熱泵干燥檳榔中試工藝參數(shù)優(yōu)化

張容鵠，高元能，馮建成，謝 輝，鄧 浩，莊光輝，竇志浩※

（1. 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)研究所，海口 571100；2. 海南泉能能源有限公司，萬(wàn)寧 571500； 3. 海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，?？?570228）

熱泵干燥檳榔中試工藝參數(shù)優(yōu)化

張容鵠1，高元能2，馮建成3，謝 輝1，鄧 浩1，莊光輝1，竇志浩1※

（1. 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)研究所，海口 571100；2. 海南泉能能源有限公司，萬(wàn)寧 571500； 3. 海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，?？?570228）

為了探索新型節(jié)能、低碳排放的檳榔干燥技術(shù)，應(yīng)用熱泵干燥設(shè)備對(duì)檳榔進(jìn)行干燥研究，獲得檳榔熱泵干燥中試工藝參數(shù)。單因素試驗(yàn)分析了煮沸時(shí)間對(duì)檳榔硬度的影響，干燥溫度和裝載量對(duì)檳榔水分的影響；采用正交試驗(yàn)，通過加權(quán)評(píng)分值計(jì)算方法評(píng)價(jià)干果品質(zhì)，優(yōu)化熱泵干燥工藝參數(shù)；測(cè)定儲(chǔ)藏30 d后的干果進(jìn)行理化和微生物指標(biāo)；比較熱泵干燥、蒸汽干燥和傳統(tǒng)干燥檳榔的成本及品質(zhì)。結(jié)果表明，新鮮檳榔經(jīng)過沸水煮沸15 min，前12 h內(nèi)干燥溫度為50℃、12 h后干燥溫度為65℃、裝料量為3.5 t、烘房空氣相對(duì)濕度為25%時(shí)，檳榔含水率為16.8%，好果率為96.0%，均勻度為91%，單位質(zhì)量干果耗電量為0.92 (kW·h)/kg，所干燥的檳榔干果綜合評(píng)分為90.1分，呈橄欖黃或褐色。25℃儲(chǔ)藏30 d無霉腐現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果顯示含水率為17.8%，未檢測(cè)出汞和苯并芘，鉛和砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02和0.1 mg/kg，致病菌未檢出，大腸菌群數(shù)<30 cfu/g，霉菌計(jì)數(shù)為30 cfu/g。經(jīng)比較，熱泵干燥檳榔比蒸汽干燥成本低11%，比傳統(tǒng)土爐干燥成本低50%，零排放、無污染、操作智能化。研究結(jié)果為檳榔熱泵干燥的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

干燥；工藝；優(yōu)化；熱泵；檳榔；加權(quán)評(píng)分法

0 引言

檳榔（Areca catechu L.）屬棕櫚科多年生常綠喬木，具有很高的藥用價(jià)值，被列為四大南藥（檳榔、砂仁、益智、巴戟）之首[1-3]。檳榔除鮮食外，90%以上鮮果需干燥成干果，以備進(jìn)一步深加工。海南省年產(chǎn)檳榔干果約20萬(wàn)t，年產(chǎn)值已超百億[4]，檳榔干燥加工業(yè)已成為海南當(dāng)?shù)刂匾闹еa(chǎn)業(yè)。檳榔干燥可采用熱風(fēng)干燥法[5-6]和真空冷凍干燥法[7]，但試驗(yàn)條件和設(shè)備設(shè)施的嚴(yán)苛限制其在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。目前加工生產(chǎn)中檳榔干燥主要采用傳統(tǒng)土爐干燥、蒸汽干燥和熱泵干燥等3種方法[8]。土爐干燥法屬作坊式加工，規(guī)模小、勞動(dòng)強(qiáng)度大、污染嚴(yán)重，難以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。蒸汽干燥法以燃燒煤炭釋放的熱能為熱源，規(guī)模化程度大、適于集約化農(nóng)產(chǎn)品加工，但大量溫室氣體的排放，致其應(yīng)用受限。而熱泵干燥檳榔因其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)凸顯了良好的市場(chǎng)前景，日益成為檳榔干燥加工的首選方法。

