熱泵干燥檳榔中試工藝參數優化

張容鵠，高元能，馮建成，謝 輝，鄧 浩，莊光輝，竇志浩※

（1. 海南省農業科學院農產品加工設計研究所，海口 571100；2. 海南泉能能源有限公司，萬寧 571500； 3. 海南大學材料與化工學院，海口 570228）

熱泵干燥檳榔中試工藝參數優化

張容鵠1，高元能2，馮建成3，謝 輝1，鄧 浩1，莊光輝1，竇志浩1※

（1. 海南省農業科學院農產品加工設計研究所，海口 571100；2. 海南泉能能源有限公司，萬寧 571500； 3. 海南大學材料與化工學院，海口 570228）

為了探索新型節能、低碳排放的檳榔干燥技術，應用熱泵干燥設備對檳榔進行干燥研究，獲得檳榔熱泵干燥中試工藝參數。單因素試驗分析了煮沸時間對檳榔硬度的影響，干燥溫度和裝載量對檳榔水分的影響；采用正交試驗，通過加權評分值計算方法評價干果品質，優化熱泵干燥工藝參數；測定儲藏30 d后的干果進行理化和微生物指標；比較熱泵干燥、蒸汽干燥和傳統干燥檳榔的成本及品質。結果表明，新鮮檳榔經過沸水煮沸15 min，前12 h內干燥溫度為50℃、12 h后干燥溫度為65℃、裝料量為3.5 t、烘房空氣相對濕度為25%時，檳榔含水率為16.8%，好果率為96.0%，均勻度為91%，單位質量干果耗電量為0.92 (kW·h)/kg，所干燥的檳榔干果綜合評分為90.1分，呈橄欖黃或褐色。25℃儲藏30 d無霉腐現象，檢測結果顯示含水率為17.8%，未檢測出汞和苯并芘，鉛和砷質量分數分別為0.02和0.1 mg/kg，致病菌未檢出，大腸菌群數<30 cfu/g，霉菌計數為30 cfu/g。經比較，熱泵干燥檳榔比蒸汽干燥成本低11%，比傳統土爐干燥成本低50%，零排放、無污染、操作智能化。研究結果為檳榔熱泵干燥的標準化生產提供技術參考。

干燥；工藝；優化；熱泵；檳榔；加權評分法

0 引言

檳榔（Areca catechu L.）屬棕櫚科多年生常綠喬木，具有很高的藥用價值，被列為四大南藥（檳榔、砂仁、益智、巴戟）之首[1-3]。檳榔除鮮食外，90%以上鮮果需干燥成干果，以備進一步深加工。海南省年產檳榔干果約20萬t，年產值已超百億[4]，檳榔干燥加工業已成為海南當地重要的支柱產業。檳榔干燥可采用熱風干燥法[5-6]和真空冷凍干燥法[7]，但試驗條件和設備設施的嚴苛限制其在生產上推廣應用。目前加工生產中檳榔干燥主要采用傳統土爐干燥、蒸汽干燥和熱泵干燥等3種方法[8]。土爐干燥法屬作坊式加工，規模小、勞動強度大、污染嚴重，難以適應現代農業的發展。蒸汽干燥法以燃燒煤炭釋放的熱能為熱源，規模化程度大、適于集約化農產品加工，但大量溫室氣體的排放，致其應用受限。而熱泵干燥檳榔因其節能環保的優勢凸顯了良好的市場前景，日益成為檳榔干燥加工的首選方法。

熱泵干燥較之于熱風干燥可節能30%～50%[9]，在熱水供應及農產品干燥應用方面發揮了積極的作用[10]。熱泵干燥的形式有空氣源熱泵干燥、化學源熱泵干燥、地源熱泵干燥和太陽能熱泵干燥等[11]。國外應用熱泵干燥技術已在可可豆[12]、姜酚[13]、辣椒[14]和蘋果[15]等農產品干燥上獲得了穩定的工藝參數。中國在農產品干燥研究方面以空氣源熱泵法最多[16]，主要用于干燥龍眼[17]、黃花菜[18]和西洋菜[19]等，而有關空氣源熱泵干燥檳榔的工藝參數優化國內外還未見報道。空氣源熱泵干燥檳榔是在傳統土爐干燥基礎上的技術改進和突破，具有節能、省工、智能化、無污染的優勢[20]。本試驗采用單因素法和多因素正交試驗，優化空氣源熱泵干燥檳榔中試水平上的工藝參數，并進行大規模干燥試驗，以期獲取穩定的空氣源熱泵干燥檳榔中試工藝，為檳榔熱泵干燥加工業的標準化和產業化提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 熱泵干燥裝置及工作原理

