熱泵式長豇豆干燥工藝優化

張 波，姬長英*，蔣思杰，徐偉悅，田光兆，顧寶興

（南京農業大學工學院，江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031）

長豇豆又稱豆角、長更豆、豇豆等，是豆科更豆屬中能形成長形豆莢的栽培種，富含大量蛋白質、糖類、磷、鈣、鐵、維生素、尼克酸、食物纖維等[1]，具有極高的食用和經濟價值。豇豆上市的旺季天氣炎熱，極易老化腐爛，一般貨架壽命只有2～3 d[2]。干燥是減少豇豆產后損失、延長豇豆貯存時間的有效方式，干燥工藝對干燥后豇豆產品的品質有著重要的影響。因此，對豇豆的干燥工藝進行優化分析，不僅能使豇豆在市場上長時間供應，且保證其品質維持在較高水平，還能最大程度地降低能耗，提高干燥效率，對提高農民的經濟收入有非常重要的意義。

傳統的長豇豆干燥方法主要是自然風干和熱風干燥。自然風干費時費力，不利于豇豆的大批量干燥生產；熱風干燥雖然可以大批量生產，但能耗高，烘干溫度過高且不易控制，多在75～90 ℃左右，而果蔬干燥工藝往往要求干燥溫度不得超過65 ℃[3-4]。熱泵干燥作為一項較新的干燥技術，不僅高效節能，成本相對較低，對環境無污染，可實現干燥介質的溫度、濕度、氣流速率等準確獨立的控制[5-6]，而且能提高干燥后產品的質量，因此，研究豇豆使用熱泵進行干燥具有長遠的應用意義。

熱泵干燥技術在實際生產中已經有了較多的應用[7-10]，以豇豆為實驗材料，分析不同的干燥溫度、漂燙時間和鋪料密度條件對豇豆復水性、色差、單位耗能量和耗時的影響，并優化得出最佳的豇豆干燥工藝條件，為實際豇豆干燥生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮的長豇豆購于南京市浦口區向陽橋農貿批發市場，單個豇豆平均長度51 mm，平均直徑7.3 mm，平均含水率為91.5%（濕基）[11]。

1.2 儀器與設備

LAD-060熱泵式果蔬烘干保鮮一體機 徐州海濤設備公司；恒溫水浴箱 常州市金壇文華儀器有限公司；電子分析天平（精度0.000 1 g） 上海菁海儀器有限公司；101-A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海錦昱科學儀器有限公司；DZ-320D智能真空保鮮機 東莞市益健包裝有限公司；JFSD-100粉碎機 上海嘉定糧油儀器有限公司；HP-200精密色差儀 上海漢譜光電科技有限公司。

圖1 熱泵干燥設備示意圖Fig. 1 Schematic of heat pump drying equipment

熱泵式果蔬烘干保鮮一體機溫度范圍：-15～70 ℃，精度±1 ℃（該設備具有兩套電加熱輔助系統），循環風流量3 000～5 000 m3/h，相對濕度范圍：10%～90%，精度±3%。如圖1所示，該設備具有制熱、制冷、除濕功能，通過觸屏控制面板可設置所需的溫度和濕度，并實時顯示干燥庫房內溫度、濕度數值。該熱泵干燥機內部由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、電磁開關閥、離心風機、制熱蒸發器、除濕蒸發器等組成。

1.3 方法

1.3.1 樣品預處理及干燥工藝

提前半小時運行烘干設備，設定好實驗溫度。挑選外表無銹斑、無損傷的新鮮豆角，清洗瀝干后放于陰涼通風處將瀝干后的豇豆在100 ℃熱水[12-15]中進行漂燙后取出，靜置于陰涼通風處0.5 h，放入干燥庫房進行實驗。

在每組實驗過程中，前2 h內，每隔0.5 h測定一次樣品質量；2 h后每隔1 h測量一次樣品質量。干燥接近完成時，每隔0.5 h測量一次樣品質量。取濕基含水率為16%[16]時即視為完成豇豆干燥實驗。

1.3.2 干燥工藝優化試驗設計

1.3.2.1 單因素試驗

在果蔬干燥過程中，影響果蔬干燥過程的因素很多，如干燥室內的溫度、相對濕度、風速、原料切片厚度、鋪料密度等。Madamba等[17]在對蒜片的干燥過程中發現，干燥室內風速、相對濕度對干燥樣品的影響并不顯著。結合前期預實驗的探索，選取干燥溫度、漂燙時間和鋪料密度3 個因素分別分析其對干燥后豇豆的復水率、色差、單位耗能量、耗時等參數的影響。

