芒果高溫?zé)岜瞄g歇干燥特性的研究

羅彩連　林羨　吳繼軍　徐玉娟　李俊

摘 要 為了提高芒果干制過程的能源利用率及干制品的品質(zhì)，在真空滲透脫水預(yù)處理的基礎(chǔ)上，研究不同熱泵干燥溫度（50、55、60 ℃）及間歇時(shí)間（1、2、4 h）下對(duì)芒果干燥特性的影響。結(jié)果表明：熱泵干燥溫度越高，水分比下降越快，干燥速率越大；熱泵干燥、間歇時(shí)間越長(zhǎng)，水分比下降越快，干燥速率越大；55 ℃干燥溫度下，熱泵間歇干燥的水分比下降的速度及干燥速率均高于連續(xù)干燥，干燥時(shí)間顯著縮短。Midilli模型為最適宜模擬芒果高溫?zé)岜酶稍锾匦缘臄?shù)學(xué)模型。

關(guān)鍵詞 芒果；真空滲透脫水；熱泵干燥；干燥特性

中圖分類號(hào) S667.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Study on Intermittent High Temperature Heat Pump

Drying Characteristics of Mango

LUO Cailian， LIN Xian*， WU Jijun， XU Yujuan， LI Jun

Sericulture and Farm Product Processing Research Institude， Guangdong Academy of

Agricultural Sciences， Guangzhou，Guangdong 510610， China

Abstract Effects of different drying temperatures （50 、55 、60 ℃） and intermittent drying times（1、2 、4 h at 55 ℃）on the drying characteristic of dried mango pre-submitted to vacuum osmotic dehydration were studied. The results showed that the higher the heat drying temperature， the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the longer the intermittent time the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the moisture ratio and the drying rate of intermittent drying declined， more quickly than that of continuous drying. Besides， compared with continuous drying， intermittent drying was significantly shortened the drying time. Midilli model fitted the drying curves well.

Key words Mango；Vacuum osmotic dehydration；Heat pump drying；Drying characteristic

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.030

芒果是經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高的熱帶水果之一，其果肉細(xì)膩、風(fēng)味獨(dú)特，深受人們所喜愛。然而，新鮮芒果不耐貯藏，貨架期短[1]。因此，除鮮食外，通過將芒果加工成干制品，能有效延長(zhǎng)其保質(zhì)期，提高產(chǎn)品附加值[2]?，F(xiàn)有的干制加工過程主要存在能耗大，品質(zhì)差（如色澤差，營(yíng)養(yǎng)成分損失）等問題。高溫?zé)岜酶稍?，由制冷劑回路及干燥介質(zhì)回路組成，從低品位能源吸收的熱量轉(zhuǎn)換為高品位的熱量[3]，能有效提高能源利用率，是目前食品干燥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。間歇干燥是一種干燥條件隨時(shí)間的變化而變化的干燥方法，它可以改變干燥空氣溫度，濕度，壓力甚至熱量輸出模式。與連續(xù)干燥相比，具有減少實(shí)際干燥時(shí)間、提高產(chǎn)品色澤、口感等優(yōu)點(diǎn)。

為了能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)間歇干燥過程中食品內(nèi)部水分分布，合理選擇間歇干燥較佳工藝提供依據(jù)，間歇干燥過程中切片土豆[4]、白菜種子[5]、龍眼[6]、荔枝[7]等的水分傳質(zhì)模型均有報(bào)道，然而未見芒果高溫?zé)岜酶稍锏乃肿兓?guī)律研究。因此，本文通過研究不同高溫?zé)岜酶稍餃囟燃伴g歇時(shí)間對(duì)芒果真空滲透脫水后期干燥特性的影響，探究高溫?zé)岜酶稍锏母稍镄Ч⒏稍飻?shù)學(xué)模型，確定芒果的高效節(jié)能保質(zhì)干燥工藝，為高溫?zé)岜酶稍锛夹g(shù)在芒果干制產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料 芒果品種為金煌，購(gòu)于廣州水果市場(chǎng)。

