中高溫?zé)岜酶稍锛夹g(shù)在竹筍加工中的應(yīng)用

李浩權(quán)，劉 軍，吳耀森，龔 麗，龍成樹，劉清化

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

竹筍素有“寒土山珍”之稱，具有高纖維、高蛋白、低脂肪等特點(diǎn)，是純天然綠色健康食品，深受消費(fèi)者喜愛。我國擁有十分豐富的竹類資源，但竹筍采收期短、不耐貯藏，僅40%鮮筍直接食用，其中60%用于加工。傳統(tǒng)竹筍加工方式主要有竹筍干、竹筍罐頭及竹筍保鮮等[1]。竹筍干燥是竹筍加工中最為常見的一種方式，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對竹筍干燥方式、干燥特性及干燥工藝進(jìn)行了大量研究，其中徐艷陽等人[2-3]進(jìn)行了毛竹筍真空冷凍干燥、真空冷凍與熱風(fēng)聯(lián)合干燥試驗(yàn)研究，確定了真空冷凍與熱風(fēng)聯(lián)合干燥的較佳組合工藝。楊金英等人[4]對竹筍微波干燥動(dòng)力學(xué)及工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。林啟訓(xùn)等人[5]對竹筍熱泵脫水及工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。陸蒸等人[6]對毛竹筍熱泵干燥特性進(jìn)行了研究。眾多學(xué)者均涉及干燥特性和干燥工藝研究，并未對竹筍干燥設(shè)備進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)通過對竹筍熱泵干燥特性進(jìn)行研究，針對竹筍干燥特性研制熱泵干燥設(shè)備，并進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠滿足干燥生產(chǎn)要求，并且干燥品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)晾曬和熱風(fēng)干燥。

1 竹筍熱泵干燥工藝研究

1.1 干燥工藝流程

鮮竹筍→去殼→清洗→切片→分組、稱量→熱燙→護(hù)色處理→瀝干水分、稱量→干燥、數(shù)據(jù)記錄→收集、貯藏。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)裝置的溫度工作范圍，參考常見物料干燥溫度，選擇溫度55℃，風(fēng)速為2.0 m/s作為固定參數(shù)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究。

單因素設(shè)計(jì)見表1。

1.3 干燥速率

表1 單因素設(shè)計(jì)

干燥速率（V） 按下式計(jì)算。

1.4 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

不同因素對竹筍熱泵干燥速率的影響見圖1。

圖1 不同因素對竹筍熱泵干燥速率的影響

由圖1（a）可知，干燥溫度對竹筍干燥速率影響明顯，在35～55℃時(shí)呈線性增長，當(dāng)干燥溫度超過55℃時(shí)，隨著干燥溫度的增加竹筍干燥速率變化不明顯；由圖1（b）可知，干燥風(fēng)速和熱燙時(shí)間對竹筍干燥速率影響較小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，竹筍熱泵干燥溫度為55℃，干燥風(fēng)速≥1.0 m/s，為竹筍熱泵干燥機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 竹筍熱泵干燥機(jī)

2.1 控溫控濕熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

普通熱泵干燥機(jī)與竹筍熱泵干燥機(jī)空氣處理流程見圖2。

圖2（a） 為普通熱泵干燥機(jī)加熱系統(tǒng)，具有加熱和除濕功能的熱泵系統(tǒng)，其空氣處理過程為1’-2’-3’，1’-2’為降溫除濕過程，2’-3’為等濕加熱過程，空氣3’流向物料帶走水分變?yōu)闋顟B(tài)1'。圖2（b）是竹筍熱泵干燥設(shè)備熱泵系統(tǒng)，空氣處理過程為1-2-3-4-5，1-2為預(yù)降溫過程（不耗能），2-3為降溫除濕過程，3-4為預(yù)加熱過程（不耗能），4-5為等濕加熱過程，空氣5流向物料帶走水分變?yōu)闋顟B(tài)1。

圖2 普通熱泵干燥機(jī)與竹筍熱泵干燥機(jī)空氣處理流程

2.2 除濕速率控制技術(shù)應(yīng)用

蒸發(fā)面積（蒸發(fā)溫度）、冷凝面積（冷凝溫度）和風(fēng)量是決定熱泵除水效率的3個(gè)主要因素[7]。竹筍熱泵干燥機(jī)通過調(diào)節(jié)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)除濕速率控制。

