西洋菜熱泵干燥特性試驗(yàn)研究

張艷來(lái)，龍成樹(shù)，尹凱丹，龔麗，劉清化，李秀平

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004，2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630，3.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510507）

西洋菜熱泵干燥特性試驗(yàn)研究

張艷來(lái)1,2，龍成樹(shù)1,2，尹凱丹3，龔麗2，劉清化2，李秀平3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004，2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630，3.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510507）

在熱泵干燥下，采用正交試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究溫度、風(fēng)速、熱燙時(shí)間對(duì)西洋菜干燥特性影響。結(jié)果表明，沸水中熱燙約3.3 min，熱風(fēng)溫度為50℃，風(fēng)速為2.88 m·s-1條件下，在干燥室中干燥2～3 h后，西洋菜能達(dá)到理想干燥效果（含水率約為8%），干燥后的物料顏色變成深綠色，有較濃郁香氣，所得干燥工藝對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

西洋菜；熱泵；干燥特性；響應(yīng)面

西洋菜（Nasturtium officinale），又名豆瓣菜、水芹菜、水田芥，是十字花科多年生蔬菜[1]。我國(guó)種植區(qū)域主要分布兩廣、臺(tái)灣、上海等地[2]，歐洲國(guó)家廣泛種植和食用[3-4]。西洋菜有很高藥用價(jià)值[4-7]。西洋菜收獲期在5～7月份，可食用周期短，化學(xué)藥劑保鮮僅有短時(shí)間保鮮效果，且會(huì)影響其藥用性[8]。西洋菜脫水干燥工藝研究有重要意義。國(guó)內(nèi)干燥脫水蔬菜加工大多采用傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥，干燥速度較慢、加熱溫度高、能耗大且對(duì)蔬菜營(yíng)養(yǎng)成分、色澤、風(fēng)味影響大[9-11]。熱泵干燥是高效節(jié)能的溫和干燥方法，接近自然干燥[12]。呂金虎、張海紅等為降低能耗，提高干燥效率，縮短生產(chǎn)周期，使用自制熱泵干燥甘藍(lán)，節(jié)能可達(dá)40%～50%[11，13]。趙海波等研究白菜種子熱泵干燥工藝，相比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥節(jié)能近50%，且白菜種子發(fā)芽率提高[14]。李媛媛等采用熱泵對(duì)油豆角干燥特性開(kāi)展研究，獲得優(yōu)化工藝參數(shù)[15]。潘年龍等改進(jìn)干制黃花菜傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，相比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥產(chǎn)品感官品質(zhì)良好，有黃花菜固有香味，無(wú)異味[16]。隨著熱泵干燥技術(shù)完善，脫水蔬菜應(yīng)用增多[17]。

西洋菜功能成分分析及種植技術(shù)研究較多，但干燥工藝研究較少。本試驗(yàn)應(yīng)用熱泵干燥裝置[18]，研究熱燙時(shí)間、溫度、風(fēng)速對(duì)西洋菜干燥特性影響，得到西洋菜干燥工藝，可指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)，為干燥設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

西洋菜購(gòu)于廣東省陽(yáng)山縣大崀村西洋菜種植基地，試驗(yàn)前，先清理雜質(zhì)、敗葉，然后常溫（25℃）洗滌，去除表面水分后測(cè)得含水率為94%± 1%。

1.2 設(shè)備

熱泵干燥試驗(yàn)裝置由廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所自制，主要參數(shù)：溫度為35～65℃，風(fēng)速為1.0～3.0 m·s-1，相對(duì)濕度（RH）為45%～90%。熱泵本質(zhì)上是一種熱能品質(zhì)提升裝置，即一種利用高位能使熱量從低位熱源轉(zhuǎn)為高位熱源的裝置[19]。其工作原理與制冷機(jī)相同，依照逆卡諾循環(huán)原理工作，不同的主要是工作溫度范圍的差別。

儀器：DC-P3型全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)，北京維欣儀奧科技有限公司；賽多利斯水分測(cè)定儀，MA150，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；KANOMAX風(fēng)速測(cè)定儀，KA32L型，沈陽(yáng)加野科學(xué)儀器公司；FA/JA系列上皿電子天平，上海天平儀器廠；W201D恒溫水浴鍋，上海申順生物科技有限公司等。

