熱敏性果蔬物料常溫熱泵干燥行為研究

徐建國，徐 剛，李華棟，顧 震，張森旺，張緒坤

（江西省科學院食品工程創新中心，江西南昌330029）

熱敏性果蔬物料常溫熱泵干燥行為研究

徐建國，徐 剛，李華棟，顧 震，張森旺，張緒坤*

（江西省科學院食品工程創新中心，江西南昌330029）

利用常溫熱泵干燥裝置對熱敏性果蔬物料進行了干燥實驗。對生物物料在熱泵干燥過程中的干燥行為進行了研究，探索了熱泵干燥產品質量變化特征，考察了該類物料的收縮特性、顏色以及熱敏性和易氧化組分的變化趨勢，探討了酶促褐變在熱泵干燥過程中對產品質量的影響。結果表明：體積收縮與干基含水量間存在線性關系，物料顏色變化主要發生在熱泵干燥中期，熱敏性和易氧化組分呈降解趨勢，并且較長的熱泵干燥時間致使其內的生物酶長時間保持較高的生物活力。

熱泵干燥，干燥行為，收縮

熱泵干燥作為一種能效顯著的干燥方式正逐漸被應用到多種干燥領域，特別是木材和食品的固體干燥領域［1-3］。干燥前期能效高、產品質量好是單一熱泵干燥技術的優勢，而其劣勢主要是因干燥后期效率下降致使總干燥時間過長。為縮短干燥時間，研究人員在提高熱泵性能以及干燥器設計方面做了大量工作［4-5］。但對于物料在熱泵干燥過程中發生的干燥行為，如結殼、收縮、褐變等，以及這些行為的引發機制報道較少。實際上，熱敏性天然果蔬物料內部具有各向異性、多孔的細胞結構，其干燥過程常伴有物理、化學以及生物變化，如玻璃態轉變、蛋白質變性以及Maillard反應等。這些復雜干燥行為不僅影響到干燥效率和干燥質量，而且會掩蓋物料內部真實的濕、熱傳遞過程［6-7］。因此，開展熱敏性物料在熱泵干燥過程中干燥行為的研究，對深入認識該過程中質熱傳遞過程、產品質量控制以及新型熱泵干燥裝置的開發有重要意義。本文利用江西省科學院食品工程創新中心建立的常溫熱泵穿流干燥裝置，研究了高糖深色物料（南瓜）以及高水分淺色物料（白蘿卜）在熱泵干燥過程中的干燥行為，重點考察了物料收縮現象、顏色變化以及關鍵組分的降解趨勢等，探討了酶促褐變在熱泵干燥過程中對產品質量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

當地產南瓜、白蘿卜 市購；3，5-二硝基水楊酸化學純，上海遠帆助劑廠；鄰苯二酚 化學純，國藥集團化學試劑有限公司；檸檬酸 化學純，上海中博化工有限公司；磷酸二氫鈉 化學純，上海鄭華化工工廠；葡萄糖 化學純，汕頭市西隴化工廠有限公司；其它試劑 均為分析純。

常溫熱泵穿流干燥裝置 如圖1，江西省科學院食品工程創新中心；電子分析天平 FA2004型，上海良平儀器儀表有限公司；烘箱 山東濰坊醫藥集團有限公司醫療器械廠；多用切菜機 YQC-QJ660型，山東章丘市炊具機械總廠；紫外可見分光光度計 752型，上海菁華科技儀器有限公司；比較測色儀 WSL-2型，上海昕瑞儀表有限公司；高速組織搗碎機 DS-1型，上海標本模型廠。

圖1 熱泵干燥裝置示意圖

1.2 干燥方法

將南瓜、白蘿卜精選，清洗后，用切菜機切成厚3mm左右的物料片，并平鋪于熱泵穿流干燥箱內的托盤（托盤底為篩網結構）上。設定熱泵干燥條件（溫度分別為 30、40℃；穿流風速分別為 1、2m·s-1），進行薄層干燥，并每隔一定時間進行相關指標的測定。

1.3 分析方法

1.3.1 體積收縮測定方法［8］采用阿基米德法（浸水法）對南瓜塊（1～2cm3）進行體積測量。體積變化率定義為

1.3.2 還原性糖含量測定［9］采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）可見光比色法。

將一定質量的物料和提取劑（水）在組織搗碎機中搗碎，離心，取上層清液。并取定量上清液與適量DNS在沸水中充分反應 15min，冷卻，定容。在470nm的波長下測定吸光值，根據葡萄糖標準曲線可算出1g干料所含的還原糖含量。

其中：y-還原糖含量，mg·g-1；xp-南瓜濕基水分含量，%；mp-樣品質量，g；np-提取劑（水）質量，g；c-標準葡萄糖含量，mg·mL-1；k-體積換算系數。