1.1.2 儀器與設(shè)備 GHRH-20型高溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)；DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程 芒果→清洗→去皮、去核→切片→真空滲透脫水→高溫?zé)岜酶稍铩b→品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。

1.2.2 操作要點(diǎn) 切片：芒果統(tǒng)一切片直徑為4 cm、厚度為1.2 cm的圓片。真空滲透脫水：經(jīng)0.04 MPa真空處理20 min后恢復(fù)至常壓，滲透脫水至含水率為（77.00±1.00）%。高溫?zé)岜酶稍铮焊稍锴皺C(jī)器預(yù)熱30 min達(dá)到穩(wěn)定溫度后，將芒果片平鋪于篩網(wǎng)上。試驗(yàn)設(shè)計(jì)6個(gè)干燥工藝條件。其中，連續(xù)熱泵的干燥溫度分別為50、55、60 ℃；間歇干燥的干燥溫度為55 ℃，每干燥2 h，停止加熱進(jìn)行間歇干燥，間歇時(shí)間分別為1、2、4 h。干燥風(fēng)[速為1.0 m/s，干燥至芒果含水率為（21.00±1.00）%]。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 水分含量參照GB 5009.3-2010[8]食品中水分含量的測(cè)定的直接干燥法，水分含量以干基含水量表示，如下：

Md=mw/md （1）

其中，mw表示物料中任意時(shí)刻水分含量，md表示物料中任意時(shí)刻干物質(zhì)質(zhì)量（下同）。

水分比：干燥動(dòng)力學(xué)常采用無(wú)量綱水分比 MR 隨時(shí)間變化來分析干燥過程的變化規(guī)律，其中水分比MR的表達(dá)式為[9]：

MR=（Md-Me）/（M0-Me） （2）

其中，Md是物料在任意時(shí)刻的干基含水量，M0是物料干燥初始時(shí)刻的干基含水量，Me是物料平衡時(shí)刻的干基含水量，相對(duì)于初始干基含水量來說比較小，可以忽略不計(jì)，所以方程可以簡(jiǎn)化為：

MR=Md/M0 （3）

1.2.4 干燥模型的建立 a. 曲線擬合，根據(jù)有機(jī)及生物材料中常用的9種薄層干燥模型[6]，通過對(duì)水分比對(duì)時(shí)間作圖得到的曲線進(jìn)行擬合，對(duì)芒果的熱泵干燥特性進(jìn)行了研究。由于回軟過程的動(dòng)力學(xué)與連續(xù)對(duì)流干燥基本相似[10-11]，因而間歇干燥的動(dòng)力學(xué)模型也采用這9種薄層干燥模型。薄層干燥模型見表1。

b. 評(píng)價(jià)模型指標(biāo)，利用origin8.0對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可得到模型相關(guān)系數(shù)。其中相關(guān)系數(shù)R2、卡方χ2及誤差平方根RMSE是評(píng)價(jià)干燥模型對(duì)干燥曲線擬合的優(yōu)劣的重要指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)R2值越大，卡方χ2及誤差平方根RMSE值越小，則干燥模型擬合的越好。這些參數(shù)的計(jì)算公式為：

其中，MRexp，i、MRpre，i分別為水分比的實(shí)驗(yàn)值及預(yù)測(cè)值，N為試驗(yàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為模型中的常數(shù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)。

干燥速率：干燥速率定義為單位時(shí)間內(nèi)每單位面積（物料和干燥介質(zhì)的接觸面積）濕物料汽化的水分質(zhì)量。當(dāng)物料與干燥介質(zhì)的接觸面積不易確定時(shí)，用干燥強(qiáng)度表示干燥速率，其定義為物料濕含量隨時(shí)間的變化率，通常用DR表示，其表達(dá)式如下：

DR=dMd/dt=（Md，j+1-Md，j）/（tj+1-tj） （6）

其中Md，j+1，Md，j分別表示tj+1，tj時(shí)刻干基含水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過進(jìn)行one-way ANOVA方差分析與多重比較分析。采用origin8.0對(duì)干燥曲線進(jìn)行擬合及數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 芒果高溫?zé)岜酶稍锴€

