优化椰枣热加工过程中的水化操作

Bridget Cunningham 2016年 8月 16日

和许多其他农作物一样,椰枣的品质相当受农艺措施的影响。在阿拉伯的突尼斯,农艺措施减少了这些可食用软果的天然水分含量。热加工是改善椰枣品质的方法之一,其关键的操作流程是水化。结合试验研究和模拟分析的优势,科研团队力争优化水化过程,提高工艺效率和可靠性。

椰枣的起源和种植

椰枣树被广泛引种并种植于许多热带和亚热带地区,是公认的高价值资源。它的树干可以用来修建房屋、桥梁和水槽,成熟后的叶子可以制作垫子、纱窗和篮子。但最广为人知的还是它结出的甜甜的果实:椰枣。

Date palm tree 优化椰枣热加工过程中的水化操作
椰枣树,图像由 Madhif 拍摄,已获 CC BY 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

自古代开始,从美索不达米亚到埃及,很多地区一直在种植椰枣。古埃及人曾用它们来酿酒,也会在收获时节食用。后来商人们将这些水果带到了其他地区,椰枣的种植区域逐渐扩展到了北非、西班牙、墨西哥和美国,并受到广泛欢迎。

今天,椰枣通常作为零食食用,也是很多风味菜肴的配料,还可以酿醋、制造糖浆,与粮食混合充当工业原料。

持续产出优质产品

突尼斯是椰枣种植业的领导者,这些甜蜜的水果是突尼斯的重要食物来源和经济资源,受到当地的高度重视。Deglet Nour 椰枣是同类中的佼佼者。Deglet Nour 椰枣生长在内陆绿洲区,拥有透亮的颜色和蜂蜜般的滋味,一眼就能辨识。

Deglet Nour dates 优化椰枣热加工过程中的水化操作
Deglet Nour 椰枣。图像由 M. Dhifallah 拍摄,已获 CC BY-SA 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

农艺措施对椰枣的化学成分——特别是水分含量——有着很大的影响,因此间接影响了水果的整体品质。近年来,随着干椰枣的比例增加,突尼斯开始推广使用热加工,力求产出的水果更加柔软、外表美观、特征改善。为了保证热加工的效果,掌控关键的水化操作十分重要。如果水化时间太长,水果的储存稳定性会降低;另一方面,如果水化时间太短,最终产物的质量可能难以令人接受。

为了解决这一忧虑,并且优化水化过程,一组科研团队求助于实验测试和仿真分析。我们将在下一节中探讨他们研究成果。

针对椰枣热加工中水化操作的实验研究

针对实验研究,科研人员选取了 2014 年收获的 Deglet Nour 椰枣作为样本,样本储存在温度为 4°C 和相对湿度为 65% 的环境中。他们将这些椰枣投入实验室规模的水化试验中。为了接近工业条件,椰枣被放置在温度范围为 50°C ~ 65°C、标准大气压下的密闭环境中。

研究人员准备了一个金属腔体,腔内注满水,并使用温控加热板加热。椰枣置于腔体的顶部空间中,本身不会与水接触。此外,为了防止超压,维持大气压强,金属腔的封盖没有密封。

Experimental setup schematic 优化椰枣热加工过程中的水化操作
试验装置示意图。图像由 S. Curet、A. Lakou 和 M. Hassouna 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文

在水化过程中,每隔一段时间要称量一次椰枣。研究人员将 3 克椰枣放入 105°C 的烤箱内至少烘干了 18 个小时,借此确定果肉的平均水分含量。他们监测了不同水化时间下的椰枣温度,最终确定可以视其温度为均匀分布。

通过仿真研究分析水化操作

实验完成后,研究小组改为利用仿真分析椰枣的水化过程。下图展示了小组的二维几何模型设计。几何模型包含了枣肉、枣核和促使椰枣成功水化的饱和空气。

Model geometry 优化椰枣热加工过程中的水化操作
二维几何模型。图像由 S. Curet、A. Lakou 和 M. Hassouna 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

利用该模型,研究人员计算了水化过程中椰枣果肉内的水分分布,并计算出了平均水分浓度与时间的函数关系。需要注意一点,由于研究人员视温度为均匀分布,因此他们只考虑了质量传递现象。

经过对多个椰枣品种进行了实验,研究人员重点选取了一种 Deglet Nour 椰枣的两个样本的结果数据,这种枣子比其它品种的椰枣稍微坚硬、干燥一些。下面的绘图组对比了椰枣 1椰枣 2 的平均水分浓度。仿真曲线与试验数据非常吻合。我们还能从绘图中看出水分吸收率没有降低。一种可能的原因是与最大工业加工时间相比,水化作用的时间太短。

Average moisture concentration plots 优化椰枣热加工过程中的水化操作
在实验和仿真中,椰枣 1(左)和椰枣 2(右)的内部平均水分浓度对比图。图像由 S. Curet、A. Lakou 和 M. Hassouna 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

下图模型显示了经历 14640 秒(约 4 小时)的水化作用后,椰枣果肉中的水分浓度分布。如绘图所示,越靠近与空气接触的表面,水分浓度的梯度就越高。从表面开始,朝向椰枣果肉中心方向浓度梯度逐渐减少为零,椰枣果肉中心的水分浓度保持初始值不变。这一特性表明水化过程中扩散主要发生在椰枣的外表面。

Moisture concentration distribution plot 优化椰枣热加工过程中的水化操作
仿真绘图显示了经过四小时的水化作用后,椰枣内的水分分布浓度。图像由 S. Curet、A. Lakou 和 M. Hassouna 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

一种更加高效、可靠的椰枣水化方法

任何食品加工技术的目标都是平衡效率和整体质量。在椰枣的热加工过程中,优化水化方法是实现平衡、节约能源、保证优质产品的关键环节。

本文介绍的基于仿真的方法有利于研究人员洞察水化作用中的传质现象,获取有价值的信息。因此,此方法的理论模型是优化椰枣水化环节的可靠资源,它可以预测达到期望水分所需的时间,缩短总体的加工时间。

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