黑皮冬瓜空氣能熱泵干燥工藝參數(shù)優(yōu)化

黃皓，胡珊，羅華建，梁衛(wèi)驅(qū)，陳仕麗，鐘鳴，徐匆

（東莞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，廣東東莞523000）

冬瓜為葫蘆科冬瓜屬植物，果實(shí)中富含維生素C（VC）、煙酸、胡蘿卜素、膳食纖維、鉀鈣磷等多種維生素和礦物質(zhì)，具有清熱解暑、祛濕消腫的功效[1]。黑皮冬瓜為冬瓜的一個品種，是廣東東莞的特色名優(yōu)蔬菜，以其瓜形好、品質(zhì)優(yōu)良、口感佳而深受市場青睞。冬瓜目前仍以鮮食為主，但近年隨著黑皮冬瓜栽培面積增大，產(chǎn)量持續(xù)增加等原因，鮮瓜收購價(jià)格波動大，瓜農(nóng)增產(chǎn)不增收，因此，瓜農(nóng)采用人工晾曬的方法將冬瓜制干，既可延長冬瓜的保質(zhì)期，又可提高冬瓜售價(jià)。然而，人工晾曬對天氣條件要求較高，干燥效率低，且室外的環(huán)境衛(wèi)生條件較差，大大影響了瓜干的品質(zhì)。

空氣能熱泵干燥技術(shù)是近年流行起來的新型干燥技術(shù)，具有高效節(jié)能、清潔生產(chǎn)、環(huán)境友好、設(shè)備易于定制等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、煙草等行業(yè)，目前已有荔枝[2]、龍眼[3]、香蕉[4]等東莞特色農(nóng)產(chǎn)品熱泵干燥技術(shù)的研究報(bào)道，但冬瓜空氣能熱泵干燥工藝方面的研究還未見報(bào)道。

本文采用空氣能熱泵設(shè)備進(jìn)行黑皮冬瓜干燥，研究瓜片厚度、干燥溫度、干燥風(fēng)速等參數(shù)對冬瓜熱泵干燥過程及瓜干品質(zhì)的影響，通過單因素、正交試驗(yàn)及綜合加權(quán)評分法確定了黑皮冬瓜空氣能熱泵干燥工藝，為冬瓜干的規(guī)模化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市售無病蟲害、無機(jī)械損傷的新鮮黑皮冬瓜；抗壞血酸（分析純，25 g）：廣東光華科技股份有限公司；2，6-二氯靛酚鈉（分析純，5 g）：上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

空氣能熱泵烘干機(jī)（LAD-030）：廣東瑞星新能源科技有限公司制造（工作溫度：25℃～70℃，工作風(fēng)速：0～2.5 m/s）；色差計(jì)（CR-10）：柯尼卡美能達(dá)；電熱恒溫水浴鍋（HWS-26）：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；電子天平（STX1202ZH）：奧豪斯儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9243BS-Ⅲ）：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；切片機(jī)（XL-75）：廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

新鮮冬瓜→清洗→去皮、去籽→切片→稱重（1 000 g）→均勻擺盤（單層）→熱泵干燥（每小時(shí)稱重）→瓜干（品質(zhì)指標(biāo)測定）

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)的因素水平分別為：切片厚度（2、4、6、8、10、12 mm）；干燥溫度（45、50、55、60、65 ℃）；循環(huán)風(fēng)速（1.0、1.5、2.0、2.5 m/s）。通過單因素試驗(yàn)確定黑皮冬瓜熱泵干燥各參數(shù)的最適范圍。

1.3.3 正交試驗(yàn)綜合加權(quán)評分法

正交試驗(yàn)中，綜合考慮明度指數(shù)值（L值）、復(fù)水比以及VC保留率這3項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，對瓜干品質(zhì)進(jìn)行加權(quán)評分。采用專家賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，以滿分100分計(jì)，L值權(quán)重分值為40分，復(fù)水比權(quán)重分值為25分，VC保留率權(quán)重分值為35分，綜合評分為各指標(biāo)加權(quán)得分之和[5]。各指標(biāo)得分計(jì)算公式為：

式中：Yi為該指標(biāo)加權(quán)得分；a為該指標(biāo)權(quán)重分值；Wi為該指標(biāo)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果；W0為該指標(biāo)最佳試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)以正交試驗(yàn)結(jié)果中各指標(biāo)的最大值為最佳值。

1.4 指標(biāo)檢測方法

1.4.1 初始含水率

瓜片初始含水率采用直接干燥法測定[6]。

1.4.2 水分率

干燥過程中，物料質(zhì)量及含水量均在變化，物料含水率的變化并不能很好的反應(yīng)干燥速度，但干燥過程中，物料中干物質(zhì)的質(zhì)量基本不變，干物質(zhì)所帶水分在逐漸減少，因此，可用水分率（即1份干物質(zhì)所含水分的份數(shù)）來表示干燥過程中水分的變化情況[7]，計(jì)算公式為：

式中：G為水分率；M為瓜片的含水率，%。

干燥前，先測得冬瓜的初始含水率，可計(jì)算出冬片的初始水分率，再通過記錄干燥過程中瓜片的質(zhì)量變化計(jì)算出對應(yīng)的水分率，并繪制出干燥曲線[8]。