圖1（a）結(jié)果表明，芒果高溫?zé)岜酶稍锴€可分為3個(gè)階段，干燥前期水分比下降速度較快，干燥中期水分比下降緩慢，干燥后期水分比達(dá)到平衡而無(wú)顯著變化。干燥溫度越高，水分比下降的越快。干燥溫度為50、55、60 ℃時(shí)，下降到目標(biāo)水分比（MR=0.1即前面所提到的目標(biāo)含水量21%）時(shí)所需的時(shí)間分別為12、10、8 h，表明干燥溫度從50 ℃增加到55 ℃和50 ℃增加到60 ℃可分別節(jié)省干燥時(shí)間16.67%和30.77%。干燥間歇時(shí)間對(duì)芒果高溫?zé)岜酶稍锴€的影響如圖1（b）所示。結(jié)果表明，隨著有效干燥時(shí)間的增加，間歇時(shí)間越長(zhǎng)水分比下降越快。同樣，水分比的變化趨勢(shì)與熱泵干燥溫度對(duì)水分比的影響類似如圖1（b）所示。55 ℃熱泵間歇干燥，MR為0.1所需的時(shí)間均略低于8 h，比55 ℃間歇干燥10 h的時(shí)間節(jié)省了20%。

2.2 芒果高溫?zé)岜酶稍锼俾是€

一般情況下，農(nóng)產(chǎn)品的干燥速率曲線可分為初期加速階段、恒速階段及降速階段。圖2（a）結(jié)果表明，芒果熱泵連續(xù)干燥在干燥溫度50 ℃，干燥分為加速、恒速、降速3階段，干燥溫度為55、60 ℃時(shí)，加速、降速2階段。在降速干燥階段后期，溫度差異對(duì)干燥速率的影響越來越不顯著，這可能是因?yàn)榻Y(jié)合水比較難蒸發(fā)出去。由于干燥初期的干基含水量較大，不同干燥溫度下，加速階段均為0～2 h，干燥溫度越高，干燥速率增加越快。干燥間歇時(shí)間對(duì)芒果高溫?zé)岜酶稍锼俾是€的影響如圖2（b）所示。結(jié)果表明，干燥前2 h為相當(dāng)于連續(xù)干燥階段，因而各處理組的干燥速率一樣；干燥2 h后，干燥速率下降，但此時(shí)干燥速率隨著間歇時(shí)間的增加顯著增加。此后，隨著干燥時(shí)間的增加，不同處理組干燥速率的差異性逐漸減少。

2.3 干燥數(shù)學(xué)模型模擬

采用9個(gè)常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)不同干燥溫度和干燥間歇時(shí)間的芒果高溫?zé)岜酶稍锴€進(jìn)行模擬，平均擬合結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，每個(gè)模型的卡方及誤差平方根RMSE的平均值的范圍分別為0.000 225～0.004 681、0.010 99～0.045 05，所選用的模型模擬相關(guān)系數(shù)平均值均高于0.986，表明所選模型均能較好地?cái)M合。其中，Midilli模型的相關(guān)系數(shù)平均值是0.996 79，為最大。Midilli模型的卡方及誤差平方根的平均值分別是0.000 225、0.010 99，均為最小。Midilli模型的擬合效果最好，因此，芒果高溫?zé)岜酶稍锏臄?shù)學(xué)模型選用此模型。

Midilli的擬合結(jié)果如表3所示。表3表明，k值呈現(xiàn)出隨熱泵干燥的溫度增加而增加，隨熱泵間歇時(shí)間的增加而減少。60 ℃時(shí)，k值為0.330 33，分別是55 ℃、50 ℃的1.38、3.12倍。可見，干燥溫度對(duì)干燥速率有促進(jìn)作用。55 ℃連續(xù)干燥k值均大于間歇干燥，說明連續(xù)干燥的干燥潛能比間歇干燥大，這可能是間歇干燥在前期干燥速率比連續(xù)干燥大，導(dǎo)致后期水分含量少，因而干燥潛能降低。n為Midilli模型的指數(shù)項(xiàng)，從表3可以看出，n均大于1.0，這表明MR與時(shí)間的關(guān)系并不是一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。由表3還可知k值與指數(shù)項(xiàng)n值呈負(fù)相關(guān)，即溫度增加k值增加，而n降低；間歇時(shí)間增加，k值降低，n值增加。a， b均是Midilli模型的系數(shù)，a值隨溫度及間歇時(shí)間的增加而增加，b值的變化隨溫度增加時(shí)無(wú)規(guī)律性，而間歇干燥時(shí)間增加時(shí)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