檳榔熱泵干燥示意圖如圖1所示。空氣源熱泵干燥的原理是利用熱泵蒸發器吸收外界空氣中的熱量，經過壓縮機做功，將熱量轉移到烘干房中，烘干房中的空氣經過循環加熱，將物料中的水分不斷蒸發并吸收，再經過排濕風機排到烘房外，從而帶走物料中的水分，最終實現物料的連續干燥。

圖1 熱泵干燥檳榔試驗臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump drying test rig of betel nut

熱泵烘干機由海南泉能能源有限公司提供，烘房長× 寬×高分別是3.6 m×2.5 m×2.4 m，最大裝載量為3.6 t，主要參數：溫度為35～80℃，風速為2.0 m/s，相對濕度（RH，relative humidity）為10%～90%。

1.2 材料與儀器

新鮮檳榔產自海南省萬寧市，采摘后，去掉無果蒂或發黃發黑的檳榔果，選取大小、色澤一致、濕基含水率為80%±0.8%的鮮果為試驗材料。

XMTA-6000型數顯鼓風干燥箱，上海葉拓儀器儀表有限公司；TMS-PRO質構分析儀，美國FTC公司；蒸汽烘干房，萬寧海聯檳榔合作社。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 質構測定

質構測定采用質地多面分析法（texture profile analysis，TPA）測定硬度，模擬牙齒的咀嚼狀態，把煮沸處理的檳榔果橫放在載物臺中央，對檳榔全果進行2次擠壓。TPA試驗參數如下：測前速率0.5 mm/s，測試速率0.5 mm/s，測后速率0.5 mm/s；形變量：50%；停頓時間：3 s；得到相關質構參數，每次取10個樣品，以硬度1為參考指標，去掉最低和最高硬度值，取平均值，測定結果用N表示。

1.3.2 果蒂脫落率

取4 kg煮沸處理的檳榔果瀝干，檳榔果的總數計值為Nm，網篩振搖4～5次，揀出脫蒂的檳榔并計數，計值Ni，果蒂脫落率為P（%）。

1.3.3 耗電量

耗電量以干燥得到1 kg檳榔干果耗電度數計算。

1.3.4 含水率測定

參考GB/T 5009.3-2010食品安全國家標準 食品中水分的測定方法。每次取果進行含水率測量時，扒開頂層果，在4個角落和中間五個點各取5個果，切碎后混合取樣進行水分測定。

1.3.5 檳榔干果好果率

由訓練有素的技術工人選果。干果最大橫徑為15～ 21 mm、縱徑（果蒂到果底的長度）為45～64 mm，紋理清晰的果，為好果，稱其質量為Mi（kg）；否則即為壞果，稱其質量為Mm（kg），好果率為R（%）。

1.3.6 檳榔干果均勻度

參考DB 469006/T 07-2012 檳榔干果標準，隨機抽取樣果60個，以目測法分揀出最大和最小的干果各20個，稱重。計算小果質量Gi（kg）與大果質量Gm（kg）的比值，以均勻度E(%)表示。

1.3.7 綜合評分

參考李敏[21]加權評分值計算方法，綜合考慮單位質量耗電量、干果含水率、好果率和均勻度等，對干果品質進行加權評分。采用專家賦權法確定各指標的權重，以滿分100分計，好果率和均勻度占權重分值均為30分，單位質量干果耗電量和含水率權重分值均為20分。好果率和均勻度以Ai計算加權得分，含水率和耗電量以Bi計算加權得分。其中，耗電量的多少與烘房外空氣的溫度以及裝載量密切相關，在本試驗中以單位質量耗電量0.8 (kW·h)/kg為最佳耗電量。含水率與干果的品質和干燥成本相關，本試驗以14%為最佳含水率。好果率以100%為最佳。DB 469006/T 07-2012 檳榔干果標準規定果實均勻指數以0.9為優品果，本試驗均勻度以100%為最佳。

