代亞萍 鄧凱波 周偉 李積華 曹玉坡

摘 ?要：本研究利用太陽能輔助熱泵技術(shù)干燥梔子果，采用7種干燥模型對干燥特性實驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸擬合求解，探討在裝載密度、干燥溫度和物料厚度為條件因素下梔子果太陽能-熱泵聯(lián)合干燥過程中水分變化規(guī)律，確定最優(yōu)干燥模型。結(jié)果表明：隨著裝載密度的增加，梔子果干燥時間逐漸增加，干燥速率呈先增后減的趨勢;不同干燥溫度和物料厚度對梔子果干燥速率有顯著性影響。Verma模型較適用于描述梔子果在太陽能-熱泵聯(lián)合干燥過程中的水分變化規(guī)律，模型中R2擬合值最大可達0.9998，誤差平方和（SSE）變化范圍為0.0001～0.0088，方誤差的根（RMSE）為0.0024～0.3161。研究結(jié)果為開發(fā)高效節(jié)能、營養(yǎng)豐富的干燥梔子果提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：梔子果;太陽能-熱泵聯(lián)合干燥;干燥特性;動力學(xué)

Abstract： In this study， a solar assisted heat pump drying technology was used to dry the fruit of Gardenia jasminoides Ellis. Seven kinds of drying models were used to solve the experimental data of drying characteristics to explore the moisture change of fruit of G. jasminoides Ellis during solar assisted heat pump drying under the conditions of loading density， drying temperature and material thickness， and determine coefficients of models by nonlinear regression. With the increase of loading density， the drying time of fruit of G. jasminoides Ellis increased gradually， and the drying rate increased first and then decreased. Different drying temperature and material thickness had significant influence on the drying rate of fruit of G. jasminoides Ellis. Verma Model is suitable for describing the moisture variation of fruit of G. jasminoides Ellis during the solar assisted heat pump drying. The maximum fitting value of R2 in the model could reach 0.9998， lower square sum of error （SSE） value was 0.0001 to 0.0088， and root mean square error （RMSE） value was 0.0024 to 0.3161. The research would provide technical support for the development of high-efficiency， energy-saving and nutrient rich dried the fruit of G. jasminoides Ellis.

Keywords： fruit of Gardenia jasminoides Ellis; solar assisted heat pump drying; drying characteristics; kinetics

梔子（Gardenia jasminoides Ellis.）是茜草科梔子屬常綠灌木，又名山梔子、黃梔子等，為常用中藥，性寒味苦，無毒，主歸心、肺、三焦經(jīng)，具有瀉火除煩、清熱利尿、涼血解毒等功效[1]，我國主要分布于福建、浙江、江西、貴州、臺灣等地[2]。梔子果實中含有的化學(xué)成分具有利膽、抗炎、鎮(zhèn)痛、降壓、抗病毒等藥理作用[3]。梔子黃色素是從梔子果實中提取的黃色素，其主要成分是類胡蘿卜素的α-藏花素和藏花酸，是世界上唯一存在的水溶性類胡蘿卜素，主要用于著色和調(diào)味品，具有著色力強、安全性好、營養(yǎng)價值高、原材料來源廣泛等優(yōu)點[4-5]。梔子種子中提取的梔子油，作為一種良好的營養(yǎng)物質(zhì)，其粘度相對較低、具有較好的氧化穩(wěn)定性，富含有亞油酸，占梔子果實質(zhì)量12%以上[6]。梔子果主要以采摘后直接鮮售或干果銷售，由于梔子果采收時，鮮果水分含量相對較高且采收期相對集中，所以存在產(chǎn)量大、易腐爛、不耐儲藏等問題。因此，梔子果儲藏是梔子果實加工利用中極為重要的環(huán)節(jié)。

目前，干燥處理是延長梔子果儲藏時間和加工周期的最有效方法。梔子果的傳統(tǒng)干燥技術(shù)主要有曬干、烘干、熱風(fēng)干燥和微波干燥等方法，但都具有干燥時間長、能耗大、對色澤和有效成分影響較大等不足[7-9]。太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥（以下簡稱“聯(lián)合干燥”）是一種結(jié)合了太陽能干燥系統(tǒng)和熱泵干燥系統(tǒng)的優(yōu)點，克服各自的不足運用而生的較佳干燥技術(shù)[10]。其干燥裝置，既可以解決太陽能干燥晝夜溫差較大和陰雨天無法供熱等問題，也利用了太陽能作為熱泵的輔助熱源，使干燥裝置更為節(jié)能[11];具有效率高，耗能低，連續(xù)性好等特點，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。因此，通過研究物料在不同太陽能輔助熱泵干燥工藝參數(shù)下梔子果干燥效率及其水分變化規(guī)律，建立可準(zhǔn)確預(yù)測干燥規(guī)律的動力學(xué)模型對該技術(shù)的研究及推廣具有重要的參考作用[13]。

