青蘿卜護綠與熱泵干燥動力學研究

高 蔓，劉欣悅，劉靜靜，王珂莉，李 昀

（天津農學院食品科學與生物工程學院，天津 300384）

青蘿卜營養豐富、顏色鮮艷，相對于白蘿卜含有更多的營養物質[1]，因此深受消費者的青睞。然而，青蘿卜市場供應具有季節性，因其水分含量很大，若貯藏不佳，會發生糠心等現象，造成青蘿卜品質下降，帶來很大的經濟損失。而此時青蘿卜干制品顯得尤為重要，可以防止這些問題的出現，同時也可除去青蘿卜帶有部分辛辣口感，使其風味更佳。而傳統的干制方法為自然干制法，該方法存在微生物污染、氣候等多方面的影響，干制效果差。目前，興起的熱泵干制技術干制效率高，干制品質量好。夏源等人[2]研究表明，使用熱泵干燥具有明顯的經濟效益。藍炎陽等人[3]研究了不同干燥方法對蘿卜品質的影響。結果顯示，經熱泵干燥后再對其進行復水操作，營養價值和新鮮產品幾乎無差別，熱泵干燥后產品可很好地保持各種營養成分，減少營養損失。由于熱泵加工原理[4]的優勢，熱泵應用前景廣闊。研究成果對于推動青蘿卜產業的深加工、滿足人們的消費需求、發展其產地的特產經濟具有積極的意義[5]，同時豐富了青蘿卜深加工產業的理論研究與實踐。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

新鮮青蘿卜，購于天津市紅旗農貿市場，要求無傷碰、無蟲害、無糠心、無腐爛變質，平均含水量為88%。

硫酸銅、乙酸鋅、氯化鈣，均為食品級，用量符合食品安全國家標準。

1.1.2 儀器與設備

WRH-100AB型閉環除濕熱泵干燥機，正旭新能源設備科技有限公司產品；LCE-511型切片機，新星電子科技有限公司產品；WR-10型手提式色彩色差儀，威福光電科技有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

帶皮青蘿卜→清水沖洗→切片→護綠液燙漂→清水沖洗→熱泵烘干→檢測→包裝。

1.2.2 操作要點

（1）材料處理。將新鮮青蘿卜洗凈，切除頭尾部分，其余部分切成6 mm厚度的薄片。

（2） 護綠復合液熱燙。每組稱取約1 kg的清水加入護綠試劑煮至沸騰，將約0.5 kg的青蘿卜片置于護綠液中熱燙90 s后撈出，用清水沖洗去除表面殘留的試劑，用紗布吸干表面水分。

（3）熱泵烘干。將青蘿卜片平鋪于烘盤上，于65℃下在熱泵中烘干，每30 min測定1次質量，烘干至干制品狀態（平均含水量為15%）。

（4）色差儀檢測。用WR-10型手提式色彩色差儀測定青蘿卜片的L*值，a*值，b*值，每個處理組選取3片，對其四周部位進行測定，試驗結果取其平均值。

（5）包裝。將干制好的青蘿卜片裝入食品級包裝袋中塑封包裝，得到青蘿卜干制品。于陰涼干燥處保存，重復3次。

1.2.3 護綠復合液正交設計

選擇硫酸銅（A）、乙酸鋅（B）、氯化鈣（C）進行護綠復合液四因素三水平L16（43）正交試驗，以此得到最佳的護綠效果。

青蘿卜護綠正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 青蘿卜護綠正交試驗因素與水平設計/mg·kg-1

護綠效果的測定參考馬文錦等人[6]使用的方法，即使用WR-10型手提式色彩色差儀對青蘿卜干制品的顏色（L值，a值，b值）進行測定。青蘿卜顏色變化就是由L值，a值，b值交互變化導致的。其中，L值表示樣品的亮度；a值表示樣品的紅綠方向變化，+a值表示樣品顏色偏紅，-a值表示樣品顏色偏綠；b值表示樣品的黃藍方向變化，+b值表示樣品顏色偏黃，-b值表示樣品顏色偏藍。因此，用指標a值判斷青蘿卜顏色變化，-a值越大則表明護綠效果越好[7]。

1.2.4 青蘿卜熱泵干燥動力學模型研究設計

（1）厚度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響。將青蘿卜分別切成4，6，8，10 mm厚的薄片，在一定溫度下青蘿卜經熱泵干燥后，研究其厚度對水分比（MR）、干燥速率（Vt）和顏色的影響。

（2）溫度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響。將青蘿卜切成一定厚度的薄片，青蘿卜分別在44，51，58，65℃下經熱泵干燥后，研究溫度對水分比（MR）、干燥速率（Vt）和顏色的影響。

