熱泵-熱風分段式聯合干燥胡蘿卜片研究

徐建國，徐 剛，張森旺，顧 震，張緒坤，李華棟，*（.江西省科學院食品工程創新中心，江西南昌330096；.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌330063）

熱泵-熱風分段式聯合干燥胡蘿卜片研究

徐建國1，徐 剛1，張森旺1，顧 震1，張緒坤2，李華棟1，*
（1.江西省科學院食品工程創新中心，江西南昌330096；2.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌330063）

為解決常溫熱泵干燥易造成果蔬生物污染以及干燥后期效率下降導致干燥時間增加的問題，采用了先低溫熱泵干燥、后短時熱風干燥的分段式聯合干燥技術對胡蘿卜片進行了中試干燥實驗。采用單因素實驗分析了由熱泵干燥轉入熱風干燥時切換點對干燥過程和產品質量的影響，獲得了較佳的分段干燥工藝。研究發現，物料自由水分的脫除方式能夠影響干燥效率和產品質量；該分段干燥可以使單一熱泵干燥時間（10.5h）縮短28.6%；其產品色澤優于熱泵干燥產品；β-胡蘿卜素含量非常接近熱泵干燥產品，比熱風干燥產品高59%。先低溫熱泵干燥、后短時熱風干燥的分段式聯合干燥技術在大幅度縮短干燥時間的同時，獲得了高質量的干燥產品，該技術可以應用到熱敏性果蔬脫水生產中。

分段干燥，聯合干燥，熱泵干燥，自由水分

果蔬干燥是加工和貯藏的重要手段，可以降低水分活度，抑制微生物的活性，保持營養成分[1-2]。熱風干燥（HAD）因干燥溫度高，產品質量較差[3]。冷凍干燥、真空干燥產品質量好，但因操作費用高、干燥時間長等缺陷，只適用于高附價值物料的脫水，不適于大宗果蔬。能效顯著的熱泵干燥（HPD）產品質量高、品質好[4-5]，其缺點是干燥時間太長，易使微生物大量繁殖、細菌總數超標。近年興起的聯合干燥因優勢互補，避免了單一干燥方式的缺點，正逐漸被國內外學者、企業界廣泛關注[6-7]。

果蔬中的水分通常以自由水、結合水和半結合水形式存在[8]。自由水與水分活度相關，這部分水可以被微生物利用，并為有效成分的降解提供水溶液環境[9]。因此，有效營養成分的熱穩定性與這類水含量有關，防止物料局部高溫與高水分同時出現，可以提高有效營養成分在干燥過程中保持率。針對果蔬物料的這一特點，江西省科學院食品工程創新中心提出了熱泵－熱風分段式聯合干燥（HP-HAD）技術[10]：在高水分含量的干燥初期，采用低溫熱泵干燥，脫除部分自由水分。當水分降到一定程度，切換為熱風干燥，提高干燥溫度，使干燥速率提高，縮短干燥時間。高溫熱風干燥還可以使微生物失活，減少生物污染。但是，不適宜的切換點很難發揮聯合干燥的優勢。

本文的研究目的就是通過開展胡蘿卜片中試干燥實驗，重點考察不同切換點時物料自由水含量對該干燥過程特征以及產品質量的影響，評價這種分段式、聯合干燥中試生產過程，并確定較優干燥工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗原料 新鮮胡蘿卜購于當地農貿市場，并貯藏于4℃冰箱中。每次實驗前，將胡蘿卜清洗并切成3mm左右的薄片，裝入中試干燥箱中。胡蘿卜初始水分測定采用105℃烘箱法獲得[11]，含水率為91.7%。

