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本课题是为了了解干燥动力学并通过相对湿度(RH)来确定干燥技术中植物化学降解和褐变色素沉着的改善机制.利用新设计的RH-对流-热风干燥器,在不同的RH条件下对选定的农产品进行干燥,使之成为可能.
在第一个研究中,利用8个数学模型预测了香蕉在RH(10%20%30%和40%)、70℃和2.0m/s风速下的干燥动力学.利用相关系数(R2)、根均方误差(RMSE)和还原卡方(χ2)等主要参数,检验了模型的拟合优度.结果表明,Midillii-kucuk模型能够较好地描述R2、RMSE对香蕉切片的RH-对流干燥,其范围分别为0.99942-0.99986、0.00002-0.00008和0.0142-0.01618.电能分析表明,RH每增加10%,能耗就会增加17.9-4.0%,从而在两者之间建立了直接关系.差示扫描量热法测得的热图结果表明,干香蕉的成分、粒度和在基质中的分散受到RH变化的影响,从而引起了固体转变的变化.这又一次影响了香蕉的结晶度,使得相对于相对湿度较高的干燥样品,相对湿度较低的干燥样品更脆.
为了了解RH在迈拉德反应等质量指标中的作用,对干燥产物中的褐变色素沉着进行了研究.本文研究了在RH干燥条件下改善2-呋喃甲基氨基酸(2-FM-AA)的形成(2-呋喃甲基氨基酸(2-FM-AA)是Amadori化合物的一种可测量指示剂)机制.这是通过在RH(10%,20%和30%)、风速2.0m/s、温度60、70和80℃下干燥香蕉实现的.结果表明,RH每增加10%,2-FM-AA的相对降低13.4-29.4%.基于R2(0.9013-0.9990)、RMSE(0.0121-0.3085)、1.5×10-4-0.1310等统计参数,一阶模型可以较好地预测2-FM-AA的形成.此外,速率常数揭示了2-FM-AA生成对相对湿度的依赖关系,并说明在降低2-FM-AA生成的过程中,相对湿度起到了关键的作用.研究结果还表明,高温是导致2FM-AA形成和官能团变形的主要原因;然而,当干燥在较高的RH下进行时,这个作用可以得到缓解.
以RH对酶促褐变产生的影响作为测量手段,为了确定RH与超声协同作用下酶会失活,进行了第三项研究.为此,在RH为10%、20%和30%、温度为60、70和80℃以及2.0m/s的风速下对香蕉片进行干燥结果表明,一阶和二阶多项式动力学模型分别适用于酶失活和褐变指标.各干燥条件下酶失活动力学和酶褐变指数(EBI)均随干燥时间的增加而显著下降(p<0.05),且较长的超声预处理时间和较低的相对湿度能够加剧下降速率.然而,较短的超声预处理时间和较高的RH条件显著降低了非酶褐变指数(NBI).同样,更长的超声预处理时间和更低的相对湿度缩短了干燥时间,但从微观研究中产生了更多的微孔.预处理时间越长,相对湿度越低,L*、b*值明显降低(p<0.05),而a*值明显升高.
为解决RH干燥条件下的能耗问题,第四项研究对香蕉进行了超声干燥(US)和油酸乙酯预处理.结果表明,与未经处理的样品相比,使干香蕉片的能耗显著降低了29.1%.这是通过在超声+油酸乙酯预处理过的香蕉切片中观察到的最低水分有效扩散值(2.36×10-6)发现的.此外,超声+油酸乙酯预处理改善了酶活性的控制和褐变色素沉着的问题,这是与干燥产品相关的另一个主要问题.颜色参数方面,超声+油酸乙酯预处理的颜色变化最低(29.70),色度最高(18.49),色度角最高(80.44),这与超声和油酸乙酯能够导致酶失活及预防褐变能力的断言一致.结果表明,超声+油酸乙酯预处理香蕉可以在保证产品质量的同时降低干燥产品的能耗.
