檸檬熱泵干燥工藝參數優化

龔麗，劉清化，劉軍，*，陳永春，龍成樹

（1.廣東省農產品干燥加工工程重點實驗室，廣東廣州510630；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東廣州510630）

檸檬熱泵干燥工藝參數優化

龔麗1，2，劉清化1，2，劉軍1，2，*，陳永春1，2，龍成樹1，2

（1.廣東省農產品干燥加工工程重點實驗室，廣東廣州510630；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東廣州510630）

以新鮮檸檬為原料，干燥溫度、切片厚度及風速作為試驗因素，維生素C含量、干燥時間和感官評定值作為評價指標，對檸檬片熱泵干燥工藝進行試驗研究，利用正交試驗綜合平衡法對試驗數據進行優化分析，結果表明，影響干燥時間的主要因素是干燥溫度，風速對維生素C和干燥時間有一定的影響，方差分析得到：厚度對檸檬維生素C含量具有顯著性影響。正交試驗優化檸檬片熱泵干燥工藝參數：溫度為60℃、風速為0.5m/s、厚度為4mm，干燥時間7.5 h，維生素C含量289.47mg/100g，感官評定值為84，干燥后維生素C保留率為67.72%。

檸檬；熱泵干燥；正交試驗；綜合平衡法；工藝參數

檸檬（Citrus limon）為蕓香科柑橘屬常綠小喬木，檸檬中富含維生素C和檸檬酸[1]，是一種具有很高營養價值和藥用價值的水果。檸檬具有季節性，新鮮檸檬不易儲藏，而對新鮮檸檬進行切片干燥有利于長時間保存，可以用開水沖泡作為檸檬茶飲用。

目前，國內檸檬片干燥主要采用熱風烘干、真空冷凍干燥和太陽能干燥等。謝振文等對檸檬進行真空冷凍干燥工藝參數優化研究，得到了最佳工藝參數[2]；常婷婷等對檸檬熱風干燥工藝進行了優化，得到溫度為80℃，厚度為3mm，風速為0.5m/s，維生素C含量為137.06mg/100 g[3]；黃艷斌等進行了檸檬熱風干燥特性及數學模型研究，得到檸檬熱風干燥符合Page模型[4]；Ho-Hsien Chen等進行了封閉式太陽能干燥檸檬設備研究[5]。檸檬片真空冷凍干燥成本較高，無法大規模進行工業生產，熱風干燥存在著能耗高、品質較差的問題。熱泵干燥是一種節能干燥技術在干燥領域得到了廣泛應用，例如稻谷干燥、果蔬干燥、種子干燥和水產品干燥等[6]，其在農副產品中的應用優勢主要體現在節能和品質保證方面[7-8]。本文以新鮮檸檬為原料，對檸檬片進行熱泵干燥試驗，探討熱泵干燥過程中溫度、風速、切片厚度對干燥速度、復水比及維生素C含量的影響，對提高檸檬的干燥效率和品質具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

檸檬：英德市廣海農業發展有限公司，新鮮、無損傷、形狀均稱、大小基本一致，初始含水量85.16%，均重量為110 g，維生素C平均含量為67.46mg/100 g。

抗壞血酸（C6H8O6，分析純，規格25 g）：上海伯實生物科技有限公司。

1.2 主要儀器設備

RG-15多功能環保介質熱泵干燥機：廣東省現代農業裝備研究所自制；MA150型水分測定儀：德國賽多利斯集團；FA/JA系列上皿電子天平：上海天平儀器廠；UV-180OPC型紫外可見分光光度計：上海亞榮生化儀器廠；KA32L型風速測定儀：沈陽加野科學儀器公司；W201D恒溫水浴鍋：上海申順生物科技有限公司等。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

清洗→切片→稱重→均勻平鋪在物料盤上→物料放入干燥室脫水→記錄干燥數據及成分測定

1.3.2 單因素試驗設計

單因素熱泵干燥檸檬片試驗因素及水平分別為干燥溫度：35、45、55、65℃；風速：0.5、1.0、1.5、2.0m/s；檸檬片厚度：2、4、6、8mm。通過單因素試驗確定檸檬熱泵干燥正交試驗各因素的適合范圍。

1.3.3 正交試驗綜合平衡法

在正交試驗中，通常采用單一試驗指標評價，而在本次試驗中的評價指標有干燥時間、維生素C含量和檸檬片干的感官評定值，需要綜合考慮各因素對三者之間的影響。對于多指標的評價問題，通過綜合平衡法，分別評價溫度、風速和厚度對干燥時間、維生素C含量和感官評定值的影響，然后根據各因素對指標的影響程度（極差值的大小）進行綜合分析，確定溫度、風速和厚度的最佳水平，得到最佳工藝參數[9]。

