檸檬熱泵干燥工藝參數(shù)優(yōu)化

龔麗，劉清化，劉軍，*，陳永春，龍成樹

（1.廣東省農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東廣州510630）

檸檬熱泵干燥工藝參數(shù)優(yōu)化

龔麗1，2，劉清化1，2，劉軍1，2，*，陳永春1，2，龍成樹1，2

（1.廣東省農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東廣州510630）

以新鮮檸檬為原料，干燥溫度、切片厚度及風(fēng)速作為試驗(yàn)因素，維生素C含量、干燥時(shí)間和感官評(píng)定值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)檸檬片熱泵干燥工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用正交試驗(yàn)綜合平衡法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明，影響干燥時(shí)間的主要因素是干燥溫度，風(fēng)速對(duì)維生素C和干燥時(shí)間有一定的影響，方差分析得到：厚度對(duì)檸檬維生素C含量具有顯著性影響。正交試驗(yàn)優(yōu)化檸檬片熱泵干燥工藝參數(shù)：溫度為60℃、風(fēng)速為0.5m/s、厚度為4mm，干燥時(shí)間7.5 h，維生素C含量289.47mg/100g，感官評(píng)定值為84，干燥后維生素C保留率為67.72%。

檸檬；熱泵干燥；正交試驗(yàn)；綜合平衡法；工藝參數(shù)

檸檬（Citrus limon）為蕓香科柑橘屬常綠小喬木，檸檬中富含維生素C和檸檬酸[1]，是一種具有很高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值的水果。檸檬具有季節(jié)性，新鮮檸檬不易儲(chǔ)藏，而對(duì)新鮮檸檬進(jìn)行切片干燥有利于長(zhǎng)時(shí)間保存，可以用開水沖泡作為檸檬茶飲用。

目前，國(guó)內(nèi)檸檬片干燥主要采用熱風(fēng)烘干、真空冷凍干燥和太陽(yáng)能干燥等。謝振文等對(duì)檸檬進(jìn)行真空冷凍干燥工藝參數(shù)優(yōu)化研究，得到了最佳工藝參數(shù)[2]；常婷婷等對(duì)檸檬熱風(fēng)干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到溫度為80℃，厚度為3mm，風(fēng)速為0.5m/s，維生素C含量為137.06mg/100 g[3]；黃艷斌等進(jìn)行了檸檬熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)模型研究，得到檸檬熱風(fēng)干燥符合Page模型[4]；Ho-Hsien Chen等進(jìn)行了封閉式太陽(yáng)能干燥檸檬設(shè)備研究[5]。檸檬片真空冷凍干燥成本較高，無(wú)法大規(guī)模進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，熱風(fēng)干燥存在著能耗高、品質(zhì)較差的問(wèn)題。熱泵干燥是一種節(jié)能干燥技術(shù)在干燥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如稻谷干燥、果蔬干燥、種子干燥和水產(chǎn)品干燥等[6]，其在農(nóng)副產(chǎn)品中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在節(jié)能和品質(zhì)保證方面[7-8]。本文以新鮮檸檬為原料，對(duì)檸檬片進(jìn)行熱泵干燥試驗(yàn)，探討熱泵干燥過(guò)程中溫度、風(fēng)速、切片厚度對(duì)干燥速度、復(fù)水比及維生素C含量的影響，對(duì)提高檸檬的干燥效率和品質(zhì)具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

檸檬：英德市廣海農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，新鮮、無(wú)損傷、形狀均稱、大小基本一致，初始含水量85.16%，均重量為110 g，維生素C平均含量為67.46mg/100 g。

抗壞血酸（C6H8O6，分析純，規(guī)格25 g）：上海伯實(shí)生物科技有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

RG-15多功能環(huán)保介質(zhì)熱泵干燥機(jī)：廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所自制；MA150型水分測(cè)定儀：德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；FA/JA系列上皿電子天平：上海天平儀器廠；UV-180OPC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海亞榮生化儀器廠；KA32L型風(fēng)速測(cè)定儀：沈陽(yáng)加野科學(xué)儀器公司；W201D恒溫水浴鍋：上海申順生物科技有限公司等。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

清洗→切片→稱重→均勻平鋪在物料盤上→物料放入干燥室脫水→記錄干燥數(shù)據(jù)及成分測(cè)定

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素?zé)岜酶稍餀幟势囼?yàn)因素及水平分別為干燥溫度：35、45、55、65℃；風(fēng)速：0.5、1.0、1.5、2.0m/s；檸檬片厚度：2、4、6、8mm。通過(guò)單因素試驗(yàn)確定檸檬熱泵干燥正交試驗(yàn)各因素的適合范圍。

