菠蘿蜜熱泵干燥機(jī)理及工藝研究

石維善，李保國(guó)（上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海200093）

菠蘿蜜熱泵干燥機(jī)理及工藝研究

石維善，李保國(guó)*
（上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海200093）

摘要：進(jìn)行熱泵干燥菠蘿蜜的的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)單因素試驗(yàn)，分析了干燥溫度和風(fēng)速對(duì)菠蘿蜜品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)，確定菠蘿蜜熱泵干燥的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明：在相對(duì)濕度為20%，物料尺寸為25（mm）× 15（mm）×2（mm），干燥溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s時(shí)，VC損失量最小及感官品質(zhì)最佳。試驗(yàn)表明物料大小，干燥溫度與風(fēng)速對(duì)菠蘿蜜的干燥速率和干后品質(zhì)有顯著性的影響。

關(guān)鍵詞：菠蘿蜜；熱泵干燥；相對(duì)濕度；風(fēng)速

近年來(lái)，越南菠蘿蜜種植面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量不斷提高，但由于對(duì)其深加工不夠，造成菠蘿蜜的腐爛。對(duì)其進(jìn)行干燥加工，可以延長(zhǎng)菠蘿蜜的保質(zhì)期。目前果蔬干燥方法有烘箱干燥、熱風(fēng)干燥、冷凍干燥等，選擇一種適宜菠蘿蜜的干燥方法，能最大限度地保存其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，使其在干燥過(guò)程水分蒸發(fā)快，顏色變化少，VC含量得到最大限度的保存。目前菠蘿蜜產(chǎn)業(yè)已成為越南熱帶經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。但由于菠蘿蜜的貯存、運(yùn)輸困難，限制了菠蘿蜜出口的進(jìn)一步發(fā)展[1]。

目前對(duì)于菠蘿蜜干燥工藝相關(guān)的研究較少，特別是節(jié)能、環(huán)保的新的干燥技術(shù)。在國(guó)內(nèi)有相關(guān)的研究者采用熱風(fēng)干燥法與真空冷凍干燥對(duì)菠蘿蜜干燥的產(chǎn)品進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分、色差等標(biāo)準(zhǔn)分析與研究[2-3]。國(guó)外學(xué)者在傳統(tǒng)干燥技術(shù)上采用太陽(yáng)能新技術(shù)對(duì)菠蘿蜜進(jìn)行研究[4]。但是對(duì)菠蘿蜜的熱泵干燥還沒(méi)有相關(guān)的研究報(bào)道。

熱泵干燥也是一種高效率節(jié)能的干燥方法，熱泵干燥采用壓縮法得到相對(duì)濕度低的干燥氣流，在低溫條件下進(jìn)行物料干燥，它適合于蔬菜、水果干燥[5]。對(duì)黃花菜和胡蘿卜的干燥實(shí)驗(yàn)表明，采用熱泵干燥效果好，對(duì)物料的成分破壞少。經(jīng)低溫干燥處理的食品具有色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分保存最佳，復(fù)水快、方便易食等特點(diǎn)，是高級(jí)營(yíng)養(yǎng)品、快速方便食品的最佳加工方法[6]。

本文選用新鮮菠蘿蜜作為試驗(yàn)材料，進(jìn)行熱泵干燥試驗(yàn)，以VC含量、色差、失水率和感官分析為指標(biāo)，對(duì)菠蘿蜜進(jìn)行了熱泵干燥工藝條件研究。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

馬來(lái)6號(hào)菠蘿蜜從市場(chǎng)購(gòu)買；草酸、抗壞血酸、

2，6-二氯靛酚鈉從國(guó)藥公司購(gòu)買。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

采用QS-500熱泵干燥實(shí)驗(yàn)裝置：上海綠原制冷設(shè)備有限公司；TQPWB-20001XA色差儀：北京新恒能分析儀器有限公司；FA1604電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

菠蘿蜜切成25（mm）×15（mm）×2（mm），30（mm）× 15（mm）×2（mm）和35（mm）×15（mm）×2（mm）3個(gè)水平的塊狀，90℃熱水浸泡60 s以達(dá)到滅菌的目的。干燥試驗(yàn)前，采用烘箱法測(cè)算出菠蘿蜜的平均含水率為80.30%，將預(yù)處理好的菠蘿蜜放進(jìn)熱泵干燥實(shí)驗(yàn)裝置中，設(shè)定好溫度和風(fēng)速，隔30min記錄重量變化，按國(guó)標(biāo)公式計(jì)算水分蒸發(fā)量，直到樣品恒重為止。

