紫薯太陽(yáng)能熱泵干燥工藝的優(yōu)化

秦 波，陳團(tuán)偉，路海霞，吳春劍，張良清，陳紹軍

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州350002)

紫薯(Solanum tuberdsm)，又名紫心甘薯、黑薯，薯肉呈紫色至深紫色，除了具有普通甘薯的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，還富含硒元素和花青素，具有較高的保健價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景［1－2］.但高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、高含水量的紫薯易受微生物侵染，難以長(zhǎng)久貯藏，脫水干制成為其加工貯藏的一個(gè)重要方法.目前，國(guó)內(nèi)外的紫薯干燥技術(shù)仍停留在日曬法、煤炭烘干法和熱風(fēng)干燥法等，存在產(chǎn)品質(zhì)量低劣、能量消耗大、生產(chǎn)效率低等不足［3－4］.太陽(yáng)能輔助熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中尚處于起步階段，但該技術(shù)結(jié)合了太陽(yáng)能和熱泵2項(xiàng)干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)［5－8］，具有效率高、能量消耗低、干燥連續(xù)性好、干燥溫度范圍寬、產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)［9－10］.因此，本試驗(yàn)利用太陽(yáng)能熱泵干燥技術(shù)對(duì)紫薯干燥工藝的優(yōu)化進(jìn)行研究，以期為生產(chǎn)高品質(zhì)紫薯干制品以及該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

連城1號(hào)紫薯于2012年10月購(gòu)于福建省連城縣.鹽酸、甲醇等化學(xué)試劑均為分析純.

1.2 儀器設(shè)備

YG-KRK-14Ⅱ(5HP)太陽(yáng)能—熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)(東莞永淦節(jié)能科技有限公司—福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)副產(chǎn)品綜合開發(fā)研究所聯(lián)合研制)，BSA-224S電子分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司)，AL204型精密分析天平［梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司］，F(xiàn)A-5110-2(SLA-150)條切割機(jī)(Austria FIRST公司)，UV-2000紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)［尤尼柯(上海)儀器有限公司］，H2050R高速冷凍離心機(jī)(長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司).

1.3 試驗(yàn)方法

選取無(wú)蟲害、無(wú)病斑的新鮮紫薯，用流動(dòng)自來(lái)水清洗后，去皮，切成片狀，然后置于護(hù)色液中護(hù)色，瀝干，蒸汽預(yù)煮5 min(多酚氧化酶已完全失活);最后采用太陽(yáng)能輔助熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)進(jìn)行2段變溫干燥，第一階段在75℃下干燥至設(shè)定含水率，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入第二干燥階段，此時(shí)干燥溫度為55℃，干燥至干基含水率約為20%.

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 干燥時(shí)間測(cè)定 干燥時(shí)間指將預(yù)處理的新鮮紫薯干燥至目標(biāo)含水率所需時(shí)間.物料含水率的測(cè)定參照 GB/T 5009.3-2010［11］.

1.4.2 單位能耗計(jì)算 單位能耗是指每蒸發(fā)一個(gè)單位質(zhì)量水分所耗電能，以每組試驗(yàn)電能表計(jì)數(shù)為準(zhǔn).

式中，N——單位能耗/(kJ·g－1);Wt——干燥結(jié)束時(shí)電能表讀數(shù)/(kW·h－1);Wo——干燥開始時(shí)電能表讀數(shù)/(kW·h－1);G——除去水分的質(zhì)量/g.

1.4.3 花青素保存率測(cè)定 花青素含量的測(cè)定采用HCL—甲醇比色法［12］.

式中，Q——紫薯干制品中花青素的保存率/%;X——干燥后花青素的含量/g;Y——干燥前花青素的含量/g.

1.5 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因子試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取裝載密度X1/(kg·m－3)、切片厚度 X2/mm和轉(zhuǎn)換含水率X3/%3個(gè)因子為自變量，以干燥時(shí)間Y1/min、花青素保存率Y2/%以及單位能耗Y3/(kJ·g－1)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)［13］，探討裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率3個(gè)因素對(duì)紫薯干燥時(shí)間、花青素保存率以及單位能耗的影響.通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析獲得相應(yīng)指標(biāo)的回歸模型方程，最后確定紫薯太陽(yáng)能熱泵干燥的最佳工藝.各因子試驗(yàn)水平及編碼見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Level and code of variables chosen for this experiment

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

樣品指標(biāo)均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn).采用Microsofe Excel和Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及響應(yīng)面分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 三元二次通用轉(zhuǎn)換組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯干燥時(shí)間、花青素保存率和單位能耗的影響結(jié)果見(jiàn)表2.

