胡蘿卜熱泵干燥工藝優(yōu)化

彭鈺航 王廣紅 孫飛雪 金聽(tīng)祥

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

胡蘿卜因其富含多種維生素、類(lèi)胡蘿卜素、花青素、鈣、鐵等營(yíng)養(yǎng)成分，兼具抗氧化、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、保護(hù)視力、抗癌防癌、提高免疫、促消化等[1-2]功能，素有“小人參”之稱(chēng)。中國(guó)是胡蘿卜種植大國(guó)，產(chǎn)量和出口量占全球40%，新鮮胡蘿卜含水量為86%～95%，容易腐爛。脫水加工是胡蘿卜的主要加工方式之一，加工后的產(chǎn)品不僅可以延長(zhǎng)貨架期，方便運(yùn)輸和貯藏，還能有效減少腐壞造成的資源浪費(fèi)[3]。

熱泵干燥技術(shù)因具有操作簡(jiǎn)單、高效節(jié)能、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于干燥領(lǐng)域。干燥工藝參數(shù)對(duì)熱泵干燥品質(zhì)有較大影響[4]，同時(shí)也對(duì)節(jié)能降耗有影響。周韻等[5]使用響應(yīng)面法研究了熱風(fēng)微波耦合干燥工藝參數(shù)對(duì)胡蘿卜干燥速率和干燥品質(zhì)的影響。畢金峰等[6]使用響應(yīng)面法對(duì)胡蘿卜變溫壓差膨化干燥的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。沈文龍等[7]通過(guò)響應(yīng)面法得到了杏鮑菇的最佳熱泵干燥工藝為初始溫度50 ℃，溫度增量7 ℃，鋪料密度2.9 kg/m2。王安建等[8]使用響應(yīng)面法對(duì)香菇熱泵干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為溫度54 ℃、風(fēng)速3 m/s、裝載量1 176 g/m2。王梅等[9]使用響應(yīng)面法優(yōu)化了山藥脆片的干燥工藝，其最佳干燥工藝條件為切片厚度3.8 mm、燙漂時(shí)間4 min 20 s、干燥溫度60 ℃、干燥時(shí)間2.0 h。龍成樹(shù)等[10]建立了響應(yīng)面法優(yōu)化桑葉熱泵干燥速率模型，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)為干燥溫度64.20 ℃、風(fēng)速2.40 m/s、熱燙時(shí)間2.0 min、干燥耗時(shí)2.25 h。錢(qián)革蘭等[11]使用響應(yīng)面法分析熱風(fēng)微波耦合干燥胡蘿卜片的形變，得到最優(yōu)參數(shù)為微波功率密度1.9 W/g，熱風(fēng)溫度65 ℃，胡蘿卜片厚度5 mm，可使體積保留率提高10%。文章擬采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，研究初始溫度、干燥溫升和切片厚度3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品色差、復(fù)水比和β-胡蘿卜素含量的影響，確定最佳的干燥工藝參數(shù)，旨在為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

采用同一批長(zhǎng)度大致相同、直徑約4 cm、成熟適度未木質(zhì)化、無(wú)病蟲(chóng)無(wú)萎縮、無(wú)糠心、皮薄肉厚、顏色呈鮮紅色或橙色的新鮮胡蘿卜。

1.2 儀器與設(shè)備

空氣能熱泵箱式一體節(jié)能烘干機(jī)：CG-05HA型，循環(huán)系統(tǒng)為半開(kāi)式，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同階段的干燥溫度、相對(duì)濕度以及干燥時(shí)間，廣東創(chuàng)陸制冷科技有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA.TOUCH型，上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；

高速多功能粉碎機(jī)：200T型，永康市鉑歐五金制品有限公司；

快速水分儀：FBS-750A型，廈門(mén)弗布斯檢測(cè)設(shè)備有限公司；

分光測(cè)色儀：YS3060型，深圳市三恩時(shí)科技有限公司；

玻璃砂芯過(guò)濾裝置：1 000 mL，鄭州利研儀器有限公司；

低溫恒溫槽：DC-3010型，溫度波動(dòng)±0.5 ℃，江蘇天翎儀器有限公司；

多功能切菜機(jī)：QP-1102型，中山市百客思電器有限公司；

精密電子天平：ES500型，精度為0.001 g，天津市德安特傳感技術(shù)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 熱泵干燥流程