由于熱泵設備本身可達到的最高溫度較低，如本實驗中熱泵設備最高溫度為70 ℃，為使設備安全運行，因此干燥溫度選擇65 ℃，以10 ℃為梯度設定其他溫度水平；在民間傳統豇豆干制方法[18-19]和研究文獻[20]中，借鑒前人經驗多直接對豇豆漂燙2 min左右后進行烘曬，因此漂燙時間零水平選擇2 min，以1 min為梯度設定其他漂燙時間水平；在1 m2干燥網架上單層均勻不重疊鋪放長豇豆，最多可鋪4 kg左右，因此鋪料密度選擇4 kg/m2，以1 kg/m2為梯度設定其他鋪料密度水平。基于上述分析，單因素試驗具體設計為在干燥溫度55 ℃、漂燙時間2 min條件下，鋪料密度為1、2、3、4 kg/m2；在漂燙時間2 min、鋪料密度3 kg/m2條件下，干燥溫度設置為35、45、55、65 ℃；在干燥溫度55 ℃、鋪料密度3 kg/m2條件下，漂燙時間設置為0、1、2、3、4 min。每個試驗組合進行3 次重復，取平均值。

1.3.2.2 Box-Behnken試驗

在單因素試驗基礎上，安排設計優化試驗。目前，優化干燥工藝最常使用的試驗方法主要有通用旋轉中心組合設計和Box-Behnken設計2 種，前者在安排設計試驗時，會有幾組超出上下水平的試驗點，適于參數可調范圍較寬的設備，而后者僅需在上下水平數值內安排設計試驗即可[21-23]。因熱泵干燥設備具有最高溫度不宜過高等特點，可調溫度范圍比熱風干燥設備小，所以采用Box-Behnken試驗設計原理，以干燥溫度、漂燙時間、鋪料密度為影響因素，各試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for Box-Behnken design

1.3.3 干燥參數指標的計算

1.3.3.1 復水率

復水率指新鮮果蔬進行干制后吸水恢復到原來新鮮程度的能力，可以用質量的增加程度表示。若干制品進行復水后，恢復到原來新鮮狀態的程度越高，則說明果蔬干制品的質量越好，相應的干燥工藝就越好。

取出真空包裝的干燥樣品，稱取后放入盛有65 ℃蒸餾水的燒杯中，保證料液比不低于1∶10（g/mL）即可。在恒溫水箱中20 min后取出，用吸水紙輕輕拭去表面水分，瀝干，稱質量[24-27]。每組實驗測量5 組樣品后取平均值。按照公式（1）計算復水率：

式中：m0為復水前干制品的質量/g；m1為復水瀝干后樣品的質量/g。

1.3.3.2 色差

利用HP-200色差儀進行測量，使用前使用標準白板和黑板進行標定，和實驗前新鮮豇豆的色度值比較分析，色差值ΔE越小，干燥產品色澤品質越好[28-29]，每組實驗測量5 個樣本，取平均值。按照公式（2）計算色差值ΔE：

式中：L*為明亮度；a*為紅綠值，正值為紅色，負值為綠色；b*為黃藍值，正值為黃色，負值為藍色。L0*、a0*、b0*為新鮮豇豆的色度值；L1*、a1*、b1*為豇豆干制品的色度值。

1.3.3.3 單位耗能量

單位耗能量是指干燥過程中每蒸發掉1 kg水所消耗的能量[30]，按公式（3）進行計算：

式中：E為單位耗能量/（（kW·h）/kg）；Q終為干燥結束時電能表的顯示數值/（kW·h）；Q始為干燥開始時電能表的顯示數值/（kW·h）；m終為干燥結束時的物料質量/kg；m始為干燥開始時的物料質量/kg。

1.3.3.4 耗時

耗時指豇豆在某個干燥實驗條件下降到指定濕基含水率所需要的時間，時間越短，表明在該實驗條件下的干燥效率越高。

1.4 數據分析

單因素試驗的數據主要采用Excel和Matlab進行分析，Box-Behnken試驗結果主要采用Design-Expert軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 干燥溫度對豇豆干燥參數的影響

表2 干燥溫度影響的試驗結果Table 2 Effect of drying temperature on response variables

由表2可知，隨著干燥溫度的升高，豇豆干燥樣品的復水率緩慢增加；色差值隨溫度升高而變大，這是因為干燥溫度的升高，使產品表面褐變嚴重；干燥溫度越高，單位耗能量越低：在35～55 ℃溫度范圍內，單位耗能量驟減，在55～65 ℃溫度范圍內，單位耗能量變化不大，只是稍微降低，這可能是因為溫度升到了一定值后，雖然豇豆表面的水分蒸發速率變快，但內部水分擴散至表面仍需要較長時間所致；隨著干燥溫度的升高，干燥所需總耗時顯著變小。

對于豇豆干制品，一般要求復水后產品含水率越接近新鮮豇豆的含水率越好，表明干制豇豆恢復到原來新鮮程度越好[31-33]；色差越小，表明干制豇豆與新鮮豇豆色澤越接近[34-35]；單位耗能量越低越好，表明節能效果好；干燥耗時越短越好，表明工作效率高。據此要求，評價較優水平時，優先考慮復水率和色差等品質指標，其次考慮單位耗能量和耗時。

從表2可看出，35 ℃和45 ℃復水率較低，單位耗能量較大，耗時較長；65 ℃條件下色差的品質指標最差，因此干燥溫度55 ℃是該試驗條件下的較優水平，選該溫度作為Box-Behnken優化試驗的溫度零水平。