在第五项研究中评估了RH干燥条件下生物活性化合物和抗氧化化合物的降解以及热力学,并利用模型进行了预测.一阶模型较好地描述了具有最高R2,最低RMSE和最低χ2的干香蕉片的降解生物活性和抗氧化剂化合物.结果表明,在香蕉干片中这些化合物的范围保持在4.5-10.7%时RH增加10%.从d值和速率常数值来看,在RH干燥条件下,化合物的热降解水平依次为:总黄烷醇含量>总酚含量>抗氧化剂(FRAP).此外,研究结果表明,在食品工业中,在进行RH较高(30%)的干燥时,优先考虑应用更高的干燥温度来实现更高的营养保留.
在第六项研究中,利用RH干燥条件对另一个关键质量参数进行了评价,如β-胡萝卜素和胡萝卜中的颜色保留.在干燥预测中,Wang和Singh用分别在0.996~0.999、5.4×10-4-9.4×10-4和0.0150-0.03353范围内的R2、RMSE和χ2模拟了胡萝卜片的RH对流干燥.研究表明,在RH条件下,干胡萝卜中保留了总β-胡萝卜素的41.91-62.05%,并确定β-胡萝卜素保留与RH呈直接相关关系.在胡萝卜颜色变化的情况下,在空气脱水过程中发生氧化反应,但由于温度较高,RH干燥条件较低,氧化反应增强.在颜色变化的情况下(ΔE),所得值在18.84-23.26之间,也在文献中发现的经过漂白剂和干燥的胡萝卜范围内.总之,较高的温度是造成颜色和β-胡萝卜素减少的主要原因,但这在较高RH(30%)下得到缓解.
最后,对RH干燥条件下菠萝片中植物化学物质、酚类化合物和官能团的改善机理进行了研究.结果表明,在相同干燥温度下,较高的RH能显著保留(p<0.05)干菠萝的植物化学、酚类和抗氧化浓度.这也是通过植物化学,抗氧化剂和酚类化合物与RH之间有更接近的对应分析来确定的.结果还表明,这些化合物的浓度可能因化学组成的差异而不同,所述化学组成的差异可能通过诸如高温和较低RH的散列干燥条件而恶化.
这些研究通过探索RH在干燥技术中的应用,找到了减轻植物化学物质损失和褐变色素沉着的改进方案.从研究中可以发现较高的RH在农产品脱水中发挥着至关重要的作用.结果表明,RH(30%)能够破坏植物化学物质损失的强度,减少农产品脱水过程中的褐变色素沉着,因此必须引起业界的重视.
在第一个研究中,利用8个数学模型预测了香蕉在RH(10%20%30%和40%)、70℃和2.0m/s风速下的干燥动力学.利用相关系数(R2)、根均方误差(RMSE)和还原卡方(χ2)等主要参数,检验了模型的拟合优度.结果表明,Midillii-kucuk模型能够较好地描述R2、RMSE对香蕉切片的RH-对流干燥,其范围分别为0.99942-0.99986、0.00002-0.00008和0.0142-0.01618.电能分析表明,RH每增加10%,能耗就会增加17.9-4.0%,从而在两者之间建立了直接关系.差示扫描量热法测得的热图结果表明,干香蕉的成分、粒度和在基质中的分散受到RH变化的影响,从而引起了固体转变的变化.这又一次影响了香蕉的结晶度,使得相对于相对湿度较高的干燥样品,相对湿度较低的干燥样品更脆.
为了了解RH在迈拉德反应等质量指标中的作用,对干燥产物中的褐变色素沉着进行了研究.本文研究了在RH干燥条件下改善2-呋喃甲基氨基酸(2-FM-AA)的形成(2-呋喃甲基氨基酸(2-FM-AA)是Amadori化合物的一种可测量指示剂)机制.这是通过在RH(10%,20%和30%)、风速2.0m/s、温度60、70和80℃下干燥香蕉实现的.结果表明,RH每增加10%,2-FM-AA的相对降低13.4-29.4%.基于R2(0.9013-0.9990)、RMSE(0.0121-0.3085)、1.5×10-4-0.1310等统计参数,一阶模型可以较好地预测2-FM-AA的形成.此外,速率常数揭示了2-FM-AA生成对相对湿度的依赖关系,并说明在降低2-FM-AA生成的过程中,相对湿度起到了关键的作用.研究结果还表明,高温是导致2FM-AA形成和官能团变形的主要原因;然而,当干燥在较高的RH下进行时,这个作用可以得到缓解.
