馬鈴薯片的熱泵干燥與干燥動(dòng)力學(xué)擬合

周羅娜 王輝 劉嘉 劉永翔 雷尊國(guó) 葉發(fā)銀 計(jì)保芮

摘要：以馬鈴薯為原料，擬探索在熱泵干燥的過(guò)程中，馬鈴薯片的切片厚度、漂燙時(shí)間、干燥溫度、馬鈴薯品種及酸、鹽處理對(duì)干燥速率的影響。結(jié)果表明，馬鈴薯片的切片厚度、漂燙時(shí)間、干燥溫度對(duì)干燥速率均有較大影響，當(dāng)切片厚度為2 mm，漂燙時(shí)間為60 s，干燥溫度為80 ℃時(shí)，馬鈴薯片的干燥速率最快;馬鈴薯品種不同，干燥速率也有所不同，其中品種為費(fèi)烏瑞它的馬鈴薯片干燥速率最快;馬鈴薯片經(jīng)過(guò)酸、鹽預(yù)處理均能提高熱泵干燥的干燥速率，其中乳酸、氯化鈉提高得最多。通過(guò)模型擬合，得出符合馬鈴薯片熱泵干燥動(dòng)力學(xué)特性的模型為Page模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)馬鈴薯片熱風(fēng)干燥的過(guò)程，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯片;熱泵干燥;模型擬合;動(dòng)力學(xué)擬合

中圖分類號(hào)： TS215 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）16-0208-06

收稿日期：2018-05-14

基金項(xiàng)目：貴州省科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：黔科合重大專項(xiàng)字[2014]6016）;貴州省科研機(jī)構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃[編號(hào)：黔科合服企（2015）4005];貴州省第五批創(chuàng)新人才基地建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：黔人領(lǐng)發(fā)[2016]22號(hào)）;貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新專項(xiàng)（編號(hào)：黔農(nóng)科院科技創(chuàng)新[2017]07號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：周羅娜（1992—），女，貴州貴陽(yáng)人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向?yàn)槭称芳庸ぁ?/p>

通信作者：王 輝，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)槭称芳庸ぁ?/p>

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是1萬(wàn)年前起源于南美洲安第斯山脈中心地區(qū)的作物，其適應(yīng)性強(qiáng)、耐瘠薄干旱、產(chǎn)量高，可供人類食用部分的占比高達(dá)85%[1]。經(jīng)過(guò)5個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，馬鈴薯逐漸擴(kuò)展到歐洲、非洲和亞洲，現(xiàn)已成為繼小麥、稻谷、玉米之后的世界第四大糧食作物。馬鈴薯作為日常飲食中的一部分，是鉀、鎂、膳食纖維、維生素B6的重要來(lái)源[2]，老少皆宜，易于消化。

馬鈴薯除了可鮮食外，在云南、貴州、四川等地，人們喜愛(ài)將其切成薄片后曬成馬鈴薯干片。每次食用前，將馬鈴薯干片放入油鍋中炸透，再撒入適量鹽或辣椒面，即可得到一道美味可口的菜肴。在農(nóng)村，幾乎每家每戶都能夠曬出這種馬鈴薯片。但是，運(yùn)用自然晾曬方法制作出的馬鈴薯片，消耗時(shí)間長(zhǎng)，易褐變，尤其是冬季在缺少陽(yáng)光的高原地區(qū)。

熱泵干燥作為農(nóng)副產(chǎn)品的干燥方法，近年來(lái)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，在許多農(nóng)副產(chǎn)品中均有研究，如枸杞[3]、番木瓜[4]、香菇[5]、檸檬[6]、辣椒[7]等。熱泵干燥法具有耗能少、操作簡(jiǎn)單、 干燥效率高的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用熱泵干燥技術(shù)干燥馬鈴薯片，可以在縮短干燥時(shí)間的同時(shí)，使馬鈴薯片外表保持金黃，從而有效提高馬鈴薯片的干燥效率與品質(zhì)，節(jié)約能量。本研究分析了切片厚度、漂燙時(shí)間、干燥溫度、馬鈴薯品種以及酸、鹽處理對(duì)馬鈴薯片熱泵干燥效率的影響，并對(duì)熱泵干燥過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合，以期為馬鈴薯片熱泵干燥提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，較準(zhǔn)確地把握其水分含量及干燥時(shí)間的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為新鮮馬鈴薯，品種分別為大西洋、荷蘭豆、費(fèi)烏瑞它。

試驗(yàn)試劑：食品級(jí)醋酸（CH3COOH）、食品級(jí)檸檬酸（C6H8O7）、食品級(jí)乳酸（C3H6O3）、食品級(jí)氯化鈉（NaCl）、食品級(jí)氯化鈣（CaCl2）、食品級(jí)碳酸鈉（Na2CO3）。

