芒果高溫熱泵間歇干燥特性的研究

羅彩連　林羨　吳繼軍　徐玉娟　李俊

摘 要 為了提高芒果干制過程的能源利用率及干制品的品質，在真空滲透脫水預處理的基礎上，研究不同熱泵干燥溫度（50、55、60 ℃）及間歇時間（1、2、4 h）下對芒果干燥特性的影響。結果表明：熱泵干燥溫度越高，水分比下降越快，干燥速率越大；熱泵干燥、間歇時間越長，水分比下降越快，干燥速率越大；55 ℃干燥溫度下，熱泵間歇干燥的水分比下降的速度及干燥速率均高于連續干燥，干燥時間顯著縮短。Midilli模型為最適宜模擬芒果高溫熱泵干燥特性的數學模型。

關鍵詞 芒果；真空滲透脫水；熱泵干燥；干燥特性

中圖分類號 S667.7 文獻標識碼 A

Study on Intermittent High Temperature Heat Pump

Drying Characteristics of Mango

LUO Cailian， LIN Xian*， WU Jijun， XU Yujuan， LI Jun

Sericulture and Farm Product Processing Research Institude， Guangdong Academy of

Agricultural Sciences， Guangzhou，Guangdong 510610， China

Abstract Effects of different drying temperatures （50 、55 、60 ℃） and intermittent drying times（1、2 、4 h at 55 ℃）on the drying characteristic of dried mango pre-submitted to vacuum osmotic dehydration were studied. The results showed that the higher the heat drying temperature， the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the longer the intermittent time the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the moisture ratio and the drying rate of intermittent drying declined， more quickly than that of continuous drying. Besides， compared with continuous drying， intermittent drying was significantly shortened the drying time. Midilli model fitted the drying curves well.

Key words Mango；Vacuum osmotic dehydration；Heat pump drying；Drying characteristic

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.030

芒果是經濟價值極高的熱帶水果之一，其果肉細膩、風味獨特，深受人們所喜愛。然而，新鮮芒果不耐貯藏，貨架期短[1]。因此，除鮮食外，通過將芒果加工成干制品，能有效延長其保質期，提高產品附加值[2]。現有的干制加工過程主要存在能耗大，品質差（如色澤差，營養成分損失）等問題。高溫熱泵干燥，由制冷劑回路及干燥介質回路組成，從低品位能源吸收的熱量轉換為高品位的熱量[3]，能有效提高能源利用率，是目前食品干燥領域的研究熱點之一。間歇干燥是一種干燥條件隨時間的變化而變化的干燥方法，它可以改變干燥空氣溫度，濕度，壓力甚至熱量輸出模式。與連續干燥相比，具有減少實際干燥時間、提高產品色澤、口感等優點。

為了能夠準確的預測間歇干燥過程中食品內部水分分布，合理選擇間歇干燥較佳工藝提供依據，間歇干燥過程中切片土豆[4]、白菜種子[5]、龍眼[6]、荔枝[7]等的水分傳質模型均有報道，然而未見芒果高溫熱泵干燥的水分變化規律研究。因此，本文通過研究不同高溫熱泵干燥溫度及間歇時間對芒果真空滲透脫水后期干燥特性的影響，探究高溫熱泵干燥的干燥效果，建立干燥數學模型，確定芒果的高效節能保質干燥工藝，為高溫熱泵干燥技術在芒果干制產業中的應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料 芒果品種為金煌，購于廣州水果市場。

1.1.2 儀器與設備 GHRH-20型高溫熱泵干燥系統；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程 芒果→清洗→去皮、去核→切片→真空滲透脫水→高溫熱泵干燥→包裝→品質指標測定。

1.2.2 操作要點 切片：芒果統一切片直徑為4 cm、厚度為1.2 cm的圓片。真空滲透脫水：經0.04 MPa真空處理20 min后恢復至常壓，滲透脫水至含水率為（77.00±1.00）%。高溫熱泵干燥：干燥前機器預熱30 min達到穩定溫度后，將芒果片平鋪于篩網上。試驗設計6個干燥工藝條件。其中，連續熱泵的干燥溫度分別為50、55、60 ℃；間歇干燥的干燥溫度為55 ℃，每干燥2 h，停止加熱進行間歇干燥，間歇時間分別為1、2、4 h。干燥風[速為1.0 m/s，干燥至芒果含水率為（21.00±1.00）%]。