1.3 方法

西洋菜熱泵干燥工藝流程為：新鮮西洋菜→洗滌、除雜、過(guò)濾→去除表面水分→測(cè)出原始參數(shù)→熱燙預(yù)處理→冷卻、過(guò)濾→裝盤(pán)、熱泵中干燥→干品基本參數(shù)測(cè)定。

1.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)材料前期處理采用簡(jiǎn)單熱燙，試驗(yàn)方法選用3個(gè)因素，即熱泵熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、熱燙時(shí)間的3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。依次用A、B、C表示，Ai（i=1，2，3）分別表示溫度為50、55、60℃；Bi（i=1，2，3）分別表示風(fēng)速為0.78、1.90、2.88 m·s-1；Ci（i=1，2，3）分別表示熱燙時(shí)間為2、4、6 min。正交試驗(yàn)如表1所示。由于考慮的只有3個(gè)因素，隨機(jī)選取正交表中3列，本試驗(yàn)選取1、2、4列，空列反應(yīng)交互作用重要性，空列數(shù)據(jù)數(shù)值越大，說(shuō)明交互作用明顯或者試驗(yàn)出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用中心復(fù)合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)選擇熱泵干燥裝置上邊界溫度，中心復(fù)合邊界設(shè)計(jì)中不允許超過(guò)溫度邊界，為保持序慣性，放棄中心復(fù)合邊界設(shè)計(jì)，選用中心復(fù)合表面設(shè)計(jì)。Minitab運(yùn)行參數(shù)：因子為3個(gè)，基礎(chǔ)次數(shù)為20次，基礎(chǔ)區(qū)組為1，Alpha值為1。干燥參數(shù)上下限：溫度為50和60℃；風(fēng)速為1和3 m·s-1；熱燙時(shí)間為2和6 min。

1.3.3 測(cè)定指標(biāo)方法

1.3.3.1 初始含水率測(cè)定

初始含水率是干燥過(guò)程中的重要參數(shù)，采用105℃烘箱測(cè)定法測(cè)定[20-22]。在試驗(yàn)時(shí)，首先去除清洗過(guò)程材料表面水分后，隨機(jī)選取樣品5 g，置于預(yù)熱10 min烘箱中烘干測(cè)定。

1.3.3.2 復(fù)水性測(cè)定

將西洋菜干品，取樣兩份（每份20 g），一份用賽多利斯水分測(cè)定儀MA150測(cè)定含水率；另一份置于400 mL、溫度為25℃水中，充分浸泡，每隔30 min撈出，去除表面水分后，稱其重量，至相鄰兩次稱量相差不足1 g，使西洋菜盡可能恢復(fù)到干制前狀態(tài)。得到的質(zhì)量與理論西洋菜絕干物料的質(zhì)量之比，即為所測(cè)值[23]。

1.3.3.3 干燥速率比例系數(shù)λ測(cè)定

定義：實(shí)際試驗(yàn)材料（即鮮物重）m理論干重G0（不含水分）與實(shí)際干制G（試驗(yàn)完含一定水分）之差，再與標(biāo)準(zhǔn)物重m0（取500 g）和實(shí)際試驗(yàn)材料（約500 g）之商求積。初始含水率為ξ。定義公式為：

式中，G0=m(1-ξ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由于試驗(yàn)過(guò)程中存在誤差，通過(guò)試驗(yàn)指標(biāo)的選取將不同試驗(yàn)組之間的差異求同，利于更客觀地比較干燥速率，而干燥試驗(yàn)的整體變化趨勢(shì)沒(méi)有改變。根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析如表1所示，極差RA＞RB＞RC，3個(gè)因素對(duì)干燥速率的影響主次順序依次為：溫度、風(fēng)速、熱燙時(shí)間。第3列極差值最小，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中交互作用不明顯，且干燥試驗(yàn)誤差較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