熱泵干燥較之于熱風(fēng)干燥可節(jié)能30%～50%[9]，在熱水供應(yīng)及農(nóng)產(chǎn)品干燥應(yīng)用方面發(fā)揮了積極的作用[10]。熱泵干燥的形式有空氣源熱泵干燥、化學(xué)源熱泵干燥、地源熱泵干燥和太陽(yáng)能熱泵干燥等[11]。國(guó)外應(yīng)用熱泵干燥技術(shù)已在可可豆[12]、姜酚[13]、辣椒[14]和蘋果[15]等農(nóng)產(chǎn)品干燥上獲得了穩(wěn)定的工藝參數(shù)。中國(guó)在農(nóng)產(chǎn)品干燥研究方面以空氣源熱泵法最多[16]，主要用于干燥龍眼[17]、黃花菜[18]和西洋菜[19]等，而有關(guān)空氣源熱泵干燥檳榔的工藝參數(shù)優(yōu)化國(guó)內(nèi)外還未見報(bào)道。空氣源熱泵干燥檳榔是在傳統(tǒng)土爐干燥基礎(chǔ)上的技術(shù)改進(jìn)和突破，具有節(jié)能、省工、智能化、無污染的優(yōu)勢(shì)[20]。本試驗(yàn)采用單因素法和多因素正交試驗(yàn)，優(yōu)化空氣源熱泵干燥檳榔中試水平上的工藝參數(shù)，并進(jìn)行大規(guī)模干燥試驗(yàn)，以期獲取穩(wěn)定的空氣源熱泵干燥檳榔中試工藝，為檳榔熱泵干燥加工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 熱泵干燥裝置及工作原理

檳榔熱泵干燥示意圖如圖1所示?？諝庠礋岜酶稍锏脑硎抢脽岜谜舭l(fā)器吸收外界空氣中的熱量，經(jīng)過壓縮機(jī)做功，將熱量轉(zhuǎn)移到烘干房中，烘干房中的空氣經(jīng)過循環(huán)加熱，將物料中的水分不斷蒸發(fā)并吸收，再經(jīng)過排濕風(fēng)機(jī)排到烘房外，從而帶走物料中的水分，最終實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)干燥。

圖1 熱泵干燥檳榔試驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump drying test rig of betel nut

熱泵烘干機(jī)由海南泉能能源有限公司提供，烘房長(zhǎng)× 寬×高分別是3.6 m×2.5 m×2.4 m，最大裝載量為3.6 t，主要參數(shù)：溫度為35～80℃，風(fēng)速為2.0 m/s，相對(duì)濕度（RH，relative humidity）為10%～90%。

1.2 材料與儀器

新鮮檳榔產(chǎn)自海南省萬(wàn)寧市，采摘后，去掉無果蒂或發(fā)黃發(fā)黑的檳榔果，選取大小、色澤一致、濕基含水率為80%±0.8%的鮮果為試驗(yàn)材料。

XMTA-6000型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海葉拓儀器儀表有限公司；TMS-PRO質(zhì)構(gòu)分析儀，美國(guó)FTC公司；蒸汽烘干房，萬(wàn)寧海聯(lián)檳榔合作社。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

質(zhì)構(gòu)測(cè)定采用質(zhì)地多面分析法（texture profile analysis，TPA）測(cè)定硬度，模擬牙齒的咀嚼狀態(tài)，把煮沸處理的檳榔果橫放在載物臺(tái)中央，對(duì)檳榔全果進(jìn)行2次擠壓。TPA試驗(yàn)參數(shù)如下：測(cè)前速率0.5 mm/s，測(cè)試速率0.5 mm/s，測(cè)后速率0.5 mm/s；形變量：50%；停頓時(shí)間：3 s；得到相關(guān)質(zhì)構(gòu)參數(shù)，每次取10個(gè)樣品，以硬度1為參考指標(biāo)，去掉最低和最高硬度值，取平均值，測(cè)定結(jié)果用N表示。

1.3.2 果蒂脫落率

取4 kg煮沸處理的檳榔果瀝干，檳榔果的總數(shù)計(jì)值為Nm，網(wǎng)篩振搖4～5次，揀出脫蒂的檳榔并計(jì)數(shù)，計(jì)值Ni，果蒂脫落率為P（%）。

1.3.3 耗電量

耗電量以干燥得到1 kg檳榔干果耗電度數(shù)計(jì)算。

1.3.4 含水率測(cè)定

參考GB/T 5009.3-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定方法。每次取果進(jìn)行含水率測(cè)量時(shí)，扒開頂層果，在4個(gè)角落和中間五個(gè)點(diǎn)各取5個(gè)果，切碎后混合取樣進(jìn)行水分測(cè)定。

