青蘿卜護(hù)綠與熱泵干燥動(dòng)力學(xué)研究

高 蔓，劉欣悅，劉靜靜，王珂莉，李 昀

（天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384）

青蘿卜營養(yǎng)豐富、顏色鮮艷，相對于白蘿卜含有更多的營養(yǎng)物質(zhì)[1]，因此深受消費(fèi)者的青睞。然而，青蘿卜市場供應(yīng)具有季節(jié)性，因其水分含量很大，若貯藏不佳，會發(fā)生糠心等現(xiàn)象，造成青蘿卜品質(zhì)下降，帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。而此時(shí)青蘿卜干制品顯得尤為重要，可以防止這些問題的出現(xiàn)，同時(shí)也可除去青蘿卜帶有部分辛辣口感，使其風(fēng)味更佳。而傳統(tǒng)的干制方法為自然干制法，該方法存在微生物污染、氣候等多方面的影響，干制效果差。目前，興起的熱泵干制技術(shù)干制效率高，干制品質(zhì)量好。夏源等人[2]研究表明，使用熱泵干燥具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。藍(lán)炎陽等人[3]研究了不同干燥方法對蘿卜品質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)熱泵干燥后再對其進(jìn)行復(fù)水操作，營養(yǎng)價(jià)值和新鮮產(chǎn)品幾乎無差別，熱泵干燥后產(chǎn)品可很好地保持各種營養(yǎng)成分，減少營養(yǎng)損失。由于熱泵加工原理[4]的優(yōu)勢，熱泵應(yīng)用前景廣闊。研究成果對于推動(dòng)青蘿卜產(chǎn)業(yè)的深加工、滿足人們的消費(fèi)需求、發(fā)展其產(chǎn)地的特產(chǎn)經(jīng)濟(jì)具有積極的意義[5]，同時(shí)豐富了青蘿卜深加工產(chǎn)業(yè)的理論研究與實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

新鮮青蘿卜，購于天津市紅旗農(nóng)貿(mào)市場，要求無傷碰、無蟲害、無糠心、無腐爛變質(zhì)，平均含水量為88%。

硫酸銅、乙酸鋅、氯化鈣，均為食品級，用量符合食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

WRH-100AB型閉環(huán)除濕熱泵干燥機(jī)，正旭新能源設(shè)備科技有限公司產(chǎn)品；LCE-511型切片機(jī)，新星電子科技有限公司產(chǎn)品；WR-10型手提式色彩色差儀，威福光電科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

帶皮青蘿卜→清水沖洗→切片→護(hù)綠液燙漂→清水沖洗→熱泵烘干→檢測→包裝。

1.2.2 操作要點(diǎn)

（1）材料處理。將新鮮青蘿卜洗凈，切除頭尾部分，其余部分切成6 mm厚度的薄片。

（2） 護(hù)綠復(fù)合液熱燙。每組稱取約1 kg的清水加入護(hù)綠試劑煮至沸騰，將約0.5 kg的青蘿卜片置于護(hù)綠液中熱燙90 s后撈出，用清水沖洗去除表面殘留的試劑，用紗布吸干表面水分。

（3）熱泵烘干。將青蘿卜片平鋪于烘盤上，于65℃下在熱泵中烘干，每30 min測定1次質(zhì)量，烘干至干制品狀態(tài)（平均含水量為15%）。

（4）色差儀檢測。用WR-10型手提式色彩色差儀測定青蘿卜片的L*值，a*值，b*值，每個(gè)處理組選取3片，對其四周部位進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

（5）包裝。將干制好的青蘿卜片裝入食品級包裝袋中塑封包裝，得到青蘿卜干制品。于陰涼干燥處保存，重復(fù)3次。

1.2.3 護(hù)綠復(fù)合液正交設(shè)計(jì)

選擇硫酸銅（A）、乙酸鋅（B）、氯化鈣（C）進(jìn)行護(hù)綠復(fù)合液四因素三水平L16（43）正交試驗(yàn)，以此得到最佳的護(hù)綠效果。

青蘿卜護(hù)綠正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 青蘿卜護(hù)綠正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)/mg·kg-1