WSB-005型溫濕度變送器 武漢市儀器儀表研究所；KA22型風速儀 沈陽加野科學儀器有限公司；WRNK-191型K式熱電偶 北京天航大業自動化儀表；MiniMR-60核磁共振成像設備 上海紐邁科技有限公司；DS-1型高速組織打漿機 上海標本模型廠；752型紫外分光光度計 上海菁華科技儀器公司；WSC-2型Lovibond色差儀 上海昕瑞儀器；WT10002電子天平 常州諾基儀器有限公司；自主開發的熱泵-熱風聯合干燥裝置 如圖1所示，主要包括四部分：熱泵系統、穿流干燥箱、電加熱裝置以及風機。這四部分通過風管連接。熱泵系統壓縮機功率為5P，采用R22作為制冷劑。風機功率5.5kW，采用變頻器控制。穿流式干燥箱尺寸為1.2m×1.2m×0.4m，可裝18kg胡蘿卜片。通過開關風閥可以實現常溫（30～40℃）熱泵干燥、熱風（60～70℃）干燥以及分段式聯合干燥。

圖1 分段式熱泵－熱風聯合干燥裝置示意圖Fig.1 Experimental setup of the combined cross-flow pilot dryer

1.2 干燥實驗

胡蘿卜片分別用熱泵干燥、熱風干燥以及先熱泵、后熱風分段式聯合干燥進行脫水實驗。

熱泵干燥時，胡蘿卜片分別在低溫30、40℃，風速為1.5、2、2.5m/s的條件下進行干燥實驗。熱泵干燥系統的性能利用脫水率MER（kg H2O/h）和單位能耗除濕量SMER（kg H2O/kW·h）進行評測。MER反應了干燥系統的生產能力，而SMER反應了干燥過程中的能源效率。二者按式（1）、式（2）進行計算[12]：

MER=m×（wf-wi） 式（1）

SMER=MER/Wt式（2）

式中，m—胡蘿卜質量，kg；wi—干燥前含水率，kg/kg；wf—干燥后含水率；Wt—能耗，kW。

熱風干燥溫度越高對果蔬質量破壞越大。依據電加熱設備工作情況，本實驗熱風干燥條件選為風溫70℃，風速1.5m/s。

采用單因素實驗考察了切換點對熱泵－熱風聯合干燥過程和干燥質量的影響。聯合干燥時，第一階段采用40℃熱泵干燥。當物料含濕量分別降至70%、40%時，開啟風閥a、b、c，關閉d，采用70℃熱風干燥至安全水分（10%w.b.）。熱風升溫速率為0.5℃/min。干燥過程中，每隔30min用天平稱重物料，并記錄干燥室內A處的溫度、相對濕度以及風速。物料溫度采用K式熱電偶獲得。熱電偶信號基于NI Compact DAQ9174機箱、Model NI9250采集卡和LabVIEW software（V8.9.5）收集數據。

1.3 核磁共振實驗

核磁共振技術作為一項非破壞性技術可以用于估測物料內部水的分布和流動性[13]。核磁共振信號強度直接與物料真實水分相關[14]。橫向馳豫時間（T2）可以反應不同狀態水分的分布和流動性[15-16]。本實驗采用CPMG序列獲得物料干燥過程中的T2。利用反演軟件（V1.1）獲得T2分布。

1.4 干燥指標

1.4.1 β胡蘿卜素含量 胡蘿卜清洗，剝皮后，取胡蘿卜皮質部分切成直徑為11mm、厚4mm的樣品，按1.2部分的干燥條件進行干燥。采用改良的紫外分光光度法測定β胡蘿卜素含量[17]。取5～8g樣品在高速組織打漿機中打漿，將漿液置入燒瓶中，并加入40mL乙醇、40mL 2mol/L的NaOH溶液，在70℃水浴中皂化30min。離心，取上清液。用5mL異丙醚多次提取上清液至無色，收集提取液用異丙醚定容至100mL。利用紫外分光光度計在450nm波長下測定吸光度值，通過與β胡蘿卜素標準曲線比對，獲得樣品β胡蘿卜素含量。相同實驗重復3次。

