南方波紋米粉絲的熱泵-熱風(fēng)組合干燥工藝研究

李健雄， 楊艾迪， 唐小俊， 張名位,*， 魏振承， 張 雁， 朱榮業(yè)， 鐘遠(yuǎn)愛， 鄒利運

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部功能食品重點實驗室/廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室， 廣東 廣州 510610； 2.廣東霸王花食品有限公司， 廣東 河源 517500)

南方波紋米粉絲是我國南方地區(qū)傳統(tǒng)米制品，其消費人群主要分布在我國南方地區(qū)和東南亞、歐洲及美國、加拿大等華人聚居地。在南方波紋米粉絲的生產(chǎn)中，干燥是非常重要的環(huán)節(jié)，它對產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)成本均有重要影響。目前在南方波紋米粉絲的規(guī)?；a(chǎn)中，采用的都是熱風(fēng)干燥，這種干燥方式以煤炭或電力為能源，雖然具有使用方便、設(shè)備投資少等優(yōu)點，但也有能耗高、產(chǎn)品品質(zhì)不佳[1-2]等缺點。目前南方波紋米粉絲加工業(yè)存在成本高、利潤低，企業(yè)發(fā)展后勁嚴(yán)重不足等問題，降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大的關(guān)鍵，因此采用現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是我國南方波紋米粉絲加工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

熱泵干燥技術(shù)是20世紀(jì)70年代末80年代初發(fā)展起來的一項新型干燥技術(shù)，是一種能從環(huán)境熱源吸取熱量，并使其在較高溫度下釋放，作為有用熱能加以利用的干燥技術(shù)，其顯著特點是節(jié)能，干燥后產(chǎn)品品質(zhì)好[3]。但熱泵干燥也存在缺點，在干燥后期，由于物料含水量較低，熱泵干燥的干燥速率較低而能耗升高[4]。采用熱泵-熱風(fēng)組合干燥既能克服單一熱泵干燥存在的問題[5]，也能解決熱風(fēng)干燥能耗高等問題[6]，因此在南方波紋米粉絲生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用價值，但目前國內(nèi)外尚無相關(guān)的研究報道。本研究旨在探討熱泵-熱風(fēng)組合對提高南方波紋米粉絲產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本等方面的效果，以改進和提升南方波紋米粉絲傳統(tǒng)干燥技術(shù)，促進南方波紋米粉絲加工業(yè)的健康發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

南方波紋米粉絲，廣東霸王花食品有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

GHRH-20型熱泵干燥機，廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司；MA100型快速水分測定儀、SQP型電子天平，Sartorius公司；DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1測定方法

分別稱取40 kg的濕南方波紋米粉絲均勻放置于熱泵干燥專用架上，根據(jù)試驗要求在一定條件下進行熱泵干燥。干燥至一定含水量后，將熱泵干燥后的南方波紋米粉絲移入恒溫干燥箱進行熱風(fēng)干燥，直至含水量為13.5%。測定并計算濕南方波紋米粉絲的品質(zhì)綜合評價值(以斷條率和蒸煮損失率為指標(biāo))、干燥速率及干燥過程的能耗，并以失水速率、南方波紋米粉絲品質(zhì)綜合評價值及能耗為干燥效果評價指標(biāo)(其值運用平均加權(quán)法計算)，分別研究熱泵干燥時載樣量、干燥溫度、干燥風(fēng)速各單因素對南方波紋米粉絲干燥效果評價值的影響。各項計算公式為：

1)干燥速率，按式(1)計算。

(1)

式(1)中：N為干燥速率，g/min；Mi+1為物料ti+1時刻的質(zhì)量，g；Mi為物料ti時刻的質(zhì)量，g。

2)能耗按式(2)計算。

(2)

式(2)中：U為能耗，kW·h/kg；P1為熱泵耗電量，kW·h；P2為熱風(fēng)干燥耗電量，kW·h；m為樣品質(zhì)量，kg。

3)南方波紋米粉絲斷條率、南方波紋米粉絲蒸煮損失率的測定，均參照楊艾迪等[7]的方法。

4)品質(zhì)綜合評價值的計算，參照楊艾迪等[7]的計算方法。

5)干燥效果評價值的計算。對南方波紋米粉絲品質(zhì)綜合值、能耗、干燥速率，采用加權(quán)評分法合并得到反映干燥效果的干燥效果評價值。將品質(zhì)綜合評價值權(quán)重設(shè)為0.3，干燥速率權(quán)重設(shè)為0.3，能耗權(quán)重設(shè)為0.4；由于南方波紋米粉絲品質(zhì)綜合評價值和干燥速率越大越好，而能耗越低越好，故將測得的最大品質(zhì)綜合評價值及最大的干燥速率定為100分，將最小的能耗定為100分。評分時以各指標(biāo)進行歸一化[8]。按式(3)計算品質(zhì)綜合評價值。

