 常用的收缩数学模型Table 1 Contraction of commonly used mathematical model

式中，Zs为红枣的失水体积比，%；m0为红枣的初始质量，g；mt为t时刻红枣的质量，g；ρs为水的密度，g/mL；V0为红枣的初始体积，mL。

1.4.5 精密度计算 通过计算PE值来估计模型的精密度[23]：

式中，PE为精密度值，%；n为样本量；V为干燥过程中红枣的体积，mL；V0为红枣鲜样的体积，mL。

1.4.6 均方根误差计算

式中，RMSE为均方根误差，%；N为样本量，V为干燥过程中红枣体积，mL；V0为红枣鲜样体积，mL。

2 结果与分析

2.1 红枣的干燥特性

2.1.1 红枣的干燥曲线 由图1可知，试样的MR（水分比），随干制时间的延长而不断下降，随着干制温度的升高，下降速率逐渐加快；35℃热风干制条件下经132h红枣的MR仍未趋于平缓，而55℃热风干制条件下经54h红枣的MR就趋于平缓，在干制过程中，干制温度越高所用的干制时间越短。

图1 不同温度条件下的干燥曲线Fig.1 The drying curves under different temperature conditions

2.1.2 红枣的干燥速率曲线 由图2可知，哈密大枣在整个实验前6h内干制速率呈上升趋势，在6～12h内干制速率下降最快，这和红枣表面水分的快速蒸发有关。随着干制时间的延长，红枣干制速率逐渐减小或趋于平缓。在55℃条件下红枣的干制速率下降最快，而35℃条件下红枣的干制速率保持较为平稳，但干制时间最长；在50℃条件下红枣的干制速率在18～36h内干制速率相对下降较慢，36h直至干制结束过程中干制速率下降较快；在45℃条件下红枣的干制速率在12～48h内趋于平稳，在48～72h内呈下降趋势，而后保持平稳；在35℃和40℃条件下红枣的干制速率经过干制初期的快速下降后保持平稳。由此可知，哈密大枣的干制过程可以分为3个的阶段，升速期、降速阶段和恒速阶段，50℃和55℃条件下降速阶段占主要过程，35、40、45℃恒速阶段占主要过程。红枣中的水分在热风的作用下，由内部向表面扩散，随着水分含量的下降，水分的扩散阻力也不断在增加，干制速率也在逐渐降低。

图2 不同温度干燥时干燥速率与干燥时间的关系Fig.2 The relationship between drying rate and drying time of the different drying temperature

2.1.3 干燥速率与水分的关系 由图3可知，哈密大枣在不同温度干制过程中，干制初期红枣水分含量大，干制速率高；干制过程中干制速率随着红枣水分含量的降低而降低，接近干制结束时，红枣水分含量小，干制速率低。由此得知，红枣的干制速率与水分含量和干制温度有关，干制温度越高、水分含量越大，干制速率就越高，反之则越小。

图3 干燥速率与水分含量的关系Fig.3 The relationship between drying rate and moisture content

2.2 干制过程中体积收缩规律

2.2.1 不同干制温度下红枣的收缩曲线 由图4可知，随着干制时间的延长，不同温度干制的红枣体积都发生明显的变化，在干制前期体积均有一个快速收缩期。在实验的干制温度范围内（除45℃外）的整个干制过程中，红枣体积变化总是由收缩与小幅度膨胀交替进行着直至干燥结束，其中干制温度越高、收缩与膨胀交替的频率越快、枣果的收缩率越大，至干制结束时55℃干制的枣体积收缩量最大、体积比最小，35℃干制条件下收缩量最小、体积比最大，这种规律与干制温度、红枣的组织结构及干燥过程中表面汽化和内部扩散控制规律有关，干制初期体积收缩程度大，是红枣表面水分快速蒸发的结果，随着干制时间的延长表面收缩，水分在表皮扩散的阻力也不断在增加，使得组织内部的水分不能及时排出，在内部积累导致枣果体积出现小幅膨大，此后在蒸汽压的作用下水分缓慢向外部扩散，失去水分的红枣体积再一次收缩，当红枣中水分含量足够小时这种收缩与膨胀的交替作用才会结束。但在45℃干制条件下的整个干制过程中，枣果体积保持较均衡的收缩速度，只在干制后期出现了一个较快的收缩期，这是否与在该温度下枣果表面与果肉组织的收缩特性有关有待于进一步探讨。

图4 体积变化与干燥时间的关系Fig.4 The relationship between the volume change and drying time

2.2.2 收缩量与水分关系曲线 由图5可知，不同温度干制的红枣，随着红枣水分含量的降低，红枣体积收缩量总体呈上升趋势。45℃条件下干制的红枣收缩量与水分含量具有较好的线性关系；35、40、50、55℃条件下干制，随着红枣水分含量的减少红枣收缩量呈阶梯式上升，说明在某段水分含量范围内红枣体积没有变化或变化量很小，这时红枣体积变化与水分含量变化的关系不大。由此可以认为在干制过程中，水分含量的变化并不是导致红枣收缩唯一的因素。

