熱泵-微波聯(lián)合干燥整果荔枝工藝研究

關(guān)志強(qiáng)，鄭立靜，李 敏，郭勝蘭

(1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

熱泵-微波聯(lián)合干燥整果荔枝工藝研究

關(guān)志強(qiáng)1，鄭立靜2，李 敏2，郭勝蘭2

(1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

利用熱泵干燥裝置進(jìn)行荔枝的干燥實(shí)驗(yàn)，得出在恒定干燥條件下荔枝的干燥曲線和干燥速率曲線，并據(jù)此確定熱泵-微波聯(lián)合干燥的轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率參數(shù)水平。并通過(guò)三因素三水平正交試驗(yàn)，以感官綜合性能指數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究熱泵干燥溫度、熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和微波干燥時(shí)間對(duì)熱泵-微波聯(lián)合干燥荔枝品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：各因素對(duì)荔枝干品品質(zhì)影響的大小順序?yàn)闊岜酶稍餃囟?熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率>微波干燥時(shí)間；優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為熱泵干燥溫度50℃、熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率100%、微波干燥時(shí)間2.5min。在此組合參數(shù)條件下，感官綜合得分為最高分27。

熱泵；微波；聯(lián)合干燥；荔枝

荔枝傳統(tǒng)的干燥方法主要是日光干燥和熱風(fēng)干燥。日光干燥受外界條件限制，衛(wèi)生條件差，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品的品質(zhì)和附加值低。熱風(fēng)干燥由于干燥溫度較高，干燥時(shí)間長(zhǎng)，果皮褐變嚴(yán)重，引起產(chǎn)品品質(zhì)降低，還會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的大量滋生[1]。

熱泵是一種從低溫?zé)嵩次諢崃?，并使其在較高溫度下作為有效熱能加以利用的熱能裝置，與其他電熱干燥方式相比，利用熱泵進(jìn)行干燥具有熱效率高、節(jié)能、干燥溫度較低、脫水效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，但當(dāng)含水率降低到一定程度時(shí)干燥速率減慢，使得干燥時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加，產(chǎn)品品質(zhì)下降，復(fù)水性較差，經(jīng)濟(jì)價(jià)值降低。

微波干燥是輻射加熱，是微波熱能直接與物料發(fā)生作用，使其里外同時(shí)被加熱，不需要通過(guò)外部的對(duì)流或傳導(dǎo)來(lái)傳遞熱量，所以加熱速度快，加熱溫度均勻，干燥效率高，同時(shí)還可以起到殺菌的效果。由于微波對(duì)水有選擇加熱的特點(diǎn)，可以在較低溫度下進(jìn)行干燥，而不致使產(chǎn)品中的干物質(zhì)過(guò)熱而損壞。但產(chǎn)品在含水量太高時(shí)不適宜采用微波干燥。采用熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥的報(bào)道很多[2-3]，Baysal等[4]對(duì)胡蘿卜片應(yīng)用微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥發(fā)現(xiàn)干燥時(shí)間比單純的熱風(fēng)干燥縮短了30%，且無(wú)恒速期，并且樣品的復(fù)水率要明顯比熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品高。Maskan[5]對(duì)香蕉進(jìn)行了先熱風(fēng)干燥后微波干燥的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥對(duì)減少干燥時(shí)間、降低成本是有益的。Andres等[6]證明食品原料經(jīng)微波處理還能提高熱風(fēng)干燥的速率[5]。但對(duì)含水率較低的食品也有例外的情況，李琴等[7]進(jìn)行了微波熱風(fēng)組合干燥制備板栗粉的研究，結(jié)果表明先用微波低火干燥10min，再在50℃條件下熱風(fēng)干燥4h，即可使產(chǎn)品含水量達(dá)到5.6%。微波熱風(fēng)復(fù)合干燥可以縮短干燥時(shí)間，而且制得的板栗粉色澤金黃。