熱泵除水量與風(fēng)量關(guān)系見圖3。

圖3 熱泵除水量與風(fēng)量關(guān)系

由圖3可知，隨著風(fēng)量增加，熱泵除水量先增后減，在某一風(fēng)量值上除水量出現(xiàn)最大值，把風(fēng)量控制在G1～G2的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最大除水量控制，要使實(shí)際風(fēng)量運(yùn)行在G1～G2，應(yīng)滿足條件，不管風(fēng)量增加或減少，除水量（D）都減少。對干燥機(jī)除水量進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，通過除水量變化來調(diào)節(jié)風(fēng)量。

除濕速率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 除濕速率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 旁通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用

熱泵除濕時(shí)，濕空氣的ε具有一個(gè)最小值，這個(gè)最小值與進(jìn)入蒸發(fā)器前的濕空氣狀態(tài)（A） 有關(guān)。

旁通風(fēng)濕空氣處理過程見圖5。

圖5 旁通風(fēng)濕空氣處理過程

由圖5可知，過A點(diǎn)作飽和狀態(tài)線的切線AB，切線上的所有狀態(tài)均能獲得ε的最小值，但蒸發(fā)器除濕的原理是使A沿等濕線到達(dá)飽和狀態(tài)點(diǎn)N，再由N到B才能實(shí)現(xiàn)ε在除濕過程取得最小值。

旁通風(fēng)熱泵系統(tǒng)見圖6。

圖6 旁通風(fēng)熱泵系統(tǒng)

由圖6可知，旁通風(fēng)熱泵系統(tǒng)利用一個(gè)與蒸發(fā)器并聯(lián)的旁通風(fēng)閥（5），控制流經(jīng)蒸發(fā)器表面風(fēng)量，使流經(jīng)蒸發(fā)器的濕空氣由狀態(tài)A變成狀態(tài)B，B與旁通風(fēng)A混合成C，因此它可以使ε最小。

由圖5可知，若A為低溫低濕空氣（溫度58℃，相對濕度50%），理論上B的溫度大約35℃，那么旁通風(fēng)閥的任務(wù)就是調(diào)節(jié)風(fēng)量使A經(jīng)過蒸發(fā)器后變成B，實(shí)現(xiàn)了用最小的冷量除最多的水。

竹筍熱泵干燥機(jī)中，旁通風(fēng)控制技術(shù)的主要作用是使流經(jīng)蒸發(fā)器和冷凝器的風(fēng)量不一致，從而實(shí)現(xiàn)兩換熱器的風(fēng)量單獨(dú)調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)對不同溫度和濕度空氣的需求。旁通風(fēng)技術(shù)結(jié)合除水量控制的質(zhì)量傳感器和電氣系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通風(fēng)閥（5），實(shí)現(xiàn)了除濕量的二次控制。

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況

研制的竹筍熱泵干燥設(shè)備在湖南某竹筍加工企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，并對生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。熱泵干燥設(shè)備物料投放量1 600 kg，干燥時(shí)間36 h，耗電量742.8 kW·h，得到干燥成品496.7 kg。具體情況如下。

3.1 干燥工藝

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中考慮到設(shè)備運(yùn)行情況及實(shí)際干燥情況，干燥前期物料水分含量較高，水分遷移速率較快，物料升溫需要吸收大量熱量，溫度上升和濕度下降較慢，故前期采用分段逐漸升溫和降濕干燥工藝。待物料溫度達(dá)到50℃以上后，采用相對較高溫度和降低濕度進(jìn)行干燥。通過多次生產(chǎn)試驗(yàn)，得到竹筍熱泵干燥工藝參數(shù)。