2.2 模型擬合及方差分析

2.2.1 干燥時(shí)間的模型擬合及方差分析 裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率3個(gè)因子與干燥時(shí)間之間的回歸方程為 Y1=1229.81923－71.91997X1－111.18332X2－13.47026X3－2.71587X1X2+0.48494X1X3+0.41035X2X3+12.20627+8.91448+0.04762.對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表 3.回歸方程模型極顯著(P ＜0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.0739 ＞0.05).其中，R2=0.9903=0.9816，說(shuō)明該模型擬合程度比較好，能較好地解釋99.03%響應(yīng)值的變化.在α=0.10水平下對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)并剔除不顯著項(xiàng)，簡(jiǎn)化后的回歸方程為 Y1=1229.81923－71.91997X1－111.18332X2－13.47026X3+0.48494 X1X3+0.41035X2X3+12.20627

表2 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of quadric regression general rotary unitized tests

表3 干燥時(shí)間回歸模型方差分析表1)Table 3 Variance analysis of regression model of drying time

2.2.2 花青素保存率的模型擬合及方差分析 裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率3個(gè)因子與花青素保存率之間的回歸方程為 Y2=11.15857+4.94105X1+7.43075X2+0.52479X3+0.61852X1X2+0.00707949 X1X3－0.034582X2X3－1.03993對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表 4.回歸方程模型極顯著(P ＜0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.0531 ＞0.05).其中，R2=0.9577=0.9196，說(shuō)明該模型擬合程度比較好，能較好地解釋95.77%響應(yīng)值的變化.在α=0.10水平下對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)并剔除不顯著項(xiàng)，簡(jiǎn)化后的回歸方程為 Y2=11.15857+4.94105X1+7.43075X2+0.52479X3+0.61852X1X2－0.034582X2X3－1.03993

表4 花青素保存率回歸模型方差分析表Table 4 Variance analysis of regression model of anthocyanins preservation rate

2.2.3 單位能耗的模型擬合及方差分析 裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率3個(gè)因子與單位能耗之間的回歸方程為 Y3=85.51215－2.65335X1－9.61369X2－0.84952X3+0.1647X1X2+0.00934492X1X3+0.030373X2X3+0.18503.對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5.回歸方程模型極顯著(P ＜0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.2184 ＞0.05).其中，R2=0.9795=0.9611，說(shuō)明該模型擬合程度比較好，能較好地解釋97.95%響應(yīng)值的變化.在α=0.10水平下對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)并剔除不顯著項(xiàng)，簡(jiǎn)化后的回歸方程為 Y3=85.51215－9.61369X2－0.84952X3+0.69357

表5 單位能耗回歸模型方差分析表Table 5 Variance analysis of regression model of energy consumption per unit

2.3 各因素協(xié)同效應(yīng)分析

2.3.1 干燥時(shí)間響應(yīng)面分析 干燥時(shí)間響應(yīng)面分析結(jié)果如圖1所示.切片厚度、裝載密度和轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯干燥時(shí)間的影響較為明顯.當(dāng)固定其中一個(gè)影響因素水平時(shí)，干燥時(shí)間隨著另外2個(gè)因素水平的增加均有不同程度的延長(zhǎng).其中，轉(zhuǎn)換含水率和裝載密度的影響較大.紫薯干燥中，裝載密度增大，干燥除去的水分相應(yīng)增多，同時(shí)物料的通透性降低，影響了物料的熱交換;轉(zhuǎn)換含水率升高，高溫干燥階段時(shí)間縮短，減緩了干燥速度;切片厚度增大，減少了熱交換面積，阻礙了紫薯內(nèi)部水分向表面的轉(zhuǎn)移.因此，增大裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率均不利于縮短紫薯干燥時(shí)間.以紫薯干燥時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)裝載密度為 1.14 kg·m－3，切片厚度為 3.61 mm，轉(zhuǎn)換含水率為 120.87%時(shí)，干燥時(shí)間最短，僅為 180.33 min.

圖1 3個(gè)因素對(duì)干燥時(shí)間影響的響應(yīng)曲面Fig.1 Response surface plot showing the effects of the three factors on drying time

2.3.2 花青素保存率響應(yīng)面分析 花青素保存率響應(yīng)面分析結(jié)果如圖2所示.切片厚度、裝載密度和轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯干燥花青素保存率具有顯著影響.當(dāng)固定其中一個(gè)影響因素水平時(shí)，花青素保存率隨著另外2個(gè)因素水平的增加均有明顯的升高，當(dāng)達(dá)到一定值后，花青素保存率不再顯著上升.在紫薯干燥過(guò)程中，轉(zhuǎn)換含水率增大，縮短了高溫干燥時(shí)間，減少了花青素的降解破壞;裝載密度和切片厚度增大，減少了物料高溫?zé)峤粨Q面積，均有利于花青素的保存.以紫薯花青素保存率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)裝載密度為4.7 kg·m－3，切片厚度為5.81 mm，轉(zhuǎn)換含水率為157.71%時(shí)，花青素保存率達(dá)89.03%.