干燥效果評價值=
0.3×100×(Y3/最大品質(zhì)綜合評價值)+
0.3×100×(Y4/最大干燥速率)+
0.4×100×(能耗/Y5) 。

(3)

式(3)中：Y3為品質(zhì)綜合評價值；Y4為干燥速率；Y5為能耗。

1.3.2單因素實驗

1)熱泵溫度影響實驗。分別稱取40 kg的南方波紋米粉絲均勻放置于干燥架，進行熱泵干燥，干燥溫度分別設(shè)為45、50、55、60、65 ℃，之后分別將干燥至含水量為24%的米粉絲移入恒溫干燥箱，在80 ℃條件下進行熱風(fēng)干燥，研究不同熱泵溫度對米粉絲干燥效果評價值的影響。

2)轉(zhuǎn)換點含水量影響實驗。在熱泵溫度50 ℃條件下，將分別經(jīng)熱泵干燥至含水量為16%、20%、24%、28%、32%的米粉絲移入80 ℃的恒溫干燥箱進行熱風(fēng)干燥，研究不同轉(zhuǎn)換點含水量對南方波紋米粉絲干燥效果評價值的影響。

3) 熱風(fēng)干燥溫度影響實驗。在熱泵溫度50 ℃條件下，將經(jīng)熱泵干燥至含水量為24%的米粉絲移入一定溫度的恒溫干燥箱，干燥箱溫度分別設(shè)為70、75、80、85、90 ℃，研究不同熱風(fēng)溫度對南方波紋米粉絲干燥效果評價值的影響。

1.3.3多因素優(yōu)化試驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以熱泵溫度、轉(zhuǎn)換點含水量、熱風(fēng)溫度3個因素為自變量，以干燥效果評價值為響應(yīng)值，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗，并對所得結(jié)果進行分析處理，以獲取優(yōu)化工藝條件[9]。

1.3.4熱泵-熱風(fēng)組合干燥與熱泵、熱風(fēng)干燥的對比實驗

對濕南方波紋米粉絲分別進行熱泵干燥、熱風(fēng)干燥、熱泵-熱風(fēng)組合干燥，然后對3種干燥方法的干燥效果進行對比。

稱取120 kg濕南方波紋米粉絲，平均分成3份，每份40 kg，分別進行熱泵、熱風(fēng)、熱泵-熱風(fēng)組合干燥，直至水分含量達到13.5%，然后評價其干燥效果。其中，熱泵干燥條件為溫度50 ℃、干燥風(fēng)速0.4 m/s；熱風(fēng)干燥條件中溫度參照廣東省霸王花食品有限公司實際生產(chǎn)所采用的溫度，即平均95 ℃，風(fēng)速調(diào)整至中等風(fēng)速；熱泵-熱風(fēng)組合干燥條件為熱泵溫度48 ℃、轉(zhuǎn)換點含水量23%及熱風(fēng)溫度78 ℃。試驗重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1熱泵溫度對南方波紋米粉絲干燥效果的影響

熱泵溫度對南方波紋米粉絲干燥效果的影響見圖1。圖1結(jié)果顯示，熱泵溫度對南方波紋米粉絲斷條率及蒸煮損失率有明顯的影響，其中在熱泵溫度低于50 ℃的條件下，斷條率及蒸煮損失率隨溫度升高而緩慢增加，但溫度超過50 ℃后，斷條率及蒸煮損失率增加速度有所加快，其中蒸煮損失率的增速較斷條率慢。南方波紋米粉絲品質(zhì)綜合評價值則與斷條率及蒸煮損失率的變化趨勢相反，隨著熱泵溫度的升高而呈持續(xù)降低的趨勢。

圖1 熱泵溫度對米粉絲斷條率、蒸煮損失率及品質(zhì)綜合評價值的影響Fig.1 Effects of heat pump drying temperature on cooked broken rate, cooked loss rate, and comprehensive evaluating value on quality of rice noodles

圖2 熱泵溫度對南方波紋米粉絲干燥速率、能耗及干燥效果評價值的影響Fig.2 Effects of heat pump drying temperature on drying rate, energy consumption, and dry effect evaluating value of rice noodles