式中a為權重分值；Km為該指標所對應最佳試驗結果；Ki為該指標所對應實際試驗結果；綜合評分為各指標加權得分之和。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗方案工藝流程

新鮮檳榔→挑選→煮沸（100℃）→50℃干燥12 h→優化溫度干燥→選果→優化溫度干燥→選果→成品。

1.4.2 蒸煮時間確定

新鮮檳榔分別經沸水蒸煮0、5、10、15、20、25、30、35和40 min后，分別測定其硬度和果蒂脫落率。

1.4.3 干燥溫度和干燥時間的確定

新鮮檳榔經過沸水蒸煮20 min，瀝干，裝料量2.7 t，干燥12 h內溫度設置為50℃，熱泵烘房內RH為40%；干燥12 h后分別在50、55、60、65和70℃的條件下進行，熱泵烘房RH為25%。每7 h用直接干燥法測定一次物料的含水率，平行測3～5次，取平均值。所測檳榔含水率為18%±2%時，停止干燥，記錄干燥的時間。

1.4.4 烘房裝載量試驗

干燥12 h內溫度設置為50℃，熱泵烘房內空氣RH 為40%；干燥12 h后熱泵干燥溫度設置為65℃，熱泵烘房內空氣RH為25%，裝料量分別為2.70、3.15、3.60和4.05 t，干燥時間不定，隨時監測含水率，當含水率降至18%±2%時，停止干燥，測定其好果率、均勻度。

1.4.5 正交試驗

干燥12 h內溫度設置為50℃，熱泵烘房內空氣RH為40%；干燥12 h后，熱泵烘房內空氣RH為25%，選擇蒸煮時間、干燥溫度、干燥時間和裝載量4個因素進行正交試驗設計，每個因素取3個水平，采用加權評分法，以好果率、均勻度、含水率和單位質量耗電量的綜合評分作為評價指標，確定熱泵干燥的最佳工藝。正交試驗設計采用L(34)正交表，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表L9(34)Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment L9(34)

1.4.6 干果質量檢測

按照優化的工藝干燥檳榔，25℃貯藏30 d后，取樣送中國熱帶農業科學院農產品檢測中心，對檳榔干果含水率、汞、鉛、砷、苯并芘、大腸菌群、霉菌和致病菌等進行檢測。

1.4.7 不同干燥方式比較

采用熱泵干燥優化工藝干燥檳榔，與傳統土爐干燥法和蒸汽干燥法進行比較，干燥時間均為96 h，對比干果品質、含水率、能耗及務工費等。

土爐干燥方法[8]：取檳榔鮮果3.5 t，煮沸15 min，裝于14個土爐中，每個土爐裝0.25 t，按照傳統干燥方法進行干燥。蒸汽干燥方法[8]：取檳榔鮮果3.5 t，煮沸15 min，裝于蒸汽烘干房中，溫度設置為65℃，進行干燥。

1.5 數據處理方法

采用Origin8.0作圖，采用SPSS Statistics 18對試驗結果進行參數優化及統計分析，顯著性水平（P<0.05）。試驗重復3～5次，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 煮沸時間對檳榔果硬度的影響