1.3.3 正交試驗(yàn)綜合平衡法

在正交試驗(yàn)中，通常采用單一試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)，而在本次試驗(yàn)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)有干燥時(shí)間、維生素C含量和檸檬片干的感官評(píng)定值，需要綜合考慮各因素對(duì)三者之間的影響。對(duì)于多指標(biāo)的評(píng)價(jià)問(wèn)題，通過(guò)綜合平衡法，分別評(píng)價(jià)溫度、風(fēng)速和厚度對(duì)干燥時(shí)間、維生素C含量和感官評(píng)定值的影響，然后根據(jù)各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度（極差值的大?。┻M(jìn)行綜合分析，確定溫度、風(fēng)速和厚度的最佳水平，得到最佳工藝參數(shù)[9]。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 復(fù)水比的測(cè)量

隨機(jī)稱取8 g～10 g檸檬片，1 000mL燒杯中加熱水500mL，調(diào)節(jié)溫度60℃，置于60℃恒溫水浴鍋復(fù)水2 h，前1 h每15分鐘測(cè)量1次質(zhì)量，后1 h每30分鐘測(cè)量1次質(zhì)量，3 h后，每60分鐘測(cè)量1次質(zhì)量，測(cè)量時(shí)應(yīng)用濾紙吸干表面水分。

式中：G1為干燥檸檬片復(fù)水后瀝干的質(zhì)量，g；G2為干燥檸檬片質(zhì)量，g。

1.4.2 抗壞血酸含量的檢測(cè)

抗壞血酸含量的檢測(cè)采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量法。

1.4.3 干燥檸檬片的感官評(píng)定

根據(jù)如下感官評(píng)分表，選取10人對(duì)檸檬片進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

表1 檸檬片感官評(píng)定Table1 Sensory evaluation of lem on slices

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)檸檬片干燥速度的影響

不同干燥溫度下檸檬片熱泵干燥曲線如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度下檸檬片熱泵干燥曲線Fig.1 Theheat pump d rying curveof lem on under different temperature

圖1表明在相同的厚度（4mm）和風(fēng)速（0.5m/s）條件下，干燥溫度越高檸檬片干燥速度越快，35℃和65℃時(shí)干燥時(shí)間分別為72 h和6 h。這是因?yàn)轱L(fēng)速度越大對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)越大，傳質(zhì)速率越高，干燥速度越快[9]。

2.2 檸檬切片厚度對(duì)干燥速度的影響

不同切片厚度下檸檬片熱泵干燥曲線如圖2所示。

圖2 不同切片厚度下檸檬片熱泵干燥曲線Fig.2 Theheatpum p drying curveof lemon under different thickness

圖2表明在相同的溫度（55℃）和風(fēng)速（0.5m/s）條件下，切片厚度越薄干燥速度越快，2mm和8mm厚度的檸檬片干燥時(shí)間分別為4 h和28 h，厚度在2mm～4mm之間干燥速度變化較大，6mm～8mm之間變化較為平緩。由于切片越厚物料中心水分越難遷移，且厚片中完整果粒所占比例大，而完整果粒因有一層膜包裹其內(nèi)部水分難揮發(fā)，導(dǎo)致干燥時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 干燥風(fēng)速對(duì)檸檬干燥速度的影響

不同風(fēng)速下檸檬熱泵干燥曲線如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)速下檸檬熱泵干燥曲線Fig.3 Theheat pum p drying curveof lemon under differentwind spee

由圖3表明，在相同切片厚度（4 mm）和溫度（55℃）條件下，干燥風(fēng)速對(duì)檸檬片干燥速度有一定的影響，干燥風(fēng)速越大干燥速度越快，這是因?yàn)轱L(fēng)速越大，干燥介質(zhì)與檸檬片之間的對(duì)流傳熱膜系數(shù)越大，傳熱傳質(zhì)速度提高的緣故[10]。

2.4 不同干燥條件對(duì)檸檬復(fù)水性的影響

不同干燥溫度下檸檬干復(fù)水曲線如圖4所示，不同厚度下的檸檬干復(fù)水曲線如圖5所示，不同風(fēng)速下檸檬干復(fù)水曲線如圖6所示。

在農(nóng)產(chǎn)品干燥中，干燥后產(chǎn)品的復(fù)水率是衡量產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)。圖4表明干燥溫度越高，檸檬片復(fù)水性越好，干燥速度過(guò)慢會(huì)形成致密結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致檸檬片復(fù)水性較差。圖5表明切片厚度為2mm復(fù)水性最好，切片厚度4mm～8mm變化不明顯，可能是由于切片越薄，果粒破壞率越大，復(fù)水性越好。圖6表明風(fēng)速在1.0m/s附近檸檬片的復(fù)水性最好，風(fēng)速太大和太小都會(huì)影響檸檬片的復(fù)水性。

圖4 不同干燥溫度下檸檬干復(fù)水曲線Fig.4 Different temperatureson the lemon dry rehydration curve

圖5 不同厚度下檸檬干復(fù)水曲線Fig.5 Different thicknesson the lemon dry rehydration curve

圖6 不同風(fēng)速下檸檬干的復(fù)水曲線Fig.6 Differentwind speed on the lemon dry rehydration curve