1.4 指標測定

1.4.1 復水比的測量

隨機稱取8 g～10 g檸檬片，1 000mL燒杯中加熱水500mL，調節溫度60℃，置于60℃恒溫水浴鍋復水2 h，前1 h每15分鐘測量1次質量，后1 h每30分鐘測量1次質量，3 h后，每60分鐘測量1次質量，測量時應用濾紙吸干表面水分。

式中：G1為干燥檸檬片復水后瀝干的質量，g；G2為干燥檸檬片質量，g。

1.4.2 抗壞血酸含量的檢測

抗壞血酸含量的檢測采用紫外分光光度計測量法。

1.4.3 干燥檸檬片的感官評定

根據如下感官評分表，選取10人對檸檬片進行感官評價。

表1 檸檬片感官評定Table1 Sensory evaluation of lem on slices

2 結果與分析

2.1 干燥溫度對檸檬片干燥速度的影響

不同干燥溫度下檸檬片熱泵干燥曲線如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度下檸檬片熱泵干燥曲線Fig.1 Theheat pump d rying curveof lem on under different temperature

圖1表明在相同的厚度（4mm）和風速（0.5m/s）條件下，干燥溫度越高檸檬片干燥速度越快，35℃和65℃時干燥時間分別為72 h和6 h。這是因為風速度越大對流換熱系數和對流傳質系數越大，傳質速率越高，干燥速度越快[9]。

2.2 檸檬切片厚度對干燥速度的影響

不同切片厚度下檸檬片熱泵干燥曲線如圖2所示。

圖2 不同切片厚度下檸檬片熱泵干燥曲線Fig.2 Theheatpum p drying curveof lemon under different thickness

圖2表明在相同的溫度（55℃）和風速（0.5m/s）條件下，切片厚度越薄干燥速度越快，2mm和8mm厚度的檸檬片干燥時間分別為4 h和28 h，厚度在2mm～4mm之間干燥速度變化較大，6mm～8mm之間變化較為平緩。由于切片越厚物料中心水分越難遷移，且厚片中完整果粒所占比例大，而完整果粒因有一層膜包裹其內部水分難揮發，導致干燥時間越長。

2.3 干燥風速對檸檬干燥速度的影響

不同風速下檸檬熱泵干燥曲線如圖3所示。

圖3 不同風速下檸檬熱泵干燥曲線Fig.3 Theheat pum p drying curveof lemon under differentwind spee

由圖3表明，在相同切片厚度（4 mm）和溫度（55℃）條件下，干燥風速對檸檬片干燥速度有一定的影響，干燥風速越大干燥速度越快，這是因為風速越大，干燥介質與檸檬片之間的對流傳熱膜系數越大，傳熱傳質速度提高的緣故[10]。

2.4 不同干燥條件對檸檬復水性的影響

不同干燥溫度下檸檬干復水曲線如圖4所示，不同厚度下的檸檬干復水曲線如圖5所示，不同風速下檸檬干復水曲線如圖6所示。

在農產品干燥中，干燥后產品的復水率是衡量產品品質的重要指標。圖4表明干燥溫度越高，檸檬片復水性越好，干燥速度過慢會形成致密結構而導致檸檬片復水性較差。圖5表明切片厚度為2mm復水性最好，切片厚度4mm～8mm變化不明顯，可能是由于切片越薄，果粒破壞率越大，復水性越好。圖6表明風速在1.0m/s附近檸檬片的復水性最好，風速太大和太小都會影響檸檬片的復水性。

圖4 不同干燥溫度下檸檬干復水曲線Fig.4 Different temperatureson the lemon dry rehydration curve

圖5 不同厚度下檸檬干復水曲線Fig.5 Different thicknesson the lemon dry rehydration curve

圖6 不同風速下檸檬干的復水曲線Fig.6 Differentwind speed on the lemon dry rehydration curve

2.5 正交試驗設計及結果分析

單因素試驗中確定正交溫度范圍為40℃～60℃，風速為0.5m/s～1.5m/s，厚度為2mm～6mm，正交試驗因素與水平設計見表2。設計三因素三水平的正交試驗，選擇L9（34）正交試驗表，并以干燥時間（h）、干檸檬片中維生素C含量（mg/100 g）和感官評定值為指標進行分析，結果見表3和表4。

表3和表4數據分析表明，在一定范圍內，干燥時間越短越好，維生素C含量和感官評定值，評價指標值越大越好。由干燥時間極差分析可知，干燥溫度極差值最大，即干燥溫度是影響干燥時間的主要因素即A3為最佳水平，由感官定值和維生素C含量極差分析結果可知，切片厚度是影響感官評定和維生素C的主要因素C2為最佳水平，同時風速在兩者的極差分析中為最小影響因素，綜合溫度單因素試驗結果，選擇B1作為最佳水平，根據上述溫度、風速及厚度3個因素對檸檬片干的干燥時間、維生素C含量和感官評定值3個評定指標的極差分析，得到檸檬片熱泵干燥的最優的工藝組合為：干燥溫度60℃，風速0.5m/s，切片厚度4mm（A3B1C2）。