方差分析表2中，F(xiàn)A=21.52＞F0.01(2，4)，說(shuō)明因素A水平的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有高度顯著影響；F0.05(2，4)＜FB＜F0.01(2，4)，表明因素B水平的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響；因素C對(duì)干燥速率影響很小。方差分析與極差法分析結(jié)果相吻合，獲得最優(yōu)方案為A2B3C，即溫度為55℃，風(fēng)速為2.88 m·s-1，熱燙時(shí)間不確定。

表1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Orthogonal experimental data

表2 正交試驗(yàn)方差分析Table 2 Orthogonal analysis of variance

2.2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)結(jié)果分析

從表3可知，交互作用概率值為0.825，大于顯著水平0.05，可以判斷該效應(yīng)項(xiàng)不顯著。失擬項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P=0.331，同樣高出顯著水平，故原假設(shè)正確，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁淮嬖谑M現(xiàn)象。線性擬合的P= 0.005，小于顯著水平0.05，說(shuō)明西洋菜干燥試驗(yàn)過(guò)程中，溫度、風(fēng)速、熱燙時(shí)間與干燥速率呈線性關(guān)系可信度高。

殘差診斷，通過(guò)應(yīng)用Minitab軟件得到圖1～4。

殘差診斷目的是基于殘差的狀況診斷模型與數(shù)據(jù)擬合情況，間接反映試驗(yàn)的正確性。以觀測(cè)值順序?yàn)闄M軸的散點(diǎn)見(jiàn)圖1，各點(diǎn)隨機(jī)在水平軸上下無(wú)規(guī)則波動(dòng)；與擬合值圖，在以響應(yīng)變量擬合預(yù)測(cè)值為橫軸散點(diǎn)圖中未出現(xiàn)“漏斗型”或者“喇叭型”，說(shuō)明殘差保持等方差；正態(tài)概率圖和直方圖，概率圖中概率值集中分布在某個(gè)區(qū)段，且均勻分布在斜直線兩側(cè)，直方圖服從正態(tài)分布，說(shuō)明試驗(yàn)誤差小，試驗(yàn)結(jié)果可信。殘差對(duì)于各自變量為橫軸的散點(diǎn)圖，圖2～4未出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象，說(shuō)明交互作用不顯著與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果呼應(yīng)。

表3 干燥速率比例系數(shù)的方差分析Table 3 Analysis of variance of drying rate scale factor

圖1 干燥速率系數(shù)殘差Fig.1 Drying rate coefficient residual

圖2 殘差與風(fēng)速Fig.2 Residuals and wind speed

圖3 殘差與熱燙時(shí)間Fig.3 Residuals and blanching time

圖4 殘差與溫度Fig.4 Residuals and temperature

2.2.1 溫度、風(fēng)速、熱燙時(shí)間對(duì)西洋菜熱泵干燥速率影響

圖5～6表明，溫度和風(fēng)速對(duì)西洋菜干燥速率有影響，溫度不變，隨風(fēng)速?gòu)? m·s-1升至3 m·s-1，干燥速率比例系數(shù)不斷增大，干燥速率增大；風(fēng)速一定時(shí)，干燥速率隨溫度升高而減少，當(dāng)超過(guò)55℃時(shí)，變化很小，在溫度為50℃、風(fēng)速為2.75 m·s-1時(shí)干燥速率最大。干燥試驗(yàn)中，隨著溫度升高，單位體積干燥介質(zhì)（空氣）所含熱量越多，經(jīng)過(guò)濕物料傳遞的熱量越多。因而，蒸發(fā)速率快，干燥速率快。但干燥溫度過(guò)高，可能造成濕物料表面由于初期過(guò)快蒸發(fā)而結(jié)殼，不利于后期干燥，造成整體平均干燥速率下降，所以西洋菜干燥溫度不宜過(guò)高。風(fēng)速越大，干燥室內(nèi)高溫低濕空氣更新較快，干燥速率越快，但風(fēng)速大，風(fēng)機(jī)消耗功率也大。