1.4.3 干燥率

干燥率是指制備一份干品所需要的新鮮原料的份數(shù)[7]，計(jì)算公式為：

式中：D為干燥率；M1為新鮮瓜片的含水率，%；M2為瓜干的含水率，%。

1.4.4 色澤測定

利用色差計(jì)，依據(jù)CIELAB表色系統(tǒng)測定瓜干的明度指數(shù)L，L=0表示黑色，L=100表示白色，瓜干L值越大，色澤越好[9]。

1.4.5 復(fù)水比

復(fù)水方法：稱取適量瓜干放入裝有60℃蒸餾水的燒杯中，將燒杯置于60℃水浴鍋中，恒溫復(fù)水1 h后取出，瀝干3 min后稱量[9]。

復(fù)水比計(jì)算公式為：

式中：Rf為復(fù)水比；m1為干制品的質(zhì)量，g；m2為干制品復(fù)水后的質(zhì)量，g。

1.4.6 維生素C（VC）含量的測定

采用2，6-二氯靛酚滴定法測定樣品的VC含量[10]。

VC保留率計(jì)算公式為：

式中：K 為 VC保留率，%；C1為瓜干 VC含量，mg/100 g；C0 為鮮瓜 VC含量，mg/100 g；D 為干燥率。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用origin 8.0作圖，SPSS Statistics 17.0做正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 切片厚度對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質(zhì)的影響

將新鮮冬瓜分別切成厚度為 2、4、6、8、10、12 mm的瓜片，在60℃和2.5 m/s風(fēng)速條件下干燥至恒重，冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖1，瓜干品質(zhì)指標(biāo)L值、復(fù)水比及VC保留率結(jié)果見表1。

圖1 不同厚度冬瓜片熱泵干燥曲線Fig.1 Heat pump drying curves of wax gourd with different slice thikness

表1 切片厚度對瓜干品質(zhì)的影響Table 1 Effects of different slice thikness on the quality of dried wax gourd

由圖1可看出干燥時(shí)間隨著瓜片厚度的減小而縮短，瓜片越薄，水分從內(nèi)到外遷移的距離越短，瓜片內(nèi)傳熱傳質(zhì)阻力越小，干燥速度越快。從表1數(shù)據(jù)的單因素方差分析結(jié)果可知，切片厚度對瓜干的L值、復(fù)水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。L值結(jié)果顯示隨著瓜片厚度的增加L值先增大后減小，其中8 mm與10 mm厚度的瓜片烘干后L值較高，瓜片越厚干燥后組織間越緊密，瓜干外觀越發(fā)飽滿，色澤也較白，但瓜片過厚會顯著延長干燥時(shí)間，增加瓜肉氧化程度使得瓜干發(fā)黃。復(fù)水比的結(jié)果表明瓜片越薄復(fù)水越快。VC保留率結(jié)果顯示4 mm和6 mm瓜片烘干后VC保留率較高，可能瓜片太薄在切片過程中會有部分汁液流失，進(jìn)而造成部分VC流失，瓜片太厚會延長干燥時(shí)間，加大VC損失幾率。此外，在瓜片的包裝過程中發(fā)現(xiàn)2 mm的瓜片烘干后過于薄脆，易碎裂。因此，綜合考慮干燥速度與品質(zhì)指標(biāo)，4 mm～8 mm的厚度較為適合。

2.2 溫度對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質(zhì)的影響

將新鮮冬瓜切成厚度為8 mm的瓜片，分別在溫度 45、50、55、60、65 ℃，風(fēng)速 2.5 m/s的條件下干燥至恒重。冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖2，瓜干品質(zhì)指標(biāo)L值、復(fù)水比及VC保留率結(jié)果見表2。

圖2 冬瓜在不同溫度下的熱泵干燥曲線Fig.2 Heat pump drying curves of wax gourd at different temperatures

表2 不同溫度對瓜干品質(zhì)的影響Table 2 Effects of different temperature on the quality of dried wax gourd

由圖2可看出干燥時(shí)間隨著干燥溫度的增加而縮短，溫度升高加速了瓜片水分由內(nèi)到外的擴(kuò)散速度，同時(shí)降低了循環(huán)空氣的相對濕度，增加了瓜片表面水分向干燥空氣的擴(kuò)散動力，進(jìn)而縮短了干燥時(shí)間。由表2數(shù)據(jù)的單因素方差分析結(jié)果可知，干燥溫度對瓜干的L值、復(fù)水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。L值結(jié)果顯示65℃干燥的瓜干相對于45℃～60℃干燥的瓜干色澤指標(biāo)顯著降低（P＜0.05），冬瓜肉含水量較高，干制過程中溫度過高組織中汁液迅速膨脹造成細(xì)胞破裂，內(nèi)容物流出，所含有機(jī)物發(fā)生焦化，使得瓜干色澤發(fā)黃。復(fù)水比及VC保留率的結(jié)果顯示溫度過高或過低都會顯著降低瓜干的復(fù)水比及VC保留率，60℃烘制的瓜干復(fù)水比及VC保留率最高。綜合考慮干燥速度和品質(zhì)指標(biāo)，50℃～60℃較為合適。