1.2 主要設(shè)備與儀器

主要設(shè)備與儀器有熱泵果蔬烘干機(jī)（JDYZN-5HG-13）、奧豪斯cp213電子秤、雷磁PHS-2F pH計(jì)。

1.3 試劑的配制

（1）醋酸（CH3COOH）溶液的配制：精確量取10.00 mL醋酸，與1 000 mL蒸餾水充分混合，即得溶液（體積比為 1 ∶100），pH值為3.02。（2）檸檬酸（C6H8O7）溶液的配制（質(zhì)量比為1 ∶100）：精確稱取10.00 g檸檬酸，于1 000 g蒸餾水中溶解，得到相應(yīng)溶液，pH值為2.23。（3）乳酸（C3H6O3）溶液的配制：精確稱取10.00 g乳酸，于1 000 g蒸餾水中溶解，得到相應(yīng)溶液（質(zhì)量比為1 ∶100），pH值為 6.63。（4）碳酸鈉（Na2CO3）溶液（0.5 mol/L）的配制：精確稱取53.00 g Na2CO3，加入適量蒸餾水充分溶解，定容至 1 000 mL。（5）氯化鈣（CaCl2）溶液（0.5 mol/L）的配制：精確稱取55.50 g CaCl2，在適量蒸餾水中充分溶解后，定容至 1 000 mL。（5）氯化鈉（NaCl）溶液（0.5 mol/L）的配制：精確稱取29.25 g NaCl，于適量蒸餾水中充分溶解后，定容至 1 000 mL。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 馬鈴薯切片干燥處理流程 新鮮馬鈴薯→清洗→去皮→切片→沖洗→預(yù)處理→漂燙（沸水）→吸干表面水分→熱泵干燥→留樣。

1.4.2 干燥試驗(yàn)

1.4.2.1 馬鈴薯切片厚度、漂燙時(shí)間、干燥溫度對(duì)干燥的影響 本研究選擇的馬鈴薯品種為大西洋，選取3個(gè)切片厚度、3個(gè)漂燙時(shí)間、3個(gè)干燥溫度進(jìn)行熱泵干燥試驗(yàn)。在烘干過(guò)程中，每10 min測(cè)定1次樣品質(zhì)量的變化，直至前后2次稱量無(wú)變化、達(dá)到恒質(zhì)量時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4.2.2 酸處理對(duì)干燥的影響 本研究選擇的馬鈴薯品種為大西洋，選擇醋酸、檸檬酸、乳酸3種酸，對(duì)馬鈴薯片進(jìn)行熱泵干燥試驗(yàn)。在漂燙前，分別用配制好的不同種類的酸對(duì)切片馬鈴薯浸泡處理1 h，浸泡時(shí)酸、馬鈴薯的質(zhì)量比=10 ∶1。在烘干過(guò)程中，每10 min測(cè)定1次樣品質(zhì)量的變化，直至前后2次稱量無(wú)變化、達(dá)到恒質(zhì)量時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合

為了描述馬鈴薯片在熱泵干燥過(guò)程中的脫水規(guī)律，本研究選取了4種不同的干燥模型對(duì)其干燥曲線進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕貧w分析，并取R2作為方程接受程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。R2越接近1，則擬合精度越優(yōu)，各方程對(duì)馬鈴薯片熱泵干燥過(guò)程的平均擬合效果如表6所示。

由表6可知，大部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途_(dá)到較高的擬合度，Page模型回歸結(jié)果的平均R2最大，為0.998 4。表7為Page模型對(duì)馬鈴薯片在不同條件下干燥曲線的參數(shù)模擬結(jié)果，其中k表示干燥常數(shù)，可以看出，溫度、漂燙時(shí)間、干燥溫度及馬鈴薯品種對(duì)k值有影響。在對(duì)馬鈴薯片進(jìn)行酸處理與鹽處理后，k值也受到了影響。在不同的切片厚度下，切片厚度為2 mm時(shí)的k值最大;在不同的漂燙時(shí)間下，漂燙時(shí)間為60 s時(shí)的k值最大;當(dāng)干燥溫度不同時(shí)，干燥溫度為80 ℃時(shí)的k值最大;當(dāng)馬鈴薯品種為費(fèi)烏瑞它時(shí)，k值最大;當(dāng)進(jìn)行酸處理與鹽處理時(shí)，用乳酸處理、氯化鈉處理的k值最大。以上結(jié)果與圖1至圖5得出的規(guī)律相同。在Page模型擬合中，R2值在0.994 6～0999 9之間變化，標(biāo)準(zhǔn)差s小于2%，說(shuō)明模型擬合的結(jié)果較好，因此選擇Page模型用于描述馬鈴薯片熱泵干燥過(guò)程中的脫水規(guī)律。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，馬鈴薯的切片厚度、漂燙時(shí)間、干燥溫度對(duì)于馬鈴薯片的干燥特性都有影響。干燥速率隨著馬鈴薯切片厚度的增加而減慢，隨著漂燙時(shí)間、干燥溫度的增加而增加。酸處理和鹽處理均對(duì)馬鈴薯片的干燥特性有影響，可能由于添加酸和鹽后，改變了馬鈴薯片細(xì)胞的通透性，使得細(xì)胞內(nèi)的水分喪失加快，達(dá)到恒質(zhì)量的時(shí)間減少，干燥速率加快。

當(dāng)馬鈴薯切片厚度為2 mm時(shí)，馬鈴薯片的干燥速率最快，但切片厚度為4 mm時(shí)，馬鈴薯片的形狀最佳;當(dāng)漂燙時(shí)間為60 s時(shí)，干燥速率最快，達(dá)到恒質(zhì)量的時(shí)間最短，口感最適合;當(dāng)干燥溫度為80 ℃時(shí)，干燥速率最快;馬鈴薯品種費(fèi)烏瑞它的干燥速率最快;添加乳酸、氯化鈉使馬鈴薯片的干燥速率提高得最多。

本研究確定了符合馬鈴薯片熱泵干燥的動(dòng)力學(xué)模型為Page模型，Page模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)馬鈴薯片熱風(fēng)干燥的過(guò)程。

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