圖2 3個(gè)因素對(duì)花青素保存率影響的響應(yīng)曲面Fig.2 Response surface plot showing the effects of the three factors on anthocyanin preservation rate

2.3.3 單位能耗響應(yīng)面分析 單位能耗響應(yīng)面分析結(jié)果如圖3所示.切片厚度、裝載密度和轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯干燥單位能耗具有較大影響.當(dāng)固定其中一個(gè)影響因素水平時(shí)，單位能耗隨著另外2個(gè)因素水平的增加均有不同程度的增大.其中，轉(zhuǎn)換含水率的影響較大.降低裝載密度、減小切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率均有利于降低紫薯干燥的單位能耗.以單位能耗為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)裝載密度為2.54 kg·m－3，切片厚度為4.25 mm，轉(zhuǎn)換含水率為 108.43%時(shí)，單位能耗僅為 15.64 kJ·g－1.

圖3 3個(gè)因素對(duì)單位能耗影響的響應(yīng)曲面Fig.3 Response surface plot showing the effects of the three factors on energy consumption per unit

2.4 紫薯太陽(yáng)能熱泵干燥工藝優(yōu)化

由太陽(yáng)能輔助熱泵聯(lián)合干燥紫薯二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果可知，在紫薯干燥過(guò)程中各影響因子對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)均有影響.綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)在實(shí)踐生產(chǎn)中的重要程度，通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)法［14］計(jì)算，選取λ1、λ2、λ3分別為干燥時(shí)間、花青素保存率以及單位能耗的加權(quán)系數(shù)，其中 λ1=0.3，λ2=0.4，λ3=0.3.由此得到，當(dāng)裝載密度為3.68 kg·m－3，切片厚度為5.84 mm，轉(zhuǎn)換含水率為117.17%時(shí)，紫薯綜合指標(biāo)最佳，指標(biāo)預(yù)測(cè)值:干燥時(shí)間 Y1=292.088 min，花青素保存率 Y2=86.146%，單位能耗 Y3=18.678 kJ·g－1.根據(jù)綜合優(yōu)化的參數(shù)條件，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果取3次平行試驗(yàn)的平均值，獲得試驗(yàn)值為Y1=291.65 min，Y2=86.21%，Y3=18.582 kJ·g－1，與優(yōu)化試驗(yàn)預(yù)測(cè)值較為接近.這證明了紫薯太陽(yáng)能熱泵干燥工藝優(yōu)化二次回歸方程的可靠性與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的有效性.

3 結(jié)論

二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)結(jié)果表明，裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率對(duì)干燥時(shí)間、花青素保存率和單位能耗均有顯著影響.通過(guò)綜合指標(biāo)優(yōu)化，確定紫薯最佳干燥工藝參數(shù):裝載密度為3.68 kg·m－3，切片厚度為5.84 mm，轉(zhuǎn)換含水率為117.17%.

［1］秦波，路海霞，陳紹軍，等.紫薯干制品無(wú)硫護(hù)色工藝的研究［J］.莆田學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，25(5):84－88.

［2］HWANG Y P，CHOI J H，YUN H J，et al.Anthocyanins from purple sweet potato attenuate dimethylnitrosamine-induced liver injury in rats by inducing Nrf2-mediated antioxidant enzymes and reducing COX-2 and INOS expression［J］.Food and Chemical Toxicology，2011，49:93－99.

［3］郭其茂，楊立明，陳賜民，等.福建省甘薯生產(chǎn)存在問(wèn)題與發(fā)展對(duì)策［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，30(3):458－460.

［4］翁仁發(fā)，楊卓亞，施能浦，等.地瓜干加工創(chuàng)新工藝研究［J］.亞熱帶農(nóng)業(yè)研究，2005，1(2):55－60.

［5］催璐，王香英，謝輝，等.國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能干燥農(nóng)副產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀與展望［J］.行業(yè)綜述，2010(2):37－39.

［6］樊軍慶，張寶珍.太陽(yáng)能在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的利用［J］.世界農(nóng)業(yè)，2008，351:68－70.

［7］謝英伯，宋蕾娜，楊先亮.熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006(4):12－15.

［8］陸蒸，林啟訓(xùn)，王浩，等.毛竹筍熱泵干燥特性及制品重復(fù)率［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，31(1):117－120.

［9］KUANG Y H，WANG R Z.Experimental research of heat supply coefficient of solar energy heat pump［J］.Solar Energy，2002，23(4):408－413.

［10］邵維進(jìn)，陳慧娟.太陽(yáng)能和熱泵聯(lián)合供熱在肉制品干燥中的應(yīng)用［J］.太陽(yáng)能，2008(4):32－36.

［11］MYERS W R.Response surface methodology［J］.Encyclopedia Biopharm Statistics，2003，31(2):858－869.

［12］中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 5009.3－2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010:1－2.

［13］曹建康，姜微波，趙玉梅.果蔬采后生理生化試驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2007:44－46.

［14］HAN Q H，YIN L J，LI S J，et al.Optimization of process parameters for microwave vacuum drying of apple slices response surface method［J］.Drying Technology，2010，28(4):523－532.