1.4測(cè)定方法

1.4.1含水率測(cè)定

采用GB 5009.3-2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》第一法進(jìn)行測(cè)定[7]。

1.4.2VC含量的測(cè)定

按GB/T 6195-1986《水果、蔬菜維生素C含量測(cè)定法（2，6-二氯靛酚滴定法）》[8]。

1.4.3色差

用色差儀測(cè)定菠蘿蜜表面的色澤（L，a，b），記錄數(shù)據(jù)。CIELAB表色系統(tǒng)，是利用空間坐標(biāo)L、a、b值表色。明亮度用L值表示，從大到小由白色向黑色漸變；色度指數(shù)用a，b值表示，a值由紅色（正）向綠色（負(fù)）漸變；b值由黃色（正）向藍(lán)色（負(fù)）漸變。L值越大越好，a、b值越接近初始值越理想。測(cè)定時(shí)，將測(cè)試頭對(duì)準(zhǔn)菠蘿蜜的中央位置，按緊以避免測(cè)試頭漏光，每個(gè)處理重復(fù)3次，取平均值[9]。

1.4.4干燥平均速率

菠蘿蜜干燥前水分含量高，通過(guò)熱泵干燥水分減少。

式中：G1為菠蘿蜜干燥前的質(zhì)量，g；G2為菠蘿蜜干燥后的質(zhì)量，g；h為干燥的時(shí)間，h。

1.4.5菠蘿蜜感官評(píng)價(jià)

菠蘿蜜干燥后，隨機(jī)抽取10個(gè)鑒評(píng)員進(jìn)行評(píng)價(jià)給分，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按顏色、外觀和香味，每項(xiàng)最高為100分，最終取平均值，如表1所示。

表1　菠蘿蜜產(chǎn)品感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table1　Sensory evaluation table of Jack fruitproduct

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1熱泵干燥溫度對(duì)含水率的影響

熱泵干燥溫度對(duì)菠蘿蜜含水率的影響如圖1所示。

圖1　不同溫度對(duì)菠蘿蜜熱泵干燥曲線的影響Fig.1　Effectof different drying tem perature on the drying cruve of jackfruitby pum p

溫度對(duì)物料的干燥速率影響較大，溫度越高越有利于水分的蒸發(fā)，這是由于溫度升高時(shí)物料內(nèi)部水分蒸發(fā)速率增大，物料的干燥速率就越大，干燥時(shí)間越短。溫度越低時(shí)失水率的速度比較小，所用的干燥時(shí)間較長(zhǎng)。從圖1中可看出，當(dāng)溫度越高時(shí)，預(yù)熱階段時(shí)間縮短水分蒸發(fā)快。隨后，水分開始大量蒸發(fā)與保持恒定，溫度越高水分蒸發(fā)越多，菠蘿蜜重量大幅度下降，直到菠蘿蜜內(nèi)部擴(kuò)散慢于菠蘿蜜表面的蒸發(fā)。此時(shí)，菠蘿蜜表面形成干區(qū)，干燥速率開始下降，達(dá)到平衡干燥過(guò)程結(jié)束。溫度為60℃含水率下降最大，需要的干燥時(shí)間最短，溫度為40℃所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。且當(dāng)溫度每增加5℃，菠蘿蜜干燥所需時(shí)間減少約30min。

從產(chǎn)品干燥速率、VC保留含量、顏色、香味、柔韌性和節(jié)能方面綜合考慮，本試驗(yàn)選取45、50、55℃3個(gè)溫度水平作進(jìn)一步研究。

2.1.2熱泵干燥風(fēng)速對(duì)含水率的影響

圖2為干燥風(fēng)速對(duì)含水率的影響。

圖2　不同風(fēng)速對(duì)菠蘿蜜熱泵干燥曲線的影響Fig.2　Effectofdifferentw ind velocity on thedrying cruve of jackfruitby pump