β胡蘿卜素保持率按下式計算：

C=Cf/Ci式（3）

式中，Ci—胡蘿卜干燥前β胡蘿卜素含量，mg/100g干；Cf—胡蘿卜干燥后β胡蘿卜素含量，mg/100g干。

1.4.2 顏色 取胡蘿卜皮質部分制樣。用Lovibond色差儀分別測量新鮮樣和干燥樣的紅值R、黃值Y、藍值B和灰度N值。每個樣品重復3次。

1.4.3 復水率 采用25℃水中浸泡1h的方法獲得干燥產品的復水率[2]。樣品在浸泡前后分別用天平稱重。復水率按下式計算：

R=mr/mi式（4）

式中，mi—樣品復水前質量，kg；mr—樣品復水后質量，kg。

實驗重復3次，取平均值。

1.4.4 數據處理 實驗數據利用SAS（v.9.1）進行方差分析。不同干燥方法間的指標均值進行Duncan多范圍檢驗，當p≤0.05時，均值被視為顯著差異。

2 結果與討論

2.1 物料水分在干燥過程中的狀態變化

圖2是利用CPMG序列獲得胡蘿卜片在HPD干燥過程中內部水分的T2分布。可以發現，該圖譜存在3個不同的峰，即在100～1000ms之間、流動性最強的T22，在10～100ms之間、流動性較強的T21，以及在1～ 10ms之間、流動性最差的T20。這些水分分別對應著物料的自由水、半結合水以及結合水。這三種狀態的水分分別占新鮮胡蘿卜總水分的94.79%、3.67%以及1.54%。其中，自由水分含量最大。干燥過程中，T22峰面積相對于T21、T20迅速減少，這說明干燥過程中，各種水分同時失去，但自由水失去速度最快。當干燥至28.9%～37.6%濕分段時，自由水近似消失。干燥至安全水分時，T22峰消失，T20峰依然存在。這說明HPD干燥過程主要除去物料的自由水分，不能完全除去結合水。

圖2 HPD干燥過程中胡蘿卜內部水分T2分布Fig.2 Distribution of relaxation times during HPD

圖3（a）是濕基含水率在90.5%～92%之間的新鮮胡蘿卜片在深床（40mm）熱泵干燥過程的特征曲線。可以看出，所有的熱泵干燥過程呈現相近似的干燥動力學特征，并且干燥時間較長。穿流干燥風速和溫度可以顯著影響干燥時間。隨著干燥風速和干燥溫度的升高，干燥曲線變陡，可以較快除去物料水分，縮短干燥時間。

從圖3（b）上可以看出，在干燥初始，SMER值較高（大于1kg/kW·h），隨著干燥的進行，其值迅速下降。這是因為，物料在干燥開始時富含自由水分，在其表面發生的濕分蒸發速率很快。隨后干燥速率受物料內部傳質速率控制。除去相同數量的水分，需要更多的能量，致使SMER下降。

另外，相同風速下、40℃干燥條件的SMER值高于30℃干燥條件下的SMER值。適當的增加風速可以提高SMER。但是在40℃、最大風速2.5m/s時，最大的SMER值僅出現在開始階段；此后，其值一直低于40℃、2m/s干燥條件。相同規律同樣出現在30℃干燥條件下。這是因為升高溫度可以加速物料內部水分傳遞和蒸發，高風速下可以加快干燥空氣和物料間的熱量、水分傳遞。但當物料干燥速度受內部水分傳遞控制時，高風速只能會增加干燥系統風機能耗，降低過程SMER。因此，干燥溫度40℃、風速2m/s時，熱泵系統可以獲得較好的除濕效率。在這一條件下，干燥18kg胡蘿卜片需要630min，干燥時間依然較長。

圖3 不同干燥狀態下HPD干燥曲線與性能曲線Fig.3 Drying curves（a）and SMER（b）of HPD at different drying conditions

2.2 分段式熱泵－熱風聯合干燥過程特征

從圖4（a）可以看出，分段式熱泵－熱風聯合干燥過程具有熱泵干燥和熱風干燥的特征。當熱泵干燥至物料含水70%w.b.時（HP-HAD II），切換為70℃熱風干燥至終點，所需總干燥時間約為300min；而熱泵干燥至40%w.b.時（HP-HAD I），切換熱風干燥，所需總時間為450min。但二個聯合干燥過程相比單一熱泵干燥630min，干燥時間分別縮短52.4%、28.6%。這說明分段式熱泵－熱風聯合干燥是一個快速干燥過程，可以大幅度縮短熱泵干燥時間。第二階段熱風干燥過程越早，所需干燥時間越短。