熱泵溫度對能耗及干燥速率的影響如圖2。圖2中，隨著熱泵溫度升高，干燥速率和能耗均不斷上升，其中能耗在55 ℃以前上升比較明顯，大于55 ℃后則趨于平緩；干燥效果評價值在55 ℃前持續(xù)下降，在超過55 ℃后下降趨勢變緩，因此確定50 ℃為最適的熱泵干燥溫度，并選擇45、50、55 ℃進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

2.1.2轉(zhuǎn)換點含水量對南方波紋米粉絲干燥效果的影響

轉(zhuǎn)換點含水量是干燥方式從熱泵轉(zhuǎn)換至熱風(fēng)時南方波紋米粉絲的含水量，其對南方波紋米粉絲品質(zhì)的影響如圖3。圖3中，隨著轉(zhuǎn)換點含水量增大，南方波紋米粉絲斷條率及蒸煮損失率也隨之增大，其中斷條率增大趨勢更顯著；南方波紋米粉絲品質(zhì)綜合評價值則隨轉(zhuǎn)換點含水量的增大而降低，這說明隨著轉(zhuǎn)換點含水量的增大，熱風(fēng)干燥時間增加，南方波紋米粉絲的品質(zhì)變差。

圖3 轉(zhuǎn)換點含水量對米粉絲斷條率、蒸煮損失率及品質(zhì)綜合評價值的影響Fig.3 Effects of moisture changing point on cooked broken rate, cooked loss rate, and comprehensive evaluating value on quality of rice noodles

圖4 轉(zhuǎn)換點含水量對南方波紋米粉絲干燥速率、能耗及干燥效果評價值的影響Fig.4 Effects of moisture changing point on drying rate, energy consumption, and dry effect evaluating value of rice noodles

轉(zhuǎn)換點含水量對南方波紋米粉絲干燥速率、能耗及干燥效果評價值影響的結(jié)果見圖4。圖4結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)換點含水量的增大，干燥速率和能耗都隨之上升，其中，當(dāng)轉(zhuǎn)換點含水量超過20%后，干燥速率上升趨勢減緩，而能耗上升速度則加快；當(dāng)轉(zhuǎn)換點含水量超過28%后，能耗上升趨勢變緩。干燥效果評價值隨著轉(zhuǎn)換點含水量的增大，下降趨勢明顯。因此確定24%為最適轉(zhuǎn)換點含水量，并選擇20%、24%、28%的轉(zhuǎn)換點含水量進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

2.1.3熱風(fēng)溫度對南方波紋米粉絲干燥效果的影響

熱風(fēng)溫度對米粉絲斷條率、蒸煮損失率及品質(zhì)綜合評價值影響的結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，隨著熱風(fēng)溫度的升高，南方波紋米粉絲斷條率和蒸煮損失率呈不斷上升的趨勢，其中，在低于80 ℃時，上升趨勢都比較緩慢，但超過80 ℃后，上升趨勢都加快；南方波紋米粉絲的品質(zhì)綜合評價值則隨熱風(fēng)溫度的升高而呈明顯下降的趨勢。

圖5 熱風(fēng)溫度對米粉絲斷條率、蒸煮損失率及品質(zhì)綜合評價值的影響Fig.5 Effects of hot air drying temperature on cooked broken rate, cooked loss rate, and comprehensive evaluating value on quality of rice noodles

熱風(fēng)溫度對南方波紋米粉絲干燥速率、能耗及干燥效果評價值影響的結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，熱風(fēng)溫度對能耗及干燥速率的影響均較明顯，其中干燥速率隨著熱風(fēng)溫度的增大呈緩慢上升的趨勢；而能耗則隨熱風(fēng)溫度的增大而呈不斷降低的趨勢，當(dāng)溫度大于85 ℃后，降低趨勢變緩。隨著熱風(fēng)溫度的增大，干燥效果評價值在80 ℃前基本保持穩(wěn)定，隨后呈現(xiàn)快速下降的趨勢。因此確定熱風(fēng)溫度80 ℃為最適的干燥溫度，并選擇熱風(fēng)溫度75、80、85 ℃進行完全析因設(shè)計。

圖6 熱風(fēng)溫度對南方波紋米粉絲干燥速率、能耗及干燥效果評價值的影響Fig.6 Effects of hot air drying temperature on drying rate, energy consumption, and dry effect evaluating value of rice noodles