檳榔煮沸又稱為殺青、漂燙。檳榔經過煮沸后有3個作用，一是溶解去除檳榔表皮的果蠟，使水分更容易溢出，二是破壞組織結構，使檳榔軟化疏松，三是除澀味。適當的蒸煮時間可以起到軟化殺青的作用，蒸煮時間長，果蒂容易脫落，影響檳榔干燥時紋路的收縮。煮沸時間對硬度的影響結果見圖2，隨著煮沸時間的延長，檳榔的硬度逐漸降低，后趨于穩定。檳榔鮮果煮沸時間為10 min內，其硬度迅速降低，從514 N降到358 N；煮沸20 min，硬度為325 N；后隨煮沸時間增加，硬度變化趨于平緩。煮沸25 min后硬度幾乎無變化，說明煮沸時間最好控制在10～25 min。檳榔果蒂脫落對檳榔干燥極為不利，影響干果紋路的收縮及后期深加工風味的呈現，因此在整個干燥過程中應盡量避免果蒂的脫落。圖3是煮沸時間對果蒂脫落率的影響，煮沸時間越長，果蒂脫落率逐步增加。煮沸10 min果蒂脫落率為1%；煮沸20 min，果蒂脫落率為2%；煮沸25 min，果蒂脫落率為4%；而煮沸40 min時，果蒂脫落率上升到8%。綜合圖2和圖3，為使煮沸后的檳榔硬度小同時果蒂脫落率低，因此，煮沸時間以15 min為宜。

圖2 煮沸時間對檳榔硬度的影響Fig.2 Effects of boiling time on hardness of pedicel

圖3 煮沸時間對檳榔果蒂脫落率的影響Fig.3 Effects of boiling time on deciduous ratio of pedicel

2.2 干燥溫度及干燥時間對檳榔干燥效果的影響

干燥溫度不同，檳榔干果含水率下降的幅度有明顯差異（圖4）。從圖4可以看出，在干燥20 h之內，檳榔含水率變化小，這與熱泵的升溫過程緩慢有關。干燥77 h后，當干燥溫度為70℃時，濕基含水率達15.89%，而干燥溫度為50℃時，濕基含水率為46.1%，而要達到相同的濕基含水率15.89%，干燥時間要延長到120 h以上。李梁[22]等研究了含水率對檳榔干果質地的影響發現，在食用檳榔的深加工中，含水率為18%的檳榔干果口感綿軟，對口腔刺激較小。因此，檳榔含水率達18%±2%時，應停止干燥。熱泵干燥中，干燥溫度越低，干燥時間就越長，能耗高；干燥溫度越高，干燥時間短，便于生產，但熱泵負荷太大，工作不穩定，且夜間空氣溫度降低時，烘干房溫度難以達到70℃。故干燥溫度以60～65℃，干燥時間以90 h為宜。婁正等[5]研究表明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。這與本試驗研究的結果一致。推測原因可能是檳榔進行熱泵干燥時，溫度設置低，排熱頻繁，水分蒸發慢，干燥時間長；而溫度設置高，熱量損失少，水分蒸發快，干燥時間明顯縮短。

圖4 檳榔在不同干燥溫度和干燥時間的含水率Fig.4 Moisture content of different temperature and time of betel nut

2.3 檳榔果裝載量對干燥效果的影響

從表2可以看出裝載量為2.70 t時，單位質量耗電數為0.95 (kW·h)/kg；裝載量3.15 t時，單位質量耗電數為0.87 (kW·h)/kg，裝載量為4.05 t時，單位質量耗電數為1.02 (kW·h)/kg，耗電量差異明顯（P＜0.01），說明檳榔果裝載量大小直接影響干燥的能耗。不同裝載量進行干燥，隨著干燥時間變化，其好果率和含水率也有所差異，裝載量為2.70 t，干燥時間為84 h，干果含水率為17.44%，好果率為94.9%；裝載量為3.15 t，干燥時間為84 h，干果含水率為18.05%，好果率為96.1%；裝載量為3.60 t，干燥時間為91 h，干果含水率為18.54%，好果率為96.5%。推測原因可能是由于裝載量增加，堆砌厚度高，擠壓力量大，致使檳榔干果紋路收縮緊密的緣故，從而增加好果率；裝載量為4.05 t時，超過了最高設計裝載量，干燥時間明顯延長達120 h，含水率為22.62%，濕果偏多，好果率為91.6%，在4個裝載量中最低，干燥時間長對生產周轉和降低成本都極為不利。綜上，裝載量在2.70～3.60 t范圍內，干燥時間在91 h內，可滿足生產需要，所得干果含水率適中，耗電量適宜，好果率高。