在圖4（b）的熱風干燥過程中出現了一個近似恒速干燥階段，而降速干燥過程一直存在于熱泵干燥過程中。盡管許多像胡蘿卜一樣的食品在干燥過程中會出現一個恒速干燥過程，但這一過程卻沒有在熱泵干燥過程中出現。可能是因為穿流干燥箱提供了一個快速干燥環境，或者是熱泵此時具有較高的除濕效率。

在聯合干燥過程中，當干燥速率下降、物料處于低濕狀態時，第二階段的70℃熱風干燥可以快速升高物料溫度（圖5）。高溫可提高物料內部水分擴散速率，使得HP-HAD II的干燥速率從1.7kg/（kg·h）提高到2.2kg/（kg·h），使HP-HAD I的干燥速率從0.2kg/（kg·h）提高到0.7kg/（kg·h）（圖4），最終縮短了干燥時間。

圖4 不同干燥方式干燥曲線和干燥速率曲線比較Fig.4 Drying curves（a）and drying rates（b）of different drying methods at 1.25m/s air velocity

2.3 不同干燥方式產品質量比較

表1說明不同干燥方法對胡蘿卜片Y、R和N值有顯著影響。相比熱風干燥，聯合干燥過程I的產品有更高的Y，R值。同時，從表2中發現，聯合干燥產品β胡蘿卜素含量高于熱風干燥產品。這說明黃值Y和紅值R與類胡蘿卜素含量呈正相關[18]。但這一規律不符合熱泵干燥產品。雖然熱泵干燥產品具有較高的β胡蘿卜素含量，但其R值最小。通過肉眼觀察發現，熱泵干燥產品呈現暗紅色，亮度差。造成這一現象的原因可能是在深床干燥過程中，熱泵產品長期處于低溫環境，造成了微生物污染。

圖5 不同干燥條件下胡蘿卜內部溫度變化Fig.5 Centre temperature profiles of carrot slice undergoing different drying methods

在表2中，HPD產品表現出較高的復水率，而HAD產品復水性最差。雖然HPD過程中物料收縮現象依然存在，但溫和、低溫干燥可能使物料表面形成多孔結構，有利用產品復水。熱風干燥過程中，高溫會使多糖物質融化、淀粉凝膠化，當物料溫度降低時，會造成胡蘿卜表面和內部組織硬化，不利于產品復水。因此，HP-HAD II因第二階段熱風干燥時間較長，雖具有較高的MER，提高了生產能力，但復水率下降。

表1 不同干燥方式對胡蘿卜片產品色澤的影響Table 1 Effect of different drying methods on color of carrot slices

表2 不同干燥方式對干燥指標的影響Table 2 Effect of different drying methods on drying indices

從圖6中可以看出，熱泵、熱風干燥前期，β胡蘿卜素含量迅速下降；干燥中后期，β胡蘿卜素降解曲線平緩。這是因為在干燥初期，自由水被緩慢除去，物料內的有效成分（β胡蘿卜素等）濃度增加，這使相關化學降解反應速率增加。高溫熱風可使物料溫度迅速升高至40℃以上（圖5），增加了β胡蘿卜素的化學降解速度。同時，在這一溫度下，脂肪氧化酶、過氧化氫酶引起的有氧催化生物反應會加速β胡蘿卜素降解[19]。熱泵干燥過程中，物料平均溫度長期低于40℃。低溫降低了β胡蘿卜素化學降解速率和由類胡蘿卜素裂解酶引起的生物降解反應速率[20]。因此，HPD產品的最終保持率高達0.83。

圖2中某一時刻三種不同形態的水分含量可以根據各峰面積與此時物料含水率的比例關系，通過計算獲得（省略具體計算過程）。對于聯合干燥過程，HP-HAD I切換點在40%w.b時，第一階段低溫HPD除去了95.4%的自由水分，過程SMER為0.47kg H2O/kW·h；HP-HAD II切換點在70%w.b.時，第一階段的HPD過程除去了75.36%的自由水分，過程SMER為0.49kg H2O/kW·h。二者SMER均高于單一HPD的0.37kg H2O/kW·h。可見，自由水的脫除方式可以影響過程能耗。HP-HAD I、HP-HAD II產品β胡蘿卜素保持率分別在0.75～0.81、0.64～0.72范圍內，均高于HAD產品。這說明切換點的位置可以影響到自由水的脫除方式，進而影響產品質量。