在最佳風(fēng)速情形下干燥速率與溫度、熱燙時(shí)間的等值線圖和曲面圖見(jiàn)圖7～8。數(shù)據(jù)表明，風(fēng)速一定時(shí)，隨著溫度增大，熱燙對(duì)西洋菜干燥速率影響越顯著，但是在溫度為55℃后，熱燙時(shí)間對(duì)干燥速率無(wú)影響或者負(fù)影響。熱燙時(shí)間適當(dāng)，西洋菜組織細(xì)胞失水，細(xì)胞內(nèi)結(jié)合水含量減少，促進(jìn)西洋菜干燥，但是高干燥溫度，使干燥前期西洋菜表面組織細(xì)胞過(guò)分失水而結(jié)殼，阻礙內(nèi)部組織水分向外擴(kuò)散，平均干燥降水速率反而減少。因此，風(fēng)速和熱燙時(shí)間一定時(shí)，干燥速率隨溫度增加，表現(xiàn)為先增大后減少。在溫度為50℃時(shí)，熱燙時(shí)間約為3 min時(shí)最優(yōu)。

在最佳溫度下干燥速率與風(fēng)速、熱燙時(shí)間的等值線圖和曲面圖見(jiàn)圖9～10。從圖中可得出，溫度一定時(shí)，隨風(fēng)速變化，熱燙時(shí)間對(duì)干燥速率影響有變化。熱燙時(shí)間適當(dāng)能促進(jìn)干燥速率增加。主要是因?yàn)檫m當(dāng)熱燙時(shí)間，使西洋菜細(xì)胞內(nèi)部結(jié)合水分，轉(zhuǎn)移到組織細(xì)胞間，促使西洋菜脫水速率更快。在風(fēng)速為1.5～2.75 m·s-1，熱燙時(shí)間約為3 min時(shí)得到最優(yōu)值。

嶺北鎮(zhèn)是個(gè)狹窄的山里小鎮(zhèn)。整個(gè)鎮(zhèn)就只有狹長(zhǎng)的一條鞋帶一樣的路，我們嶺北周村就在鞋帶的中央。這條扭來(lái)曲去的鞋帶一頭通向金華，一頭撲向紹興。麻糍就是扯著這根鞋帶出門(mén)。

綜上所述，溫度和風(fēng)速對(duì)熱泵干燥西洋菜干燥速率影響較大，適當(dāng)熱燙時(shí)間能促進(jìn)干燥速率增大。通過(guò)分析數(shù)據(jù)得到，熱泵干燥西洋菜的理想?yún)?shù)：溫度約50℃，風(fēng)速約2.75 m·s-1，熱燙時(shí)間約3 min。

2.2.2 最優(yōu)化曲線圖與回歸方程

結(jié)合上述響應(yīng)面試驗(yàn)分析結(jié)果，應(yīng)用Minitab軟件計(jì)算機(jī)優(yōu)化器，可獲得最優(yōu)解，最優(yōu)化參數(shù)。由圖11可知，最優(yōu)解為6.54，最優(yōu)干燥參數(shù)為溫度取50℃，風(fēng)速取2.88 m·s-1，熱燙時(shí)間取3.3 min。

圖5 干燥速率與溫度，風(fēng)速等值線Fig.5 Isogram of drying rate and temperature,wind speed

圖6 干燥速率與溫度，風(fēng)速曲面Fig.6 Surface of drying rate and temperature,windspeed

圖7 干燥速率與溫度、熱燙時(shí)間等值線Fig.7 Isogram of drying rate and temperature,blanching time

圖8 干燥速率與溫度、熱燙時(shí)間曲面Fig.8 Surface of drying rate and temperature,blanching time

圖9 干燥速率與風(fēng)速、熱燙時(shí)間等值線Fig.9 Isogram of drying rate and wind speed,blanching time

圖10 干燥速率與風(fēng)速、熱燙時(shí)間曲面Fig.1 0Surface of drying rate and wind speed, blanching time Contour map

圖11 參數(shù)最優(yōu)化曲線Fig.11 Parameter optimization curve

在3因素間的交互作用從響應(yīng)面分析中剔除后，得到的模型中，雖模型項(xiàng)缺少使殘差平方和指標(biāo)降低，但調(diào)整殘差平方和指標(biāo)明顯有所提高。而且刪除后的回歸P=0.001值變得更小，說(shuō)明回歸效果更好。應(yīng)用Minitab回歸分析得到3因素回歸方程：

