黑皮冬瓜分段式變溫熱泵干燥工藝研究

黃 皓，胡 珊，羅華建，梁衛驅，陳仕麗，徐 匆

（東莞市農業科學研究中心，廣東 東莞 523000）

冬瓜又名枕瓜，果實中富含VC、煙酸、胡蘿卜素、膳食纖維、鉀鈣磷等多種維生素和礦物質，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，是廣東的特色名優蔬菜，目前以鮮食為主。冬瓜含水量高，常溫下放置易腐敗變質，瓜農為延長其保質期的同時提高其售價，將冬瓜晾曬制干，但晾曬對天氣條件要求高，干燥效率低，且室外的環境衛生條件會大大影響瓜干的品質。因此，亟需一種高效節能、清潔環保的瓜干加工方式。

目前有關冬瓜干燥工藝的報道中采用的主要是傳統的電熱方式，能耗較高[2-4]。干燥屬于能源密集工業領域，提高1%的能源效率，就可能帶來10%的利潤提升[5]。近年來，熱泵干燥技術在干燥產業上得到了廣泛的應用和發展，具有節能環保、易于放大等優點，已應用于荔枝[6]、龍眼[7]、香蕉[8]等廣東特色農產品的干制加工過程。在前期研究的基礎上應用熱泵批量恒溫干燥冬瓜的過程中，發現干燥前期由于瓜肉水分含量高，設備排濕頻繁，會造成烘房內溫度的大幅波動，這不僅減少了冬瓜在設定溫度下的有效干燥時間，還會增加干燥能耗[9]。另外，在農產品的干燥過程中，采用低溫恒溫干燥會降低干燥效率，高溫恒溫干燥會導致物料表面硬化或局部過熱而降低產品質量[10]。因此，變溫干燥是在不增加設備成本的前提下解決這些問題的最好方法，其中分段式變溫干燥方式是目前應用最多的變溫干燥方式之一，在枸杞[11]、銀耳[12]、圣女果[13]、荸薺[14]等農產品的干燥加工中均有應用，但有關冬瓜分段式變溫干燥工藝的研究還未見報道。

本文旨在獲得一套適用于黑皮冬瓜的變溫熱泵干制工藝，以在提升瓜干品質的同時降低干制能耗，該研究結果可為黑皮冬瓜及其他農產品的規模化干制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

市售無病蟲害、無機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產品；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產品。

1.1.2 儀器與設備

LAD-050FCI 型空氣能熱泵烘干系統（工作溫度：25～70 ℃，循環風速：0～2.0 m/s；濕度控制：可根據設定值自動排濕；烘房尺寸：長×寬×高＝2.4 m×2.5 m×2.3 m；系統配有兩套制熱量相同的加熱裝置，分別為熱泵加熱裝置及傳統的電熱裝置，可通過開關切換），CR-10 型色差計，HWS-26 型電熱恒溫水浴鍋，STX1202ZH 型電子天平，AWH (SA)15KG 型電子稱，DHG-9243BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風干燥箱，XL-75 型切片機。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

新鮮冬瓜→去皮、去籽→切片→稱重→均勻擺盤→干燥→瓜干（品質指標測定）

1.2.2 操作要點

熱泵烘房內可放置4 臺烘干推車，每臺車有12層物料架，每層可擺放2 個物料盤，4 臺車滿載約可承載50 kg 鮮冬瓜片。干燥過程中每小時分別從4 臺車的上中下層的物料盤中取樣測含水率，當冬瓜含水率降至6%以下時結束干燥。

1.2.3 相對濕度對黑皮冬瓜熱泵干燥過程的影響

干燥工藝參數中的溫度、循環風速和切片厚度參考前期研究結果[9]，分別設定為60 ℃、1.5 m/s 和6 mm，相對濕度分別設定為 70%、60%、50%、40%、30%，每個濕度條件重復試驗3 次，根據試驗結果確定黑皮冬瓜干燥過程中的最適相對濕度以及在最適濕度條件下，由于排濕所造成的烘房內溫度波動的最低值。