圖6 不同干燥過程中β胡蘿卜素降解曲線Fig.6 Degradation kinetics of β-carotene Retention undergoing different drying methods

隨著干燥的進行，物料自由水含量下降到一定程度，不能繼續為有效成分的化學降解提供溶劑環境。同時，低水分限制了微生物的生長，增加了反應物所在環境的粘度，在空間結構上限制了酶的活性[21]，降低了生化降解速率。這時有效成分可以承受一定的反應溫度。采用逐步升溫的熱風干燥除去最后的自由水分以及半結合水，不僅可以顯著縮短干燥時間、提高效率，而且可以使產品高溫殺菌，減少微生物污染。這也正是HP-HAD I可以生產出復水率、β胡蘿卜素保持率與HPD產品相近（p＞0.05），但其Y、R值卻高于HPD，產品色澤好的原因。基于電能耗，盡管3種干燥方法的能耗沒有明顯差別，但相比熱泵干燥，聯合干燥過程可以節省6.5%～20.4%電能消耗。

3 結論

3.1 胡蘿卜內部水分按弛豫時間的不同以自由水、半結合水以及結合水三種形態存在；自由水占絕大多數，為94.79%。

3.2 物料處于熱泵干燥降速干燥段時，風速過大會增加輔助設備（風機）的能耗，使得過程SMER下降。干燥溫度40℃、風速2m/s時，熱泵性能最好。

3.3 切換點單因素實驗表明，相比10.5h的HPD過程，切換點在高水分區（70%）、低水分區（40%）時，分階段式熱泵－熱風聯合干燥時間分別縮短52.4%、28.6%，MER分別提高110.2%、39.7%。

3.4 自由水的除去方式可以影響產品質量、干燥時間和能耗。低溫HPD除去的自由水越多，產品質量越好，但SMER越小。第一階段采用40℃熱泵干燥將胡蘿卜片干至含水率40%w.b.，除去95.4%的自由水后，第二階段采用逐步升溫的70℃熱風干燥至安全水分，這一聯合干燥過程可以生產出產品色澤優于HPD、復水率和胡蘿卜素含量接近于HPD的產品。相比HAD產品，產品復水率和β胡蘿卜素含量分別高出59%、52%。該過程為較優聯合干燥過程。

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Heat pump and hot air combined drying of carrot slices

XU Jian-guo1，XU Gang1，ZHANG Sen-wang1，GU Zhen1，ZHANG Xu-kun2，LI Hua-dong1，*
（1.Food Engineering Innovation Center of Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang 330096，China；2.Key laboratory of Non-destructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

An innovative two-stage drying concept was presented in this article.Drying of carrot slices using a combined drying in a pilot deep bed dryer was considered，the first stage heat pump drying at low temperature and the second stage hot-air drying in short time.In addition，sterilization could be achieved by applying hot air.The effect of conjunction where heat pump drying with low temperature switched to hot air drying on drying performance and product quality was discussed and the optimum drying process was determined.The results showed the removal process of free water could affect the general drying performance and product quality.A comparison of the color of products showed that the combined drying reduced the color change less than heat pump drying.The retention of β-carotene was very close to that dried by heat pump drying，higher about 59% than hot air drying.The drying time of the combined drying was reduced about 28.6%compared with the 10.5 hours of heat pump drying.High quality products were achieved and drying time was greatly reduced during the heat pump and hot air combined drying.The two-stage drying could be applied in industry.

two stage drying；combined drying；heat pump drying；free water

TS205.1

B

1002-0306（2014）12-0230-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.042

2013－07－16 *通訊聯系人

徐建國（1979-），男，助理研究員，主要從事干燥技術與設備方面的研究。

國家自然科學基金項目（31060231）。