基于Weibull分布函數(shù)的雙孢菇熱泵干燥特性研究

李亞麗,張明玉

(漯河食品職業(yè)學(xué)院,河南漯河 462300)

雙孢菇(Agaricusbisporus)屬擔(dān)子菌綱、傘菌目、傘菌科,蘑菇屬[1]。雙孢菇人工栽培始于法國路易十四時(shí)代,距今約有300年,中國雙孢菇多見白色,圓形,傘狀品種,故雙孢菇在我國有“白蘑菇”、“洋蘑菇”及“圓蘑菇”等別稱[2]。據(jù)報(bào)道世界范圍內(nèi),雙孢菇以美國產(chǎn)量為最多,我國居第二,且年產(chǎn)量高達(dá)250萬噸[3]。然而,新鮮雙孢菇采摘后,含水量極高(濕基含水率在90%以上),常溫自然狀體下貯藏易發(fā)生一系列生理及形狀等方面的變化,使得雙孢菇產(chǎn)品品質(zhì)下降,甚至腐爛產(chǎn)生危害消費(fèi)者生命健康物質(zhì)[4]。因此,高水分雙孢菇脫水處理是延長其貨架期、保證雙孢菇深加工安全的重要操作單元。

干燥具有延長高水分含量食品貨架壽命、減少腐爛損失、提高產(chǎn)品附加值等優(yōu)點(diǎn),是果蔬脫水處理中常用的一種技術(shù)手段[5]。我國雙孢菇傳統(tǒng)主流干燥技術(shù)是熱風(fēng)干燥和冷凍干燥,但熱風(fēng)干燥存在干燥產(chǎn)品品質(zhì)差的缺點(diǎn),冷凍干燥雖然能夠得到品質(zhì)極高的產(chǎn)品,但也有干燥耗時(shí)長、干燥能耗大的弊端[6]。熱泵干燥是指利用熱泵除濕原理在干燥系統(tǒng)中增加熱空氣去濕循環(huán)操作,從而調(diào)控干燥環(huán)境溫濕度,重復(fù)利用干燥熱殘留的一種節(jié)能脫水技術(shù),其具有能量利用率高、產(chǎn)品品質(zhì)好、操作條件寬泛以及操作過程簡單等優(yōu)點(diǎn)[5]。熱泵干燥溫度控制在5～40 ℃時(shí)的干燥方式稱為熱泵式冷風(fēng)干燥,簡稱冷風(fēng)干燥[7]。物料在進(jìn)行冷風(fēng)干燥時(shí)所處干燥環(huán)境溫度較低,能夠有效地保證產(chǎn)品營養(yǎng)物質(zhì)的保留,這種干燥方式特別適合于熱敏性食品的脫水處理中[5]。任廣躍等[7]利用冷風(fēng)干燥得到了干燥時(shí)間較短,葉綠素保留率較高的香椿芽干制品;張?zhí)鞚傻萚8]采用冷風(fēng)干燥處理高濕度玉米，以降低玉米干燥中的裂紋率。目前尚未見將熱泵式冷風(fēng)干燥應(yīng)用于高水分雙孢菇干燥的報(bào)道。

干燥模型是描述物料干燥行為的一個(gè)重要手段[9]。一般線性方程很難準(zhǔn)確擬合出整個(gè)干燥過程;傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统Ｓ脕韺Ω稍锴€進(jìn)行模擬以達(dá)到表征干燥過程,預(yù)測干燥結(jié)果的目的,但這類模型缺乏對整個(gè)干燥機(jī)理的表達(dá),沒有物理意義;Weibull分布函數(shù)具有適用性廣、覆蓋性強(qiáng)的特點(diǎn),通過分析Weibull分布函數(shù)中的尺度參數(shù)(α)和形狀參數(shù)(β),能夠掌握整個(gè)干燥過程中的水分?jǐn)U散機(jī)制,因而Weibull分布函數(shù)常用來對干燥過程中物料水分比曲線進(jìn)行擬合,以表征物料的干燥動力學(xué)行為[10]。段續(xù)等[9]采用Weibull分布函數(shù)對真空降溫緩蘇輔助下的黃秋葵熱風(fēng)干燥曲線進(jìn)行擬合,得到較高擬合精度,并通過擬合方程的形狀參數(shù)，分析出緩蘇處理能夠改變黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中的水分遷移機(jī)制。本實(shí)驗(yàn)利用Weibull分布函數(shù)對雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥曲線進(jìn)行擬合,確定擬合函數(shù)的尺度參數(shù)(α)和形狀參數(shù)(β),分析雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥特性及干燥過程中水分遷移機(jī)制。同時(shí),實(shí)驗(yàn)以雙孢菇干燥特性和品質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)，對其干燥過程進(jìn)行綜合評價(jià),得到最佳干燥條件,并以雙孢菇熱風(fēng)干燥和冷凍干燥為參照實(shí)驗(yàn)對雙孢菇冷風(fēng)干燥進(jìn)行綜合對比,以確定冷風(fēng)干燥技術(shù)在雙孢菇干制品生產(chǎn)中的適用性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