图5 收缩量与水分的关系Fig.5 The relationship between shrinkage and moisture

2.2.3 收缩体积比与失水体积比的关系 由图6可知，在干制初期，不同温度干制红枣的收缩体积比近乎等于失水体积比，这说明干制初期枣果的收缩是由大量的表面水分汽化而引起的；在红枣干制中后期失水体积远大于收缩体积，这是由于红枣组织是多孔性组织结构，在中果皮内分布着大量用于枣果呼 吸 和 气 体 交 换 空 腔 和 气 道[24]、枣 果 中 果 皮 内 分 布着丰富的维管束组织、中部有坚硬的果核，正是由于这些空腔、气道、维管束组织和果核的存在保证枣果在干制时大量失水后还能保持较好的果形。

2.3 红枣的收缩模型

2.3.1 模型拟合 用所选的5个收缩数学模型（表1）对哈密大枣在不同温度条件下的收缩曲线进行拟合，得到各收缩数学模型待定常数、R2、PE和RMSE值。实验数据用Microsoft Excel和MATLBA7.8.0软件进行计算和拟合，拟合结果见表2。

表2 不同收缩数学模型拟合结果Table 2 The fitting results of different contract model

如表2所示，对于所选的5种数学模型对实验数据的拟合效果有明显的差异。用各数学模型不同温度条件下R2、PE和RMSE的平均值作为评价标准，对它们的拟合效果进行排序，发现指数收缩数学模型（1）的拟合效果较好，待定常数少，应用简便，所以本实验选择指数收缩模型作为红枣的最佳收缩数学模型。

2.3.2 模型验证 为了验证指数收缩模型的拟合效果，用实验值与指数收缩模型预测值进行比较，结果如图7所示，实验中所有的数据点都落在了直线Y=X附近，经计算，实验值与预测值的RMSE≤6.4162%，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，这说明指数收缩模型的预测效果较好，适合对红枣热风干制过程中的收缩过程进行模拟。

图7 指数收缩模型预测值与实验值的比较Fig.7 Compared with the experimental value index to predict shrinkage model

3 结论

3.1 本实验通过对红枣不同干制温度条件下的干制速率分析认为整个干制过程可分为三个阶段，即升速期、降速期和恒速期，较高温度条件下降速期是主要的干制过程，在低温条件下恒速期是主要的干制过程；与现有的研究中认为干制过程中只有两个阶段 即 升 速 和 降 速[25]不 一 致 ，分 析 认 为 可 能 与 干 制温度的设置及枣果的组织结构有关，一般的物料干制为了实现较快的干制速度其干制温度都在50℃以上，但枣果是整枣干制，如果采用较高的温度干制最终产品不但收缩严重影响感官且风味品质（包括香气成分、糖酸比等）变差[26-27]。由于红枣的干物质含量高、组织致密、表皮的结构等因素的影响使得干制时水分在内部的扩散速度成为对整个干制过程起控制作用的主要因素，而在较低的干制温度时水分表面的汽化速度内部扩散速度均较慢且差别较小，因此在干制曲线出现了恒速期，这也有利于枣果体积的均匀收缩和果形的保持。

3.2 不同干制温度条件下，红枣在干制过程中体积的变化均呈现出收缩与小幅度膨胀交替的规律至干制结束。当红枣中水分含量足够小时，这种收缩与膨胀的交替作用才会结束，干制温度越高枣果的收缩率越大；红枣的干制速率与水分含量和干制温度有关，干制温度越高，水分含量越大，干制速率就越高，反之则越小。

3.3 通过分析干制过程中收缩量与失水量的关系得出红枣在干制过程中失水体积远大于收缩体积，与L Mayor[28]对部分果蔬材料的研究结论在干制过程中收缩量等于失水量有所不同，分析认为在干制过程中枣果的表面收缩和内部收缩同时存在，由于枣果内存在的空腔、气道、维管束组织和果核及表皮的支撑作用，使枣果在干制时大量失水后保持相对小的收缩量，从而保持较好的果形。

3.4 选择5种常用的数学模型采用非线性回归法对不同温度条件下的实验数据进行拟合，以R2、PE和RMSE的平均值作为评价标准，发现指数收缩数学模型的拟合效果较好，并用实验值与指数收缩模型预测值进行比较，实验值与预测值的RMSE≤6.4162%，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，该收缩数学模型能很好地模拟枣在热风（温度在35～55℃）干制过程中的收缩量，可用于指导生产。

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Effect of hot air dried on shrinkage characteristics of jujube

WEI Yu-long，YU Ning，CHEN Kai，ZHU Xia，FANG Yuan，HUANG Xue-jiao，LI Huan-rong*
（College of Food and Pharmaceutial Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Hami jujube was used as the material to research the effect of different dried temperature on shrinkage characteristics of jujube.The results showed that：dried process of jujube was made of speed up period，deceleration period and constant period.Deceleration period was the main dried process of high temperature，while constant period was the main dried process of low temperature.Volume shrinkage of jujube was with alternation of contraction and expansion during dried process.A supporting role in cavity ，airway，vascular tissue，core and peel of jujube resulted in water loss volume was much larger than jujube shrink volume.Model fitting results showed selected index contraction predicted better，R2≥0.9992，PE≤1.5764%，RMSE≤6.4162%.

jujube；hot-air dried；shrinkage modelling

TS201.1

A

1002-0306（2014）22-0114-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.017

2014－01－17

韦玉龙（1989-），男，硕士研究生，主要从事果蔬加工过程中品质变化机理方面的研究。

* 通讯作者：李焕荣（1965-），女，教授，主要从事农产品深加工与综合利用方面的研究。

国家自然科学基金（31360401）；新疆研究生科研创新项目（XJGRI2013101）。