從圖2中看到，隨著風(fēng)速增加，物料含水率下降增加，干燥速率增大，干燥時(shí)間縮短。這是由于風(fēng)速越大，對(duì)流傳熱傳質(zhì)效率提高，水分蒸發(fā)速率也隨之上升，水蒸氣隨空氣中迅速送到熱泵干燥的冷凝系統(tǒng)，將濕空氣中水分凝結(jié)排除，導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度顯著下降，因此，干燥時(shí)間縮短。且風(fēng)速每增加0.5m/s，菠蘿蜜干燥所需時(shí)間減少約30min。

風(fēng)速越高干燥時(shí)間越短，但當(dāng)風(fēng)速過(guò)高、去水速率較快時(shí)，產(chǎn)品的外觀與品質(zhì)影響較大，出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象，顏色不均勻，VC含量損失大。風(fēng)速越小菠蘿蜜干燥品質(zhì)越好，顏色接近新鮮菠蘿蜜，但干燥時(shí)間長(zhǎng)，耗能大。綜合考慮，本試驗(yàn)選取3.5、4.0、4.5m/s3個(gè)風(fēng)速作進(jìn)一步研究。

2.2正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇物料尺寸、干燥溫度、干燥風(fēng)速3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，以VC含量、失水率、感官評(píng)定作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)。表2為菠蘿蜜正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表2　菠蘿蜜正交試驗(yàn)表Table 2　Jackfruitorthogonality com prehensive

續(xù)表2　菠蘿蜜正交試驗(yàn)表Continue table 2　Jack fruit orthogonality com prehensive

從表2可看出，物料尺寸，溫度與風(fēng)速對(duì)菠蘿蜜干燥速率、干燥后VC含量和感官有明顯影響。各因素對(duì)菠蘿蜜VC保留含量影響的大小依次為：物料尺寸＞溫度＞風(fēng)速。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到最佳工藝為：菠蘿蜜尺寸25（mm）×15（mm）×2（mm），溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s。在此條件下菠蘿蜜干燥后VC含量最高為3.73mg/100 g。這是由于在干燥過(guò)程，菠蘿蜜VC含量的損失的主要原因?yàn)椋翰ぬ}蜜中還原型VC被氧化造成的，物料尺寸和溫度對(duì)菠蘿蜜的VC降解速度影響較大，物料表面積與熱空氣接觸越大，溫度越高，其有氧降解速度加快，最終導(dǎo)致VC含量損失越大[11]。風(fēng)速對(duì)菠蘿蜜VC保留含量影響較小，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用循環(huán)氣流沒(méi)受到外界環(huán)境氧氣的影響。

表2結(jié)果表明，各因素對(duì)菠蘿蜜干燥速率影響從主到次依次為：溫度，風(fēng)速，物料尺寸。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到最佳干燥工藝為：菠蘿蜜尺寸為25（mm）×15（mm）× 2（mm），溫度為55℃，風(fēng)速為4.5m/s。感官評(píng)定從色差、外形和香味3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，經(jīng)極差分析表明，各因素對(duì)菠蘿蜜感官評(píng)定影響大小依次為：溫度，風(fēng)速，物料尺寸。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到：最佳工藝條件為菠蘿蜜尺寸為25（mm）×15（mm）×2（mm），溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s。在溫度低風(fēng)速小的條件下，菠蘿蜜干燥后色差變化小，顏色均勻，表面平整，不干裂，組織破壞程度小。當(dāng)高溫高風(fēng)速時(shí)，菠蘿蜜干燥后產(chǎn)品表面皺縮，顏色出現(xiàn)褐變。這是由于高風(fēng)速條件下，干燥速率太快，導(dǎo)致物料變形；菠蘿蜜糖含量較高，在高溫條件干燥，糖分易發(fā)生顏色褐變所致[10]。