As2799品種雙孢菇 河南省漯河市臨潁縣綠苑果蔬種植基地(實(shí)驗(yàn)選用菌蓋直徑約為12 cm、菌蓋呈工整初半球形、后近平展、表面白色均勻的雙孢菇新鮮原料)。

YCFZD-2A型冷風(fēng)干燥機(jī) 杭州歐易電器有限公司;DW-25L600型低溫冷藏箱 上?？屏馔锟萍加邢薰?GS-Ⅱ熱風(fēng)干燥機(jī) 河南省鄭州市萬谷機(jī)械有限公司;SJIA-10N真空冷凍干燥機(jī) 寧波市雙嘉儀器有限公司;TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀 美國英斯特朗公司;X-rite Color I5型色差計(jì) 美國愛色麗公司;101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司;DDS7738型電子式電能表 上海華立電表廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 雙孢菇的預(yù)處理 將雙孢菇清洗干凈瀝干,切成長、寬、厚約為45,10,5 mm的薄片待用。

1.2.2 雙孢菇的干燥 冷風(fēng)干燥過程:將上述待用雙孢菇均勻平鋪于冷風(fēng)干燥箱多孔物料盤內(nèi),每組試驗(yàn)物料量為8.33 kg/m2,結(jié)合設(shè)備性能及前期預(yù)實(shí)驗(yàn),雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:固定進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s,改變干燥溫度分別為:10、15、20、25、30 ℃;固定干燥溫度為20 ℃,改變進(jìn)口風(fēng)速分別為:1、1.5、2、2.5、3 m/s。干燥過程中環(huán)境相對濕度為70%。

熱風(fēng)干燥過程:將上述待用雙孢菇均勻平鋪于熱風(fēng)干燥箱多孔物料盤內(nèi),每組試驗(yàn)物料量為8.33 kg/m2。參考Giri等[1]研究成果結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn),雙孢菇熱風(fēng)干燥風(fēng)速為1.5 m/s,干燥溫度為60 ℃,干燥過程中環(huán)境相對濕度為40%。

冷凍干燥過程:將上述待用雙孢菇置于低溫冷藏箱中，在-25 ℃條件下凍結(jié)8 h后放入冷凍干燥箱物料盤內(nèi),每組試驗(yàn)物料量為8.33 kg/m2。參考Duan等[3]的研究成果結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn),雙孢菇冷凍干燥條件如下:加熱板溫度和冷阱溫度為40、-40 ℃;干燥過程中干燥室的壓力為50 Pa,環(huán)境相對濕度為20%。

在整個(gè)干燥過程中,每隔1 h將物料取出稱量,記錄數(shù)據(jù)后迅速放回繼續(xù)干燥,直至物料濕基含水率不變時(shí),干燥結(jié)束[8]。每組干燥實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作3次。

1.2.3 物料含水率測定 物料含水率測定采用GB 5009.3-2016中直接干燥法[11]。取經(jīng)過干燥后不含水分的潔凈玻璃稱量瓶,將新鮮雙孢菇盡量切碎后至于玻璃稱量瓶，并放于電熱鼓風(fēng)干燥箱中105 ℃條件下干燥至恒重(約6 h)。經(jīng)測定新鮮雙孢菇濕基含水率為93.17%±3.11%。

1.2.4 物料干燥過程中干基含水率測定 雙孢菇干燥過程中干基含水率測定按式(1)計(jì)算[9]:

式(1)

式中,Mt為物料在干燥任意t時(shí)刻的干基含水率,kg/kg;mt,md分別為干燥任意t時(shí)刻物料和絕干物料的質(zhì)量,g。

1.2.5 物料干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)計(jì)算 根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析解,物料干燥過程中的水分比(MR)可以表達(dá)為式(2)[1]:

式(2)

式中:Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m2/s;L為物料厚度的一半,m;t為時(shí)間,s;M0為初始干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥 t 時(shí)刻的干基含水率,g/g;n為組數(shù),本試驗(yàn)干燥時(shí)間足夠長,因此,可將其視為0,因此,實(shí)驗(yàn)中物料水分比又可以簡化為式(3):

式(3)

對式(3)兩邊進(jìn)行同時(shí)取自然對數(shù)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化即可得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算公式(4)[9]:

式(4)

1.2.6 干燥活化能計(jì)算 干燥活化能(Ea)按式(5)計(jì)算[10]:

式(5)

式中:Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m2/s;D0為物料中的擴(kuò)散基數(shù),為定值,m2/s;Ea為物料的干燥活化能,kJ/mol;R為氣體摩爾常數(shù),8.314 J/(mol·K);mol;T為物料干燥溫度, ℃。

1.2.7 物料干燥過程中水分比曲線Weibull分布函數(shù)擬合 物料干燥過程中水分比采用式(6)計(jì)算[12]:

式(6)

式中:M0,Me,Mt分別為初始干基含水率、干燥到平衡時(shí)的干基含水率、在任意干燥 t 時(shí)刻干基含水率,g/g。Me相對于M0和Mt來說很小可近似為0。因此式(7)可以改寫為[1]:

式(7)

物料干燥過程中的水分比變化動力學(xué)模型采用Weibull分布函數(shù)表示[1]:

式(8)

式中:α為尺度參數(shù)(h);β為形狀參數(shù);t為干燥時(shí)間(h)。

Weibull分布函數(shù)的擬合精度驗(yàn)證采用決定系數(shù)R2和離差平方和(χ2)來表示。R2值越大,χ2值越小表示擬合越好[1]:

式(9)

式(10)

式中,N為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù);MRi為實(shí)測水分比;MRpi為預(yù)測水分比。在Weibull分布函數(shù)中α為尺度參數(shù),表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料脫去63%水分所需要的時(shí)間;β為形狀參數(shù),其值與干燥過程的干燥速率有關(guān),當(dāng)β>1時(shí),干燥速率會先升高后降低;當(dāng)0.3<β<1時(shí)為降速干燥,干燥過程由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制[9]。

干基含水率與濕基含水率按式(11)轉(zhuǎn)換[13-14]:

式(11)

式中,M和ω分別表示物料干基含水率,g/g,和濕基含水率,%。

1.2.8 干燥能耗測定 干燥消耗總能量通過電表測定,則雙孢菇干燥能耗以去除1 kg水分所消耗的能量(kJ/kg)表示[9]。

1.2.9 產(chǎn)品硬度測定 質(zhì)地是表征干制品品質(zhì)高低的重要指標(biāo),測定產(chǎn)品硬度是評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)地的常用手段[5]。雙孢菇冷風(fēng)干燥產(chǎn)品硬度采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測定,選用直徑2 mm的圓柱形探頭,選定的測前速度、測試速度以及測后速度分別為:2 mm/s、1 mm/s和2 mm/s,最小感應(yīng)力為0.05 N。在穿透試驗(yàn)中,硬度是破壞樣品所需的最大力。每次試驗(yàn)隨機(jī)使用8個(gè)樣品[15]。

1.2.10 產(chǎn)品白度測定 采用色差儀測定雙孢菇干制品的的L*,a*,b*值。其中L*表示產(chǎn)品顏色暗(值為0)和亮(值為100)的程度;a*表示產(chǎn)品顏色紅(正值)和綠(負(fù)值)的程度;b*表示產(chǎn)品顏色黃(正值)和藍(lán)(負(fù)值)的程度。白度(whiteness index,WI)值采用式(12)計(jì)算[12]：

式(12)

1.2.11 加權(quán)綜合評分 產(chǎn)品質(zhì)地是評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),加權(quán)綜合評價(jià)參考段續(xù)等[12]的方法,結(jié)合本試驗(yàn),選取干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及白度為評價(jià)指標(biāo),對不同條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥過程進(jìn)行加權(quán)綜合評價(jià),通過層次分析法[12],得出與干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及白度相對應(yīng)的權(quán)重分別為:0.232、0.152、0.297、0.319。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin pro 8.5對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性/非線性擬合,并分析其擬合度;使用DpS 7.05對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,試驗(yàn)中顯著水平定為p<0.05。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值進(jìn)行各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件對雙孢菇干燥曲線的影響

