檳榔預處理及熱風干燥工藝條件優化

婁 正，劉 清,*，郭 晶，師建芳，趙玉強，高學敏

檳榔預處理及熱風干燥工藝條件優化

婁 正1，劉 清1,*，郭 晶2，師建芳1，趙玉強1，高學敏1

（1.農業部規劃設計研究院農產品加工工程研究所，北京 100125；2.沈陽農業大學工程學院，遼寧 沈陽 110866）

為了探索檳榔的優良加工工藝，研究采用不同水煮時間（10、20、30 min）和水煮溫度（80、90、100 ℃）預處理工藝后檳榔的干燥特性和干燥后長徑比變化情況；并研究不同干燥溫度（50、55、60、65 ℃）和裝載質量（16、24、32、40 kg/m2）條件下的干燥特性。結果表明：不同水煮時間對檳榔干燥后水分比的變化影響不顯著；不同水煮溫度對檳榔干燥后水分比的變化影響較顯著。不同水煮時間和水煮溫度條件下檳榔干燥后的長徑比變化差異顯著，長徑比隨著水煮時間的延長而降低，隨著水煮溫度的升高而升高。較優的水煮預處理工藝為：水煮時間10 min、水煮溫度100 ℃。干燥溫度和裝載質量對檳榔干燥的含水率變化有顯著影響，且干燥速率隨著干燥溫度的升高而增大，隨著裝載質量的增加而減少。檳榔的熱風干燥沒有恒速干燥階段，只有降速干燥階段。較優的熱風干燥工藝為：干燥溫度60 ℃、裝載質量24 kg/m2。

熱風；干燥；檳榔；預處理

檳榔，又名賓門、青仔等，是棕櫚科植物檳榔樹的果實[1]。檳榔的果實是僅次于煙草、酒精和咖啡因的世界上第4種被廣泛使用的嗜好品，目前全世界約有六億人食用檳榔[2-3]。咀嚼檳榔是一種傳統習俗，在世界范圍內有著兩千多年的歷史，并延續至今。檳榔在我國同樣深受廣大消費者的喜愛，被譽為“中國的綠箭口香糖”[4-5]。除此之外，檳榔還有著豐富的藥用價值[6-8]，是我國著名的四大南藥之一[9-11]。目前檳榔僅次于天然橡膠是海南省第二大熱帶經濟作物，已成為海南經濟支柱產業之一。因此，探索優良的檳榔加工工藝具有重要意義[12]。

檳榔采摘后除少量鮮食外，絕大多數須經過干燥才能長期存放和加工，干燥是檳榔初級加工中最主要最關鍵的步驟或方式之一，干燥工藝直接決定著檳榔產品的質量。檳榔在干燥前，一般需要進行蒸煮預處理，預處理也是檳榔加工中重要的環節[13-14]。蒸煮可以軟化檳榔，不經蒸煮的檳榔干制后硬度大，不利于加工和咀嚼；蒸煮可以破壞檳榔木質結構，使水分在后續的烘干過程中快速逸出，縮短烘干時間；蒸煮可以達到殺菌滅酶的部分功效[15-16]。因此，為了提高檳榔干制的品質、縮短干制時間，研究優良的檳榔干燥工藝勢在必行。本實驗研究了水煮時間、水煮溫度、干燥溫度和裝載質量對檳榔干燥的影響，研究檳榔的熱風干燥曲線和檳榔干燥前后的長徑比變化，以考察不同的預處理和干燥工藝對檳榔干燥和長徑比的影響，為優化檳榔的熱風干燥工藝提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料

所用原料為新鮮的檳榔，購買自海南省萬寧北緯十八檳榔產銷專業合作社。檳榔平均初始濕基含水率為81.81%（105 ℃烘干法測定）。將新鮮檳榔放于紙箱中并將其置于（5±1）℃的冰箱中保存。

1.2 儀器與設備

SJT-40W熱風烘箱 韓國E-brain干燥設備公司；HDS-D180B-D多功能電熱烘干機 遼寧海帝升機械有限公司；DJ-20002電子天平 福州華志科學儀器有限公司；48897水浴鍋 北京市永光明醫療儀器有限公司；544電熱恒溫鼓風干燥箱 上海錦昱科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料處理

