梨片熱泵干燥設(shè)備設(shè)計(jì)及干燥特性

崔朝經(jīng)，黃金，關(guān)軍鋒，盧邦緯，張振濤，趙丹丹, *

1. 河北科技大學(xué)食品與生物學(xué)院（石家莊 050018）；2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所（石家莊 050051）；3. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（北京 100190）；4. 河南佰衡節(jié)能科技股份有限公司（新鄉(xiāng) 453000）

雪花梨集中產(chǎn)于河北省趙縣，是該省土特名產(chǎn)之一，趙州雪花梨作為農(nóng)牧漁部門命名的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，深受國內(nèi)外消費(fèi)者喜愛。雪花梨富含維生素、配糖體及鞣酸等成分，具有生津止渴、開胃、助消化、化痰驅(qū)風(fēng)、醒酒、解瘡毒等功效，可作為高血壓、肝硬化、肝炎、冠心病等疾病的輔助治療果品。

中國梨果仍以鮮食為主，加工產(chǎn)品較少。將梨果進(jìn)行干制，在保持其本身味道的基礎(chǔ)上，增加了可咀嚼性，干制后的梨片既可進(jìn)行直接食用，又可進(jìn)行梨粉、梨酒、梨醬的生產(chǎn)，擴(kuò)大食品食用多樣性[1]。果蔬物料經(jīng)干制后，由于水分減少，能夠有效抑制微生物活性，延長貨架期和保質(zhì)期，且由于體積的縮小，在運(yùn)輸過程中能減少損傷和破壞，為長途運(yùn)輸提供方便。因此梨片的干制對于梨果的精深加工和附加值的提高具有重要意義。熱泵干燥能夠有效地進(jìn)行廢熱回收，干燥溫度范圍較廣，溫濕度可控可調(diào)，且范圍較廣，因此具有節(jié)能環(huán)保、干制產(chǎn)品品質(zhì)較高等優(yōu)點(diǎn)，目前成功應(yīng)用于果品、蔬菜、植物藥材、糧食種子、煙草等農(nóng)產(chǎn)品的干燥研究及生產(chǎn)應(yīng)用中[2-4]。

試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)滿足50 kg新鮮梨果的小型熱泵干燥設(shè)備，對梨片熱泵干燥過程中的干燥系統(tǒng)性能（溫濕度控制、壓縮機(jī)性能）、梨片干燥動(dòng)力學(xué)特性、干制品色澤、抗氧化性指標(biāo)及干燥能耗進(jìn)行評價(jià)和分析，為梨片的熱泵干燥研究及生產(chǎn)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和支撐。

1 材料與方法

1.1 梨片熱泵干燥設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)前期試驗(yàn)梨片熱風(fēng)（60~70 ℃）干燥過程失水特性研究并結(jié)合企業(yè)調(diào)研，通過計(jì)算得到適宜的平均失水百分比速率，干燥50 kg梨片（初始含水率85%）時(shí)，平均失水速率2.28~3.42 kg/h，為保證供熱充足，取3.42 kg/h，計(jì)算方法[5-6]如下。

在干燥過程中，物料中的水分蒸發(fā)所需熱量Qw按式（1）計(jì)算。

式中：Gw為失水速率，kg/h；γ為水分平均汽化潛，kJ/kg。

試驗(yàn)過程中，環(huán)境的平均干球溫度ta=15 ℃，相對濕度φ=30%，在最大排濕階段，排濕空氣溫度tw=50℃，相對濕度40%，新風(fēng)量Gd按式（2）計(jì)算。

式中：da為新風(fēng)濕含量，kg/kg；dw為排濕空氣濕含量，kg/kg。

空氣加熱所需要的熱量Qa按式（3）計(jì)算。

式中：cp為空氣的定壓比熱，取1.1 kJ/（kg·K）。

物料加熱所需要的熱量Qj按式（4）計(jì)算。

忽略干燥室與外界環(huán)境的熱交換所產(chǎn)生的熱量，則熱泵需提供的總熱量Qc按式（5）計(jì)算。

設(shè)計(jì)中，取5%的裕量，則Qc為3.68 kW。

根據(jù)能量分析和能量調(diào)節(jié)的需要，系統(tǒng)選用1臺2HP壓縮機(jī)，干燥室內(nèi)布置2列烤盤；干燥室內(nèi)為保證送風(fēng)均勻性，其送風(fēng)方式和回風(fēng)方式如圖1所示。