竹筍熱泵干燥工藝見表2。

表2 竹筍熱泵干燥工藝

3.2 竹筍大批量生產(chǎn)干燥曲線

竹筍干燥曲線見圖7。

圖7 竹筍干燥曲線

對竹筍干燥過程中送風(fēng)端和回風(fēng)端進(jìn)行取樣記錄，得到干燥曲線。

由圖7可知，在干燥前期0～4 h階段，熱量主要被物料吸收，干燥速率緩慢，回風(fēng)端物料水分含量變化較送風(fēng)端緩慢；當(dāng)干燥進(jìn)行至6 h后進(jìn)入快速干燥階段，回風(fēng)端干燥速率明顯慢于送風(fēng)端；直至22 h左右，送風(fēng)端物料干燥速率逐漸降低，回風(fēng)端物料干燥速率逐漸增加。由于送風(fēng)端高溫低濕干燥空氣經(jīng)過物料表現(xiàn)后逐漸吸收水分，空氣濕度逐漸增加，導(dǎo)致回風(fēng)端干燥速率變化落后于送風(fēng)端，隨著送風(fēng)端物料逐漸被干燥，回風(fēng)端干燥速率增加。

3.3 干燥能耗、品質(zhì)分析

據(jù)測算，傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)干燥能耗成本為2.0元/kg成品。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)使用統(tǒng)計(jì)，熱泵干燥496.7 kg成品耗電量為742.8 kW·h， 以1.0元/（kW·h） 計(jì)算可得，熱泵干燥成本為1.5元/kg成品，干燥能耗為2 423.71 kJ/kg水。其中，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥需要對竹筍進(jìn)行翻邊才能使得干燥均勻，熱泵干燥不需要翻邊，進(jìn)一步節(jié)約了生產(chǎn)成本。

竹筍熱泵干燥品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥，從色澤上比燃煤熱風(fēng)顏色更淺、更自然。相比燃煤熱風(fēng)干燥的竹筍色澤發(fā)黑。

不同干燥方式干燥后照片見圖8。

圖8 不同干燥方式干燥后照片

傳統(tǒng)熱風(fēng)在干燥和翻邊過程中很容易帶入粉塵等雜質(zhì)，熱泵干燥環(huán)境密閉，不受車間環(huán)境等因素的影響，保證竹筍成品的品質(zhì)。

3.4 溫度和濕度運(yùn)行曲線

通過熱泵干燥設(shè)備控制程序?qū)υO(shè)備運(yùn)行溫濕度自動(dòng)記錄，繪制了熱泵竹筍干燥設(shè)備運(yùn)行溫度和濕度曲線。設(shè)備根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，采用回風(fēng)濕度控制（可以選擇送風(fēng)濕度和絕對濕度控制模式），實(shí)現(xiàn)干燥過程的自動(dòng)化。

竹筍熱泵干燥設(shè)備運(yùn)行曲線見圖9。

圖9 竹筍熱泵干燥設(shè)備運(yùn)行曲線

由圖9可知，送風(fēng)溫度在2 h后，從環(huán)境溫度上升至設(shè)定目標(biāo)溫度，并在后續(xù)干燥過程中與設(shè)定溫度曲線基本吻合。說明設(shè)備溫度控制性能較好；回風(fēng)溫度在干燥前期基本保持與送風(fēng)/設(shè)定溫度低5～10℃，隨著物料溫度逐漸上升和失水，送回風(fēng)溫度差距逐漸縮小，在干燥至26 h后基本保持一致；干燥前期物料水分含量較高，出水速度大于設(shè)備除濕速度，回風(fēng)濕度一直位于設(shè)定濕度上方，至干燥14 h左右，送回風(fēng)濕度基本與設(shè)定濕度偏差較小，設(shè)備設(shè)計(jì)最大除濕量是依據(jù)總?cè)ニ亢涂蛻粢蟾稍飼r(shí)間設(shè)計(jì)的，并且考慮到整體能耗成本，故干燥前期最大除濕量小于物料去水速率。

4 結(jié)論

竹筍熱泵干燥應(yīng)用了旁通風(fēng)、除濕速率控制和控溫控濕技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了干燥工藝分段自動(dòng)控制，干燥過程自動(dòng)化，具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)相比節(jié)約成本25%以上，可改善現(xiàn)有竹筍加工技術(shù)裝備水平，提高竹筍干燥加工品質(zhì)，保障食品衛(wèi)生安全。竹筍熱泵干燥技術(shù)亦可用于其他農(nóng)產(chǎn)品加工干燥，具有較好的應(yīng)用前景。