3　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)菠蘿蜜熱泵干燥試驗(yàn)研究得到：在熱泵干燥過(guò)程中物料尺寸越小、溫度越高、風(fēng)速越大菠蘿蜜水分蒸發(fā)速率越快，干燥所需時(shí)間越短。但隨著溫度、風(fēng)速升高與物料尺寸越大，菠蘿蜜色差變化越大，感官評(píng)價(jià)越差；與此同時(shí)溫度和風(fēng)速越大，菠蘿蜜VC含量損失也越大。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)定得到：在物料尺寸為：25（mm）×15（mm）×2（mm）、溫度：45℃、風(fēng)速：3.5m/s條件下，VC含量保留率可達(dá)50.12%，感官評(píng)價(jià)最好。在物料大小：25（mm）×15（mm）×2（mm），溫度：55℃，風(fēng)速：4.5m/s條件下，干燥速率最大。本試驗(yàn)因?yàn)闊岜酶稍飾l件所限，設(shè)計(jì)的裝載量較少，所以試驗(yàn)中沒(méi)有考察裝載量參數(shù)的影響，相對(duì)濕度對(duì)干燥速率和產(chǎn)品品質(zhì)影響也未考慮，這些有待進(jìn)一步研究。

隨著對(duì)生物物料干燥質(zhì)量要求的提高，農(nóng)產(chǎn)品的低溫干燥是發(fā)展趨勢(shì)。低溫干燥能較好地保持其色、香及營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)，對(duì)保證生物物料的干燥品質(zhì)具有重要意義。熱泵干燥能滿足上述的要求。菠蘿蜜熱泵干燥，溫度低，時(shí)間短，干燥產(chǎn)品后能保持其原有風(fēng)味，是一種較好的休閑營(yíng)養(yǎng)食品，因此熱泵干燥菠蘿蜜有著良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kieu Xuan Dam,Nguyen Dinh Hien.Jackfuit improvement in the MekongDeltaVietNam[J].Agriculture and Rural Development,2010, 16(8):8-14

[2]張容鵠,萬(wàn)祝寧,何艾,等.菠蘿蜜真空冷凍干燥的研究[J].食品科技,2012,37(4):69-73

[3]徐飛,谷風(fēng)林,初眾,等.熱風(fēng)干燥條件對(duì)菠蘿蜜果肉色澤及品質(zhì)影響[J].食品工業(yè),2013,37(7):32-34

[4]Alexandre J,De M Queiroz,Hermeval JDantas.Solar drying of jack fruitalmonds[J].Post-Harvest Science and Technology,2011,31(6): 22-30

[5]Li Jin Goh,Mohd YusofOthman,SohifMat,etal.Review ofheatpump systems for drying application[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(9):4788－4796

[6]潘年龍,吳凱.黃花菜的熱泵干燥工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2013, 34(11):259-266

[7]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 5009.3-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010

[8]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB/T 6195-1986水果,蔬菜維生素C含量測(cè)定法（2，6-二氯靛酚滴定法）[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1986

[9]Nguyen Dinh Duc,張意峰,李保國(guó).木鱉果真空冷凍干燥工藝研究[J].廣東農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,22(1):115-118

[10]潘清方,周國(guó)燕.真空冷凍芒果片的工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011,39(19):11925-11927

[11]焦凌霞,高愿軍.溫度對(duì)獼猴桃VC降解途徑與速度影響的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,34(12):2847-2850

[12]翁霞,蘇字,田蘊(yùn)婷.正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化胡蘿卜素的提取工藝[J].食品研究與開發(fā),2011,32(6):64-66

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.026

收稿日期：2014-06-10

基金項(xiàng)目：上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（14ZZ133）；上海市教委產(chǎn)學(xué)研——助推計(jì)劃（ZB1307LG）

作者簡(jiǎn)介：石維善（1988—），男，越南留學(xué)生，在讀碩士生，研究方向：食品干燥加工。

*通信作者：李保國(guó)（1961—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

Jack fruit Heat Pump Drying M echanism and Process Research

THACH Duy-thien，LIBao-guo*
（Institute of Food Scienceand Engineering，University of Shanghaifor Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In this study，the experimental research of heat pump drying jackfruitwas carried out.Through the single factor experiment，the influence of drying temperature and wind speed on the quality and nutritional components of jackfruitwere analyzed，and the optimal process parameters of the heat pump drying jackfruit were determined by orthogonal experiment.The results showed thatwhen the relative humidity was 20%，drying temperature at45℃，and thewind speed 3.5m/s，material size 25（mm）×15（mm）×2（mm），the nutritional components and vitamin C of jackfruitwere minimized loss.The effect ofmaterial size，drying temperatureandwind speed on thequality and drying rate of Jackfruitwere significant.

Key words：jackfruit；heatpump drying；relative humidity；wind velocity