表2 正交試驗因素與水平設計Table2 Factorsand levelsof orthogonalexperiments L9（34）

表3 正交試驗結果Table3 Orthogonalexperimental results

表4 數據直觀分析結果Table4 Data visualanalysis resu lts

表5數據表明，厚度對維生素C含量的影響具有顯著性。

表5 維生素C含量方差分析結果Table5 Varianceanalysisof Vitam inC content

在最佳干燥工藝條件下進行3次平行驗證試驗，試驗結果為：干燥時間為7.5 h、維生素C平均含量為289.47mg/100 g、檸檬酸平均含量為15.39%，感官評定平均值為84，平行試驗數據相對誤差在5%以內，與優化結果相符，且較文獻報導的熱風干燥后檸檬片維生素C含量高[3]，說明熱泵干燥可以減少檸檬片中維生素C含量的損失。

3 結論

熱泵干燥單因素試驗數據分析得到溫度、風速、厚度與成品質量的關系。正交試驗數據直觀分析得到干燥時間影響程度為：溫度＞厚度＞風速，維生素C含量與感官評定值影響程度為：厚度＞溫度＞風速，方差分析結果顯示切片厚度是影響維生素C含量的顯著因素。正交試驗結果分析得到最優的工藝參數：溫度為60℃、風速為0.5m/s、厚度為4mm，在優化條件下進行試驗驗證，試驗結果為檸檬干燥時間7.5 h，維生素C含量289.47mg/100 g，感官評定值84，維生素C保留率為67.72%。在本試驗中發現檸檬片在常溫貯藏15 d后顏色變化嚴重，而低溫貯藏色澤可以保持一個月以上，具體貯藏技術還有待進一步研究。

[1]高俊燕,朱春華,李進學,等.檸檬加工綜合利用的研究進展[J].亞熱帶農業研究,2009,5(1)：64-68

[2]謝振文,張幫奎,涂雪令,等.真空冷凍干燥檸檬片工藝參數優化研究[J].食品與發酵科技,2010,46(3)：51-54

[3]常婷婷,張欣,熊偉成,等.檸檬片熱風干燥工藝參數優化[J].農產品加工(學刊),2013(16)：34-37

[4]黃艷斌,鄭優,陳海橋,等.檸檬熱風干燥特性及數學模型[J].食品工業科技,2012(14)：169-172,191

[5]Ho-Hsien Chen,Carlos Eduardo Hernandez,Tzou-Chi Huang.A study of the drying effect on lemon slices using a closed-type solar dryer[J].Solar Energy,2005(78)：97-103

[6]張艷來,尹凱丹,龍成樹,等.熱泵技術在我國農產品干燥中的應用及展望[J].農機化研究,2014(5)：1-7

[7]張緒坤,胡文偉,張進疆,等.國內外熱泵干燥的現狀與展望[J].江西科學,2009,27(4)：629-633

[8]張進疆,吳耀森,劉清化,等.廣式臘腸熱泵除濕干燥生產性應用研究[J].現代農業裝備,2013(2)：39-42

[9]鄭少華,姜奉華.試驗設計與數據處理[M].北京：中國建材工業出版社,2004：71-73

[10]王會林,盧濤,姜培學.生物多孔介質熱風干燥數學模型及數值模擬[J].農業工程學報,2014(20)：325-333

Optim ization of Heat Pum p Drying Technology Param eters of Lemon

GONG Li1，2，LIUQing-hua1，2，LIU Jun1，2，*，CHENYong-chun1，2，LONGCheng-shu1，2
（1.Key Lab ofGD for AgriculturalProductsDry Processing Engineering，Guangzhou 510630，Guangdong，China；2.Guangdong AgriculturalMachinery Research Institute，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

With fresh lemon as rawmaterial，temperature，thicknessand speed asexperimental factors，vitamin C content，drying time and sensory evaluation isevaluation of lemon experimental study ofheatpump drying technology.Using orthogonalofoverallbalancemethod experiment to optimize the analysis ofexperimental data，the results shoWthat themain factors affecting the drying time is temperature，wind speed has a certain impacton Vitamin Cand drying time.Analysisofvariance showed that：the thicknesshasa significant influence on Vitamin C contentof lemon.Orthogonaloptimization lemon heatpump drying processparameters：temperatureof60℃，wind speed of0.5m/s，the thicknessof4mm，drying time7.5 h，Vitamin C content289.47mg/100 g，sensoryevaluation is84，afterdrying Vitamin C retention rateof67.22%.

lemon；heatpumpdrying；orthogonalexperiment；theoverallbalancemethod；processparameters

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.017

2016-07-16

檸檬產地初加工技術推廣與服務；2013年中央財政專項農業技術推廣與服務補助資金（粵農財[2014]19號）

龔麗（1975—），女（漢），副研究員，博士，主要從事農產品貯藏加工工藝研究。

*通信作者：劉軍，男，碩士，主要從事農產品干燥加工工藝及設備研究工作。