護(hù)綠效果的測定參考馬文錦等人[6]使用的方法，即使用WR-10型手提式色彩色差儀對青蘿卜干制品的顏色（L值，a值，b值）進(jìn)行測定。青蘿卜顏色變化就是由L值，a值，b值交互變化導(dǎo)致的。其中，L值表示樣品的亮度；a值表示樣品的紅綠方向變化，+a值表示樣品顏色偏紅，-a值表示樣品顏色偏綠；b值表示樣品的黃藍(lán)方向變化，+b值表示樣品顏色偏黃，-b值表示樣品顏色偏藍(lán)。因此，用指標(biāo)a值判斷青蘿卜顏色變化，-a值越大則表明護(hù)綠效果越好[7]。

1.2.4 青蘿卜熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型研究設(shè)計(jì)

（1）厚度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響。將青蘿卜分別切成4，6，8，10 mm厚的薄片，在一定溫度下青蘿卜經(jīng)熱泵干燥后，研究其厚度對水分比（MR）、干燥速率（Vt）和顏色的影響。

（2）溫度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響。將青蘿卜切成一定厚度的薄片，青蘿卜分別在44，51，58，65℃下經(jīng)熱泵干燥后，研究溫度對水分比（MR）、干燥速率（Vt）和顏色的影響。

（3）試樣干基含水率計(jì)算。

式中：Mt——試樣干燥至t時(shí)刻的含水率；

mt——試樣干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量，g；

ms——試樣干燥至絕干時(shí)的質(zhì)量，g。

（4）試樣干燥速率計(jì)算。

式中：Δ t——干燥間隔時(shí)間，min。

（5） 試樣水分比（MR） 計(jì)算。

式中：M0——試樣的初始干基質(zhì)含水量，g/g。

Me——試樣的平衡干基質(zhì)含水量，g/g。

由于Me的值對Mt和M0二者來說是很小的，可以忽略不計(jì)[8]，因此上述試樣水分比可以記為[9]：

1.2.5 干燥動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究[9]，對青蘿卜熱泵干燥過程的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究。通過應(yīng)用各種適用的干燥動(dòng)力學(xué)模型，研究其干燥的機(jī)理。在青蘿卜熱泵干燥的動(dòng)力學(xué)模型中，主要選用3個(gè)模型[10]。

模型名稱見表2。

表2 模型名稱

通過比較青蘿卜在不同厚度與不同溫度影響下的質(zhì)量變化，研究采用Matlab對干燥過程中所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并得到R2，RMSE等數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而得出最適用于青蘿卜干制的最佳動(dòng)力學(xué)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 護(hù)綠復(fù)合液熱燙對青蘿卜護(hù)綠效果的影響

2.1.1 護(hù)綠復(fù)合液熱燙對青蘿卜護(hù)綠效果的影響

按照表1配制護(hù)綠試劑對青蘿卜干制品進(jìn)行燙漂處理。

青蘿卜干制品護(hù)綠復(fù)合液的正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 青蘿卜干制品護(hù)綠復(fù)合液的正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以得出，在護(hù)綠復(fù)合液中各試劑對于青蘿卜干制品顏色的影響順序?yàn)榱蛩徙~＞乙酸鋅＞氯化鈣。護(hù)綠復(fù)合液的最佳試劑配比為A4B2C2，即硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。由于最佳試劑配比不在正交表試驗(yàn)組中，故進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

將護(hù)綠復(fù)合液配成硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。具體試驗(yàn)步驟為上述1.2中試驗(yàn)方法，測定色差取平均值。

試驗(yàn)得到色差儀測定-a平均值為3.48。根據(jù)青蘿卜干制品護(hù)綠復(fù)合液的正交試驗(yàn)結(jié)果表對比可知，驗(yàn)證結(jié)果為-a值最大，護(hù)綠效果最佳，護(hù)綠復(fù)合液的最佳試劑配比為A4B2C2，即硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣150 mg/kg。將此液體加熱至沸騰后青蘿卜燙漂90 s即可得到護(hù)綠效果最佳的青蘿卜干制品。

2.2 厚度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響結(jié)果分析

2.2.1 厚度對青蘿卜水分比的影響

通過對青蘿卜水分比（MR） 的計(jì)算，用Origin 8.0軟件繪圖。

不同厚度的青蘿卜水分比變化見圖1。

圖1 不同厚度的青蘿卜水分比變化

由圖1可看出，厚度越大，其水分比下降速率相對越小。根據(jù)該圖可看出4 mm的青蘿卜水分比下降最快，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最小水分比。根據(jù)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分消費(fèi)者偏愛于4 mm厚的青蘿卜干制品，外觀佳，便于家庭的加工食用。對于工廠，該厚度的干制品在同等溫度下，干制速率最快，耗能最少[11]，便于后續(xù)的加工。因此，4 mm厚度的青蘿卜干制品最佳。