從冰箱中取出保存的檳榔，等待其溫度達到室溫。選取直徑大小相差不大，無腐爛霉變，顆粒飽滿的檳榔作為實驗物料。先將檳榔進行水煮預處理，之后擦干檳榔表面水分涼至室溫。將檳榔擺放在物料托盤上，然后將檳榔采用不同的裝載質量和干燥溫度進行干燥實驗，每隔數小時測定樣品的質量變化。每組實驗重復3次。

1.3.2 不同水煮預處理條件對檳榔干燥和干燥后長徑比的影響

選擇不同的水煮時間10、20、30 min進行實驗，其中水煮溫度為100 ℃；選擇不同的水煮溫度80、90、100 ℃進行實驗，其中水煮時間為10 min。將經過預處理后的檳榔進行干燥，裝載質量為16 kg/m2，干燥溫度為55 ℃。考察檳榔的干燥曲線和檳榔干燥后的長徑比變化。

1.3.3 干燥溫度對檳榔干燥的影響

選擇干燥溫度分別為50、55、60、65 ℃，干燥時裝載質量為16 kg/m2。其中預處理條件為水煮溫度100 ℃、水煮10 min。

1.3.4 裝載質量對檳榔干燥的影響

選擇裝載質量分別為16、24、32、40 kg/m2。為了更加深入地了解裝載質量對檳榔干燥的影響，在不同的干燥溫度55 ℃和60 ℃條件下分別進行了實驗。其中預處理條件為水煮溫度100 ℃、水煮10 min。

1.4 相關參數計算

在檳榔干燥過程中，每隔2 h測定檳榔的質量，通過計算得出檳榔的干基含水率Mt（moisture content in dry base）、干燥水分比（moisture ratio，MR）和干燥速率（drying rate，DR）在不同預處理、裝載質量和干燥溫度條件下隨干燥時間t的變化情況，并繪制出MR-t曲線、DR-Mt曲線。

任意干燥時刻t時的干基含水率Mt采用式（1）計算：

式中：Wt為在任意干燥t時刻的物料質量/g；G為物料的干物質質量/g。

任意干燥時刻t時的干燥水分比MR采用式（2）計算：

式中：M0為檳榔的初始干基含水率/（g/g）；Me為檳榔干燥到平衡時的干基含水率/（g/g）；Mt為檳榔在任意干燥t時刻的干基含水率/（g/g）。

任意干燥時刻t時的干燥速率DR采用式（3）計算：

式中：Mt1為t1時刻的檳榔干基含水率/（g/g）；Mt2為t2時刻的檳榔干基含水率/（g/g）。

由于檳榔的平衡干基含水率Me遠小于M0和Mt，式（3）可以簡化為式（4）：

檳榔干燥之前和之后分別測量檳榔的長度L和直徑D，通過計算得出檳榔的長徑比K，用式（5）表示：

為了消除檳榔原料初始大小不同對檳榔長徑比的影響，分析時使用檳榔的修正長徑比K’，用式（6）計算：

式中：Kt為t時刻的檳榔長徑比；K0為檳榔的初始長徑比。

2 結果與分析

2.1 水煮預處理對檳榔干燥的影響

將新鮮檳榔分別進行10、20、30 min的不同水煮時間預處理。預處理后使用干燥溫度55 ℃、裝載質量16 kg/m2進行干燥。根據干燥實驗結果，繪制不同水煮時間條件下水分比曲線和干燥速率曲線，其中水煮溫度為100 ℃，結果如圖1所示。將新鮮檳榔分別進行80、90、100 ℃的不同水煮溫度預處理。預處理后使用干燥溫度55 ℃、裝載質量16 kg/m2進行干燥。根據干燥實驗結果，繪制不同水煮溫度條件下水分比曲線和干燥速率曲線，其中水煮時間為10min，結果如圖2所示。

圖1 不同水煮時間條件下檳榔干燥曲線Fig.1 Drying curves of betel nuts under different boiling periods

圖2 不同水煮溫度條件下檳榔干燥曲線Fig.2 Drying curves of betel nuts under different boiling temperatures