通過(guò)得到的回歸方程（2），可得到各試驗(yàn)指標(biāo)在干燥速率比例系數(shù)取最大值時(shí)最優(yōu)值，最優(yōu)干燥參數(shù)組合代入得Y=6.23，與優(yōu)化器預(yù)測(cè)最優(yōu)值相對(duì)誤差為4.7%，結(jié)果可信。

2.3 復(fù)水性試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖12可知，干燥后西洋菜復(fù)水率2.9～4.0，在復(fù)水時(shí)間180 min附近達(dá)到峰值。即在50～60℃熱泵干燥條件下，西洋菜復(fù)水性良好。熱泵風(fēng)速增大，使物料干燥過(guò)程中受熱更均勻，對(duì)復(fù)水性有影響，而熱燙預(yù)處理時(shí)間對(duì)復(fù)水性影響小。此外，熱燙預(yù)處理后西洋菜復(fù)水能力相對(duì)未經(jīng)熱燙處理下降，可能是熱燙過(guò)程使西洋菜內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，但熱燙在保持色澤、減少酶褐變反應(yīng)等方面效果良好。

圖12 復(fù)水性曲線Fig.12 Rehydration curve

3 結(jié)論

本試驗(yàn)是采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用熱泵干燥機(jī)對(duì)西洋菜干燥過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。

①試驗(yàn)預(yù)處理階段，西洋菜顏色變深，預(yù)處理后水變成黃色。

②正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，溫度為主要影響因素，風(fēng)速次之，熱燙時(shí)間影響程度最?。挥梅讲罘治鲵?yàn)證影響顯著因素為溫度和風(fēng)速，熱燙時(shí)間為不顯著因素，試驗(yàn)最優(yōu)干燥組合為溫度55℃，風(fēng)速2.88 m·s-1，熱燙時(shí)間不確定。

③通過(guò)應(yīng)用Minitab軟件分析，驗(yàn)證由正交試驗(yàn)得出交互作用影響較小，主要干燥速率影響因素為溫度和風(fēng)速，通過(guò)優(yōu)化模型得到西洋菜脫水性最優(yōu)回歸方程，結(jié)合方程及計(jì)算機(jī)優(yōu)化器，獲得最優(yōu)干燥參數(shù)為溫度50℃，風(fēng)速2.88 m·s-1，熱燙時(shí)間3.3 min。

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Experimental study on drying heat pump characteristics of watercress (Nasturtium officinale)

ZHANG Yanlai1,2,LONG Chengshu1,2,YIN Kaidan3,GONG Li2,LIU Qinghua2,LI Xiuping3
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China;2.GuangdongAgricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China;3.GuangdongAIB Polytechnic College,Guangzhou 510507,China)

The research was to examine effects that temperature,wind speed and blanching time have on the characteristics of watercress in the heat pump drying conditions.In the study,both the orthogonal experiment and the response surface design techniques were used.The experiment results indicated that watercress could reach ideal degree of drying(water content about 8%)if it was blanched in boiling water for 3.3 min,in 50℃and dried 2 to 3 h with the wind velocity was 2.88 m·s-1in the desiccation room of heat pump.The color of watercress changed into dark green and it had a rich aroma after dried and the drying process had certain guiding significance for practical production.

watercress(Nasturtium officinale);heat pump;drying characteristics;response surface

S375

A

1005-9369（2014）11-0116-08

2013-06-29

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃（2012AA10A502-02）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011A020102006）

張艷來(lái)（1970-），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦稍锛夹g(shù)、過(guò)程節(jié)能。E-mail:ceylzhang@scut.edu.cn

時(shí)間2014-11-21 16:42:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1642.014.html

張艷來(lái),龍成樹(shù),尹凱丹,等.西洋菜熱泵干燥特性試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(11):116-123.

Zhang Yanlai,Long Chengshu,Yin Kaidan,et al.Experimental study on drying heat pump characteristics of watercress (Nasturtium officinale)[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):116-123.(in Chinese with English abstract)