2.2.2 厚度對青蘿卜干燥速率的影響

通過計(jì)算青蘿卜的干燥速率Vt，得到在一定溫度下干燥時(shí)不同厚度的青蘿卜的干燥速率曲線。

58℃時(shí)不同厚度青蘿卜干燥速率曲線見圖2。

圖2 58℃時(shí)不同厚度青蘿卜干燥速率曲線

以在58℃下熱泵干燥為例，從圖2中可知，當(dāng)干燥溫度為58℃時(shí)，其干制速率與切片厚度有關(guān)系，隨著厚度的增加，整體干燥速率呈逐漸遞減的趨勢。當(dāng)切片厚度為4 mm時(shí)，干制速率達(dá)到最大值，干燥最快。10 mm青蘿卜片在干燥過程中，有一段先上升后下降的趨勢，主要是因熱泵內(nèi)部干制溫度不完全一致，與擺盤擺放位置有關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)得知，若繼續(xù)降低青蘿卜切片厚度，得到的干制品外觀差，且若工廠化規(guī)模生產(chǎn)會使利潤降低。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)證明結(jié)果一致。擺盤越靠近熱泵風(fēng)口端，青蘿卜的干燥速率有些許波動(dòng)，但試驗(yàn)的最終干燥速率趨勢一致。試驗(yàn)中分析得到4 mm青蘿卜片可在3 h內(nèi)達(dá)到干制品狀態(tài)，隨著切片厚度的增加，干燥到干制品狀態(tài)所需的時(shí)間也越長。由于4 mm青蘿卜片較薄，相對其他試驗(yàn)組有比表面積大的優(yōu)勢。故接觸面積大，在同等溫度下，可最快地使蘿卜片成為干制品狀態(tài)。試驗(yàn)中，當(dāng)切片厚度為8 mm和10 mm時(shí)，干燥到其干制品狀態(tài)所需時(shí)間最長，為4.5 h。4 mm的青蘿卜片含水量最低，干制效果最好。從圖2中曲線波動(dòng)狀態(tài)也可看出干燥速率大致呈一個(gè)先上升后緩慢下降的趨勢。

2.3 溫度對青蘿卜熱泵干燥特性的影響結(jié)果分析

2.3.1 溫度對青蘿卜水分比的影響

通過對青蘿卜水分比（MR）的計(jì)算，得到結(jié)果。

不同溫度下青蘿卜水分比變化曲線見圖3。

圖3 不同溫度下青蘿卜水分比變化曲線

從圖3中可以看出，青蘿卜水分比與溫度之間有直接的聯(lián)系。當(dāng)溫度越低時(shí)，水分比下降得越慢，所需的干燥時(shí)間越長；當(dāng)溫度越高時(shí)，水分比下降速率越快，所需時(shí)間越小。

2.3.2 溫度對青蘿卜干燥速率的影響

在不同溫度下4 mm厚度青蘿卜干燥速率變化曲線見圖4。

圖4在不同溫度下4 mm厚度青蘿卜干燥速率變化曲線

由圖4的曲線可以看出，對于同一個(gè)厚度的青蘿卜片，在開始的一段時(shí)間內(nèi)，熱泵干燥溫度越高，青蘿卜片干燥速率越快，干燥速率的變化率也越快。一段時(shí)間后，干燥速率達(dá)到最大值并且趨于變化平緩，進(jìn)入恒速干燥階段。最后，其水分降低到一個(gè)較低的水平，由開始的外部蒸發(fā)到內(nèi)部擴(kuò)散的狀態(tài)，故其總體速率會有很大水平的降低，并且各個(gè)溫度之間的變化差異很小。

在4種溫度條件下，溫度為65℃時(shí)青蘿卜干燥速率最快，隨著溫度的下降，青蘿卜干燥速率也下降；而溫度為44℃時(shí)，青蘿卜的干燥速率最低。根據(jù)國內(nèi)外[1]的調(diào)查，若溫度上升，則會使青蘿卜干制品的淀粉酶因?yàn)闇囟冗^高而被破壞，同時(shí)，熱泵機(jī)器的耗能增加。綜上所述，在44～65℃時(shí)，溫度越高，其干制速率越快。