1.3.5 檳榔干果好果率

由訓(xùn)練有素的技術(shù)工人選果。干果最大橫徑為15～ 21 mm、縱徑（果蒂到果底的長(zhǎng)度）為45～64 mm，紋理清晰的果，為好果，稱其質(zhì)量為Mi（kg）；否則即為壞果，稱其質(zhì)量為Mm（kg），好果率為R（%）。

1.3.6 檳榔干果均勻度

參考DB 469006/T 07-2012 檳榔干果標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)抽取樣果60個(gè)，以目測(cè)法分揀出最大和最小的干果各20個(gè)，稱重。計(jì)算小果質(zhì)量Gi（kg）與大果質(zhì)量Gm（kg）的比值，以均勻度E(%)表示。

1.3.7 綜合評(píng)分

參考李敏[21]加權(quán)評(píng)分值計(jì)算方法，綜合考慮單位質(zhì)量耗電量、干果含水率、好果率和均勻度等，對(duì)干果品質(zhì)進(jìn)行加權(quán)評(píng)分。采用專家賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，以滿分100分計(jì)，好果率和均勻度占權(quán)重分值均為30分，單位質(zhì)量干果耗電量和含水率權(quán)重分值均為20分。好果率和均勻度以Ai計(jì)算加權(quán)得分，含水率和耗電量以Bi計(jì)算加權(quán)得分。其中，耗電量的多少與烘房外空氣的溫度以及裝載量密切相關(guān)，在本試驗(yàn)中以單位質(zhì)量耗電量0.8 (kW·h)/kg為最佳耗電量。含水率與干果的品質(zhì)和干燥成本相關(guān)，本試驗(yàn)以14%為最佳含水率。好果率以100%為最佳。DB 469006/T 07-2012 檳榔干果標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定果實(shí)均勻指數(shù)以0.9為優(yōu)品果，本試驗(yàn)均勻度以100%為最佳。

式中a為權(quán)重分值；Km為該指標(biāo)所對(duì)應(yīng)最佳試驗(yàn)結(jié)果；Ki為該指標(biāo)所對(duì)應(yīng)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果；綜合評(píng)分為各指標(biāo)加權(quán)得分之和。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試驗(yàn)方案工藝流程

新鮮檳榔→挑選→煮沸（100℃）→50℃干燥12 h→優(yōu)化溫度干燥→選果→優(yōu)化溫度干燥→選果→成品。

1.4.2 蒸煮時(shí)間確定

新鮮檳榔分別經(jīng)沸水蒸煮0、5、10、15、20、25、30、35和40 min后，分別測(cè)定其硬度和果蒂脫落率。

1.4.3 干燥溫度和干燥時(shí)間的確定

新鮮檳榔經(jīng)過沸水蒸煮20 min，瀝干，裝料量2.7 t，干燥12 h內(nèi)溫度設(shè)置為50℃，熱泵烘房?jī)?nèi)RH為40%；干燥12 h后分別在50、55、60、65和70℃的條件下進(jìn)行，熱泵烘房RH為25%。每7 h用直接干燥法測(cè)定一次物料的含水率，平行測(cè)3～5次，取平均值。所測(cè)檳榔含水率為18%±2%時(shí)，停止干燥，記錄干燥的時(shí)間。

1.4.4 烘房裝載量試驗(yàn)

干燥12 h內(nèi)溫度設(shè)置為50℃，熱泵烘房?jī)?nèi)空氣RH 為40%；干燥12 h后熱泵干燥溫度設(shè)置為65℃，熱泵烘房?jī)?nèi)空氣RH為25%，裝料量分別為2.70、3.15、3.60和4.05 t，干燥時(shí)間不定，隨時(shí)監(jiān)測(cè)含水率，當(dāng)含水率降至18%±2%時(shí)，停止干燥，測(cè)定其好果率、均勻度。

1.4.5 正交試驗(yàn)

干燥12 h內(nèi)溫度設(shè)置為50℃，熱泵烘房?jī)?nèi)空氣RH為40%；干燥12 h后，熱泵烘房?jī)?nèi)空氣RH為25%，選擇蒸煮時(shí)間、干燥溫度、干燥時(shí)間和裝載量4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用加權(quán)評(píng)分法，以好果率、均勻度、含水率和單位質(zhì)量耗電量的綜合評(píng)分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定熱泵干燥的最佳工藝。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L(34)正交表，因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表L9(34)Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment L9(34)