不同干燥溫度及進(jìn)口風(fēng)速下雙孢菇冷風(fēng)干燥曲線如圖1所示。固定進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s,改變干燥溫度為10、15、20、25、30 ℃時(shí),雙孢菇冷風(fēng)干燥結(jié)束所消耗的時(shí)間分別為:11、11、10、8、8 h,改變干燥溫度雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)最大值為11 h,最小值為8 h,干燥耗時(shí)最小值比最大值降低了27.27%;當(dāng)固定干燥溫度為20 ℃,改變進(jìn)口風(fēng)速分別為1、1.5、2、2.5、3 m/s時(shí),雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)分別為11、11、10、10、10 h,干燥耗時(shí)最小值比最大值降低了1 h,降低率為9.09%。不同干燥溫度及進(jìn)口風(fēng)速下，雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)結(jié)果說明，增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速均能提升雙孢菇冷風(fēng)干燥速率,降低其干燥耗時(shí)。這是因?yàn)樵黾痈稍餃囟葟?qiáng)化了雙孢菇冷風(fēng)干燥過程中的熱傳遞行為，從而加快干燥速率,而增大進(jìn)口風(fēng)速加快了物料表面水分與干燥介質(zhì)(空氣)交換速率,從而強(qiáng)化干燥傳質(zhì)行為,降低干燥耗時(shí)。對比圖1(A)和圖1(B),并結(jié)合以上干燥耗時(shí)的分析能夠發(fā)現(xiàn),相對于進(jìn)口風(fēng)速,干燥溫度對雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更為顯著(p<0.05)。任廣躍等[7]在進(jìn)行香椿芽冷風(fēng)干燥時(shí)，同樣得到了干燥溫度對物料冷風(fēng)干燥速率影響較大的結(jié)論。由圖1可以看出,不同干燥條件下，雙孢菇冷風(fēng)干燥含水率隨時(shí)間變化曲線均呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的趨勢:開始水分快速下降趨勢(約除去整個(gè)含水率的60%)以及后續(xù)的含水率緩慢下降趨勢,這一趨勢與大多數(shù)食品物料低溫干燥的干燥曲線相似[12]。

圖1 不同干燥溫度(A)和進(jìn)口風(fēng)速(B)下雙孢菇冷風(fēng)干燥曲線Fig.1 Drying curves of Agaricus bisporus under different drying temperatures(A)and incet air velocities(B)

2.2 不同干燥條件對有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

圖2給出了ln MR和時(shí)間之間的線性擬合關(guān)系圖。不同干燥條件下雙孢菇ln MR和時(shí)間之間的線性擬合決定系數(shù)R2在0.9443～0.9962之間,表現(xiàn)出了較好的擬合。通過圖2結(jié)合式(4)得到不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù),其結(jié)果如圖3所示。不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)在3.2931×10-12～5.4483×10-12m2/s之間,符合食品物料干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)10-12～10-8m2/s數(shù)量級范圍[14]。增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速均能夠增加雙孢菇冷風(fēng)干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù),但改變干燥溫度對其有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加率更高為64.42%,這一結(jié)果進(jìn)一步證明了干燥溫度對孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更為顯著這一結(jié)論。

圖2 不同干燥溫度(A)和進(jìn)口風(fēng)速(B)下ln MR隨時(shí)間變化關(guān)系 Fig.2 Plot of ln MR versus drying time under different drying temperatures(A)and incet oir velocities(B)

圖3 不同干燥溫度(A)和進(jìn)口風(fēng)速(B)對有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響。Fig.3 Effect of temperatures(A)and incet air velocities(B)on Deff value

2.3 干燥活化能

圖4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of moisture effective diffusion coefficients and drying temperatures