2.3 風(fēng)速對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質(zhì)的影響

將新鮮冬瓜切成厚度為8 mm的瓜片，分別在風(fēng)速 1.0、1.5、2.0、2.5 m/s，溫度 60℃的條件下干燥至恒重。冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖3，瓜干品質(zhì)參數(shù)L值、復(fù)水比及VC保留率結(jié)果見表3。

圖3 冬瓜在不同風(fēng)速下的熱泵干燥曲線Fig.3 Heat pump drying curves of wax gourd at different air speeds

表3 不同風(fēng)速對瓜干品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different air speeds on the quality of dried wax gourd

由圖3可看出增大風(fēng)速可縮短干燥時(shí)間，但風(fēng)速超過1.5 m/s后對干燥速度的影響開始變小，適當(dāng)?shù)脑黾语L(fēng)速可加速帶走瓜片表面蒸發(fā)出的水分，使得瓜片表面與內(nèi)部存在一定的水分壓差，在壓差作用下內(nèi)部水分向表面遷移，但僅以壓差為推力對內(nèi)部水分?jǐn)U散的影響較小[11]。由表3數(shù)據(jù)的單因素方差分析結(jié)果可知，風(fēng)速對瓜干的L值、復(fù)水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。1 m/s風(fēng)速干燥的瓜干相對于1.5 m/s～2.5 m/s風(fēng)速下干燥的瓜干L值及復(fù)水比均顯著降低（P＜0.05），且風(fēng)速過快或過慢均會顯著影響瓜干的VC保留率，風(fēng)速過慢降低干燥速度，延長了干燥時(shí)間，增加了VC損失的幾率，風(fēng)速過快，使瓜片在干燥過程中接觸過多新鮮空氣，在一定程度上加速VC的氧化。結(jié)果顯示1.5 m/s的風(fēng)速下瓜干VC保留率相對較高。綜合考慮干燥速度與品質(zhì)指標(biāo)，1.5 m/s～2.5 m/s的風(fēng)速較為合適。

2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

通過單因素試驗(yàn)確定了溫度的適合范圍為50℃～60℃，風(fēng)速的適合范圍為1.5 m/s～2.5 m/s，切片厚度的適合范圍為4 mm～8 mm，采用L9（34）正交試驗(yàn)表，以L值、復(fù)水比、VC保留率及綜合評分為響指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，對影響黑皮冬瓜熱泵干燥工藝的關(guān)鍵參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表4，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5，數(shù)據(jù)直觀分析結(jié)果見表6，數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表7。

表4 正交試驗(yàn)因素與水平Table 4Factors and levels of orthogonal experiment L9（34）

表5 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental design and results

表6 數(shù)據(jù)直觀分析結(jié)果Table 6 Data visual analysis results

續(xù)表6 數(shù)據(jù)直觀分析結(jié)果Continue table 6 Data visual analysis results

表7 方差分析結(jié)果Table 7 Variance analysis results

由表6數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果可知，影響L值的主次因素依次為厚度＞風(fēng)速＞溫度，影響復(fù)水比的主次因素依次為厚度＞風(fēng)速＞溫度，影響VC保留率的主次因素依次為溫度＞厚度＞風(fēng)速，厚度是影響L值和復(fù)水比的主要因素，由表7的方差分析結(jié)果也可看出厚度對L值和復(fù)水比有顯著影響，但分別以L值、復(fù)水比和VC保留率為評價(jià)指標(biāo)所得最佳方案各不相同，因此采用綜合加權(quán)評分法優(yōu)化出最佳方案為溫度60℃，風(fēng)速1.5 m/s，切片厚度6 mm。采用最佳方案進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，制得瓜干的L值為86.2，復(fù)水比為6.82，VC保留率為84.37%，綜合評分為92.91分，平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對誤差在5%以內(nèi)，與優(yōu)化結(jié)果相符。

3 結(jié)論

本文通過單因素及正交試驗(yàn)研究切片厚度、干燥溫度及風(fēng)速對黑皮冬瓜空氣能熱泵干制過程及瓜干品質(zhì)的影響。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明切片厚度、干燥溫度及風(fēng)速均對干燥速度及瓜干品質(zhì)有顯著影響。瓜片越薄，干燥速度越快，但過薄的瓜片烘干后極易碎裂和吸潮，適合的厚度范圍為4 mm～8 mm；提高溫度可以加速干燥，但溫度過高會顯著降低瓜干的L值、復(fù)水比及VC保留率，適合的溫度范圍為50℃～60℃；適當(dāng)加大風(fēng)速可提升干燥速度，但持續(xù)加大風(fēng)速對干燥過程的加速效果不明顯，且會降低瓜片的VC保留率，適合的風(fēng)速范圍為1.5 m/s～2.5 m/s。在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上通過正交試驗(yàn)及綜合加權(quán)評分法確定黑皮冬瓜空氣能熱泵的最適干燥工藝為溫度60℃，風(fēng)速1.5 m/s，厚度 6 mm。