1.4.6 干果質(zhì)量檢測(cè)

按照優(yōu)化的工藝干燥檳榔，25℃貯藏30 d后，取樣送中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中心，對(duì)檳榔干果含水率、汞、鉛、砷、苯并芘、大腸菌群、霉菌和致病菌等進(jìn)行檢測(cè)。

1.4.7 不同干燥方式比較

采用熱泵干燥優(yōu)化工藝干燥檳榔，與傳統(tǒng)土爐干燥法和蒸汽干燥法進(jìn)行比較，干燥時(shí)間均為96 h，對(duì)比干果品質(zhì)、含水率、能耗及務(wù)工費(fèi)等。

土爐干燥方法[8]：取檳榔鮮果3.5 t，煮沸15 min，裝于14個(gè)土爐中，每個(gè)土爐裝0.25 t，按照傳統(tǒng)干燥方法進(jìn)行干燥。蒸汽干燥方法[8]：取檳榔鮮果3.5 t，煮沸15 min，裝于蒸汽烘干房中，溫度設(shè)置為65℃，進(jìn)行干燥。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Origin8.0作圖，采用SPSS Statistics 18對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平（P<0.05）。試驗(yàn)重復(fù)3～5次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 煮沸時(shí)間對(duì)檳榔果硬度的影響

檳榔煮沸又稱為殺青、漂燙。檳榔經(jīng)過煮沸后有3個(gè)作用，一是溶解去除檳榔表皮的果蠟，使水分更容易溢出，二是破壞組織結(jié)構(gòu)，使檳榔軟化疏松，三是除澀味。適當(dāng)?shù)恼糁髸r(shí)間可以起到軟化殺青的作用，蒸煮時(shí)間長(zhǎng)，果蒂容易脫落，影響檳榔干燥時(shí)紋路的收縮。煮沸時(shí)間對(duì)硬度的影響結(jié)果見圖2，隨著煮沸時(shí)間的延長(zhǎng)，檳榔的硬度逐漸降低，后趨于穩(wěn)定。檳榔鮮果煮沸時(shí)間為10 min內(nèi)，其硬度迅速降低，從514 N降到358 N；煮沸20 min，硬度為325 N；后隨煮沸時(shí)間增加，硬度變化趨于平緩。煮沸25 min后硬度幾乎無變化，說明煮沸時(shí)間最好控制在10～25 min。檳榔果蒂脫落對(duì)檳榔干燥極為不利，影響干果紋路的收縮及后期深加工風(fēng)味的呈現(xiàn)，因此在整個(gè)干燥過程中應(yīng)盡量避免果蒂的脫落。圖3是煮沸時(shí)間對(duì)果蒂脫落率的影響，煮沸時(shí)間越長(zhǎng)，果蒂脫落率逐步增加。煮沸10 min果蒂脫落率為1%；煮沸20 min，果蒂脫落率為2%；煮沸25 min，果蒂脫落率為4%；而煮沸40 min時(shí)，果蒂脫落率上升到8%。綜合圖2和圖3，為使煮沸后的檳榔硬度小同時(shí)果蒂脫落率低，因此，煮沸時(shí)間以15 min為宜。

圖2 煮沸時(shí)間對(duì)檳榔硬度的影響Fig.2 Effects of boiling time on hardness of pedicel

圖3 煮沸時(shí)間對(duì)檳榔果蒂脫落率的影響Fig.3 Effects of boiling time on deciduous ratio of pedicel