2.4 干燥過程的Weibull分布函數(shù)擬合

為從理論上更為清楚的探究雙孢菇冷風(fēng)干燥行為,采用Weibull分布函數(shù)對雙孢菇冷風(fēng)干燥過程中水分比隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行擬合,其擬合結(jié)果及擬合精度情況見表1所示。由表1 可知擬合函數(shù)決定系數(shù)R2均在0.99 以上,離差平方和χ2均在10-4水平,擬合較好,表明能夠采用Weibull分布函數(shù)表達(dá)干燥過程中物料水分比的變化。在Weibull分布函數(shù)中α為尺度參數(shù),表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料脫去63%水分所需要的時(shí)間[9]。由表1能夠發(fā)現(xiàn),不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥的尺度函數(shù)α在6.4421～4.7111之間,改變干燥溫度雙孢菇冷風(fēng)干燥尺度函數(shù)的最小值比最大值降低了26.87%,而改變進(jìn)口風(fēng)速雙孢菇冷風(fēng)干燥尺度函數(shù)的最小值比最大值降低了18.03%。Weibull分布函數(shù)這一結(jié)果從理論角度上驗(yàn)證了干燥溫度對雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更為顯著這一結(jié)論。

Weibull分布函數(shù)形狀參數(shù)β可以用來表征物料干燥過程中水分遷移的機(jī)制[9],表1能夠看出不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥的形狀參數(shù)均小于1,說明雙孢菇冷風(fēng)干燥是一減速干燥過程,整個(gè)干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制[8],這一結(jié)論同圖1得到的結(jié)論一致,說明Weibull分布函數(shù)能夠作為雙孢菇冷風(fēng)干燥動力學(xué)模型,進(jìn)而表征雙孢菇冷風(fēng)干燥機(jī)理。孫悅等[17]在進(jìn)行紫薯熱風(fēng)干燥的超聲強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)時(shí)同樣發(fā)現(xiàn),紫薯熱風(fēng)干燥形狀參數(shù)小于1,干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制。

表1 不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)及擬合精度Table 1 Fitting parameters,fitting precision indexes of Weibull distribution function of Agaricus bispornsduring cold air drying under different drying conditions

2.5 雙孢菇冷風(fēng)干燥過程的加權(quán)綜合評價(jià)

不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度如表2所示。分析表2發(fā)現(xiàn)，干燥能耗隨干燥溫度及進(jìn)口風(fēng)速的改變并沒有呈現(xiàn)出固定可循的趨勢。這是因?yàn)楦稍锬芎囊环矫媸芨稍锊僮鳁l件影響,一方面受干燥時(shí)長影響,當(dāng)干燥溫度或進(jìn)口風(fēng)速降低時(shí),單位時(shí)間干燥消耗能量會隨之降低,但干燥時(shí)間會隨之延長,造成低溫低進(jìn)口風(fēng)速干燥能耗較高,此時(shí)干燥能耗主要由干燥時(shí)長控制;當(dāng)增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速時(shí),單位時(shí)間干燥耗能會隨之增加,但干燥耗時(shí)會隨之減少,此時(shí)適當(dāng)增加干燥操作條件會降低干燥能耗;當(dāng)干燥溫度或進(jìn)口風(fēng)速過高時(shí),干燥操作條件能耗在整個(gè)干燥過程中占據(jù)主導(dǎo)地位,此時(shí)雖然干燥耗時(shí)減少,但干燥能耗卻在增加。

高的產(chǎn)品硬度表明產(chǎn)品在干燥過程中發(fā)生了更多的形變[5]。由表2可知,隨著干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速的增加,雙孢菇干制品硬度隨之增加,這是因?yàn)?增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速導(dǎo)致物料干燥速率增加,物料內(nèi)部水分遷移速度加快,由內(nèi)部水分遷移產(chǎn)生的剪切應(yīng)力增加,產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,干燥過程中發(fā)生收縮現(xiàn)象,產(chǎn)品密度增加,產(chǎn)品硬度升高[15]。

產(chǎn)品白度是反映產(chǎn)品外觀顏色的主要指標(biāo),雙孢菇冷風(fēng)干燥過程中的顏色變化主要是其褐變所致。褐變包括酶促褐變及非酶褐變,其反應(yīng)過程受環(huán)境及反應(yīng)時(shí)長控制[2]。因此如表2所示,選擇合適的干燥溫度及進(jìn)口風(fēng)速,一方面降低了褐變反應(yīng)的溫度,另一方面減少了褐變反應(yīng)的時(shí)長,最終使得產(chǎn)品白度值高,產(chǎn)品呈現(xiàn)較好顏色[4],本文雙孢菇干制品顏色隨干燥條件變化規(guī)律同Duan等[2]的研究結(jié)論一致。

表2 不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度結(jié)果Table 2 Results of drying time,energy consumption,product hardness and product whiteness ofAgaricus bisporus during cold air drying under different drying conditions