Shi等[12]對(duì)雪蓮果片薄層熱泵干燥時(shí)也發(fā)現(xiàn)熱泵干燥時(shí)間隨干燥溫度和風(fēng)速的增加而減低。隨著溫度的增加，熱傳遞速率增加促進(jìn)水分子運(yùn)動(dòng)加快，從而使產(chǎn)品內(nèi)部水分快速遷移到表面，因而干燥速率增加。

熱泵間歇干燥減少干燥所需時(shí)間，可能芒果內(nèi)的水分在間歇時(shí)間內(nèi)重新分布，為內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移到表面提供了時(shí)間[13-14]，而且間歇時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移到表面時(shí)間越充足，從而干燥時(shí)間縮短。

芒果熱泵連續(xù)干燥在干燥溫度為50 ℃時(shí)干燥速率曲線與干燥溫度為55 和60 ℃時(shí)的干燥速率曲線不同。差異的原因一方面可能是芒果樣品經(jīng)真空滲透脫水去了部分水分，因而在干燥初始階段不能提供足夠的水分[15-16]；另一方面，可能是切片表面的負(fù)荷低于3.50 kg/cm2（當(dāng)表面負(fù)荷低于時(shí)干燥無(wú)恒速階段）[17-18]。Wang（2011）[19]研究熱泵干燥山楂糕可行性分析也發(fā)現(xiàn)干燥溫度對(duì)干燥速率有影響。石啟龍[20]利用Trabert理論對(duì)溫度升高時(shí)物料的干燥速率加快的原因進(jìn)行了解釋，其原因?yàn)闇囟壬呖梢约涌焖终舭l(fā)。

由于芒果物料進(jìn)入降速階段時(shí)達(dá)到了臨界含水率，內(nèi)部水分梯度降低[21]，即使延長(zhǎng)間歇干燥時(shí)間，由于細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水比自由水難遷移到表面，因而干燥速率沒有明顯增加。

采用9個(gè)常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)不同干燥溫度和干燥間歇時(shí)間的芒果高溫?zé)岜酶稍锴€進(jìn)行模擬， Midilli模型的相關(guān)系數(shù)平均值是0.996 79，為最大。Midilli模型的卡方及誤差平方根的平均值分別是0.000 225、0.010 99，均為最小。Midilli模型的擬合效果最好，因此，芒果高溫?zé)岜酶稍锏臄?shù)學(xué)模型選用此模型。Cihan等[22]對(duì)薄層間歇干燥稻谷的干燥模型進(jìn)行擬合時(shí)，發(fā)現(xiàn)Midilli模型的相關(guān)系數(shù)為0.999 6，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 8，卡方為0.667×10-4，為最適宜擬合稻谷薄層間歇干燥特性的數(shù)學(xué)模型。楊韋杰等[7]對(duì)荔枝薄層干燥時(shí)各干燥條件下Midilli模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，RMSE為1.40%～2.22%，卡方為2.1×104～5.3×104，均較優(yōu)，得到了Midilli模型模擬結(jié)果較好的結(jié)論。

k值為速率常數(shù)，用來衡量干燥特性，其值的增加表明干燥潛能增加[23]。60 ℃時(shí)，k值為0.330 33，為最大，這說明60 ℃的干燥潛能比55 ℃及50 ℃的干燥潛能大?？梢?，干燥溫度對(duì)干燥速率有促進(jìn)作用。55 ℃連續(xù)干燥k值均大于間歇干燥，說明連續(xù)干燥的干燥潛能比間歇干燥大。

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