以RH对酶促褐变产生的影响作为测量手段,为了确定RH与超声协同作用下酶会失活,进行了第三项研究.为此,在RH为10%、20%和30%、温度为60、70和80℃以及2.0m/s的风速下对香蕉片进行干燥结果表明,一阶和二阶多项式动力学模型分别适用于酶失活和褐变指标.各干燥条件下酶失活动力学和酶褐变指数(EBI)均随干燥时间的增加而显著下降(p<0.05),且较长的超声预处理时间和较低的相对湿度能够加剧下降速率.然而,较短的超声预处理时间和较高的RH条件显著降低了非酶褐变指数(NBI).同样,更长的超声预处理时间和更低的相对湿度缩短了干燥时间,但从微观研究中产生了更多的微孔.预处理时间越长,相对湿度越低,L*、b*值明显降低(p<0.05),而a*值明显升高.
为解决RH干燥条件下的能耗问题,第四项研究对香蕉进行了超声干燥(US)和油酸乙酯预处理.结果表明,与未经处理的样品相比,使干香蕉片的能耗显著降低了29.1%.这是通过在超声+油酸乙酯预处理过的香蕉切片中观察到的最低水分有效扩散值(2.36×10-6)发现的.此外,超声+油酸乙酯预处理改善了酶活性的控制和褐变色素沉着的问题,这是与干燥产品相关的另一个主要问题.颜色参数方面,超声+油酸乙酯预处理的颜色变化最低(29.70),色度最高(18.49),色度角最高(80.44),这与超声和油酸乙酯能够导致酶失活及预防褐变能力的断言一致.结果表明,超声+油酸乙酯预处理香蕉可以在保证产品质量的同时降低干燥产品的能耗.
在第五项研究中评估了RH干燥条件下生物活性化合物和抗氧化化合物的降解以及热力学,并利用模型进行了预测.一阶模型较好地描述了具有最高R2,最低RMSE和最低χ2的干香蕉片的降解生物活性和抗氧化剂化合物.结果表明,在香蕉干片中这些化合物的范围保持在4.5-10.7%时RH增加10%.从d值和速率常数值来看,在RH干燥条件下,化合物的热降解水平依次为:总黄烷醇含量>总酚含量>抗氧化剂(FRAP).此外,研究结果表明,在食品工业中,在进行RH较高(30%)的干燥时,优先考虑应用更高的干燥温度来实现更高的营养保留.
在第六项研究中,利用RH干燥条件对另一个关键质量参数进行了评价,如β-胡萝卜素和胡萝卜中的颜色保留.在干燥预测中,Wang和Singh用分别在0.996~0.999、5.4×10-4-9.4×10-4和0.0150-0.03353范围内的R2、RMSE和χ2模拟了胡萝卜片的RH对流干燥.研究表明,在RH条件下,干胡萝卜中保留了总β-胡萝卜素的41.91-62.05%,并确定β-胡萝卜素保留与RH呈直接相关关系.在胡萝卜颜色变化的情况下,在空气脱水过程中发生氧化反应,但由于温度较高,RH干燥条件较低,氧化反应增强.在颜色变化的情况下(ΔE),所得值在18.84-23.26之间,也在文献中发现的经过漂白剂和干燥的胡萝卜范围内.总之,较高的温度是造成颜色和β-胡萝卜素减少的主要原因,但这在较高RH(30%)下得到缓解.
最后,对RH干燥条件下菠萝片中植物化学物质、酚类化合物和官能团的改善机理进行了研究.结果表明,在相同干燥温度下,较高的RH能显著保留(p<0.05)干菠萝的植物化学、酚类和抗氧化浓度.这也是通过植物化学,抗氧化剂和酚类化合物与RH之间有更接近的对应分析来确定的.结果还表明,这些化合物的浓度可能因化学组成的差异而不同,所述化学组成的差异可能通过诸如高温和较低RH的散列干燥条件而恶化.
这些研究通过探索RH在干燥技术中的应用,找到了减轻植物化学物质损失和褐变色素沉着的改进方案.从研究中可以发现较高的RH在农产品脱水中发挥着至关重要的作用.结果表明,RH(30%)能够破坏植物化学物质损失的强度,减少农产品脱水过程中的褐变色素沉着,因此必须引起业界的重视.