2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

單因素試驗(yàn)中確定正交溫度范圍為40℃～60℃，風(fēng)速為0.5m/s～1.5m/s，厚度為2mm～6mm，正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，選擇L9（34）正交試驗(yàn)表，并以干燥時(shí)間（h）、干檸檬片中維生素C含量（mg/100 g）和感官評(píng)定值為指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3和表4數(shù)據(jù)分析表明，在一定范圍內(nèi)，干燥時(shí)間越短越好，維生素C含量和感官評(píng)定值，評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大越好。由干燥時(shí)間極差分析可知，干燥溫度極差值最大，即干燥溫度是影響干燥時(shí)間的主要因素即A3為最佳水平，由感官定值和維生素C含量極差分析結(jié)果可知，切片厚度是影響感官評(píng)定和維生素C的主要因素C2為最佳水平，同時(shí)風(fēng)速在兩者的極差分析中為最小影響因素，綜合溫度單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇B1作為最佳水平，根據(jù)上述溫度、風(fēng)速及厚度3個(gè)因素對(duì)檸檬片干的干燥時(shí)間、維生素C含量和感官評(píng)定值3個(gè)評(píng)定指標(biāo)的極差分析，得到檸檬片熱泵干燥的最優(yōu)的工藝組合為：干燥溫度60℃，風(fēng)速0.5m/s，切片厚度4mm（A3B1C2）。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table2 Factorsand levelsof orthogonalexperiments L9（34）

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table3 Orthogonalexperimental results

表4 數(shù)據(jù)直觀分析結(jié)果Table4 Data visualanalysis resu lts

表5數(shù)據(jù)表明，厚度對(duì)維生素C含量的影響具有顯著性。

表5 維生素C含量方差分析結(jié)果Table5 Varianceanalysisof Vitam inC content

在最佳干燥工藝條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：干燥時(shí)間為7.5 h、維生素C平均含量為289.47mg/100 g、檸檬酸平均含量為15.39%，感官評(píng)定平均值為84，平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，與優(yōu)化結(jié)果相符，且較文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的熱風(fēng)干燥后檸檬片維生素C含量高[3]，說(shuō)明熱泵干燥可以減少檸檬片中維生素C含量的損失。

3 結(jié)論

熱泵干燥單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到溫度、風(fēng)速、厚度與成品質(zhì)量的關(guān)系。正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀分析得到干燥時(shí)間影響程度為：溫度＞厚度＞風(fēng)速，維生素C含量與感官評(píng)定值影響程度為：厚度＞溫度＞風(fēng)速，方差分析結(jié)果顯示切片厚度是影響維生素C含量的顯著因素。正交試驗(yàn)結(jié)果分析得到最優(yōu)的工藝參數(shù)：溫度為60℃、風(fēng)速為0.5m/s、厚度為4mm，在優(yōu)化條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為檸檬干燥時(shí)間7.5 h，維生素C含量289.47mg/100 g，感官評(píng)定值84，維生素C保留率為67.72%。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)檸檬片在常溫貯藏15 d后顏色變化嚴(yán)重，而低溫貯藏色澤可以保持一個(gè)月以上，具體貯藏技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

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Optim ization of Heat Pum p Drying Technology Param eters of Lemon

GONG Li1，2，LIUQing-hua1，2，LIU Jun1，2，*，CHENYong-chun1，2，LONGCheng-shu1，2
（1.Key Lab ofGD for AgriculturalProductsDry Processing Engineering，Guangzhou 510630，Guangdong，China；2.Guangdong AgriculturalMachinery Research Institute，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

With fresh lemon as rawmaterial，temperature，thicknessand speed asexperimental factors，vitamin C content，drying time and sensory evaluation isevaluation of lemon experimental study ofheatpump drying technology.Using orthogonalofoverallbalancemethod experiment to optimize the analysis ofexperimental data，the results shoWthat themain factors affecting the drying time is temperature，wind speed has a certain impacton Vitamin Cand drying time.Analysisofvariance showed that：the thicknesshasa significant influence on Vitamin C contentof lemon.Orthogonaloptimization lemon heatpump drying processparameters：temperatureof60℃，wind speed of0.5m/s，the thicknessof4mm，drying time7.5 h，Vitamin C content289.47mg/100 g，sensoryevaluation is84，afterdrying Vitamin C retention rateof67.22%.

lemon；heatpumpdrying；orthogonalexperiment；theoverallbalancemethod；processparameters

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.017

2016-07-16

檸檬產(chǎn)地初加工技術(shù)推廣與服務(wù)；2013年中央財(cái)政專項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與服務(wù)補(bǔ)助資金（粵農(nóng)財(cái)[2014]19號(hào)）

龔麗（1975—），女（漢），副研究員，博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工工藝研究。

*通信作者：劉軍，男，碩士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工藝及設(shè)備研究工作。