圖1 熱泵干燥設(shè)備圖

1.2 試驗(yàn)材料

趙縣雪花梨，購于趙縣雪花梨基地，干基含水率7.33±0.58 g水/g干基，選擇直徑10.2±2.0 cm，于4 ℃保藏備用。將清洗干凈的梨用圓形模具切成半圓柱，將其切成厚度0.5 cm半環(huán)狀片，放置托盤進(jìn)行干燥。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥動(dòng)力學(xué)特性

在干燥過程，每30 min進(jìn)行稱重測試，梨片的干基含水量（Mt，g水/g干基）和水分比（MR）按式（6）和（7）計(jì)算[7-9]。

式中：Mt為t時(shí)刻干基含水量，g水/g干基；M0為初始時(shí)刻的干基含水量，g水/g干基。

干燥速率（DR，g水/g干基·h-1）按式（8）計(jì)算。

式中：ΔMt為t-1至t時(shí)刻內(nèi)的失水量，g水/g干基；Tt為t-1至t時(shí)刻內(nèi)的時(shí)間，h。

1.3.2 干燥模型——Weibull分布函數(shù)

Weibull分布函數(shù)由式（9）表示[10]。

式中：α為干燥過程中的速率常數(shù)，h；β為形狀參數(shù)。

1.3.3 總酚含量的測定[11]

提?。簩?.0 g梨片干制品粉末置于80%甲醇水溶液（25 mL）中，進(jìn)行超聲提取（30 ℃，30 min），在4℃下離心10 min（10 000×g），收集上清液，重復(fù)提取2次，合并上清液，定容至100 mL。

測定：采用Folin-Ciocalteu比色法。將提取液（0.8 mL）和稀釋10倍的Folin酚試劑（4.0 mL）混合均勻，加入6.0 mL Na2CO3溶液（10%，W/W）混合均勻。室溫下避光反應(yīng)2 h，以80%甲醇溶液為空白，在波長765 nm下進(jìn)行吸光度測定。

以不同濃度的沒食子酸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，結(jié)果以1 g干物質(zhì)中含有相當(dāng)沒食子酸的毫克數(shù)表示（mg GAE/g DW）。

1.3.4 抗氧化性（DPPH·清除能力和羥基自由基清除能力）[12-13]

清除DPPH·能力測定：以80%甲醇為溶劑，配制0.01 mmol/L的DPPH·溶液。取400 μL的提取液加入7 mL DPPH·溶液，混合均勻后在室溫下避光靜置30 min，在波長517 nm處進(jìn)行吸光度的測定。對照為80%甲醇替代提取液進(jìn)行反應(yīng)。清除率按式（10）計(jì)算。

式中：A為用提取液溶劑80%甲醇代替樣品提取液的吸光度；B為樣品提取液吸光度；B0為用80%甲醇代替樣品提取液的吸光度。

羥自由基清除能力測定：配制9 mmol/L的FeSO4、9 mmol/L的水楊酸-乙醇和8.8 mmol/L的H2O2溶液。取1 mL樣品提取液于10 mL離心管中，加入1 mL FeSO4、1 mL水楊酸-乙醇和1 mL H2O2混勻，在37 ℃下反應(yīng)30 min，測其在510 nm下的吸光度。按式（11）計(jì)算。

綜上所述，高頻超聲頻率和低頻振動(dòng)頻率均會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，在合理選取超聲頻率、振動(dòng)模態(tài)且低頻激勵(lì)電壓較大時(shí)，損傷試樣的調(diào)制系數(shù)遠(yuǎn)大于參考試樣，非線性振動(dòng)聲調(diào)制方法能夠較易分辨試樣是否存在缺陷。

羥自由基清除率=[A-(B-B0)/A]×100% （11）式中：A為用提取液溶劑80%甲醇代替樣品提取液的吸光度；B為樣品提取液吸光度；B0為用80%甲醇代替樣品提取液的吸光度。