2.4 青蘿卜熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型

用Matlab軟件進(jìn)行MR數(shù)據(jù)的擬合，得到擬合結(jié)果。

模型及其擬合結(jié)果見表4。

表4 模型及其擬合結(jié)果

由表4可知，Page模型和Modified Page模型兩者的擬合程度相似，每組數(shù)據(jù)擬合后的R2均高于0.990 0，而應(yīng)用Logarithmic模型進(jìn)行擬合，個(gè)別數(shù)據(jù)的R2低于0.990 0。從RMSE值判斷擬合度，Page模型的RMSE值在三者中最小，說明Page模型擬合程度最高。故可知Page模型適應(yīng)于青蘿卜熱泵干燥過程，可看成是青蘿卜干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

2.5 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證Page模型的正確性，故選用一組數(shù)據(jù)試驗(yàn)值與該模型的理論值進(jìn)行比較[12]。選取65℃，10 mm青蘿卜干制品進(jìn)行分析。通過它們之間的差異大小來得出模型是否合適。

Page模型驗(yàn)證曲線見圖5。

圖5 Page模型驗(yàn)證曲線

由圖5分析可知，試驗(yàn)值與擬合曲線的偏差程度極小，基本符合曲線特征。根據(jù)Matlab運(yùn)算得知偏差僅為0.020 58，因此可以用Page模型作為青蘿卜熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型。

2.6 青蘿卜色澤的分析

通過對經(jīng)過不同溫度干燥的不同厚度青蘿卜片的色差測定，確定各處理組的色差值。

各處理組的色差值見表5。

表5 各處理組色差值

從表5可以看出，熱泵干燥的溫度和青蘿卜片的厚度對于青蘿卜顏色的變化程度有一定影響。當(dāng)青蘿卜片厚度為4 mm和6 mm時(shí)，在44～51℃內(nèi)，-a值逐漸增大，顏色越不容易喪失，保存的綠色就越多，護(hù)綠效果越好；當(dāng)溫度超過51℃時(shí)，-a值下降，護(hù)綠效果差。因4 mm與6 mm相對較薄，比表面積大，溫度超過51℃時(shí)，顏色損失較大。當(dāng)青蘿卜片厚度為8 mm與10 mm時(shí)，在44～51℃內(nèi)-a值逐漸增大，護(hù)色效果好；在溫度為51～65℃時(shí)，整體呈先下降后上升的趨勢；溫度趨近65℃時(shí)，由于青蘿卜切片較厚，內(nèi)部水分蒸發(fā)緩慢，顏色保護(hù)佳，故其處于58～65℃時(shí)，護(hù)綠效果佳。同時(shí)可看出，當(dāng)熱泵干燥的溫度為44～58℃時(shí)，青蘿卜片越薄，-a值越大，顏色變化越小，護(hù)綠效果越好。當(dāng)溫度大于58℃時(shí)，8 mm的-a值最大，護(hù)綠效果佳。溫度越高，厚度薄的青蘿卜片綠色易損失，而10 mm試驗(yàn)組由于厚度過厚，干制過程緩慢，變化較小。綜上可知，當(dāng)溫度低于58℃時(shí)青蘿卜片厚度越薄，護(hù)綠效果越好；當(dāng)溫度高于58℃時(shí)，在一定范圍內(nèi)，厚度越大，護(hù)綠效果越好。在65℃時(shí)，8 mm青蘿卜干制品的值為5.37，是所有處理組中最高的。因此，若僅從護(hù)綠效果來看，65℃，8 mm組合護(hù)綠效果為最佳，但是綜合護(hù)綠效果、熱泵干燥特性等諸多方面來看，65℃，4 mm處理組為最佳組合。

3 結(jié)論

由上述試驗(yàn)可以看出，青蘿卜熱泵干燥過程的水分比與干燥溫度、青蘿卜厚度緊密相關(guān)，干燥溫度越高，青蘿卜片越薄，水分比下降越快。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，其干燥的速率總體呈上升的趨勢。隨著其厚度的增加，干燥速率逐漸減慢。根據(jù)整體試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，通過擬合方程得出青蘿卜熱泵干制過程的動(dòng)力學(xué)模型符合Page模型。經(jīng)過檢驗(yàn)，該模型理論值與試驗(yàn)值之間偏差很小，擬合程度高，因此它們之間吻合程度極高。綜合試驗(yàn)結(jié)果，可得到最佳熱泵干燥技術(shù)參數(shù)為干燥溫度65℃，青蘿卜切片厚度4 mm。在護(hù)綠試驗(yàn)中，通過正交試驗(yàn)得出青蘿卜干燥過程的護(hù)綠措施最佳的組合為硫酸銅350 mg/kg，乙酸鋅250 mg/kg，氯化鈣250 mg/kg。