表2 烘房不同裝載量下干燥效果Table 2 Drying effects of different loading capacity

2.4 正交試驗優化

表3為正交試驗結果，由表3可知，最佳組合條件為A3B2C3D2，即干燥溫度為65℃，煮沸時間為15 min、裝載量為3.5 t，干燥時間為96 h。表4為正交試驗方差分析結果。由表4可知，影響綜合評分的主次因素依次是干燥溫度＞煮沸時間＞干燥時間＞裝載量，4個因素都對評分結果有顯著影響。經驗證，按照最優條件進行熱泵干燥，檳榔單位質量含水率為16.80%，好果率為96.0%，干果均勻度為91.0%，單位質量耗電量為0.92 (kW·h)/kg，綜合評分為90.1分。

表3 正交試驗設計及結果Table 3 Orthogonal experimental design and result

表4 正交試驗結果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal test results

2.5 檳榔干果檢測結果

按照優化條件干燥的檳榔干果25℃下儲藏30 d，感官檢測為無霉變，顏色橄欖色或褐色，分析檢測結果如表5，按照檳榔深加工企業要求，含水率在20%以下均合格，貯藏30 d后測得干果含水率為17.8%，在合格范圍內。按照GB 2762-2012 食品安全國家標準 食品中污染物限量，由表5可以看出檳榔干果不含汞和苯并芘，鉛和砷含量均在指標范圍內。按照GB16325-2005干果食品衛生標準，致病菌沒有檢出。按照中國食品微生物限量規定大腸菌群數合格，霉菌計數是按照GB 478915-2010食品安全國家標準，食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數結果，實測值為30 cfu/g，小于100 cfu/g。

表5 檳榔干果檢測結果表Table 5 Test results of dried betel nuts

2.6 不同干燥方式比較

表6是檳榔采用熱泵干燥、蒸汽干燥和傳統土爐干燥3種方式得到干果的成本、能耗、干果品質分析表。耗電成本為0.90元/(kW·h)，煤炭為0.7元/kg。由表6可知，熱泵干燥過程中只耗電，零排放，無污染；蒸汽干燥是通過燃燒煤來輸送熱量，因此伴有大量的CO2、硫化物等排放；土爐是通過燃燒蜂窩煤，也產生一定的CO2、硫化物等污染物，其排放量小于蒸汽干燥爐的排放量。熱泵干燥和蒸汽干燥因為實現了機械化操作，均比土爐干燥節省人工，降低了勞動強度。生產1 kg干果耗電費用，熱泵干燥為0.83元，蒸汽干燥為0.05元；熱泵干燥、蒸汽干燥和土爐干燥三者的電費、煤費和人工費總費用成本分別是1.83、2.04和3.61元，熱泵干燥成本最低，比蒸汽干燥成本低11%，比傳統干燥方式成本低50%。而熱泵干燥的好果率、均勻度與蒸汽干燥相比無明顯差異（P>0.05），但均高于土爐干燥方式（P<0.05）。熱泵干燥的干果含水率為16.8%，明顯低于蒸汽干燥和土爐干燥的干果含水率，主要原因是熱泵干燥可以控制干燥房的相對濕度，有利于水分的快速排出。蒸汽干燥和土爐干燥不能控制空氣的相對濕度，因此水分蒸發和排出減慢，因而干果含水率高，干果要達到熱泵烘干相同的含水率，需要進一步延長干燥時間。

表6 不同干燥方式比較Table 6 Comparison of different drying ways

3 結論

1）檳榔干燥前煮沸殺青，利于后續干燥，干燥過程果蒂應盡量保持完整，不能脫落。煮沸時間短于10 min，達不到軟化的目的，煮沸時間太長（長于20 min），果蒂脫落率明顯增加，因此煮沸時間以15 min為宜。

2）采用熱泵干燥工藝，通過單因素法及多因素正交試驗的優化，得到了檳榔熱泵干燥的最佳工藝，即：新鮮檳榔經過沸水蒸煮15 min，前12 h內干燥溫度為50℃，熱泵烘房空氣相對濕度為40%，12 h后干燥溫度為65℃、裝料量為3.5 t、熱泵空氣相對濕度為25%時，干燥的檳榔干果含水率為16.8%，好果率為96.0%，均勻度為91.0%，耗電量為0.92 (kW·h)/kg。