2.2 南方波紋米粉絲熱泵-熱風(fēng)組合干燥工藝優(yōu)化

2.2.1模型的建立及顯著性檢驗

在單因素實驗基礎(chǔ)上，進行了完全析因設(shè)計，試驗因素與水平見表1，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 試驗因素與水平

采用Design Expert 8.0軟件對表2所得結(jié)果進行方差分析，所得結(jié)果見表3。進行二次多元回歸擬合分析，得到干燥效果評價值對編碼自變量X1、X2、X3的二次多元回歸方程，見式(4)。

Y6=85.37-1.38X1-1.87X2-0.90X3-0.63X1X2- (4)

表3 方差分析表

2.2.2交互作用分析

根據(jù)回歸方程做出響應(yīng)面圖和等高線圖，考察響應(yīng)面圖的形狀，分析熱泵溫度X1、轉(zhuǎn)換點含水量X2和熱風(fēng)溫度X3對熱泵-熱風(fēng)組合干燥效果評價值Y6的影響，見圖7至圖9。由圖7至圖9看出，熱泵溫度和轉(zhuǎn)換點含水量、熱泵溫度和熱風(fēng)溫度之間的交互作用顯著，其他交互作用不顯著，這與方差分析的結(jié)果是一致的。

2.2.3優(yōu)化結(jié)果確定及驗證性試驗

采用Design Expert 8.0軟件進行預(yù)測模擬，得到優(yōu)化的干燥工藝條件：干燥溫度為48.02 ℃，轉(zhuǎn)換點含水量為22.55%，熱風(fēng)溫度為78.47 ℃。為便于操作，將工藝參數(shù)調(diào)整為：熱泵溫度48 ℃，轉(zhuǎn)換點含水量23%，熱風(fēng)溫度78 ℃，此時得到的干燥效果評價值為86.13，與其對應(yīng)的各指標(biāo)分別為斷條率5.86%，蒸煮損失率2.04%，品質(zhì)綜合評價值89.56，干燥速率0.11 g/min，能耗0.28 kW·h/kg。為驗證優(yōu)化的干燥工藝條件，在此條件下進行實驗，得到干燥效果評價值為86.19，與其對應(yīng)的各指標(biāo)分別為斷條率5.81%，蒸煮損失率2.11%，品質(zhì)綜合評價值89.10，干燥速率0.11 g/min，能耗0.27kW·h/kg，其中干燥效果評價值與理論相對誤差小于0.5%，可以說明所得到的回歸方程可以反映南方波紋米粉絲的熱泵干燥工藝，優(yōu)化得到的南方波紋米粉絲熱泵-熱風(fēng)組合干燥工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定的參考價值。

圖7 熱泵-熱風(fēng)組合干燥中X1和X2的交互作用Fig.7 Interaction between X1 and X2 during combined drying of heat pump with hot air

圖8 熱泵-熱風(fēng)組合干燥中X1和X3的交互作用Fig.8 Interaction between X1 and X3 during combined drying of heat pump with hot air

圖9 熱泵-熱風(fēng)組合干燥中X2和X3的交互作用Fig.9 Interaction between X2 and X3 during combined drying of heat pump with hot air

2.2.4熱泵-熱風(fēng)組合干燥與熱泵、熱風(fēng)干燥的對比試驗

3種干燥方式對南方波紋米粉絲干燥效果的對比結(jié)果見表4。從表4的結(jié)果可知，熱泵-熱風(fēng)組合干燥相較熱風(fēng)干燥，南方波紋米粉絲斷條率、蒸煮損失率分別降低了22.74%、43.13%，能耗降低了25.00%；與熱泵干燥相比，南方波紋米粉絲品質(zhì)比熱泵干燥略低，但能耗降低了15.63%；在3種干燥方法中，熱泵-熱風(fēng)組合干燥的干燥效果評價值最高，說明熱泵-熱風(fēng)組合干燥是南方波紋米粉絲的較佳干燥方式。

表4 不同干燥方式對南方波紋米粉絲干燥效果的對比

不同小寫字母代表差異顯著，即p<0.05。

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，在南方波紋米粉絲的干燥方法中，熱泵-熱風(fēng)組合干燥優(yōu)于熱風(fēng)干燥和熱泵干燥，這與前人在其他物料的干燥方法研究中所取得的結(jié)果是一致的。

