胡蘿卜熱泵干燥工藝優化

彭鈺航 王廣紅 孫飛雪 金聽祥

(鄭州輕工業大學能源與動力工程學院，河南 鄭州 450002)

胡蘿卜因其富含多種維生素、類胡蘿卜素、花青素、鈣、鐵等營養成分，兼具抗氧化、促進生長發育、保護視力、抗癌防癌、提高免疫、促消化等[1-2]功能，素有“小人參”之稱。中國是胡蘿卜種植大國，產量和出口量占全球40%，新鮮胡蘿卜含水量為86%～95%，容易腐爛。脫水加工是胡蘿卜的主要加工方式之一，加工后的產品不僅可以延長貨架期，方便運輸和貯藏，還能有效減少腐壞造成的資源浪費[3]。

熱泵干燥技術因具有操作簡單、高效節能、環境友好等優點，被廣泛應用于干燥領域。干燥工藝參數對熱泵干燥品質有較大影響[4]，同時也對節能降耗有影響。周韻等[5]使用響應面法研究了熱風微波耦合干燥工藝參數對胡蘿卜干燥速率和干燥品質的影響。畢金峰等[6]使用響應面法對胡蘿卜變溫壓差膨化干燥的工藝參數進行了優化。沈文龍等[7]通過響應面法得到了杏鮑菇的最佳熱泵干燥工藝為初始溫度50 ℃，溫度增量7 ℃，鋪料密度2.9 kg/m2。王安建等[8]使用響應面法對香菇熱泵干燥工藝進行了優化，優化結果為溫度54 ℃、風速3 m/s、裝載量1 176 g/m2。王梅等[9]使用響應面法優化了山藥脆片的干燥工藝，其最佳干燥工藝條件為切片厚度3.8 mm、燙漂時間4 min 20 s、干燥溫度60 ℃、干燥時間2.0 h。龍成樹等[10]建立了響應面法優化桑葉熱泵干燥速率模型，得到了最優的工藝參數為干燥溫度64.20 ℃、風速2.40 m/s、熱燙時間2.0 min、干燥耗時2.25 h。錢革蘭等[11]使用響應面法分析熱風微波耦合干燥胡蘿卜片的形變，得到最優參數為微波功率密度1.9 W/g，熱風溫度65 ℃，胡蘿卜片厚度5 mm，可使體積保留率提高10%。文章擬采用Box-Behnken設計，研究初始溫度、干燥溫升和切片厚度3個工藝參數對產品色差、復水比和β-胡蘿卜素含量的影響，確定最佳的干燥工藝參數，旨在為實際生產過程提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

采用同一批長度大致相同、直徑約4 cm、成熟適度未木質化、無病蟲無萎縮、無糠心、皮薄肉厚、顏色呈鮮紅色或橙色的新鮮胡蘿卜。

1.2 儀器與設備

空氣能熱泵箱式一體節能烘干機：CG-05HA型，循環系統為半開式，可根據需要調節不同階段的干燥溫度、相對濕度以及干燥時間，廣東創陸制冷科技有限公司；

質構儀：TA.TOUCH型，上海保圣實業發展有限公司；

高速多功能粉碎機：200T型，永康市鉑歐五金制品有限公司；

快速水分儀：FBS-750A型，廈門弗布斯檢測設備有限公司；

分光測色儀：YS3060型，深圳市三恩時科技有限公司；

玻璃砂芯過濾裝置：1 000 mL，鄭州利研儀器有限公司；

低溫恒溫槽：DC-3010型，溫度波動±0.5 ℃，江蘇天翎儀器有限公司；

多功能切菜機：QP-1102型，中山市百客思電器有限公司；

精密電子天平：ES500型，精度為0.001 g，天津市德安特傳感技術有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 熱泵干燥流程

新鮮胡蘿卜切片→稱重→開水熱燙3.5 min→冷水中冷卻，拭干水分→鋪放于篩盤上→熱泵干燥機干燥→每隔30 min測量胡蘿卜質量→干燥至樣品相鄰減重低于0.02 g/100 g→包裝貯藏

干燥過程分兩個階段，第一階段的溫度為初始溫度，物料在初始溫度下干燥至含水率25%～30%時進入第二階段，第二階段的溫度為初始溫度+溫升值。

1.3.2 響應面試驗 根據預試驗，確定以色差值、復水比、β-胡蘿卜素含量為響應值，初始溫度、干燥溫升及切片厚度為因素，建立三因素三水平的Box-Behnken中心組合試驗。

1.4 產品指標測定

1.4.1 色差 根據文獻[12]修改如下：使用測色儀進行測定，每種樣品取3次樣，每樣旋轉3次不同角度，結果取平均值。按式(1)計算色差值。

(1)

式中：

ΔE——色差值；

L*——亮度值，0～100；

a*——紅色度，-80～100；

b*——黃色度，-80～100。

1.4.2 復水比 分別取各組干燥成品2 g，放入250 mL燒杯中,用水量為200 mL，90 ℃水浴20 min，取出瀝水，擦干表面水分后稱重，按式(2)計算復水比。

(2)

其中：

Rf——復水比，g/g；

Gf——樣品復水后瀝干質量，g；

Gg——干制品試樣質量，g。

1.4.3β-胡蘿卜素含量 根據文獻[13-14]，按式(3)計算β-胡蘿卜素含量。

(3)