3）生產的檳榔干果感官品質良好，呈橄欖黃或褐色，25℃下儲藏30 d干果無霉腐現象出現，有檳榔固有的滋味，含水率17.8%。

4）熱泵干燥技術適用于檳榔干燥，具有節能、零排放、干燥成本低和干果品質好等優勢。熱泵干燥比蒸汽干燥節約成本低11%，比傳統土爐干燥節約成本低50%，熱泵干燥好果率和均勻度與蒸汽干燥好果率無明顯差異（P>0.05），但均高于傳統土爐干燥好果率（P<0.05）。

[1] 王丹，龐玉新，胡漩，等. 海南省檳榔種植業發展現狀及其動力分析[J]. 廣東農業科學，2013(15)：207－209. Wang Dan, Pang Yuxin, Hu Xuan, et al. Development and motivation analysis of areca planting industry in Hainan province[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2013(15): 207－209. (in Chinese with English abstract)

[2] 張俊清，符乃光，賴偉勇，等. 海南檳榔等4種南藥農殘含量現狀研究[J]. 中國藥學雜志，2005，40(6)：460－462. Zhang Junqing, Fu Naiguang, Lai Weiyong, et al. Study on the content of organochlorine pesticide residue of Areca catechu, Alpinia oxyphylla, Myristica fragrans and Eugenia caryophyllata[J]. Chin Parm J, 2005, 40(6): 460－462. (in Chinese with English abstract)

[3] 蕭福元，袁晟，桂卓嘉，等. 湖南地區食用檳榔流行病學研究[J]. 實用預防醫學，2011，18(7)：1218－1222. Xiao Fuyuau, Yuan Sheng, Gui Zhuojia, et al. Epidemiological study of edible betel nut in hunan[J]. Practical Preventive Medicine, 2011, 18(7): 1218－1222. (in Chinese with English abstract)

[4] 許丹，劉芳串，申衍豪，等. 食用檳榔加工的安全風險評估研究進展[J]. 食品工業科技，2012(5)：388－390. Xu Dan, Liu Fang, Shen Yanhao, et al. Research progress in the safety and risk assessment of edible betel nut processing[J]. Science and Technology of Food Industry, 2012(50): 388－390. (in Chinese with English abstract)

[5] 婁正，劉清，郭晶，等. 檳榔預處理及熱風干燥工藝條件優化[J]. 食品科學，2014，35(16)：46－51. Lou Zheng, Liu Qing, Guo Jing, et al. Pretreatment and hot air drying of betel nuts[J]. Food Science, 2014, 35(16): 46－51. (in Chinese with English abstract)

[6] 黃文芳，陳立軍，葉利春，等. 正交試驗法優化檳榔鞣質的干燥工藝[J]. 中藥材，2015，38(6)：1309－1311. Huang Wenfang, Chen Lijun, Ye Lichun, et al. Optimization of drying process on tannins of betelnut by orthogonal test[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials, 2015, 38(6): 1309－1311. (in Chinese with English abstract)

[7] 高紅日，周東霞，何宗奇，等. 檳榔果真空冷凍干燥工藝初探[J]. 保鮮與加工，2015，15(4)：50－54. Gao Hongri, Zhou Dongxia, He Zongqi, et al. Preliminary study on the vacuum freeze-drying processing of areca nut[J]. Storage and Process, 2015, 15(4): 50－54. (in Chinese with English abstract)

[8] 張容鵠，竇志浩. 海南檳榔初加工狀況調研分析[J]. 農業開發與裝備，2014(12)：41－43. Zhang Ronghu, Dou Zhihao. Survey and analysis on primary process Situation of betl nut in Hainan[J]. Agricultural Development and Equipment, 2014(12): 41－43. (in Chinese with English abstract)

[9] Neslihan Colaka, Arif Hepbaslib. A review of heat pump drying: Part 1-Systems, models and studies[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(9): 2180－2186.