由圖1a和圖2a可以看出，檳榔的水分比隨著干燥時間的延長而呈現降低的趨勢，其中水煮時間越久含水率降低越快，經過水煮預處理和無處理的檳榔相比干燥曲線差異十分明顯，水煮時間超過10 min之后差異不明顯；水煮溫度越高含水率降低越快，差異十分明顯。婁正等[17]的研究結果也表明熱水處理過的板栗其干燥時間明顯縮短。將檳榔干燥相同的56 h后，水煮溫度為100 ℃時水煮時間分別為10、20、30 min條件下，檳榔的濕基含水率分別降為29.40%、27.58%和26.68%；水煮時間為10 min時水煮溫度分別為80、90、100 ℃條件下，檳榔的濕基含水率分別降為38.07%、32.55%和29.40%。可以看出在相同干燥時間的條件下，水煮時間的延長和水煮溫度的升高可以加快檳榔的水分去除。

由圖1b和圖2b可以看出，檳榔干燥速率隨著干基含水率的降低呈不斷下降趨勢，整個干燥過程沒有恒速干燥階段，始終處于降速干燥階段。干燥速率下降時呈現出波動，這可能是因為檳榔表皮的糊化一定程度上抵消了燙漂對提高干燥速率的促進作用，干燥速率反而降低[18]。在相同干燥時間的條件下，檳榔水煮預處理時間越久，干燥速率越快。經過水煮預處理和無處理的檳榔相比干燥速率曲線差異十分明顯，而水煮時間超過10 min之后差異不明顯，這可能是因為水煮10 min已經基本達到了預處理的效果。在水煮時間相同的條件下，檳榔水煮溫度越高干燥速率降低越快，差異較明顯。干基含水率在1.0 g/g以下時，不同檳榔水煮時間下的干燥速率無明顯差異。可以看出，有無水煮預處理的干燥曲線差異十分明顯，水煮預處理可以明顯加快干燥速率，縮短干燥時間。這可能是因為水煮處理可以軟化木材的纖維結構，魏新莉等[19]的研究發現水煮時間對意楊壓縮后的物理力學性能影響較大。

2.2 水煮預處理對檳榔長徑比的影響

圖3 不同水煮時間條件下檳榔干燥后長徑比曲線Fig.3 Length/diameter ratio curves after drying of betel nuts under different boiling periods

目前檳榔加工商家普遍將檳榔干燥后的長徑比作為檳榔干品質量的衡量標準之一，一般認為長徑比越大越好。將新鮮檳榔分別進行10、20、30 min的不同水煮時間預處理。預處理后使用干燥溫度55 ℃、裝載質量16 kg/m2進行干燥。根據干燥實驗結果，繪制不同水煮時間條件下修正長徑比變化曲線，其中水煮溫度為100 ℃，結果如圖3所示。將新鮮檳榔分別進行80、90、100 ℃的不同水煮溫度預處理。預處理后使用干燥溫度55 ℃、裝載質量16 kg/m2進行干燥。根據干燥實驗結果，繪制不同水煮溫度條件下修正長徑比變化曲線，其中水煮時間為10 min，結果如圖4所示。

圖4 不同水煮溫度條件下檳榔干燥后長徑比曲線Fig.4 Length/diameter ratio curves after drying of betel nut under different boiling temperatures

由圖3和圖4可以看出，檳榔的長徑比隨著干燥時間的延長而呈現升高的趨勢，其中水煮時間越久長徑比升高越慢，差異較明顯；水煮溫度越高長徑比升高越快，差異十分明顯。將檳榔干燥相同的56 h后，水煮溫度為100 ℃時水煮時間分別為10、20、30 min條件下，檳榔的修正長徑比分別為1.66、1.65和1.57；水煮時間為10 min時水煮溫度分別為80、90、100 ℃條件下，檳榔的修正長徑比分別為1.51、1.52和1.66。可以看出在相同干燥時間的條件下，水煮時間的減少和水煮溫度的提高可以增大檳榔干燥后的長徑比，水煮時間越短和水煮溫度越高干燥后的長徑比越大[20]。

表1 不同水煮時間對檳榔干燥后長徑比的影響 （50 ℃）Table 1 Effect of boiling period on length/diameter ratio of betel nuts after drying (50 ℃)

差異源平方和自由度均方F值P值F臨界

表2 不同水煮時間對檳榔干燥后長徑比的方差分析（50 ℃）Table 2 Analysis of variance for length/diameter ratio of betel nuts after drying under different boiling periods (50 ℃)