（3）試樣干基含水率計算。

式中：Mt——試樣干燥至t時刻的含水率；

mt——試樣干燥至t時刻的質量，g；

ms——試樣干燥至絕干時的質量，g。

（4）試樣干燥速率計算。

式中：Δ t——干燥間隔時間，min。

（5） 試樣水分比（MR） 計算。

式中：M0——試樣的初始干基質含水量，g/g。

Me——試樣的平衡干基質含水量，g/g。

由于Me的值對Mt和M0二者來說是很小的，可以忽略不計[8]，因此上述試樣水分比可以記為[9]：

1.2.5 干燥動力學模型

根據國內外的相關研究[9]，對青蘿卜熱泵干燥過程的動力學模型進行研究。通過應用各種適用的干燥動力學模型，研究其干燥的機理。在青蘿卜熱泵干燥的動力學模型中，主要選用3個模型[10]。

模型名稱見表2。

表2 模型名稱

通過比較青蘿卜在不同厚度與不同溫度影響下的質量變化，研究采用Matlab對干燥過程中所測得的數據進行擬合，并得到R2，RMSE等數據進行比較，從而得出最適用于青蘿卜干制的最佳動力學模型。

2 結果與分析

2.1 護綠復合液熱燙對青蘿卜護綠效果的影響

2.1.1 護綠復合液熱燙對青蘿卜護綠效果的影響

按照表1配制護綠試劑對青蘿卜干制品進行燙漂處理。

青蘿卜干制品護綠復合液的正交試驗結果見表3。

表3 青蘿卜干制品護綠復合液的正交試驗結果

由表3可以得出，在護綠復合液中各試劑對于青蘿卜干制品顏色的影響順序為硫酸銅＞乙酸鋅＞氯化鈣。護綠復合液的最佳試劑配比為A4B2C2，即硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。由于最佳試劑配比不在正交表試驗組中，故進行驗證試驗。

2.1.2 驗證試驗

將護綠復合液配成硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。具體試驗步驟為上述1.2中試驗方法，測定色差取平均值。

試驗得到色差儀測定-a平均值為3.48。根據青蘿卜干制品護綠復合液的正交試驗結果表對比可知，驗證結果為-a值最大，護綠效果最佳，護綠復合液的最佳試劑配比為A4B2C2，即硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。將此液體加熱至沸騰后青蘿卜燙漂90 s即可得到護綠效果最佳的青蘿卜干制品。

2.2 厚度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響結果分析

2.2.1 厚度對青蘿卜水分比的影響

通過對青蘿卜水分比（MR） 的計算，用Origin 8.0軟件繪圖。

不同厚度的青蘿卜水分比變化見圖1。

圖1 不同厚度的青蘿卜水分比變化

由圖1可看出，厚度越大，其水分比下降速率相對越小。根據該圖可看出4 mm的青蘿卜水分比下降最快，在較短時間內達到最小水分比。根據市場調查發現，大部分消費者偏愛于4 mm厚的青蘿卜干制品，外觀佳，便于家庭的加工食用。對于工廠，該厚度的干制品在同等溫度下，干制速率最快，耗能最少[11]，便于后續的加工。因此，4 mm厚度的青蘿卜干制品最佳。

2.2.2 厚度對青蘿卜干燥速率的影響

通過計算青蘿卜的干燥速率Vt，得到在一定溫度下干燥時不同厚度的青蘿卜的干燥速率曲線。

58℃時不同厚度青蘿卜干燥速率曲線見圖2。

圖2 58℃時不同厚度青蘿卜干燥速率曲線

以在58℃下熱泵干燥為例，從圖2中可知，當干燥溫度為58℃時，其干制速率與切片厚度有關系，隨著厚度的增加，整體干燥速率呈逐漸遞減的趨勢。當切片厚度為4 mm時，干制速率達到最大值，干燥最快。10 mm青蘿卜片在干燥過程中，有一段先上升后下降的趨勢，主要是因熱泵內部干制溫度不完全一致，與擺盤擺放位置有關。經試驗得知，若繼續降低青蘿卜切片厚度，得到的干制品外觀差，且若工廠化規模生產會使利潤降低。經重復試驗證明結果一致。擺盤越靠近熱泵風口端，青蘿卜的干燥速率有些許波動，但試驗的最終干燥速率趨勢一致。試驗中分析得到4 mm青蘿卜片可在3 h內達到干制品狀態，隨著切片厚度的增加，干燥到干制品狀態所需的時間也越長。由于4 mm青蘿卜片較薄，相對其他試驗組有比表面積大的優勢。故接觸面積大，在同等溫度下，可最快地使蘿卜片成為干制品狀態。試驗中，當切片厚度為8 mm和10 mm時，干燥到其干制品狀態所需時間最長，為4.5 h。4 mm的青蘿卜片含水量最低，干制效果最好。從圖2中曲線波動狀態也可看出干燥速率大致呈一個先上升后緩慢下降的趨勢。