1.3.3 維生素C含量測定［10］采用改進的紫外分光光度法。

關鍵步驟：a.維生素C標準曲線的繪制。b.樣品溶液的制取。c.測定樣品溶液吸光度A1。d.測得用雙氧水消除其它還原性物質干擾后的吸光度A2。e.利用差值（A1-A2）和VC標準曲線計算總還原性VC含量。

樣品液制取以及樣品干基VC含量計算方法參考本文1.3.2步驟。

1.3.4 物料總顏色變化測量 采用比較測色法（Lab法）［11］。

利用比色儀測定樣品的L值（白度/灰度）、a值（紅度/綠度）及b值（黃度/藍度），可以獲得樣品總顏色變化值（△E）。總顏色變化值越大，說明物料偏離初始顏色越大，顏色改變越大。其計算公式如下：

其中：L-灰度值；a-紅度值；b-黃度值；下標0表示初始值。

1.3.5 多酚氧化酶活力測定［12］采用樣品清液催化鄰苯二酚溶液顯色法。

取定量樣品m g，加入n g pH6的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液，用組織搗碎機打漿，離心取清液。取1g左右清液加入到25mL、0.1mol/L的鄰苯二酚溶液中，在30℃下反應5min，在可見光波長為410nm處測吸光度A。其活力值可表示如下：

其中：mr，mrE-分別為樣品質量、酶液質量，g；xr-濕基水分含量，%；nr-提取劑（水）質量，g。

2 結果與討論

2.1 物料熱泵干燥過程特征

采用常溫熱泵穿流干燥器對熱敏性高糖類物料南瓜、高水分物料白蘿卜（含水率95%左右）進行了干制，考察了其熱泵干燥溫度分別為30、40℃，穿流風速分別為1、2m·s-1時的干燥曲線。

由圖2、圖3可以看出，兩類固體物料的干燥曲線呈現出如下特點：隨著干燥溫度、穿流風速的增加，達到最終含濕量的干燥時間縮短。這是因為熱泵干燥實質是用絕對濕度降低干燥介質（空氣）與物料表面接觸而進行濕熱傳遞的過程。干燥溫度升高一方面可以加速物料表層水分蒸發，增大物料內部與表層的水分傳遞推動力；另一方面可以降低干燥介質的相對濕度，進而加大物料表面水氣向干燥介質的擴散動力，因而縮短了干燥時間。而穿流風速增大可以降低物料表面的水蒸汽分壓，加速表面水分傳遞。

圖2 白蘿卜片熱泵干燥曲線

但兩類物料片的總熱泵干燥時間較長（大于5.5h），這將導致該過程消耗較多的高品質電能。這是因為常溫熱泵干燥條件溫和，雖可以減小因物料表面結殼而不利于質、熱傳遞的影響，但在該干燥環境中沒有其它能量強化傳遞方式（如微波、遠紅外等）和高溫條件，具有多細胞結構的生物物料僅依靠常溫對流傳熱、熱傳導以及濕分擴散的方式進行濕熱傳遞。

2.2 物料收縮現象研究

在常規干燥過程中，生物物料常因干燥應力作用發生收縮，這一現象一方面可以改變干品外形，更重要的是它改變了質、熱傳遞面積，影響到了決定干燥過程的重要參數-有效傳遞系數［13］。本節采用阿基米德法對南瓜塊在干燥過程中的體積變化進行追蹤測量，考察了南瓜塊（2.3cm3）在熱泵干燥（溫度30℃、穿流風速為1m·s-1）過程中的體積收縮特征。從圖4中可以看出，南瓜塊的體積收縮現象一直存在于整個常溫熱泵干燥過程中。特別是干燥初期，體積收縮速率較大，這可能與初期失水速率較快有關。隨著物料濕基含水量的降低，其體積收縮速率變小。特別是干燥后期，體積收縮緩慢。整個干燥過程其體積與濕基含水量表現出正相關性，體積變化率與之呈非線性變化。

圖4 南瓜塊熱泵干燥體積變化曲線

而圖5則呈現如下規律：常溫熱泵干燥（HPD）以及高溫（70℃）熱風干燥（HAD）過程中，南瓜塊體積收縮與干基含水量均呈線性相關性；干燥方式以及初始含水量決定其收縮過程。熱泵干燥過程中南瓜塊體積變化與干基含水量間存在的線性關系可以為基于物料收縮的質、熱傳遞過程模擬提供依據。

圖5 南瓜塊兩種干燥方式收縮現象比較

2.3 熱泵干燥過程中物料的質量變化

熱敏性果蔬物料的干燥過程應在滿足提高干燥效率和降低干燥能耗的同時，更重要的是應該保證物料的干燥質量和品質。本節就南瓜片和白蘿卜片在常溫熱泵干燥過程中關鍵組分的降解趨勢、顏色變化與誘因進行了探討。