本文探討了聯(lián)合干燥工藝對梔子果干燥特性的影響，利用7種干燥動力學(xué)模型對梔子果干燥曲線進行非線性擬合，其目的是通過比較各個模型中的R2、誤差平方和（SSE）和方誤差的根（RMSE）篩選出最佳動力學(xué)模型，闡明梔子果干燥過程中內(nèi)部水分變化規(guī)律，開發(fā)高效節(jié)能、營養(yǎng)豐富的干燥梔子果，為擴大聯(lián)合干燥技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

材料：供試山梔子（Gardenia jasminoides）果2019年11月采自福建省福鼎市，采收后8 h內(nèi)運至實驗室（福州）。

SFY-6型鹵素快速水分測定儀（深圳冠亞科技有限公司）;YG-KRK-14II（5HP）型太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)（福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)副產(chǎn)品綜合開發(fā)研究所-東莞永淦節(jié)能科技有限公司聯(lián)合研制，見圖1）;HH-6型恒溫水浴鍋（上海江星儀器有限公司）;BSA-224S型電子分析天平（賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司）。

1.2 ?方法

1.2.1 ?工藝流程 ?原料→分揀→清洗→預(yù)處理→瀝干→太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥，干燥至干基含水率小于12%→冷卻→包裝→成品。

主要步驟：挑選大小均勻、無病蟲害、無損傷的成熟梔子果;按直徑大小將梔子果分為12～13、13～14、14～15、15～16?mm四組，用去離子水分別清洗后放入100?℃沸水中護色預(yù)處理10?min，冷卻瀝干，放入太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥室內(nèi)干燥至目標(biāo)干基含水率<12%。將干燥的果子粉碎，經(jīng)60～80目篩子過篩，自封袋密封包裝，置于干燥器中，室溫（25?℃）保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 ?干燥方法 ?分別選取裝載密度、干燥溫度和物料厚度為因素進行實驗。固定干燥溫度為70?℃，物料厚度為13～14?mm，裝載密度為0.5、1.0、1.5、2.0?kg/m3（每單位體積干燥室內(nèi)物料質(zhì)量），研究不同裝載密度對聯(lián)合干燥梔子果的干燥特性影響;固定裝載密度為1.0?kg/m3，物料厚度為13～14?mm，干燥溫度為50、60、70、80?℃，研究不同干燥溫度對聯(lián)合干燥梔子果的干燥特性影響;固定裝載密度為1.0?kg/m3，干燥溫度為70?℃，物料厚度為12～13、13～14、14～15、15～16?mm，研究不同物料厚度對聯(lián)合干燥梔子果的干燥特性影響。將梔子果平鋪在托盤上，置于干燥室內(nèi)干燥至干基含水率為12%以下。干燥過程中，每隔1?h稱量梔子果樣品。

1.2.3 ?初始水分含量測定方法 ?參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》，利用干基含水率方法表示。

1.2.4 ?水分比 ?用于表示一定干燥條件下物料的剩余水分，可以用來反映物料干燥速率的快慢[14]，計算公式如下：

式中：MR為水分比;M0為物料的初始含水量，g/g;Me為物料的平衡含水量，g/g;Mt為物料在t 時刻的含水量，g/g。

1.2.5 ?干燥曲線模型擬合 ?采用表1中7種經(jīng)驗或半經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合。并通過下列公式對各動力學(xué)模型的回歸系數(shù)R2、均方根誤差平方差（RMSE）、和殘差平方和（SSE）進行擬合度評價，R2越接近1、RMSE和SSE越接近0，則擬合度越高，以此選出最優(yōu)干燥動力學(xué)模型。

式中：MRpred.i為利用模型預(yù)測的水分比;MRexp，i為實驗得到的水分比;N為觀測樣本組數(shù);n為模型中參數(shù)個數(shù);R2為回歸系數(shù);MRi為第i個樣品的平均水分比。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

每組實驗重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，用Origin 8.5、Excel 2007、DPS v7.5和Design-Expert 8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?梔子果聯(lián)合干燥特性