1.2.3 指標測定 水分含量參照GB 5009.3-2010[8]食品中水分含量的測定的直接干燥法，水分含量以干基含水量表示，如下：

Md=mw/md （1）

其中，mw表示物料中任意時刻水分含量，md表示物料中任意時刻干物質質量（下同）。

水分比：干燥動力學常采用無量綱水分比 MR 隨時間變化來分析干燥過程的變化規律，其中水分比MR的表達式為[9]：

MR=（Md-Me）/（M0-Me） （2）

其中，Md是物料在任意時刻的干基含水量，M0是物料干燥初始時刻的干基含水量，Me是物料平衡時刻的干基含水量，相對于初始干基含水量來說比較小，可以忽略不計，所以方程可以簡化為：

MR=Md/M0 （3）

1.2.4 干燥模型的建立 a. 曲線擬合，根據有機及生物材料中常用的9種薄層干燥模型[6]，通過對水分比對時間作圖得到的曲線進行擬合，對芒果的熱泵干燥特性進行了研究。由于回軟過程的動力學與連續對流干燥基本相似[10-11]，因而間歇干燥的動力學模型也采用這9種薄層干燥模型。薄層干燥模型見表1。

b. 評價模型指標，利用origin8.0對曲線進行擬合，可得到模型相關系數。其中相關系數R2、卡方χ2及誤差平方根RMSE是評價干燥模型對干燥曲線擬合的優劣的重要指標。相關系數R2值越大，卡方χ2及誤差平方根RMSE值越小，則干燥模型擬合的越好。這些參數的計算公式為：

其中，MRexp，i、MRpre，i分別為水分比的實驗值及預測值，N為試驗點個數，n為模型中的常數項的個數。

干燥速率：干燥速率定義為單位時間內每單位面積（物料和干燥介質的接觸面積）濕物料汽化的水分質量。當物料與干燥介質的接觸面積不易確定時，用干燥強度表示干燥速率，其定義為物料濕含量隨時間的變化率，通常用DR表示，其表達式如下：

DR=dMd/dt=（Md，j+1-Md，j）/（tj+1-tj） （6）

其中Md，j+1，Md，j分別表示tj+1，tj時刻干基含水量。

1.3 數據處理

采用SPSS17.0對試驗結果經過進行one-way ANOVA方差分析與多重比較分析。采用origin8.0對干燥曲線進行擬合及數據分析。

2 結果與分析

2.1 芒果高溫熱泵干燥曲線

圖1（a）結果表明，芒果高溫熱泵干燥曲線可分為3個階段，干燥前期水分比下降速度較快，干燥中期水分比下降緩慢，干燥后期水分比達到平衡而無顯著變化。干燥溫度越高，水分比下降的越快。干燥溫度為50、55、60 ℃時，下降到目標水分比（MR=0.1即前面所提到的目標含水量21%）時所需的時間分別為12、10、8 h，表明干燥溫度從50 ℃增加到55 ℃和50 ℃增加到60 ℃可分別節省干燥時間16.67%和30.77%。干燥間歇時間對芒果高溫熱泵干燥曲線的影響如圖1（b）所示。結果表明，隨著有效干燥時間的增加，間歇時間越長水分比下降越快。同樣，水分比的變化趨勢與熱泵干燥溫度對水分比的影響類似如圖1（b）所示。55 ℃熱泵間歇干燥，MR為0.1所需的時間均略低于8 h，比55 ℃間歇干燥10 h的時間節省了20%。

2.2 芒果高溫熱泵干燥速率曲線

一般情況下，農產品的干燥速率曲線可分為初期加速階段、恒速階段及降速階段。圖2（a）結果表明，芒果熱泵連續干燥在干燥溫度50 ℃，干燥分為加速、恒速、降速3階段，干燥溫度為55、60 ℃時，加速、降速2階段。在降速干燥階段后期，溫度差異對干燥速率的影響越來越不顯著，這可能是因為結合水比較難蒸發出去。由于干燥初期的干基含水量較大，不同干燥溫度下，加速階段均為0～2 h，干燥溫度越高，干燥速率增加越快。干燥間歇時間對芒果高溫熱泵干燥速率曲線的影響如圖2（b）所示。結果表明，干燥前2 h為相當于連續干燥階段，因而各處理組的干燥速率一樣；干燥2 h后，干燥速率下降，但此時干燥速率隨著間歇時間的增加顯著增加。此后，隨著干燥時間的增加，不同處理組干燥速率的差異性逐漸減少。