式中：

N——β-胡蘿卜素含量，mg/g；

x——利用標準曲線求得的β-胡蘿卜素含量，mg/mL；

m——胡蘿卜粉質量，g；

k——干基水分含量，%。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗結果及數據分析

2.1.1 響應面試驗結果 在前期預試驗的基礎上，以色差值、復水比、β-胡蘿卜素含量為響應值，以初始溫度、干燥溫升、切片厚度為自變量，建立三因素三水平中心組合試驗設計，因素水平表見表1，試驗設計與結果見表2。

表1 試驗因素與水平表

表2 試驗設計及結果

2.1.2 回歸方程擬合及方差分析 采用Design-Expert 10.0統計軟件對所得數據進行回歸分析，得到回歸方程為：

(4)

(5)

(6)

由表3可知，回歸方程的模型決定系數均>0.8，說明干燥初始溫度、干燥溫升和切片厚度對胡蘿卜干制品影響顯著，校正系數均>0.7，說明模型的擬合度較好，可以反映響應面曲線的變化趨勢，能較好地預測胡蘿卜的熱泵干燥過程。離散系數都較小，說明干燥試驗具有較好的精確性和可靠性。干燥溫升對胡蘿卜干燥后的色差及復水比影響較大，可能是因為第二階段溫度過高使胡蘿卜切片的表面細胞發生不可逆轉變化，顏色變深，細胞滲透性減小。初始溫度對β-胡蘿卜素含量影響較大，可能是因為β-胡蘿卜素在干燥初期較容易流失，合適的初始溫度更容易保留β-胡蘿卜素。

表3 方差分析?

2.1.3 響應面圖分析 由圖1可知，色差值隨初始溫度的升高呈先降低再升高的趨勢，當初始溫度為54～56 ℃時，色差值最低；隨著干燥溫升的增大，色差值先降低后升高，當干燥溫升為9～11 ℃時，色差值最低；切片厚度對色差值的影響不顯著。熱泵干燥過程中，由于干燥時間長，溫度過高，易使蔬菜中的色素物質和營養物質加速氧化降解[15]。由于胡蘿卜是熱敏性根菜類蔬菜，在干燥過程中會發生褐變，初始溫度對酶促褐變和非酶促褐變均有較大影響，當初始溫度為54～56 ℃時，酶促褐變和非酶促褐變的現象減少，干制品的色澤變化小[3]。

圖1 各因素交互作用對胡蘿卜色差影響的響應面圖

由圖2可知，切片厚度一定時，復水比隨初始溫度的升高呈先升高再降低的趨勢，當初始溫度為54～56 ℃時，復水比最高。這是因為隨著初始溫度的升高，胡蘿卜組織結構易出現多孔疏松狀態，體積逐漸膨化，導致復水過程中吸水量增加，復水終點時水分含量值變大，復水比增加。初始溫度不斷升高后，胡蘿卜片內部毛細管與細胞的萎縮變形增大，初始溫度對物料組織結構的破壞作用增加，復水難度增加，導致復水比減小[16]。隨著干燥溫升的增大，復水比先升高再降低，當干燥溫升為9～11 ℃時，復水比最高。隨著切片厚度的增加，復水比逐漸減小。因此干燥溫升對復水比的影響最為顯著，其次為初始溫度。

圖2 各因素交互作用對胡蘿卜復水比影響的響應面圖

由圖3可知，β-胡蘿卜素含量隨初始溫度的升高而緩慢升高；隨著干燥溫升的增大，β-胡蘿卜素含量無顯著變化；隨著切片厚度的增加，β-胡蘿卜素含量先升高后降低，當切片厚度為3.5～4.0 mm時，β-胡蘿卜素含量最高，切片厚度對β-胡蘿卜素含量影響最為顯著。

圖3 各因素交互作用對β-胡蘿卜素含量影響的響應面圖

綜上，當初始干燥溫度為54～56 ℃，干燥溫升為9～11 ℃，切片厚度為3.5～4.0 mm時，胡蘿卜干制品的色差CV色差=4.47%，CV復水比=5.64%，CVβ-胡蘿卜素含量=11.85%。值最小，復水比最高，β-胡蘿卜素含量最高。

2.2 驗證實驗

用Design-Expert 10.0軟件對回歸方程求解，得到胡蘿卜熱泵干燥的最優工藝參數為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下理論預測的胡蘿卜色差值為9.759，復水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。結合實際將干燥條件調整為初始溫度54 ℃，干燥溫升9.3 ℃，切片厚度(3.8±0.1) mm，在此條件下進行3次平行驗證實驗，實測胡蘿卜色差值為9.616±0.2，復水比為6.251±0.1，β-胡蘿卜素含量為(33.527±0.500) mg/100 g，與理論預測值相比，相對誤差分別為1.465%，0.877%，2.475%，說明可以利用響應面對胡蘿卜熱泵干燥工藝進行預測與分析。

3 結論

采用響應面法，研究了初始溫度、干燥溫升和切片厚度對胡蘿卜干燥產品色差、復水比和β-胡蘿卜素含量的影響。結果表明：初始溫度是影響色差值的顯著因素，干燥溫升和切片厚度是次顯著因素；干燥溫升是影響復水比的顯著因素，初始溫度和切片厚度是次顯著因素；切片厚度是影響β-胡蘿卜素含量的顯著因素，初始溫度和干燥溫升是次顯著因素。胡蘿卜熱泵干燥的最佳工藝為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下胡蘿卜色差值為9.759，復水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。后續可在不同的階段改變不同的相對濕度或將干燥分成更多的階段，更進一步細化參數，在保證干燥品質的同時最大限度降低能耗。