圖6、圖7是利用比較測色法，追蹤深色物料南瓜、淺色物料白蘿卜在常溫熱干燥和熱風（70℃）干燥過程獲得的總顏色變化曲線。對于兩種物料，常溫熱泵干燥與高溫熱風干燥都會引起其產品外觀的總顏色改變。高溫熱風干燥過程使得兩類物料的總顏色變化一直處于增大狀態，特別是在高溫熱風干燥后期，總顏色改變有進一步增大趨勢，最終影響了產品外觀。而隨著常溫熱泵干燥過程的進行，深色南瓜片總顏色變化平緩，干燥中后期總顏色變化趨于平穩；淺色白蘿卜片總顏色改變主要發生在干燥過程中期，干燥后期對物料外觀顏色影響較小，產品總顏色變化趨于穩定。

圖6 南瓜片總顏色變化曲線比較

圖7 白蘿卜片總顏色變化曲線比較

可見，較之熱風干燥，熱泵干燥果蔬物料的外觀顏色改變較小。控制物料在熱泵干燥中期的顏色變化，可以保證產品有更好的外觀。

對于熱敏性果蔬物料在干燥過程中出現的顏色變化，研究者一般認為是由酶促褐變和非酶促褐變引起。在熱泵干燥過程中，白蘿卜中的關鍵組分維生素C和南瓜中的關鍵組分還原性糖含量均呈現下降趨勢（圖8、圖9），并且兩者的最終保持率較高。較之熱風干燥使得白蘿卜片的多酚氧化酶活力迅速下降，常溫熱泵干燥至 450min（水分含量約為16.5%）時，其活力仍有很高的保持率 74.1%（圖10）。這就使得由生物酶引起的顏色反應一直存在于熱泵干燥過程中。同時，由于常溫熱泵干燥溫度較低，因非酶褐變，如維生素C氧化變黃、還原性糖發生的Maillard反應等，引起的顏色反應速率較慢，進而有利于產品顏色的保持。而熱風干燥由于溫度較高，維生素C和還原性糖引起的顏色反應速率加大，使得非酶褐變成為該干燥方式產品總顏色發生變化的主要原因。

圖8 熱泵干燥白蘿卜片維生素C含量變化

圖9 熱泵干燥南瓜片還原性糖含量變化

圖10 白蘿卜片多酚氧化酶（PPO）活力變化

3 結論

本文針對熱敏性果蔬物料南瓜和白蘿卜在常溫熱泵干燥過程中發生的干燥行為進行了研究。主要結論如下：

3.1 溫和的干燥條件使得該類物料具有較長的干燥時間（大于5.5h），并致使其內的生物酶長時間保持較高的生物活力。當熱泵干燥至水分含量（w.b）約為16.5%時，多酚氧化酶活力具有74.1%的保持率。這可能為生物酶等產品的脫水提供一種干燥途徑。

3.2 物料總顏色變化主要發生在熱泵干燥中期，由非酶褐變引起的顏色反應占次要因素。控制物料在熱泵干燥中期的顏色變化，可以保證產品有更好的外觀。

3.3 關鍵組分（維生素C和還原性糖）在熱泵干燥過程呈降解趨勢，但最終含量較高。

3.4 收縮現象同樣發生在熱泵干燥過程中，干燥初期物料收縮速率較大，并且體積收縮與干基含水量間存在線性關系。

本文的研究可以為熱泵干燥技術在高含水果蔬物料的工業應用、干燥質量控制以及開發基于熱泵干燥技術的組合式干燥方式提供參考。

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Study on drying behavior of fruits and vegetables during heat pump drying

XU Jian-guo，XU Gang，LI Hua-dong，GU Zhen，ZHANG Sen-wang，ZHANG Xu-kun*
（Food Engineering Innovation Center，Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang 330029，China）

Drying behaviors of fruits and vegetables，such as shrinkage，total color changes and degradation of key components during heat pump drying were studied.The results showed volume changed linearly with moisture conten（td.b）.The changes of total color took place mainly in the mid stage of the drying process，which may be caused by enzymatic browning because of a high activity of polyphenol oxidase until the moisture conten（tw.b）was 16.5%.The final contents of the key components（vitamin C and reducing sugar）kept higher although they showed a declining degradation trend during the process.These results may be capable of improving the quality of products and R&D of drying technology based on the heat pump drying.

heat pump drying；drying behaviour；shrinkage

TS255.3

A

1002-0306（2010）12-0149-04

2009-12-09 *通訊聯系人

徐建國（1979-），男，碩士，助理研究員，從事干燥技術與設備的研究。