將微波干燥和熱泵干燥的各自特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使熱泵與微波干燥兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不僅可有效縮短干燥時(shí)間，還可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。研究熱泵與微波聯(lián)合干燥的轉(zhuǎn)換方式，探討聯(lián)合干燥的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，綜合考慮各種因素與實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，獲得較佳的聯(lián)合干燥工藝操作條件，是熱泵與微波聯(lián)合干燥工藝的關(guān)鍵內(nèi)容之一。本實(shí)驗(yàn)對(duì)熱泵-微波聯(lián)合干燥整果荔枝進(jìn)行研究，采用先熱泵干燥，使荔枝干燥到一定含水率時(shí)轉(zhuǎn)換成微波干燥的工藝模式，以期達(dá)到縮短干燥時(shí)間、提高干品品質(zhì)的目的，為熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)在荔枝及其同類產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

市售新鮮白頭翁荔枝，成熟度8～9成(果皮85%轉(zhuǎn)紅，果柄部位仍帶有青色)。

MK823ESJ-PA微波干燥箱 美的公司；JA2003A型電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；自制熱泵干燥裝置(圖1)。

圖1 熱泵干燥裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a heat pump dryer

1.2 方法

1.2.1 荔枝干燥工藝流程

鮮果→挑選→清洗→護(hù)色→干燥→包裝

1.2.2 樣品預(yù)處理

鮮果去枝、清洗、燙漂。漂燙水溫為95～100℃，漂燙時(shí)間110s[8]。采用如下護(hù)色劑配方護(hù)色[9]：檸檬酸6%、抗壞血酸0.1%、L-Cys 0.2%[10]。

1.2.3 檢測(cè)方法[11]

水分測(cè)定方法：常壓干燥法(105℃)；

式中：mw為物料中水分質(zhì)量/kg；md為物料中干物質(zhì)質(zhì)量/kg。

式中：Nd為干燥速率/(kg/h)；Xm,i、Xm,i+1分別為時(shí)間ti、ti+1時(shí)的干基含水率/%。

1.2.4 感官評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照荔枝干的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 709—2003《荔枝干》)及文獻(xiàn)[8]，確定由9人組成評(píng)定小組，對(duì)反映干荔枝品質(zhì)的主要指標(biāo)色澤和形態(tài)等進(jìn)行感官評(píng)分，采用9級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria

1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，荔枝干燥采取熱泵與微波聯(lián)合干燥的方式和先熱泵干燥后微波干燥的工藝模式。進(jìn)行熱泵干燥時(shí)，當(dāng)荔枝干基含水率達(dá)到一定值時(shí)轉(zhuǎn)換為微波干燥。熱泵干燥階段，每干燥12h停止加熱，讓果品回潮3h后繼續(xù)加熱干燥，進(jìn)入微波干燥階段后，按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行操作，直至達(dá)到干制要求。

將熱泵干燥溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率、微波干燥時(shí)間作為正交試驗(yàn)的3因素，各選取3水平進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，其因素水平編碼表如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平編碼表Table 2 Coded factors and their coded levels in orthogonal array design

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)及各因素水平的選取

2.1.1 熱泵干燥溫度因素水平的選取

荔枝果肉中除水分外，大部分為碳水化合物，干燥時(shí)若采用較高溫度會(huì)引起碳水化合物變性，容易焦糊，導(dǎo)致果肉變黑，產(chǎn)生異味，從而影響荔枝品質(zhì)。所以，對(duì)荔枝進(jìn)行干燥時(shí)溫度不能過(guò)高。但是，對(duì)于整果荔枝，果肉最外層包裹著果殼，形成非均質(zhì)體多重復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此，荔枝是一種較難干燥的農(nóng)業(yè)物料，不同于一般作物種子和工業(yè)材料[9]，干燥時(shí)若采用較低溫度，干燥時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，影響生產(chǎn)產(chǎn)量，降低經(jīng)濟(jì)效益。