新鮮胡蘿卜切片→稱(chēng)重→開(kāi)水熱燙3.5 min→冷水中冷卻，拭干水分→鋪放于篩盤(pán)上→熱泵干燥機(jī)干燥→每隔30 min測(cè)量胡蘿卜質(zhì)量→干燥至樣品相鄰減重低于0.02 g/100 g→包裝貯藏

干燥過(guò)程分兩個(gè)階段，第一階段的溫度為初始溫度，物料在初始溫度下干燥至含水率25%～30%時(shí)進(jìn)入第二階段，第二階段的溫度為初始溫度+溫升值。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，確定以色差值、復(fù)水比、β-胡蘿卜素含量為響應(yīng)值，初始溫度、干燥溫升及切片厚度為因素，建立三因素三水平的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)。

1.4 產(chǎn)品指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 色差 根據(jù)文獻(xiàn)[12]修改如下：使用測(cè)色儀進(jìn)行測(cè)定，每種樣品取3次樣，每樣旋轉(zhuǎn)3次不同角度，結(jié)果取平均值。按式(1)計(jì)算色差值。

(1)

式中：

ΔE——色差值；

L*——亮度值，0～100；

a*——紅色度，-80～100；

b*——黃色度，-80～100。

1.4.2 復(fù)水比 分別取各組干燥成品2 g，放入250 mL燒杯中,用水量為200 mL，90 ℃水浴20 min，取出瀝水，擦干表面水分后稱(chēng)重，按式(2)計(jì)算復(fù)水比。

(2)

其中：

Rf——復(fù)水比，g/g；

Gf——樣品復(fù)水后瀝干質(zhì)量，g；

Gg——干制品試樣質(zhì)量，g。

1.4.3β-胡蘿卜素含量 根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，按式(3)計(jì)算β-胡蘿卜素含量。

(3)

式中：

N——β-胡蘿卜素含量，mg/g；

x——利用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)求得的β-胡蘿卜素含量，mg/mL；

m——胡蘿卜粉質(zhì)量，g；

k——干基水分含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果 在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以色差值、復(fù)水比、β-胡蘿卜素含量為響應(yīng)值，以初始溫度、干燥溫升、切片厚度為自變量，建立三因素三水平中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)因素與水平表

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.1.2 回歸方程擬合及方差分析 采用Design-Expert 10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程為：

(4)

(5)

(6)

由表3可知，回歸方程的模型決定系數(shù)均>0.8，說(shuō)明干燥初始溫度、干燥溫升和切片厚度對(duì)胡蘿卜干制品影響顯著，校正系數(shù)均>0.7，說(shuō)明模型的擬合度較好，可以反映響應(yīng)面曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，能較好地預(yù)測(cè)胡蘿卜的熱泵干燥過(guò)程。離散系數(shù)都較小，說(shuō)明干燥試驗(yàn)具有較好的精確性和可靠性。干燥溫升對(duì)胡蘿卜干燥后的色差及復(fù)水比影響較大，可能是因?yàn)榈诙A段溫度過(guò)高使胡蘿卜切片的表面細(xì)胞發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變化，顏色變深，細(xì)胞滲透性減小。初始溫度對(duì)β-胡蘿卜素含量影響較大，可能是因?yàn)棣?胡蘿卜素在干燥初期較容易流失，合適的初始溫度更容易保留β-胡蘿卜素。

表3 方差分析?

2.1.3 響應(yīng)面圖分析 由圖1可知，色差值隨初始溫度的升高呈先降低再升高的趨勢(shì)，當(dāng)初始溫度為54～56 ℃時(shí)，色差值最低；隨著干燥溫升的增大，色差值先降低后升高，當(dāng)干燥溫升為9～11 ℃時(shí)，色差值最低；切片厚度對(duì)色差值的影響不顯著。熱泵干燥過(guò)程中，由于干燥時(shí)間長(zhǎng)，溫度過(guò)高，易使蔬菜中的色素物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加速氧化降解[15]。由于胡蘿卜是熱敏性根菜類(lèi)蔬菜，在干燥過(guò)程中會(huì)發(fā)生褐變，初始溫度對(duì)酶促褐變和非酶促褐變均有較大影響，當(dāng)初始溫度為54～56 ℃時(shí)，酶促褐變和非酶促褐變的現(xiàn)象減少，干制品的色澤變化小[3]。