[10] Patel K K, Kar A. Heat pump assisted drying of agricultural produce-an overview[J]. J Food Sci Technol, 2012, 49(2): 142－160.

[11] 夏源，金磊，劉騰，等. 熱泵技術應用于果蔬干燥的研究進展[J]. 農業科學研究，2014，35(1)：60－67. Xia Yuan, Jin Lei, Liu Teng, et al. A review of heat pump assisted drying of fruits and vegetables[J]. Journal of Agricultural Sciences, 2014, 35(1): 60－67.

[12] Hii C L, Law C L, Suzannah S. Drying kinetics of the individual layer of cocoa beans during heat pump drying[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 108(2): 276－282.

[13] Hawlader M N A, Perera C O, Tian M. Comparison of the retention of 6-gingerol in drying under modified atmosphere heat pump drying and other drying methods[J]. Dry Technol 2006, 24(1): 51－56.

[14] Artnaseaw A, Theerakulpisut S, Benjapiyaporn C. Drying characteristics of Shiitake mushroom and Jinda chili during vacuum heat pump drying[J]. Food Bioprod Process, 2010, 88(2): 105－114.

[15] Aktas M, Ceylan I, Yilmaz S. Determination of drying characteristics of apples in a heat pump and solar dryer[J]. Desalination, 2009, 239(13): 266－275.

[16] 趙宗彬，朱斌祥，李金榮，等. 空氣源熱泵干燥技術的研究現狀與發展展望[J]. 流體機械，2015，43(6)：76－81. Zhao Zongbin, Zhu Binxiang, Li Jinhong, et al. Research status and prospect of air source heat pump drying technology[J]. Fluid Machinery, 2015, 43(6): 76－81. (in Chinese with English abstract)

[17] 林羨，鄧彩玲，徐玉娟，等. 不同高溫熱泵干燥條件對龍眼干品質的影響[J]. 食品科學，2014，35(4)：30－34. Lin Xian, Deng CaiLing, Xu Yujuan, et al. Effects of different high temperature heat pump drying conditions on the quality of dried longan[J]. Food Science, 2014, 35(4): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[18] 潘年龍，吳凱，王孝榮，等. 黃花菜的熱泵干燥工藝研究[J].食品工業科技，2013，34(11)：259－262. Pan Nianlong, Wu Kai, Wang Xiaorong, et al. Study on pump drying process of daylily[J]. Science and Technology of Food Industry, 2013, 34(11): 259－262. (in Chinese with English abstract)

[19] 張艷來，龍成樹，尹凱丹，等. 西洋菜熱泵干燥特性試驗研究[J]. 東北農業大學學報，2014(11)：1－7. Zhang Yanlai, Long Chengshu, Yin Kaidan, et al. Experimental study on drying heat pump characteristics of watercress (Nastuitium Officinale)[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2014(11): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[20] 陳萬慶. 淺談熱泵技術[J]. 中國新技術新產品，2012，3：124. Chen Wanqing. Talk about heat pump drying technology[J]. China New Technologies and Products, 2012, 3: 124. (in Chinese with English abstract)

[21] 李敏，吳寶川，關志強，等. 適宜添加劑預處理提高羅非魚片凍融-熱泵干燥品質[J]. 農業工程學報，2014，30(17)：295－303. Li Min, Wu Baochuan, Guan Zhiqiang, et al. Improving quality of tilapia fillets freeze-thaw combined with heat pump drying using suitable additive pretreatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(17): 295－304. (in Chinese with English abstract)

[22] 李梁，吉建邦，康效寧，等. 含水量對檳榔干質地的影響研究[J]. 食品工業科技，2014，35(19)：111－113. Li Liang, Ji Jianbang, Kang Xiaoning, et al. Study on the influence of water content to texture of dried areca nuts[J]. Science and Technology of Food Industry, 2014, 35(19): 111－113. (in Chinese with English abstract)

Technologic parameter optimization in pilot-scale process of heat pump drying of Areca catechu L.