1.3.5 顏色測定

使用色彩色差計(jì)（CR-400）測定樣品的顏色變化。選擇鮮果的梨片和干燥后的梨片進(jìn)行測定，并使用L、a和b顏色參數(shù)對其顏色進(jìn)行測定。色差值ΔE按式（12）計(jì)算。

式中：L0、a0、b0為新鮮樣品測定值；L、a、b為干燥后樣品測定值。

1.3.6 熱泵干燥系統(tǒng)的SMER

用SMER表征熱泵干燥系統(tǒng)的性能，其值越大，表明性能越好，該值受到物料特性及干燥設(shè)備的影響。定義為單位能耗除濕量[14-15]。

式中：SMER為單位能量所對應(yīng)水分損失量，kg/（kW·h）；Mde為從干燥物料中水分降低質(zhì)量，kg；Wtot為系統(tǒng)耗電總量，kW·h；P為系統(tǒng)功率，kW。

利用Origin 8.5軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”（means±SD）表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱泵干燥系統(tǒng)性能

2.1.1 干燥室溫濕度

梨片干燥總時(shí)長600 min，根據(jù)前期干燥優(yōu)化所得階段升溫及階段降濕工藝，具體干燥工藝條件：溫度設(shè)定以每2 h為1個(gè)周期，在第1小時(shí)以線性速度升高5 ℃，然后保持溫度1 h，濕度以每2 h下降10%速度進(jìn)行設(shè)定，溫度最高不超過65 ℃。干燥過程溫濕度參數(shù)設(shè)定為50 ℃（40%），55 ℃（30%），60 ℃（20%）和65 ℃（10%）。

由圖2（a）所示，通過對實(shí)際溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度曲線值比較，在干燥過程中，設(shè)備按照設(shè)定的溫度曲線運(yùn)行，溫差在1 ℃之內(nèi)，說明溫度控制精確。入風(fēng)口與出風(fēng)口的溫度隨著干燥的進(jìn)行而逐漸上升，入風(fēng)口溫度高于出風(fēng)口溫度，二者相差在5 ℃以內(nèi)，在干燥后期溫差越來越小。由圖2（b）所示，相對濕度隨著干燥進(jìn)行而逐漸降低，出風(fēng)口濕度高于入風(fēng)口濕度，且到干燥后期，濕度相差同樣越來越小。

圖2 干燥室內(nèi)入風(fēng)口、出風(fēng)口溫濕度

2.1.2 壓縮機(jī)工作性能及能耗

通常采用蒸發(fā)溫度和冷凝溫度衡量壓縮機(jī)的性能，圖3為梨片熱泵干燥過程中的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和主機(jī)室溫度的變化曲線。隨著梨片干燥的進(jìn)行，冷凝溫度從初始的5.8 ℃逐漸升溫，其溫度范圍在5.8~69.5 ℃，在壓縮機(jī)能夠提供的冷凝溫度范圍內(nèi)。干燥地點(diǎn)為河南室內(nèi)干燥，時(shí)間為2019年12月27日，在干燥過程中，蒸發(fā)溫度波動(dòng)范圍較小，在4.1~6.9℃，波動(dòng)情況主要受環(huán)境溫度的直接影響。主機(jī)室的溫度變化與蒸發(fā)溫度變化趨勢相同，其溫差范圍在5~10 ℃之間。

圖3 干燥室內(nèi)冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和主機(jī)室溫度

試驗(yàn)為50 kg梨片去除水分共42.5 kg，得到干果質(zhì)量7.5 kg，系統(tǒng)總耗電20.5 kW·h，故SEMR為2.07 kg水/（kW·h）。工業(yè)用按照每度電0.5元計(jì)算，總費(fèi)用為10.25元，核算烘烤成本為1.37元/kg干果。

2.2 梨片干燥動(dòng)力學(xué)特性及品質(zhì)分析

試驗(yàn)中，梨片干燥至安全水分需600 min（圖4），干基水量隨著時(shí)間延長而逐漸下降，對水分比MR與干燥時(shí)間t進(jìn)行Weibull函數(shù)擬合，均方根誤差RMSE為1.58×10-4，離差平方和χ2為0.003 01，R2為0.998 5，證明Weibull函數(shù)可以較好地模擬水分比與干燥時(shí)間之間關(guān)系。通過擬合所得，其尺度參數(shù)α為223.6 min，為總干燥時(shí)長的37.26%，形狀參數(shù)β為1.4，說明物料在干燥前期存在延滯階段[16]。