2.1.1 ?裝載密度對梔子果聯(lián)合干燥特性的影響 ?不同裝載密度下梔子果的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。裝載密度由0.5到2.0?kg/m3，梔子果干燥10?h時的干基含水率分別20.917%、26.594%、29.722%和37.981%;裝載密度越大，干燥時間越長;這是由于干燥室內(nèi)總水分含量隨著裝載密度的增加而升高[21]。Hosain等[22]研究溫度和裝載密度對小麥的干燥動力學(xué)影響也得出相似結(jié)論。

裝載密度對梔子果干燥速率存在差異性影響，裝載密度為0.5?kg/m3和1.0?kg/m3時，干燥速率隨著裝載密度增加呈上升趨勢（圖2）。這是因為在一定的空間內(nèi)，裝載量增大，物料總含水量越多，物料蒸發(fā)水分的表面積越大，熱能吸收率就越高，干燥速度也就越高。在裝載密度為1.5?kg/m3和2.0?kg/m3條件下，隨著裝載密度的逐漸增加，梔子果的干燥速率逐漸降低，這是由于隨著裝載密度的增加逐漸達到干燥室的最大裝載量，單位時間內(nèi)干燥能除去的水分含量已經(jīng)達到飽和，因此，隨著裝載密度的增加干燥速率逐漸減慢。與Kamruzzaman等[23]的研究結(jié)果相似。

2.1.2 ?干燥溫度對梔子果聯(lián)合干燥特性的影響 ?在相同干燥時間段內(nèi)，不同干燥溫度的干燥曲線斜率變化明顯，說明干燥溫度對梔子果干燥時間影響顯著（P<0.05），干燥溫度從50?℃到80?℃，干燥10?h時的干基含水率分別為76.189%、56.146%、24.619%和11.394%，隨著干燥溫度升高，梔子果的干燥時間逐漸變短（圖3A）。溫度的升高會加快水分蒸發(fā)，從而提高樣品干燥速率[24]。

干燥過程中，梔子果初始干基含水率相同時，干燥溫度越高，干燥速率越大（圖3B）。這是因為溫度為水分由內(nèi)而外擴散速率的主要影響因素之一，隨著干燥溫度的逐漸升高，干燥速率顯著增加[25]。太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥梔子果的干燥過程可分為快速和減速兩個階段，分別由樣品表面的水分蒸發(fā)和樣品內(nèi)部水分向表面擴散等兩種方式主導(dǎo)[26-27]。因此，樣品干燥初期表面水分活度較高，熱風(fēng)作用使水分迅速汽化，干燥速度較快;而隨著樣品表面水分含量的降低，與樣品內(nèi)部形成的水分蒸汽壓促使內(nèi)部水分從物料內(nèi)部往表面移動，導(dǎo)致樣品中殘留的水分逐漸減少，干燥速度也會逐漸減慢。

2.1.3 ?物料厚度對梔子果聯(lián)合干燥特性的影響 ?不同物料厚度條件下梔子果的干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。在相同干燥溫度和裝載密度條件下，厚度在12～16?mm范圍內(nèi)，梔子果干燥完成所需時間隨著厚度的增加而延長（圖4A）。其中，當(dāng)干燥時間為10?h時，梔子果厚度15～16?mm所含干基含水率最高為57.723%;梔子果厚度12～13?mm所含干基含水率最低為15.974%，含量減少了72.33%，說明物料厚度對干燥時間有差異性影響。其主要原因為水分內(nèi)部外遷作為干燥過程的限速步驟，物料厚度增大造成的遷移路徑增長，導(dǎo)致整體干燥時間隨之增加[28]。

而隨著物料厚度的增加，干燥速率也相應(yīng)減慢（圖4B），這是因為增加物料厚度會加大物料內(nèi)部熱質(zhì)傳遞阻力，提高水分?jǐn)U散及熱量擴散的難度，從而降低干燥速率[29]。

2.2 ?梔子果聯(lián)合干燥數(shù)學(xué)模型擬合及驗證

2.2.1 ?模型選擇 ?通過比較表1中的7種模型非線性擬合的評價指標(biāo)來確定最優(yōu)干燥動力學(xué)模型。以裝載密度、干燥溫度和物料厚度為因素進行實驗的各數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果如表2所示。對各模型擬合評價指標(biāo)進行綜合分析可得，Verma模型的擬合最優(yōu)，模型中R2擬合值最大可到達0.9998，誤差平方和（SSE）為0.0001～0.0088，方誤差的根（RMSE）為0.0024～0.3161。對不同裝載密度來說，Verma模型的擬合最優(yōu);但對不同干燥溫度來說，Midilli and Kucuk和Verma模型的相關(guān)系數(shù)R2、RMSE和SSE接近;對不同物料厚度來說，Tian模型、Midilli and Kucuk和Verma模型的相關(guān)系數(shù)R2較相近，而Verma模型非線性擬合的方誤差的根（RMSE）最小。綜上所述，Verma模型的非線性擬合最優(yōu)，能較準(zhǔn)確且全面地描述梔子果的聯(lián)合干燥過程。