2.2 干燥溫度及干燥時(shí)間對(duì)檳榔干燥效果的影響

干燥溫度不同，檳榔干果含水率下降的幅度有明顯差異（圖4）。從圖4可以看出，在干燥20 h之內(nèi)，檳榔含水率變化小，這與熱泵的升溫過程緩慢有關(guān)。干燥77 h后，當(dāng)干燥溫度為70℃時(shí)，濕基含水率達(dá)15.89%，而干燥溫度為50℃時(shí)，濕基含水率為46.1%，而要達(dá)到相同的濕基含水率15.89%，干燥時(shí)間要延長(zhǎng)到120 h以上。李梁[22]等研究了含水率對(duì)檳榔干果質(zhì)地的影響發(fā)現(xiàn)，在食用檳榔的深加工中，含水率為18%的檳榔干果口感綿軟，對(duì)口腔刺激較小。因此，檳榔含水率達(dá)18%±2%時(shí)，應(yīng)停止干燥。熱泵干燥中，干燥溫度越低，干燥時(shí)間就越長(zhǎng)，能耗高；干燥溫度越高，干燥時(shí)間短，便于生產(chǎn)，但熱泵負(fù)荷太大，工作不穩(wěn)定，且夜間空氣溫度降低時(shí)，烘干房溫度難以達(dá)到70℃。故干燥溫度以60～65℃，干燥時(shí)間以90 h為宜。婁正等[5]研究表明檳榔的熱風(fēng)干燥沒有恒速干燥階段，只有降速干燥階段。干燥溫度對(duì)檳榔的干燥有顯著影響，且干燥速率隨著干燥溫度的升高而增大。這與本試驗(yàn)研究的結(jié)果一致。推測(cè)原因可能是檳榔進(jìn)行熱泵干燥時(shí)，溫度設(shè)置低，排熱頻繁，水分蒸發(fā)慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)；而溫度設(shè)置高，熱量損失少，水分蒸發(fā)快，干燥時(shí)間明顯縮短。

圖4 檳榔在不同干燥溫度和干燥時(shí)間的含水率Fig.4 Moisture content of different temperature and time of betel nut

2.3 檳榔果裝載量對(duì)干燥效果的影響

從表2可以看出裝載量為2.70 t時(shí)，單位質(zhì)量耗電數(shù)為0.95 (kW·h)/kg；裝載量3.15 t時(shí)，單位質(zhì)量耗電數(shù)為0.87 (kW·h)/kg，裝載量為4.05 t時(shí)，單位質(zhì)量耗電數(shù)為1.02 (kW·h)/kg，耗電量差異明顯（P＜0.01），說明檳榔果裝載量大小直接影響干燥的能耗。不同裝載量進(jìn)行干燥，隨著干燥時(shí)間變化，其好果率和含水率也有所差異，裝載量為2.70 t，干燥時(shí)間為84 h，干果含水率為17.44%，好果率為94.9%；裝載量為3.15 t，干燥時(shí)間為84 h，干果含水率為18.05%，好果率為96.1%；裝載量為3.60 t，干燥時(shí)間為91 h，干果含水率為18.54%，好果率為96.5%。推測(cè)原因可能是由于裝載量增加，堆砌厚度高，擠壓力量大，致使檳榔干果紋路收縮緊密的緣故，從而增加好果率；裝載量為4.05 t時(shí)，超過了最高設(shè)計(jì)裝載量，干燥時(shí)間明顯延長(zhǎng)達(dá)120 h，含水率為22.62%，濕果偏多，好果率為91.6%，在4個(gè)裝載量中最低，干燥時(shí)間長(zhǎng)對(duì)生產(chǎn)周轉(zhuǎn)和降低成本都極為不利。綜上，裝載量在2.70～3.60 t范圍內(nèi)，干燥時(shí)間在91 h內(nèi)，可滿足生產(chǎn)需要，所得干果含水率適中，耗電量適宜，好果率高。

表2 烘房不同裝載量下干燥效果Table 2 Drying effects of different loading capacity

2.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

表3為正交試驗(yàn)結(jié)果，由表3可知，最佳組合條件為A3B2C3D2，即干燥溫度為65℃，煮沸時(shí)間為15 min、裝載量為3.5 t，干燥時(shí)間為96 h。表4為正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果。由表4可知，影響綜合評(píng)分的主次因素依次是干燥溫度＞煮沸時(shí)間＞干燥時(shí)間＞裝載量，4個(gè)因素都對(duì)評(píng)分結(jié)果有顯著影響。經(jīng)驗(yàn)證，按照最優(yōu)條件進(jìn)行熱泵干燥，檳榔單位質(zhì)量含水率為16.80%，好果率為96.0%，干果均勻度為91.0%，單位質(zhì)量耗電量為0.92 (kW·h)/kg，綜合評(píng)分為90.1分。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental design and result