Zhang Ronghu1, Gao Yuanneng2, Feng Jiancheng3, Xie Hui1, Deng Hao1, Zhuang Guanghui1, Dou Zhihao1※
(1. Institute of Processing & Design of Agroproducts, Hainan Academy of Agricultural Science, Haikou 571100, China; 2. Hainan Quanneng Energy Co. Ltd, Wanning 571500, China; 3. College of Materials and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Areca catechu L. belongs to perennial aiphyllium of palmae. It has very high medicinal value and is regarded as the first one of 4 kinds of the south medicines in China. Areca catechu L. abounds in Hainan, 10% for fresh food, more than 90% dried for further processing, Areca catechu L. drying has become the important processing industry in Hainan, the annual output of dried betel nut is about 200 000 t, and the annual output value is more than 10 billion yuan. For the Areca catechu L. drying, there are hot air drying and vacuum freeze drying, which have not been applied in production because of the limitation of experimental conditions and equipments, and the traditional furnace drying, steam drying and heat pump drying are used in production. The traditional furnace drying is a kind of small workshop processing, and its characteristics of small scale, large labor intensity and serious pollution are difficult to adapt to the modern agriculture development, so it has been gradually eliminated. For the steam drying whose heat source is from the burning coal, the characteristic of large scale and high mechanical strength adapts to the intensive agricultural product processing development, however it is limited because of a lot of greenhouse gases emitted from burning coal. Only the energy-conservation and environment-protection drying method is suitable for the Areca catechu L. drying industry’s sustainable and healthy development. The betel nut drying was studied using the heat pump drying equipment in this paper. The influences of boiling time on betel nut hardness, and drying temperature and loading capacity on moisture content of dried fruit were analyzed via the single factor experiment. The technology parameters of heat pump drying were optimized by the orthogonal experiment, and the quality of the dried betel nut was evaluated using the weighted score method. After 30-day storage, the physical, chemical and microbiological indicators of the dried fruits were detected, and moreover, the advantages and benefits were analyzed based on the comparison between the heat pump drying method and the steam drying and traditional drying methods. The optimum drying parameters were: boiling time of 15 min, initial drying time of 12 h at 50℃, following drying time of 84 h at 65℃, loading capacity of 3.5 t, 25% air relative humidity of dried room, and 16.8% water content of betel nut. The results showed as follows: the ratio of good dried fruit was 96%, the uniformity of dried fruit was 91%, the power consumption of dried fruit was 0.92 (kW·h)/kg, the comprehensive score of dried betel nut quality was 90.1, and the color of dried fruit was either olive yellow or brown. After 30-day storage at 25℃, the dried fruit did not mildew, and the physical and chemical indicators were in the controllable range. The cost of drying betel nut by heat pump was more economical, 11% lower than that of the steam drying and 50% lower than that of the traditional drying. The heat pump drying had the advantages of energy saving, low emissions, intelligent operation, low drying cost and good economic benefit. The research results provide the technical reference for the standardized processing of the betel fruit with the heat pump drying method.

drying; processing; optimization; heat pump; betel nut; weighted score value method

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034

TS201.1

A

1002-6819(2016)-09-0241-07

張容鵠，高元能，馮建成，謝 輝，鄧 浩，莊光輝，竇志浩. 熱泵干燥檳榔中試工藝參數優化[J]. 農業工程學報，2016，32(9)：241－247.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034 http://www.tcsae.org

Zhang Ronghu, Gao Yuanneng, Feng Jiancheng, Xie Hui, Deng Hao, Zhuang Guanghui, Dou Zhihao. Technologic parameter optimization in pilot-scale process of heat pump drying of Areca catechu L.[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 241－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.034 http://www.tcsae.org

2015-12-31

2016-03-23

海南省產學研一體化專項資金（CXY20140024）；海南省重點研發項目（ZDYF2016099）

張容鵠，女，湖北天門人，副研究員，研究方向為農產品加工與貯藏。海口 海南省農業科學院農產品加工設計研究所，571100。

Email：zrh0912@126.com

※通信作者：竇志浩，男，廣東吳川人，研究員，研究方向為農產品加工及貯藏。海口 海南省農業科學院農產品加工設計研究所，571100。Email：513408658@qq.com