圖1 各因素交互作用對(duì)胡蘿卜色差影響的響應(yīng)面圖

由圖2可知，切片厚度一定時(shí)，復(fù)水比隨初始溫度的升高呈先升高再降低的趨勢(shì)，當(dāng)初始溫度為54～56 ℃時(shí)，復(fù)水比最高。這是因?yàn)殡S著初始溫度的升高，胡蘿卜組織結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)多孔疏松狀態(tài)，體積逐漸膨化，導(dǎo)致復(fù)水過(guò)程中吸水量增加，復(fù)水終點(diǎn)時(shí)水分含量值變大，復(fù)水比增加。初始溫度不斷升高后，胡蘿卜片內(nèi)部毛細(xì)管與細(xì)胞的萎縮變形增大，初始溫度對(duì)物料組織結(jié)構(gòu)的破壞作用增加，復(fù)水難度增加，導(dǎo)致復(fù)水比減小[16]。隨著干燥溫升的增大，復(fù)水比先升高再降低，當(dāng)干燥溫升為9～11 ℃時(shí)，復(fù)水比最高。隨著切片厚度的增加，復(fù)水比逐漸減小。因此干燥溫升對(duì)復(fù)水比的影響最為顯著，其次為初始溫度。

圖2 各因素交互作用對(duì)胡蘿卜復(fù)水比影響的響應(yīng)面圖

由圖3可知，β-胡蘿卜素含量隨初始溫度的升高而緩慢升高；隨著干燥溫升的增大，β-胡蘿卜素含量無(wú)顯著變化；隨著切片厚度的增加，β-胡蘿卜素含量先升高后降低，當(dāng)切片厚度為3.5～4.0 mm時(shí)，β-胡蘿卜素含量最高，切片厚度對(duì)β-胡蘿卜素含量影響最為顯著。

圖3 各因素交互作用對(duì)β-胡蘿卜素含量影響的響應(yīng)面圖

綜上，當(dāng)初始干燥溫度為54～56 ℃，干燥溫升為9～11 ℃，切片厚度為3.5～4.0 mm時(shí)，胡蘿卜干制品的色差CV色差=4.47%，CV復(fù)水比=5.64%，CVβ-胡蘿卜素含量=11.85%。值最小，復(fù)水比最高，β-胡蘿卜素含量最高。

2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

用Design-Expert 10.0軟件對(duì)回歸方程求解，得到胡蘿卜熱泵干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下理論預(yù)測(cè)的胡蘿卜色差值為9.759，復(fù)水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。結(jié)合實(shí)際將干燥條件調(diào)整為初始溫度54 ℃，干燥溫升9.3 ℃，切片厚度(3.8±0.1) mm，在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)胡蘿卜色差值為9.616±0.2，復(fù)水比為6.251±0.1，β-胡蘿卜素含量為(33.527±0.500) mg/100 g，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差分別為1.465%，0.877%，2.475%，說(shuō)明可以利用響應(yīng)面對(duì)胡蘿卜熱泵干燥工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法，研究了初始溫度、干燥溫升和切片厚度對(duì)胡蘿卜干燥產(chǎn)品色差、復(fù)水比和β-胡蘿卜素含量的影響。結(jié)果表明：初始溫度是影響色差值的顯著因素，干燥溫升和切片厚度是次顯著因素；干燥溫升是影響復(fù)水比的顯著因素，初始溫度和切片厚度是次顯著因素；切片厚度是影響β-胡蘿卜素含量的顯著因素，初始溫度和干燥溫升是次顯著因素。胡蘿卜熱泵干燥的最佳工藝為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下胡蘿卜色差值為9.759，復(fù)水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。后續(xù)可在不同的階段改變不同的相對(duì)濕度或?qū)⒏稍锓殖筛嗟碾A段，更進(jìn)一步細(xì)化參數(shù)，在保證干燥品質(zhì)的同時(shí)最大限度降低能耗。