在蔬菜與水產(chǎn)品干燥中，熱泵-熱風(fēng)組合干燥與熱風(fēng)干燥相比，即可節(jié)能，又能提高產(chǎn)品品質(zhì)。李遠(yuǎn)志等[10]研究結(jié)果顯示，新鮮胡蘿卜中胡蘿卜素含量為286 μg/g，經(jīng)熱風(fēng)與熱泵結(jié)合干燥后含量降低至236 μg/g，而經(jīng)熱風(fēng)干燥后降低至178 μg/g，說明熱風(fēng)與熱泵結(jié)合干燥對胡蘿卜素的保存效果顯著好于熱風(fēng)干燥。成剛[11]對甘藍(lán)菜干燥的研究結(jié)果表明，熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥比熱風(fēng)干燥耗能降低40.67%，得到的甘藍(lán)菜成品Vc含量、復(fù)水比都優(yōu)于熱風(fēng)干燥。應(yīng)林火[12]研究結(jié)果表明，采用熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥得到的萵筍品質(zhì)高于熱風(fēng)干燥，而且能耗比熱風(fēng)單獨干燥降低32.26%。孫嬡等[13]研究結(jié)果表明，與熱風(fēng)干燥相比，采用熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥小黃魚能耗降低了34.8%，得到的小黃魚干制品揮發(fā)性鹽基氮含量顯著低于熱風(fēng)干燥。任愛清[14]研究結(jié)果顯示，與熱風(fēng)干燥相比，熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥魷魚能耗降低了38.67%，產(chǎn)品揮發(fā)性鹽基氮含量明顯降低，色澤和復(fù)水性都優(yōu)于熱風(fēng)干燥。

熱泵-熱風(fēng)組合干燥與熱泵干燥相比，可以縮短干燥時間。徐建國等[15]研究了熱泵-熱風(fēng)分段式聯(lián)合干燥胡蘿卜片的效果，結(jié)果顯示，聯(lián)合干燥比單一熱泵干燥時間縮短28.6%。

采用熱泵-熱風(fēng)組合干燥的方式對南方波紋米粉絲進行干燥，可以充分發(fā)揮熱泵干燥節(jié)能的特點和熱風(fēng)干燥高溫快速的優(yōu)勢。這是因為單獨采用熱泵干燥時，當(dāng)南方波紋米粉絲水分降低到23%后，干濕界面向物料中心退縮，外部干區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量難以傳遞到干濕界面供水分汽化，整個干燥過程受干區(qū)部位熱傳導(dǎo)的控制，所以干燥速度變慢，能耗上升。當(dāng)南方波紋米粉絲水分降低到23%后，采用比熱泵干燥溫度要高的78 ℃熱風(fēng)干燥，就可以顯著提高干燥速率、縮短干燥時間、降低能耗。另外，在南方波紋米粉絲干燥時，前階段采用低溫的熱泵干燥，可避免高溫干燥時物料容易出現(xiàn)的表面結(jié)殼現(xiàn)象，使物料表面形成具有良好透氣性能的多孔結(jié)構(gòu)，這有利于后期干燥時水汽的溢出[4]。

干燥溫度對粉絲的品質(zhì)有重要影響。前人研究結(jié)果表明，干燥溫度越高，粉絲表面龜裂越多，斷條率越高，品質(zhì)越差[1]。這是由于溫度越高，粉絲表層水分?jǐn)U散速度也越快，這容易引起粉絲表層殼化而使內(nèi)部水蒸氣壓力加大，最終導(dǎo)致粉絲表層龜裂或斷裂[16-17]。本研究采用50 ℃熱泵干燥，或前期采用48 ℃熱泵干燥，后期采用78 ℃熱風(fēng)干燥，所得南方波紋米粉絲的品質(zhì)均顯著好于熱風(fēng)干燥，與已有研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

采用完全析因設(shè)計優(yōu)化確定了南方波紋米粉絲的熱泵-熱風(fēng)組合干燥方法的優(yōu)化工藝條件：熱泵溫度48 ℃、轉(zhuǎn)換點含水量23%及熱風(fēng)溫度78 ℃。在此條件下所得南方波紋米粉絲干燥效果評價值為86.19，斷條率為5.81%，蒸煮損失率為2.11%，品質(zhì)綜合評價值為89.10，干燥速率為0.11 g/min，能耗為0.27 kW·h/kg。

與熱風(fēng)干燥和熱泵干燥方法相比，熱泵-熱風(fēng)組合干燥方法的干燥效果評價值分別提高了11.99%和13.15%，能耗分別降低了25.00%、15.63%。干燥后南方波紋米粉絲的品質(zhì)明顯優(yōu)于熱風(fēng)干燥方法，而略低于熱泵干燥方法。熱泵- 熱風(fēng)組合干燥是南方波紋米粉絲的較佳干燥方法。

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