已有研究[12-15]表明，荔枝干燥時(shí)所采用的溫度大都在50～80℃范圍內(nèi)。根據(jù)熱泵干燥裝置所能提供的實(shí)際溫度，選取正交試驗(yàn)熱泵干燥溫度因素各水平分別為70、6 0、5 0℃。

2.1.2 微波干燥時(shí)間因素水平的選取

由預(yù)實(shí)驗(yàn)得知，對(duì)荔枝采用微波干燥時(shí)，若連續(xù)干燥很容易引起荔枝焦糊，因此采用間歇式微波干燥，即干燥一定時(shí)間停止微波加熱，使其自然降溫，約1～2min，然后再對(duì)其進(jìn)行微波加熱，重復(fù)操作直至干燥結(jié)束。總干燥時(shí)間不包括降溫時(shí)間。

圖2 微波功率對(duì)荔技干品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of microwave power on the quality of litchi

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)微波功率385W時(shí)，單次間歇干燥1min后，荔枝很容易出現(xiàn)焦糊味。當(dāng)微波功率252W時(shí)，單次間歇干燥時(shí)間超過(guò)2.5min后，干燥過(guò)程會(huì)有異味出現(xiàn)；單次間歇干燥時(shí)間2min時(shí)，荔枝能較好保持原有的色澤和形態(tài)。當(dāng)微波功率119W，單次間歇干燥時(shí)間2.5min時(shí)，荔枝也能較好地保持原有的品質(zhì)。預(yù)實(shí)驗(yàn)的感官評(píng)分結(jié)果如圖2所示，可以看出，當(dāng)微波功率為119W時(shí)，在所有的間隔時(shí)間內(nèi)荔枝基本能保持較好的品質(zhì)，因此，為了確保荔枝的色澤、形態(tài)和品質(zhì)，設(shè)定微波功率為119W，綜合時(shí)間間隔與微波功率對(duì)荔枝干品質(zhì)的影響，選取正交試驗(yàn)單次間歇干燥時(shí)間因素各水平分別為2.5、2.0、1.5min。

2.1.3 熱泵干燥與微波干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率因素水平的選取

在對(duì)流干燥過(guò)程中，干燥介質(zhì)(熱空氣)將熱量傳至食品表面，再由表面?zhèn)鞯绞称穬?nèi)部。水分則以液態(tài)或氣態(tài)透過(guò)食品內(nèi)部傳遞到表面，再通過(guò)食品表面的氣膜擴(kuò)散到空氣主體。食品干燥過(guò)程是傳熱和傳質(zhì)相結(jié)合的過(guò)程，它包含食品內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)和食品外部的傳熱傳質(zhì)。當(dāng)食品外部傳質(zhì)速率低于內(nèi)部傳質(zhì)速率時(shí)，水分能迅速到達(dá)食品表面，外部傳質(zhì)速率控制著整個(gè)干燥過(guò)程的速率。一般來(lái)說(shuō)，這一階段為恒速干燥。此時(shí)，提高空氣的溫度、降低空氣的相對(duì)濕度、改善空氣與物料間的接觸和流動(dòng)狀況，都有利于提高干燥速率。當(dāng)食品內(nèi)部傳質(zhì)速率低于外部傳質(zhì)速率時(shí)，內(nèi)部水分來(lái)不及擴(kuò)散到食品表面供汽化，內(nèi)部傳質(zhì)速率控制著整個(gè)干燥過(guò)程的速率。一般來(lái)說(shuō)，這一階段為降速干燥。此時(shí)，采用微波干燥方法，加速內(nèi)部水分向表面?zhèn)鬟f，有利于提高干燥速率。因此，本研究首先采用熱泵干燥方式進(jìn)行荔枝干燥預(yù)實(shí)驗(yàn)，制作干燥曲線和干燥速率曲線[10]，確定恒速干燥階段與降速干燥階段的分界點(diǎn)即臨界點(diǎn)，取對(duì)應(yīng)于臨界點(diǎn)的干基含水率作為熱泵干燥與微波干燥的轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率因素的某一水平。