1.2.4 黑皮冬瓜分段式變溫熱泵干燥工藝研究

干燥產品的質量是食品干燥的關鍵因素之一[10]，根據前期研究結果[9]，當干燥溫度超過60 ℃時，瓜干的各項品質指標均顯著降低，因此選擇變溫干燥工藝中溫度的上限為60 ℃，將最適濕度條件下，由于排濕所造成的溫度波動的最低值設為變溫工藝中溫度的下限，再將干燥前期溫度波動較大的階段進行分段，具體工藝方案見表1，其中變溫工藝Ⅰ與Ⅱ的溫度梯度為10 ℃，變溫工藝Ⅲ與Ⅳ的溫度梯度為5 ℃，每種工藝重復試驗3 次，采用綜合加權評分法確定黑皮冬瓜的最適變溫熱泵干燥工藝。

1.2.5 不同干燥方式對黑皮冬瓜干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響

利用設備自帶的加熱方式切換功能，分別采用熱泵與傳統的電熱方式干燥冬瓜片，比較不同干燥方式對冬瓜的干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響，以確定熱泵干燥相對于電熱干燥，以及熱泵變溫干燥相對于熱泵恒溫干燥在瓜干品質及能源效率上的提升效果。具體試驗方案見表2，每種干燥方式重復試驗3 次。

表1 黑皮冬瓜分段式變溫熱泵干燥工藝Table 1 Segmented variable temperature drying technique by heat pump of wax gourd

表2 黑皮冬瓜在不同干燥方式下的試驗方案Table 2 Tests design of black wax gourd in different drying mode

1.2.6 測定項目與方法

1.2.6.1 干燥過程曲線指標的測定

（1）濕基含水率

瓜片濕基含水率采用直接干燥法測定[15]，計算公式為：

式（1）中：M為瓜片濕基含水率，%；m為瓜片質量，kg；md為瓜片中干物質的質量，kg。

（2）干基含水率

干基含水率表示物料中1 份干物質所含水分的份數，計算公式為：

式（2）中：G為干基含水率，kg/kg；m為測定時瓜片質量，kg；md為干燥結束時瓜片中干物質的質量，kg。

（3）干燥速率[16]

干燥速率表示物料脫水速度的快慢，計算公式為：

式（3）中：DR為干燥速率，kg/（kg·h）；Gt為t時刻瓜片的干基含水率，kg/kg；Gt+△t為t+△t時刻瓜片的干基含水率，kg/kg。

1.2.6.2 干燥率[17]

干燥率是指制備1 份干品所需要的新鮮原料的份數，計算公式為：

式（4）中：D為干燥率；M1為新鮮瓜片的濕基含水率，%；M2為瓜干的濕基含水率，%。

1.2.6.3 色澤[2]

利用色差計，依據CIELAB 表色系統測定瓜干的明度指數L，L=0 表示黑色，L=100 表示白色，瓜干L值越大，色澤越好。

1.2.6.4 復水比[2]

復水方法：稱取適量瓜干放入裝有60 ℃蒸餾水的燒杯中，將燒杯置于60 ℃恒溫水浴鍋中，復水1 h后取出，瀝干3 min 后稱量。復水比計算公式為：

式（5）中：Rf為復水比；m1為瓜干的質量，g；m2為瓜干復水后的質量，g。

1.2.6.5 VC 含量

采用2,6-二氯靛酚滴定法測定樣品的VC 含量[18]。

VC 保留率計算公式為：

式（6）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。

1.2.6.6 能耗

測量一個干燥周期內設備所消耗的電量，再根據鮮瓜片的質量計算出將單位質量的鮮瓜片干燥成瓜干所消耗的電量。計算公式如下：

式（7）中：N為干燥能耗，kW·h·kg-1；E為 1 個干燥周期內設備耗電度數，kW·h；m為鮮瓜片總質量，kg。

1.2.6.7 綜合加權評分法[19]

在變溫干燥工藝的研究中，對明度指數、復水比、VC 保留率、能耗及干燥耗時這5 項指標進行綜合加權評分，確定最佳變溫工藝。采用專家賦權法確定各指標的權重，以滿分100 分計，明度指數權重分值為20 分，復水比權重分值為15 分，VC 保留率權重分值為20 分，能耗權重分值為30 分，干燥耗時權重分值為15 分。由于明度指數、復水比、VC 保留率值越大越好，而能耗與干燥耗時值越小越好，所以能耗與干燥耗時得分計算公式為式（8），其他指標得分計算公式為式（9），綜合得分為各指標加權得分之和。