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal test results

2.5 檳榔干果檢測(cè)結(jié)果

按照優(yōu)化條件干燥的檳榔干果25℃下儲(chǔ)藏30 d，感官檢測(cè)為無霉變，顏色橄欖色或褐色，分析檢測(cè)結(jié)果如表5，按照檳榔深加工企業(yè)要求，含水率在20%以下均合格，貯藏30 d后測(cè)得干果含水率為17.8%，在合格范圍內(nèi)。按照GB 2762-2012 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量，由表5可以看出檳榔干果不含汞和苯并芘，鉛和砷含量均在指標(biāo)范圍內(nèi)。按照GB16325-2005干果食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，致病菌沒有檢出。按照中國(guó)食品微生物限量規(guī)定大腸菌群數(shù)合格，霉菌計(jì)數(shù)是按照GB 478915-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品微生物學(xué)檢驗(yàn)霉菌和酵母計(jì)數(shù)結(jié)果，實(shí)測(cè)值為30 cfu/g，小于100 cfu/g。

表5 檳榔干果檢測(cè)結(jié)果表Table 5 Test results of dried betel nuts

2.6 不同干燥方式比較

表6是檳榔采用熱泵干燥、蒸汽干燥和傳統(tǒng)土爐干燥3種方式得到干果的成本、能耗、干果品質(zhì)分析表。耗電成本為0.90元/(kW·h)，煤炭為0.7元/kg。由表6可知，熱泵干燥過程中只耗電，零排放，無污染；蒸汽干燥是通過燃燒煤來輸送熱量，因此伴有大量的CO2、硫化物等排放；土爐是通過燃燒蜂窩煤，也產(chǎn)生一定的CO2、硫化物等污染物，其排放量小于蒸汽干燥爐的排放量。熱泵干燥和蒸汽干燥因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，均比土爐干燥節(jié)省人工，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。生產(chǎn)1 kg干果耗電費(fèi)用，熱泵干燥為0.83元，蒸汽干燥為0.05元；熱泵干燥、蒸汽干燥和土爐干燥三者的電費(fèi)、煤費(fèi)和人工費(fèi)總費(fèi)用成本分別是1.83、2.04和3.61元，熱泵干燥成本最低，比蒸汽干燥成本低11%，比傳統(tǒng)干燥方式成本低50%。而熱泵干燥的好果率、均勻度與蒸汽干燥相比無明顯差異（P>0.05），但均高于土爐干燥方式（P<0.05）。熱泵干燥的干果含水率為16.8%，明顯低于蒸汽干燥和土爐干燥的干果含水率，主要原因是熱泵干燥可以控制干燥房的相對(duì)濕度，有利于水分的快速排出。蒸汽干燥和土爐干燥不能控制空氣的相對(duì)濕度，因此水分蒸發(fā)和排出減慢，因而干果含水率高，干果要達(dá)到熱泵烘干相同的含水率，需要進(jìn)一步延長(zhǎng)干燥時(shí)間。

表6 不同干燥方式比較Table 6 Comparison of different drying ways

3 結(jié)論

1）檳榔干燥前煮沸殺青，利于后續(xù)干燥，干燥過程果蒂應(yīng)盡量保持完整，不能脫落。煮沸時(shí)間短于10 min，達(dá)不到軟化的目的，煮沸時(shí)間太長(zhǎng)（長(zhǎng)于20 min），果蒂脫落率明顯增加，因此煮沸時(shí)間以15 min為宜。

2）采用熱泵干燥工藝，通過單因素法及多因素正交試驗(yàn)的優(yōu)化，得到了檳榔熱泵干燥的最佳工藝，即：新鮮檳榔經(jīng)過沸水蒸煮15 min，前12 h內(nèi)干燥溫度為50℃，熱泵烘房空氣相對(duì)濕度為40%，12 h后干燥溫度為65℃、裝料量為3.5 t、熱泵空氣相對(duì)濕度為25%時(shí)，干燥的檳榔干果含水率為16.8%，好果率為96.0%，均勻度為91.0%，耗電量為0.92 (kW·h)/kg。

3）生產(chǎn)的檳榔干果感官品質(zhì)良好，呈橄欖黃或褐色，25℃下儲(chǔ)藏30 d干果無霉腐現(xiàn)象出現(xiàn)，有檳榔固有的滋味，含水率17.8%。

4）熱泵干燥技術(shù)適用于檳榔干燥，具有節(jié)能、零排放、干燥成本低和干果品質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)。熱泵干燥比蒸汽干燥節(jié)約成本低11%，比傳統(tǒng)土爐干燥節(jié)約成本低50%，熱泵干燥好果率和均勻度與蒸汽干燥好果率無明顯差異（P>0.05），但均高于傳統(tǒng)土爐干燥好果率（P<0.05）。

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Technologic parameter optimization in pilot-scale process of heat pump drying of Areca catechu L.