2.2.2 ?模型驗證 ?相同干燥條件下實驗值與預(yù)測值水分比線性擬合如圖5所示，通過比較擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2進一步驗證Verma模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，各數(shù)據(jù)點離散程度均較低，在其他兩個干燥參數(shù)恒定條件下，不同裝載密度、干燥溫度和物料厚度擬合趨勢線的R2分別為0.9998、0.9982和0.9999，各趨勢線R2均大于0.99，說明實驗水分比和預(yù)測水分比間無極顯著差異（P>0.01）。由此，Verma模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測梔子果在干燥過程中的水分變化規(guī)律，可用于梔子果聯(lián)合干燥過程。

3 ?討論

梔子果的傳統(tǒng)干燥技術(shù)主要為日曬、烘干、熱風(fēng)干燥和微波干燥等，都具有操作方法簡單、生產(chǎn)成本低廉的優(yōu)點，但普遍存在干燥時間長、能耗大、對色澤和有效成分影響較大等不足[7-9]。熱泵干燥（HPD）是1種常見的干燥方法，具有干燥溫度低、即使在潮濕條件下也易于操作、環(huán)境污染最小等優(yōu)點[30]。然而，使用熱泵干燥所需的電能成本遠高于其他形式的能源[31]。與太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥相比，熱泵干燥可能增加干燥時間達40%，增加干燥效率，導(dǎo)致物料在干燥過程中的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，營養(yǎng)價值損失。太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥是1種結(jié)合了太陽能干燥系統(tǒng)和熱泵干燥系統(tǒng)的優(yōu)點，克服各自的不足運用而生的較佳干燥技術(shù)[10]。其干燥裝置具有效率高、耗能低、連續(xù)性好等特點，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。通過研究物料在不同太陽能輔助熱泵干燥工藝參數(shù)下梔子果的干燥效率及其水分變化規(guī)律，建立可準(zhǔn)確預(yù)測干燥規(guī)律的動力學(xué)模型對該技術(shù)的研究及推廣具有重要的參考作用[13]。本文以太陽能-熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)為手段，研究當(dāng)干燥時間為10?h時，不同裝載密度、干燥溫度和物料厚度條件下梔子果的水分變化規(guī)律，并得出最優(yōu)干燥動力學(xué)模型;本研究發(fā)現(xiàn)梔子果的太陽能-熱泵聯(lián)合干燥在各干燥條件下均為先加速后減速的干燥過程，不同裝載密度、干燥溫度和物料厚度對太陽能-熱泵聯(lián)合干燥后梔子果的水分含量和干燥速率有顯著影響（P<0.05）。當(dāng)裝載密度為0.5、1.0、1.5、2.0?kg/m3時，將其干燥至安全水分含量（干基含水率<12%）所需時間分別為14.5、17.5、22.5、30 h;當(dāng)干燥溫度為50、60、70、80?℃時，所需時間分別為36、23.5、17.2、11.3?h;當(dāng)物料厚度為12～13、13～14、14～15、15～16?mm時，所需時間分別為13.2、17.5、18.2、19?h。提高干燥溫度或降低物料厚度，可縮短梔子果的干燥時間，提高干燥速率;而隨著裝載密度的增加逐漸達到干燥室的最大裝載量，當(dāng)裝載密度為1.0?kg/m3時，單位時間內(nèi)干燥能除去的水分含量逐漸達到飽和，進而隨著裝載密度的增加干燥速率逐漸減慢。通過對干燥特性結(jié)果進行干燥動力學(xué)模型擬合、比較及驗證后發(fā)現(xiàn)，Verma模型擬合度更佳，模型中R2擬合值最大可到達0.9998，誤差平方和（SSE）為0.0001～0.0088，方誤差的根（RMSE）為0.0024～ 0.3161。可以較準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測梔子果干燥過程中水分變化規(guī)律，為太陽能-熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)用于梔子果干燥提供了理論支持。

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責(zé)任編輯：崔麗虹