對(duì)荔枝進(jìn)行熱泵干燥實(shí)驗(yàn)，干燥溫度60℃、風(fēng)速2.5m/s，并且每干燥12h，回潮3h，總干燥時(shí)間不包括回潮時(shí)間。在此恒定的干燥條件下進(jìn)行荔枝的干燥實(shí)驗(yàn)，以確定荔枝的干燥曲線，從而獲得荔枝干燥過(guò)程的不同干燥階段的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制干燥曲線和干燥速率曲線，如圖3、4所示。

圖3 熱泵干燥曲線Fig.3 Heat pump drying process curve

圖4 熱泵干燥速率曲線Fig.4 Plot of heat pump drying rate as a function of dry-basis moisture content

由圖3、4可以看出，干燥過(guò)程大致經(jīng)歷了恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段，干燥初期，由于干基含水率較大，荔枝干燥速率逐漸上升，并在14h左右達(dá)到最大。在隨后的6h時(shí)間里基本保持恒定，可以判定此時(shí)干燥基本處于恒速干燥階段。隨著含水率的不斷減小，干燥速率逐漸變小，進(jìn)入降速干燥階段，降速干燥階段后期，干燥速率已經(jīng)非常小。圖4顯示，恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于干基含水率為100%左右的拐點(diǎn)，這個(gè)干基含水率也就是對(duì)應(yīng)干燥條件下的臨界含水率。考慮到如果在荔枝水分含量很大的情況下即改用微波干燥，荔枝的品質(zhì)可能得不到保證，能耗也會(huì)相對(duì)較高，所以選取正交試驗(yàn)轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率因素各水平分別為100%、70%、40%。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Scheme and experimental results of orthogonal array design

根據(jù)表3的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析?？梢钥闯?，在正交試驗(yàn)的3個(gè)因素中，熱泵干燥溫度對(duì)荔枝干的品質(zhì)影響最大，其次是兩種干燥方式的轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率，最后才是微波干燥時(shí)間。從表中優(yōu)化出來(lái)的組合是A3B1C1，即熱泵干燥溫度50℃、熱泵微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率100%和微波干燥時(shí)間2.5min，通過(guò)對(duì)優(yōu)化組合進(jìn)行追加實(shí)驗(yàn)，獲得在優(yōu)化組合參數(shù)條件下的感官評(píng)價(jià)得分為27。在微波干燥階段，干燥總耗時(shí)87.5min，比單純熱泵干燥時(shí)間明顯縮短。