為了進一步深入了解水煮預處理對檳榔干燥后長徑比的影響，將檳榔在100 ℃的水煮溫度條件下，進行不同水煮時間3、6、9、12 min預處理，并采用50 ℃和55 ℃分別進行干燥。50 ℃和55 ℃干燥后檳榔的長徑比數據及方差分析見表1～4。

表3 不同水煮時間對檳榔干燥后長徑比的影響（55 ℃）Table 3 Effect of boiling period on length/diameter ratio of betel nuts after drying (55 ℃)

表4 不同水煮時間對檳榔干燥后長徑比的方差分析（55 ℃）Table 4 Analysis of variance for length/diameter ratio of betel nuts after drying under different boiling periods (55 ℃)

由表1可知，在50 ℃干燥條件下，經過100 ℃不同水煮時間處理的檳榔，干燥后的平均長徑比隨水煮時間的延長而呈現先增加后減小的趨勢，其中經9 min水煮干燥后的檳榔長徑比最大。如表2實驗結果方差分析顯示，在顯著性水平為0.05的條件下，干燥溫度為50 ℃時水煮時間對檳榔長徑比有顯著的影響，改變水煮時間可以有效改變檳榔長徑比。由表3可知，在55 ℃干燥條件下，經過100 ℃不同水煮時間處理的檳榔，干燥后的平均長徑比隨水煮時間的延長而呈現出逐漸減小的趨勢，其中經3 min水煮干燥后的檳榔長徑比最大。如表4實驗結果方差分析顯示，在顯著性水平為0.05的條件下，干燥溫度為55 ℃時水煮時間對檳榔長徑比沒有顯著的影響。

2.3 干燥溫度對檳榔干燥的影響

將新鮮檳榔分別采用不同的干燥溫度50、55、60、65 ℃進行干燥。水煮預處理工藝為水煮溫度100 ℃、水煮時間10 min。根據干燥實驗結果，繪制不同干燥溫度條件下水分比曲線和干燥速率曲線，如圖5所示，干燥時裝載質量為16 kg/m2。

圖5 不同干燥溫度條件下檳榔干燥曲線Fig.5 Drying curves of betel nuts under different drying temperatures

由圖5a可以看出，檳榔的水分比隨著干燥時間的延長而呈現降低的趨勢，其中干燥溫度越高含水率降低越快，不同溫度間差異十分明顯。將檳榔干燥相同的88 h后，檳榔的濕基含水率分別降為46.72%、17.91%、12.99%和9.63%。可以看出在相同干燥時間的條件下，干燥溫度的升高可以加快檳榔水分的去除，減少干燥時間。干燥溫度為50 ℃條件下檳榔的水分去除極其緩慢，曲線明顯不同于其他條件；60 ℃和65 ℃條件下干燥曲線相差不大。

由圖5b可以看出，檳榔干燥速率隨著干基含水率的降低呈不斷下降趨勢，整個干燥過程沒有出現明顯的恒速干燥階段，始終處于降速干燥階段。這說明內部水分擴散是檳榔干燥的主導因素，這與大多數生物物料的干燥特性相類似[21-22]。這可能是因為檳榔在干燥過程中其水分蒸發的界面隨著干燥過程的進行不斷向內部遷移，水分遷移的距離不斷增加，進而導致干燥速率的逐漸降低[23]。在相同干燥時間條件下，干燥溫度越高，檳榔干燥速率越大，降低越快，不同干燥溫度下的干燥速率差別十分明顯。檳榔干基含水率在1.0 g/g以下時，不同干燥溫度條件下干燥速率差別不大。

2.4 裝載質量對檳榔干燥的影響

將新鮮檳榔分別采用不同的裝載質量16、24、32、40 kg/m2進行干燥。水煮預處理工藝為水煮溫度100 ℃、水煮時間10 min。根據干燥實驗結果，繪制不同裝載質量條件下水分比曲線和干燥速率曲線。其中不同干燥溫度55 ℃和60 ℃的結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同裝載質量條件下檳榔干燥曲線（55℃）Fig.6 Drying curves of betel nuts under different loading weights (55 ℃))

圖7 不同裝載質量條件下檳榔干燥曲線（60℃）Fig.7 Drying curves of betel nuts under different loading weights (60 ℃))