2.3 干燥數學模型模擬

采用9個常用薄層干燥數學模型對不同干燥溫度和干燥間歇時間的芒果高溫熱泵干燥曲線進行模擬，平均擬合結果如表2所示。結果表明，每個模型的卡方及誤差平方根RMSE的平均值的范圍分別為0.000 225～0.004 681、0.010 99～0.045 05，所選用的模型模擬相關系數平均值均高于0.986，表明所選模型均能較好地擬合。其中，Midilli模型的相關系數平均值是0.996 79，為最大。Midilli模型的卡方及誤差平方根的平均值分別是0.000 225、0.010 99，均為最小。Midilli模型的擬合效果最好，因此，芒果高溫熱泵干燥的數學模型選用此模型。

Midilli的擬合結果如表3所示。表3表明，k值呈現出隨熱泵干燥的溫度增加而增加，隨熱泵間歇時間的增加而減少。60 ℃時，k值為0.330 33，分別是55 ℃、50 ℃的1.38、3.12倍?？梢?，干燥溫度對干燥速率有促進作用。55 ℃連續干燥k值均大于間歇干燥，說明連續干燥的干燥潛能比間歇干燥大，這可能是間歇干燥在前期干燥速率比連續干燥大，導致后期水分含量少，因而干燥潛能降低。n為Midilli模型的指數項，從表3可以看出，n均大于1.0，這表明MR與時間的關系并不是一級動力學方程。由表3還可知k值與指數項n值呈負相關，即溫度增加k值增加，而n降低；間歇時間增加，k值降低，n值增加。a， b均是Midilli模型的系數，a值隨溫度及間歇時間的增加而增加，b值的變化隨溫度增加時無規律性，而間歇干燥時間增加時呈現增大趨勢。

3 討論與結論

Shi等[12]對雪蓮果片薄層熱泵干燥時也發現熱泵干燥時間隨干燥溫度和風速的增加而減低。隨著溫度的增加，熱傳遞速率增加促進水分子運動加快，從而使產品內部水分快速遷移到表面，因而干燥速率增加。

熱泵間歇干燥減少干燥所需時間，可能芒果內的水分在間歇時間內重新分布，為內部水分轉移到表面提供了時間[13-14]，而且間歇時間越長，內部水分轉移到表面時間越充足，從而干燥時間縮短。

芒果熱泵連續干燥在干燥溫度為50 ℃時干燥速率曲線與干燥溫度為55 和60 ℃時的干燥速率曲線不同。差異的原因一方面可能是芒果樣品經真空滲透脫水去了部分水分，因而在干燥初始階段不能提供足夠的水分[15-16]；另一方面，可能是切片表面的負荷低于3.50 kg/cm2（當表面負荷低于時干燥無恒速階段）[17-18]。Wang（2011）[19]研究熱泵干燥山楂糕可行性分析也發現干燥溫度對干燥速率有影響。石啟龍[20]利用Trabert理論對溫度升高時物料的干燥速率加快的原因進行了解釋，其原因為溫度升高可以加快水分蒸發。

由于芒果物料進入降速階段時達到了臨界含水率，內部水分梯度降低[21]，即使延長間歇干燥時間，由于細胞內的結合水比自由水難遷移到表面，因而干燥速率沒有明顯增加。

采用9個常用薄層干燥數學模型對不同干燥溫度和干燥間歇時間的芒果高溫熱泵干燥曲線進行模擬， Midilli模型的相關系數平均值是0.996 79，為最大。Midilli模型的卡方及誤差平方根的平均值分別是0.000 225、0.010 99，均為最小。Midilli模型的擬合效果最好，因此，芒果高溫熱泵干燥的數學模型選用此模型。Cihan等[22]對薄層間歇干燥稻谷的干燥模型進行擬合時，發現Midilli模型的相關系數為0.999 6，標準差為0.006 8，卡方為0.667×10-4，為最適宜擬合稻谷薄層間歇干燥特性的數學模型。楊韋杰等[7]對荔枝薄層干燥時各干燥條件下Midilli模型的相關系數均大于0.99，RMSE為1.40%～2.22%，卡方為2.1×104～5.3×104，均較優，得到了Midilli模型模擬結果較好的結論。

k值為速率常數，用來衡量干燥特性，其值的增加表明干燥潛能增加[23]。60 ℃時，k值為0.330 33，為最大，這說明60 ℃的干燥潛能比55 ℃及50 ℃的干燥潛能大。可見，干燥溫度對干燥速率有促進作用。55 ℃連續干燥k值均大于間歇干燥，說明連續干燥的干燥潛能比間歇干燥大。

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