改變干燥溫度雙孢菇冷干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度最小值比最大值減少了19.73%、23.49%和9.42%;改變進(jìn)口風(fēng)速雙孢菇冷干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度最小值比最大值減少了8.78%、3.70%及7.79%。這說明干燥溫度對雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥能耗、產(chǎn)品硬度和產(chǎn)品白度影響更為顯著(p<0.05)。

以干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度為指標(biāo)對雙孢菇冷風(fēng)干燥過程進(jìn)行綜合評價(jià),其結(jié)果如圖5所示。當(dāng)干燥溫度為25 ℃、進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時(shí),雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥綜合評分值最高為0.829,在實(shí)驗(yàn)選定范圍下,該條件最適合應(yīng)用于雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥加工中。

圖5 不同干燥溫度(A)和進(jìn)口風(fēng)速(B)下雙孢菇冷風(fēng)干綜合評分值Fig.5 Comprehensive score of Agaricus bisporus dried under different drying temperatures(A)and incet air velocities(B)

2.6 雙孢菇不同干燥方式對比研究

雙孢菇熱風(fēng)干燥和冷風(fēng)干燥曲線如圖6所示。圖6可知,熱風(fēng)干燥和冷凍干燥耗時(shí)分別為7、16 h。

圖6 雙孢菇熱風(fēng)干燥及冷凍干燥曲線Fig.6 Drying curves of Agaricus bisporushot air drying and freeze drying

由不同干燥方式下雙孢菇冷風(fēng)干燥過程的加權(quán)綜合評價(jià)可知,干燥溫度為25 ℃、進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s的干燥條件最適合應(yīng)用于雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥加工中,此時(shí)雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)和能耗分別為8 h和73517.82 kJ·kg-1，相對于冷凍干燥，雙孢菇冷風(fēng)干燥耗時(shí)及干燥能耗分別降低了8 h及26297.55 kJ·kg-1，相應(yīng)的降低率分別為50%和26.35%。

不同干燥方式下雙孢菇干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度結(jié)果如表3所示。相對于熱風(fēng)干燥,雙孢菇在最適冷風(fēng)干燥條件下的干燥能耗以及產(chǎn)品硬度比其熱風(fēng)干燥條件下相應(yīng)指標(biāo)值分別降低了60.76%和13.44%。同時(shí)通過表3還能發(fā)現(xiàn)，相對于熱風(fēng)干燥，冷風(fēng)干燥能夠提升雙孢菇產(chǎn)品的白度值。這說明,熱泵式冷風(fēng)干燥技術(shù)能夠明顯提升熱風(fēng)干燥雙孢菇干制品品質(zhì)。

表3 不同干燥方式下雙孢菇干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度結(jié)果Table 3 Results of energy consumption,product hardness and product whiteness ofAgaricus bisporus drying under different drying methods

3 結(jié)論

通過對雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速均能提升雙孢菇冷風(fēng)干燥速率,降低其干燥耗時(shí),但干燥溫度對其影響更為明顯。Weibull分布函數(shù)能夠作為雙孢菇冷風(fēng)干燥動力學(xué)模型,進(jìn)而表征雙孢菇冷風(fēng)干燥機(jī)理,不同干燥條件下雙孢菇冷風(fēng)干燥的形狀參數(shù)均小于1,雙孢菇冷風(fēng)干燥是一減速干燥過程,整個(gè)干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制。干燥溫度對雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥能耗、產(chǎn)品硬度和產(chǎn)品白度影響更為明顯,通過以干燥耗時(shí)、干燥能耗、產(chǎn)品硬度以及產(chǎn)品白度為指標(biāo)對雙孢菇冷風(fēng)干燥過程進(jìn)行綜合評價(jià)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干燥溫度為25 ℃、進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時(shí),雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥綜合評分值最高為0.829,在實(shí)驗(yàn)選定范圍下,該條件最適合應(yīng)用于雙孢菇熱泵式冷風(fēng)干燥加工中。進(jìn)行雙孢菇不同干燥方式對比研究發(fā)現(xiàn),相對于冷凍干燥,熱泵式冷風(fēng)干燥技術(shù)能夠明顯縮短雙孢菇脫水耗時(shí)和能耗,而相對于熱風(fēng)干燥,熱泵式冷風(fēng)干燥技術(shù)能夠明顯提升雙孢菇干制品品質(zhì)。