式中：Yi為指標加權得分；a為指標權重分值；Wi為指標實際試驗結果；W0為指標最佳試驗結果，其中明度指數、復水比、VC 保留率以變溫干燥試驗中的最大值為最佳值，能耗及干燥耗時以變溫干燥試驗中的最小值為最佳值。

1.2.7 數據處理

采用Origin 8.0 繪制干燥過程曲線圖，使用SPSS Statistics 17.0 軟件對瓜干品質指標及干燥能耗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 相對濕度對黑皮冬瓜熱泵干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響

將新鮮冬瓜切成厚度為6 mm 的瓜片，分別在相對濕度為 70%、60%、50%、40%、30%，溫度 60 ℃和風速1.5 m/s 的條件下進行干燥，冬瓜的干燥過程曲線見圖1，瓜干品質指標及干燥能耗結果見表3。

由圖1A 可看出，相對濕度設定的過高或過低，都會延長干燥時間。因為相對濕度設定過高，干燥前期排濕量不足，降低了干燥效率；相對濕度設定過低，干燥前期的過度排濕會帶走大量熱量，使烘房內溫度長時間達不到設定值，同樣會降低干燥效率。排濕濕度設定為40%或50%時干燥耗時相對較短，為10 h。由圖1B 也可看出，相對濕度設定為40%或50%時，干燥前期的干燥速率相對較快。

從表3 數據的統計分析結果可知，相對濕度對瓜干的復水比無顯著影響，但對瓜干的色澤、VC 保留率及干燥能耗均有顯著影響（P＜0.05）。明度指數的結果顯示，相對濕度設定得越低，瓜干的色澤越好，30%與40%相對濕度條件下干燥的瓜干色澤最好。VC 保留率的結果顯示：隨著濕度設定值的降低，VC 保留率有一個先升后降的趨勢，相對濕度為50%時，瓜干的VC 保留率最高。究其原因主要是相對濕度設定過高會延長干燥時間，增加瓜肉內VC 的氧化；相對濕度

設定過低，機器的過度排濕會增加烘房內的新鮮空氣的含量進而加速VC 氧化。能耗的結果顯示：相對濕度設定為40%和50%時，干燥能耗相對最低；設定為30%時，干燥能耗最大，說明適當降低濕度可加快干燥速度，縮短干燥時間，進而降低能耗，但相對濕度設定過低反而會造成前期過度排濕，增加能耗。因此，綜合考慮干燥速度、瓜干品質及干燥能耗，選擇在40%與50%這兩種相對濕度條件下進行變溫干燥工藝的研究。

2.2 變溫干燥工藝對黑皮冬瓜熱泵干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響

在相對濕度試驗過程中發現：相對濕度設定為40%時，前期因排濕造成的溫度波動最低值約為40 ℃；相對濕度設定為50%時，前期因排濕造成的溫度波動最低值約為50 ℃；隨著烘干過程的進行，瓜肉內水分不斷蒸發，到中后期排濕頻率逐漸降低，烘房內溫度基本穩定在設定值60 ℃左右。根據干燥前期溫度的波動情況設計了如表1 中的4 種變溫工藝，將黑皮冬瓜分別在變溫工藝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的條件下進行干燥。冬瓜干燥過程曲線見圖2，瓜干品質指標及干燥能耗結果見表4。

表4 不同變溫工藝對瓜干品質及干燥能耗的影響Table 4 Effects of different variable temperature drying processes on the quality of dried wax gourd and energy consumption of drying processes

由圖2A 可看出，不同變溫工藝的干燥耗時相差不大。由圖2B 也可看出，干燥前期不同工藝的干燥速率差異不大，其中工藝Ⅲ的干燥速率相對較快，干燥耗時相對最短，為10 h，其他工藝的干燥耗時均為11 h。