2.3 溫度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響結果分析

2.3.1 溫度對青蘿卜水分比的影響

通過對青蘿卜水分比（MR）的計算，得到結果。

不同溫度下青蘿卜水分比變化曲線見圖3。

圖3 不同溫度下青蘿卜水分比變化曲線

從圖3中可以看出，青蘿卜水分比與溫度之間有直接的聯系。當溫度越低時，水分比下降得越慢，所需的干燥時間越長；當溫度越高時，水分比下降速率越快，所需時間越小。

2.3.2 溫度對青蘿卜干燥速率的影響

在不同溫度下4 mm厚度青蘿卜干燥速率變化曲線見圖4。

圖4在不同溫度下4 mm厚度青蘿卜干燥速率變化曲線

由圖4的曲線可以看出，對于同一個厚度的青蘿卜片，在開始的一段時間內，熱泵干燥溫度越高，青蘿卜片干燥速率越快，干燥速率的變化率也越快。一段時間后，干燥速率達到最大值并且趨于變化平緩，進入恒速干燥階段。最后，其水分降低到一個較低的水平，由開始的外部蒸發到內部擴散的狀態，故其總體速率會有很大水平的降低，并且各個溫度之間的變化差異很小。

在4種溫度條件下，溫度為65℃時青蘿卜干燥速率最快，隨著溫度的下降，青蘿卜干燥速率也下降；而溫度為44℃時，青蘿卜的干燥速率最低。根據國內外[1]的調查，若溫度上升，則會使青蘿卜干制品的淀粉酶因為溫度過高而被破壞，同時，熱泵機器的耗能增加。綜上所述，在44～65℃時，溫度越高，其干制速率越快。

2.4 青蘿卜熱泵干燥動力學模型

用Matlab軟件進行MR數據的擬合，得到擬合結果。

模型及其擬合結果見表4。

表4 模型及其擬合結果

由表4可知，Page模型和Modified Page模型兩者的擬合程度相似，每組數據擬合后的R2均高于0.990 0，而應用Logarithmic模型進行擬合，個別數據的R2低于0.990 0。從RMSE值判斷擬合度，Page模型的RMSE值在三者中最小，說明Page模型擬合程度最高。故可知Page模型適應于青蘿卜熱泵干燥過程，可看成是青蘿卜干燥的動力學模型。

2.5 模型的驗證

為驗證Page模型的正確性，故選用一組數據試驗值與該模型的理論值進行比較[12]。選取65℃，10 mm青蘿卜干制品進行分析。通過它們之間的差異大小來得出模型是否合適。

Page模型驗證曲線見圖5。

圖5 Page模型驗證曲線

由圖5分析可知，試驗值與擬合曲線的偏差程度極小，基本符合曲線特征。根據Matlab運算得知偏差僅為0.020 58，因此可以用Page模型作為青蘿卜熱泵干燥動力學模型。

2.6 青蘿卜色澤的分析

通過對經過不同溫度干燥的不同厚度青蘿卜片的色差測定，確定各處理組的色差值。

各處理組的色差值見表5。

表5 各處理組色差值

從表5可以看出，熱泵干燥的溫度和青蘿卜片的厚度對于青蘿卜顏色的變化程度有一定影響。當青蘿卜片厚度為4 mm和6 mm時，在44～51℃內，-a值逐漸增大，顏色越不容易喪失，保存的綠色就越多，護綠效果越好；當溫度超過51℃時，-a值下降，護綠效果差。因4 mm與6 mm相對較薄，比表面積大，溫度超過51℃時，顏色損失較大。當青蘿卜片厚度為8 mm與10 mm時，在44～51℃內-a值逐漸增大，護色效果好；在溫度為51～65℃時，整體呈先下降后上升的趨勢；溫度趨近65℃時，由于青蘿卜切片較厚，內部水分蒸發緩慢，顏色保護佳，故其處于58～65℃時，護綠效果佳。同時可看出，當熱泵干燥的溫度為44～58℃時，青蘿卜片越薄，-a值越大，顏色變化越小，護綠效果越好。當溫度大于58℃時，8 mm的-a值最大，護綠效果佳。溫度越高，厚度薄的青蘿卜片綠色易損失，而10 mm試驗組由于厚度過厚，干制過程緩慢，變化較小。綜上可知，當溫度低于58℃時青蘿卜片厚度越薄，護綠效果越好；當溫度高于58℃時，在一定范圍內，厚度越大，護綠效果越好。在65℃時，8 mm青蘿卜干制品的值為5.37，是所有處理組中最高的。因此，若僅從護綠效果來看，65℃，8 mm組合護綠效果為最佳，但是綜合護綠效果、熱泵干燥特性等諸多方面來看，65℃，4 mm處理組為最佳組合。

3 結論

由上述試驗可以看出，青蘿卜熱泵干燥過程的水分比與干燥溫度、青蘿卜厚度緊密相關，干燥溫度越高，青蘿卜片越薄，水分比下降越快。在一定的溫度范圍內，隨著溫度的增加，其干燥的速率總體呈上升的趨勢。隨著其厚度的增加，干燥速率逐漸減慢。根據整體試驗所得數據，通過擬合方程得出青蘿卜熱泵干制過程的動力學模型符合Page模型。經過檢驗，該模型理論值與試驗值之間偏差很小，擬合程度高，因此它們之間吻合程度極高。綜合試驗結果，可得到最佳熱泵干燥技術參數為干燥溫度65℃，青蘿卜切片厚度4 mm。在護綠試驗中，通過正交試驗得出青蘿卜干燥過程的護綠措施最佳的組合為硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣250 mg/kg。