由圖6a和圖7a可以看出，檳榔的水分比隨著干燥時間的延長而呈現降低的趨勢，其中裝載質量越小含水率降低越快，差異較明顯。考慮到50 ℃條件下檳榔的干燥時間過長，試驗選擇55 ℃和60℃分別進行研究。將檳榔干燥相同的76 h后，干燥溫度為55 ℃時裝載質量分別為16、24、32、40 kg/m2條件下，檳榔的濕基含水率分別降為26.87%、36.21%、37.06%和39.94%；干燥溫度為60 ℃時裝載質量分別為16、24、32、40 kg/m2條件下，檳榔的濕基含水率分別降為16.61%、19.12%、21.55%和22.30%。可以看出在相同干燥時間的條件下，裝載質量的增加可以減慢檳榔水分去除，會導致干燥時間的延長。干燥溫度為60 ℃條件下不同裝載厚度的檳榔干燥曲線差異相比55 ℃干燥時更加明顯。

由圖6b和圖7b可以看出，檳榔干燥速率隨著干基含水率的降低呈不斷下降趨勢，整個干燥過程沒有恒速干燥階段，只有降速階段。在相同干燥時間條件下，檳榔裝載質量越小，干燥速率降低越快，差異較明顯，這可能是因為裝載質量大導致熱風穿透能力降低，減弱了水分的遷移動力[24-25]。在干燥溫度相同的條件下，檳榔裝載質量越大干燥速率降低越慢，差異較明顯。干基含水率在1.0 g/g以下時，不同檳榔裝載質量下的干燥速率差別不大。

3 結 論

3.1 水煮預處理是檳榔干燥前的重要步驟。無水煮和有水煮條件對干燥的影響差異顯著，水煮預處理可以有效加快干燥的進程，而水煮時間超過10 min之后差異不顯著；不同水煮溫度對檳榔干燥后含水率 的變化影響顯著，水煮溫度越高干燥速率降低越快。較優的水煮預處理工藝為：水煮時間10 min、水煮溫度100 ℃。

3.2 水煮時間和水煮溫度對檳榔干燥后的長徑比變化影響顯著，且隨著水煮時間的延長而降低，隨著水煮溫度的升高而升高。在干燥溫度較低時水煮時間對檳榔干燥后的長徑比有顯著影響，改變水煮時間可以有效改變檳榔長徑比。

3.3 檳榔的熱風干燥沒有恒速干燥階段，只有降速干燥階段。干燥溫度對檳 榔的干燥有顯著影響，且干燥速率隨著干燥溫度的升高而增大；裝載質量對檳榔干燥的干燥時間有顯著影響，且 干燥速率隨著裝載質量的提高而減小。較優的熱風干燥工藝為：干燥溫度60 ℃、裝載質量24 kg/m2。

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Pretreatment and Hot Air Drying of Betel Nuts

LOU Zheng1, LIU Qing1,*, GUO Jing2, SHI Jian-fang1, ZHAO Yu-qiang1, GAO Xue-min1
(1. Institute of Agro-Products Processing Engineering, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 2. College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

This study explored the effects of different boiling periods (10, 20 and 30 min) and temperatures (80, 90 and 100 ℃) for pretreatment as well as different drying temperatures (50, 55, 60 and 65 ℃) and loading weights (16, 24, 32 and 40 kg/m2) on drying characteristics and length/diameter ratio of betel nuts. The results showed that different boiling periods had no significant effect on water content, but different boiling temperatures had an obvious effect. The length/diameter ratio of betel nuts was significantly changed with different boiling periods and boiling temperatures, revealing a decrease with extended boiling time but an increase with increasing boiling temperature. The optimum pretreatment parameters were cooking for 10 min at 100 ℃. Both drying time and loading weight had remarkable effects on the moisture content of betel nuts. The drying rate of betel nuts became higher at elevated drying temperature, but declined with increasing loading weight. The whole drying process was a falling-rate period. The optimum drying parameters were 60 ℃ and 24 kg/m2for drying temperature and loading weight, respectively.

hot air; drying; betel nut; pretreatment

S375

A

1002-6630（2014）16-0046-06

10.7506/spkx1002-6630-201416009

2013-12-11

農業部規劃設計研究院自選課題（CAAE201305）；公益性行業（農業）科研專項（200903009）

婁正（1984—），男，工程師，博士，研究方向為農產品加工技術和裝備。E-mail：chris.lz@163.com

*通信作者：劉清（1979—），女，高級工程師，博士，研究方向為農產品加工工藝和工程。E-mail：qingliu21@aliyun.com