由表4 數據的統計分析結果可知，不同變溫工藝對瓜干的復水比無顯著影響，但對瓜干的色澤、VC 保留率及干燥能耗均有顯著影響（P＜0.05），其中采用工藝Ⅰ與Ⅲ干燥的瓜干色澤最好，工藝Ⅲ耗時最短，采用工藝Ⅱ干燥的瓜干VC 保留率最高，且能耗最低。綜合考慮干燥速度、瓜干品質及干燥能耗，采用加權評分法對各工藝進行綜合評分，變溫工藝Ⅱ的綜合得分最高為97.82 分。因此，選定工藝Ⅱ為冬瓜的最佳變溫熱泵干燥工藝。

2.3 不同干燥方式對黑皮冬瓜干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響

將新鮮冬瓜分別以表2 中不同的干燥方式進行干燥。冬瓜干燥過程曲線見圖3，瓜干品質指標及干燥能耗結果見表5。

由圖3A 可看出，方式1（電熱恒溫）與方式3（熱泵恒溫）的干燥耗時較方式2（電熱變溫）與方式4（熱泵變溫）的干燥耗時短1 h，即恒溫干燥相對于變溫干燥耗時短1 h。由圖3B 也可看出，在干燥前期，方式1與方式3 的干燥速率快于方式2 與方式4。

表5 不同干燥方式對瓜干品質及干燥能耗的影響Table 5 Effects of different drying mode on the quality of dried wax gourd and energy consumption of drying processes

由表5 數據的統計分析結果可知，不同干燥方式對瓜干的復水比無顯著影響，但對瓜干的色澤、VC 保留率及干燥能耗均有顯著影響（P＜0.05）。明度指數的結果顯示，熱泵干燥的瓜干在色澤上優于電熱干燥的瓜干，在同熱源條件下恒溫與變溫方式干燥的瓜干色澤差異不顯著。VC 保留率的結果顯示，熱泵干燥的瓜干在營養保留方面優于電熱干燥的瓜干，在同熱源條件下變溫干燥瓜干的營養保留率顯著高于恒溫干燥的瓜干（P＜0.05）。能耗結果顯示，熱泵干燥方式較電熱干燥方式能耗顯著降低（P＜0.05），其中熱泵恒溫干燥較電熱恒溫干燥節能38.93%，在同熱源條件下變溫干燥能耗顯著低于恒溫干燥的能耗（P＜0.05）。其中，熱泵變溫干燥較熱泵恒溫干燥節能11.25%。

3 結論

（1）通過研究濕度對黑皮冬瓜熱泵干燥過程、瓜干品質及干燥能耗的影響發現，相對濕度對干燥速率、瓜干品質及干燥能耗均有顯著影響（P＜0.05），適宜的相對濕度可以加快干燥速率，并在提升瓜干色澤及VC 保留率的同時降低干燥能耗。試驗結果表明，最適的干燥相對濕度為40%和50%。

（2）恒溫干燥前期溫度的大幅波動使得瓜片在設定溫度下的有效干燥時間大大縮短，同時也增加了溫度回升到設定值所需的能耗。因此，采用分段式變溫干燥方式，可減少干燥前期的溫度波動，使水分的蒸發速度與排濕頻率相適應。研究中根據恒溫干燥前期溫度的波動情況設計的4 種分段式變溫干燥工藝在冬瓜干制方面的優勢各不相同，采用綜合加權評分法得出最佳的分段式變溫工藝為：溫度50 ℃（5 h）-60 ℃(至結束)，相對濕度50%，循環風速1.5 m/s，瓜片厚度6 mm。

（3）將電熱恒溫與變溫、熱泵恒溫與變溫4 種不同干燥方式進行比較，結果表明：熱泵干制的瓜干在品質上顯著優于電熱干制的瓜干（P＜0.05），熱泵恒溫干燥較電熱恒溫干燥節能38.93%，熱泵分段式變溫干燥又可在進一步提升瓜干品質的同時較熱泵恒溫干燥節能11.25%。因此，相對于恒溫干燥及傳統的電熱干燥，分段式變溫熱泵干燥是一種更能提升干品品質及節省能耗的干燥工藝。