如圖4（c）所示，除開始由于物料升溫導(dǎo)致的干燥速率上升階段，隨著干燥過程的進(jìn)行，含水量降低，梨片的干燥速率呈現(xiàn)緩慢降低和快速降低2個(gè)階段，未出現(xiàn)恒速干燥階段，說明梨片的內(nèi)部水分?jǐn)U散作用控制著整個(gè)干燥過程[17-18]，含水量降低至1.0 g水/g干基左右時(shí)，去除的水分逐漸由自由水轉(zhuǎn)為結(jié)合水，因此物料干燥速率快速降低。

圖4 梨片干燥動(dòng)力學(xué)曲線

通過采集熱泵干燥室內(nèi)左側(cè)和右側(cè)上中下托盤正中間的梨片，對干燥室內(nèi)的干制品品質(zhì)均勻性進(jìn)行分析。如表1所示，干燥后的梨片總酚含量無顯著性差異，且均高于新鮮樣品含量（3.34±0.73 mg GAE/g DW），在枸杞、葡萄等果蔬物料的干燥研究中，也同樣發(fā)現(xiàn)干燥后物料的總酚含量提高的現(xiàn)象。一方面，這可能是因?yàn)榉宇愇镔|(zhì)的形成是由于酚類物質(zhì)分子之間的非酶反應(yīng)，從而產(chǎn)生了可以生成酚類物質(zhì)的酚醛樹脂分子的前體，在新鮮的果實(shí)組織中，前體分子與相關(guān)的酶分子被液泡分離，隨著干燥進(jìn)行，果蔬物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而液泡受到破壞，從而促進(jìn)酚類物質(zhì)分子之間的非酶反應(yīng)[19-20]。另一方面，這種現(xiàn)象可能是由于干燥過程釋放束縛在基質(zhì)中的酚類物質(zhì)，這使得酚類物質(zhì)更易于提取[21]。從抗氧化特性來看，干燥處理能夠提高物料的抗氧化特性，這可能是由于酚類物質(zhì)在抗氧化特性中起到主要作用。左側(cè)梨片的DPPH·清除率和羥基自由基清除能力整體高于右側(cè)，從干燥設(shè)備設(shè)計(jì)來看，右側(cè)為進(jìn)風(fēng)處，其溫度相對于左側(cè)來說較高，導(dǎo)致熱敏性抗氧化物質(zhì)，如維生素C的損失較高。

從顏色上來看，由于水分的降低，干燥后的梨片L值降低，在干燥過程中發(fā)生褐變，因此a和b值升高；從總色差來看，左側(cè)梨片的總色差值低于右側(cè)梨片，可能是由于右側(cè)溫度相對較高而導(dǎo)致焦糖化褐變。整體上來說，熱泵干燥室內(nèi)產(chǎn)品品質(zhì)較為均勻，在后續(xù)設(shè)計(jì)上可進(jìn)一步通過優(yōu)化干燥室內(nèi)部溫度、濕度的均勻性，進(jìn)一步提高產(chǎn)品品質(zhì)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)根據(jù)梨片失水干燥特性設(shè)計(jì)的50 kg熱泵干燥設(shè)備，供熱充足，溫濕度控制精準(zhǔn)，可保證梨片干燥工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均在正常工作范圍內(nèi)。試驗(yàn)所得SEMR為2.07 kg水/（kW·h），干燥成本為1.37元/kg干果。

梨片熱泵干燥過程中無恒速階段，處于降速干燥階段，Weibull分布函數(shù)能夠較好地反映其干燥過程中水分變化與干燥時(shí)間的關(guān)系，尺度參數(shù)α為223.6 min，形狀參數(shù)β大于1。

整體上來說，熱泵干燥室內(nèi)產(chǎn)品品質(zhì)較為均勻，干燥室內(nèi)出風(fēng)側(cè)產(chǎn)品其抗氧化特性及顏色指標(biāo)高于入風(fēng)側(cè)。