Zhang Ronghu1, Gao Yuanneng2, Feng Jiancheng3, Xie Hui1, Deng Hao1, Zhuang Guanghui1, Dou Zhihao1※
(1. Institute of Processing & Design of Agroproducts, Hainan Academy of Agricultural Science, Haikou 571100, China; 2. Hainan Quanneng Energy Co. Ltd, Wanning 571500, China; 3. College of Materials and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Areca catechu L. belongs to perennial aiphyllium of palmae. It has very high medicinal value and is regarded as the first one of 4 kinds of the south medicines in China. Areca catechu L. abounds in Hainan, 10% for fresh food, more than 90% dried for further processing, Areca catechu L. drying has become the important processing industry in Hainan, the annual output of dried betel nut is about 200 000 t, and the annual output value is more than 10 billion yuan. For the Areca catechu L. drying, there are hot air drying and vacuum freeze drying, which have not been applied in production because of the limitation of experimental conditions and equipments, and the traditional furnace drying, steam drying and heat pump drying are used in production. The traditional furnace drying is a kind of small workshop processing, and its characteristics of small scale, large labor intensity and serious pollution are difficult to adapt to the modern agriculture development, so it has been gradually eliminated. For the steam drying whose heat source is from the burning coal, the characteristic of large scale and high mechanical strength adapts to the intensive agricultural product processing development, however it is limited because of a lot of greenhouse gases emitted from burning coal. Only the energy-conservation and environment-protection drying method is suitable for the Areca catechu L. drying industry’s sustainable and healthy development. The betel nut drying was studied using the heat pump drying equipment in this paper. The influences of boiling time on betel nut hardness, and drying temperature and loading capacity on moisture content of dried fruit were analyzed via the single factor experiment. The technology parameters of heat pump drying were optimized by the orthogonal experiment, and the quality of the dried betel nut was evaluated using the weighted score method. After 30-day storage, the physical, chemical and microbiological indicators of the dried fruits were detected, and moreover, the advantages and benefits were analyzed based on the comparison between the heat pump drying method and the steam drying and traditional drying methods. The optimum drying parameters were: boiling time of 15 min, initial drying time of 12 h at 50℃, following drying time of 84 h at 65℃, loading capacity of 3.5 t, 25% air relative humidity of dried room, and 16.8% water content of betel nut. The results showed as follows: the ratio of good dried fruit was 96%, the uniformity of dried fruit was 91%, the power consumption of dried fruit was 0.92 (kW·h)/kg, the comprehensive score of dried betel nut quality was 90.1, and the color of dried fruit was either olive yellow or brown. After 30-day storage at 25℃, the dried fruit did not mildew, and the physical and chemical indicators were in the controllable range. The cost of drying betel nut by heat pump was more economical, 11% lower than that of the steam drying and 50% lower than that of the traditional drying. The heat pump drying had the advantages of energy saving, low emissions, intelligent operation, low drying cost and good economic benefit. The research results provide the technical reference for the standardized processing of the betel fruit with the heat pump drying method.

drying; processing; optimization; heat pump; betel nut; weighted score value method

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034

TS201.1

A

1002-6819(2016)-09-0241-07

張容鵠，高元能，馮建成，謝 輝，鄧 浩，莊光輝，竇志浩. 熱泵干燥檳榔中試工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(9)：241－247.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034 http://www.tcsae.org

Zhang Ronghu, Gao Yuanneng, Feng Jiancheng, Xie Hui, Deng Hao, Zhuang Guanghui, Dou Zhihao. Technologic parameter optimization in pilot-scale process of heat pump drying of Areca catechu L.[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 241－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034 http://www.tcsae.org

2015-12-31

2016-03-23

海南省產(chǎn)學(xué)研一體化專項(xiàng)資金（CXY20140024）；海南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（ZDYF2016099）

張容鵠，女，湖北天門人，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。海口 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)研究所，571100。

Email：zrh0912@126.com

※通信作者：竇志浩，男，廣東吳川人，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。?？?海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)研究所，571100。Email：513408658@qq.com