2.3 微波干燥、熱泵干燥和熱泵-微波聯(lián)合干燥特性的比較

圖5 3種干燥方式的干燥曲線Fig.5 Drying curves of three kinds of drying methods

圖6 3種干燥方式干燥速率曲線Fig.6 Drying rate curves of three kinds of drying methods

圖5 、6分別給出了微波干燥、熱泵干燥和熱泵-微波聯(lián)合干燥的干燥曲線和干燥速率曲線。由于微波干燥不存在內(nèi)部傳熱問(wèn)題，食品內(nèi)部和表面同時(shí)吸收微波熱量，干燥速度快，干燥時(shí)間短，是熱泵干燥的1/10左右，而且能夠避免其他干燥方法由外向內(nèi)形成的溫度梯度和由內(nèi)向外分布的水分梯度導(dǎo)致食品表面硬化和內(nèi)外干燥不均勻的現(xiàn)象。但是，微波干燥耗電較大，干燥成本較高，微波設(shè)備一次性投資也高于其他干燥裝置，含水量高的原料產(chǎn)品質(zhì)量[16]不好控制。所以，為了降低干燥能耗和縮短干燥時(shí)間，采用微波干燥與其他干燥方式聯(lián)合干燥較為合適。熱泵干燥裝置加熱干燥介質(zhì)的熱量，部分由回收干燥器排出的溫濕空氣中所含的顯熱和潛熱提供，因此，與常規(guī)干燥裝置比較，節(jié)能高達(dá)30%以上，綜合干燥成本可降低10%～30%。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)常壓低溫干燥，更加適合于熱敏性食品的干燥。但是，與微波干燥相比較，熱泵干燥速率低，干燥時(shí)間長(zhǎng)。熱泵-微波聯(lián)合干燥方式綜合運(yùn)用了上述兩種干燥裝置的特性，既利用了熱泵干燥裝置的高效節(jié)能和低溫干燥的優(yōu)點(diǎn)，又吸納了微波干燥速度快、時(shí)間短的長(zhǎng)處。本研究實(shí)例表明，微波干燥時(shí)間(6.7h)約為熱泵干燥時(shí)間(60h)的1/10，熱泵-微波聯(lián)合干燥時(shí)間(41.5h)介于熱泵干燥和微波干燥之間。根據(jù)微波干燥和熱泵干燥的特性，熱泵-微波聯(lián)合干燥的時(shí)間和能耗均介于微波干燥和熱泵干燥之間，并隨著熱泵-微波干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)參數(shù)的變化而變化，呈現(xiàn)出干燥時(shí)間與干燥能耗呈反比的規(guī)律，因此，要綜合考慮干燥時(shí)間與干燥能耗的關(guān)系和食品的熱敏性特點(diǎn)，合理縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

3.1 通過(guò)熱泵干燥溫度、熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和微波干燥時(shí)間三因素三水平的正交試驗(yàn)可知，在給定條件下，熱泵干燥溫度是影響熱泵-微波聯(lián)合干燥整果荔枝品質(zhì)的主要因素，其次是熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率，最后是微波干燥時(shí)間。干燥過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化組合為熱泵干燥溫度50℃、熱泵-微波轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率100%、微波時(shí)間2.5min。按優(yōu)化組合工藝參數(shù)追加實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，其綜合感官評(píng)價(jià)得分27，是所有試驗(yàn)組中的最大值。

3.2 熱泵-微波聯(lián)合干燥的時(shí)間和能耗介于微波干燥和熱泵干燥之間，隨著熱泵-微波聯(lián)合干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的變化而變化，并呈現(xiàn)出干燥時(shí)間與干燥能耗呈反比的規(guī)律，因此，綜合考慮干燥時(shí)間與干燥能耗的關(guān)系和食品的熱敏性特點(diǎn)，調(diào)整和優(yōu)化熱泵-微波聯(lián)合干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率參數(shù)，使之符合提高品質(zhì)、節(jié)能降耗的要求，是熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝研究的重點(diǎn)之一。

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Process Optimization for Heat Pump-microwave Drying of Whole Litchi

GUAN Zhi-qiang1，ZHENG Li-jing2，LI Min2，GUO Sheng-lan2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000,China；2. Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Heat pump drying device was used for the drying of whole litchi. The drying curves and dry curve rates of litchi in steady condition were determined. The conversion rate of water content during combinatorial drying processing of heat pump and microwave drying was analyzed. The effects of heat pump drying temperature, the conversion rate of water content, and microwave drying time on the quality of litchi during combinatorial drying processing were investigated. Orthogonal test results indicated that the order of drying efficiency on the quality of litchi were heat pump drying temperature, conversion rate of water content and microwave drying time. The optimal drying parameters were heat pump drying temperature of 50 ℃, conversion rate of water content of 100% and microwave drying time of 2.5 min. Under the optimal processing conditions, the score of comprehensive sensory evaluation was 27.

heat pump；microwave；combinatorial drying；litchi

TS255.6

A

1002-6630(2011)06-0020-05

2010-05-25

茂名市科技局攻關(guān)項(xiàng)目(2007045)

關(guān)志強(qiáng)(1956—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称防鋬隼洳毓こ?。E-mail：mmcgzq@163.com