2.1.2 漂燙時間對豇豆干燥參數的影響

表3 漂燙時間影響的試驗結果Table 3 Effect of blanching time on response variables

由表3可知，隨著漂燙時間的延長，豇豆干燥樣品的復水率逐漸增加：漂燙時間0～2 min，復水率明顯變大，漂燙時間2～4 min，復水率略微增加，這可能是因為適當對樣品進行漂燙，使得豇豆在干燥過程中更容易形成一些疏松網狀結構，利于復水[36]；色差值隨漂燙時間的延長顯著變大，可見漂燙時間越長，樣品褐變越嚴重；漂燙時間越長，單位耗能量越低：漂燙時間0～2 min，單位耗能量驟減，漂燙時間2～4 min，單位耗能量變化不大，只是略微降低，這可能是因為漂燙使豇豆結構變得疏松，從而使產品水分蒸發變得更快些；隨著漂燙時間的延長，干燥所需耗時逐漸變小。

從表3可看出，0 min和1 min漂燙時間條件下復水率較低，單位耗能量和耗時較大；3 min和4 min漂燙時間條件下色差的品質指標較差，因此漂燙時間2 min是該試驗條件下的較優水平，選該漂燙時間作為Box-Behnken優化試驗的漂燙時間零水平。

2.1.3 鋪料密度對豇豆干燥參數的影響

表4 鋪料密度影響的試驗結果Table 4 Effect of material density on response variables

由表4可知，隨著鋪料密度的增加，豇豆干燥樣品的復水率緩慢下降，這可能是因為鋪料密度的增加使得干燥時間變得過長，以致產品內部結構發生了不可逆破壞；色差值隨鋪料密度的增加而變小；鋪料密度越大，單位耗能量越大，干燥所需耗時逐漸變大。

從表4可看出，1 kg/m2和2 kg/m2鋪料密度條件下色差的品質指標較差；4 kg/m2鋪料密度條件下復水率最低，單位耗能量最大，耗時最長。因此鋪料密度3 kg/m2是該試驗條件下的較優水平，選該鋪料密度作為Box-Behnken優化試驗的鋪料密度零水平。

2.2 豇豆熱泵干燥工藝參數優化結果

2.2.1 Box-Behnken試驗設計與結果

表5 Box-Behnken試驗設計與結果Table 5 Box-Behnken design with response variables

豇豆熱泵干燥工藝參數優化的目的是在獲得較優豇豆干制品的前提下使生產耗時最短，單位耗能量最低，調整優化干燥加工工藝。根據復水率、色差、單位耗能量和耗時4 個參數隨各影響因素的變化規律，確定比較優良的豇豆干燥試驗水平范圍。Box-Behnken試驗設計與結果見表5。

2.2.2 單響應指標回歸分析

采用Design-Expert V8.0.6.1對表5的數據進行分析處理，得到豇豆干燥產品的復水率Y1、色差Y2、單位耗能量Y3、耗時Y4的回歸方程。

表6 單響應指標回歸方程及分析結果Table 6 Analysis of variance of regression models

由表6可知，豇豆復水率二次回歸方程的顯著性F值為12.89，說明該模型是極顯著的，相應的P值為0.001 4小于0.01，說明該模型與實際情況擬合度很高；失擬性F值為0.8，相應的P值為0.556 2大于0.05，表明失擬項不顯著，在試驗范圍內，試驗誤差較小，回歸模型與實際情況擬合程度很高。R2值為0.943 1，表明該模型可以解釋其響應值94.31%的變化。綜上所述，該模型方程能夠對豇豆熱泵干燥產品的復水性指標進行分析和預測。

同理，對其他3 個指標參數的模型方程進行顯著性P值、失擬性P值及標準誤差分析可知，這3 個模型方程能夠很好地對豇豆熱泵干燥產品的色差、單位耗能量和耗時等指標進行分析和預測。

由4 個模型方程各回歸系數絕對值的大小，可判斷出各因素對復水率指標的影響順序為X2＞X3＞X1，即漂燙時間＞鋪料密度＞干燥溫度；各因素對色差指標的影響順序為X2＞X3＞X1，即漂燙時間＞鋪料密度＞干燥溫度；對耗時指標的影響順序為X2＞X3＞X1，即漂燙時間＞鋪料密度＞干燥溫度；對單位耗能量指標的影響順序為X3＞X2＞X1，即鋪料密度＞漂燙時間＞干燥溫度。

依據表6中的方程，對4 個試驗指標進行單響應指標優化分析。復水率（Y1）在試驗條件范圍內盡可能取最大值，色差（Y2）、單位耗能量（Y3）和耗時（Y4）在試驗條件范圍內盡可能達到最小值，用函數式表達為Y1=Max Yj，Yj=Min Y（j＝1，2，3，4）。約束條件：Yj≥0（j=1，2，3，4），-1≤Xi≤1 （i=1，2，3）。各單響應指標的優化結果及對應的干燥工藝組合，見表7。

表7 單響應指標函數的優化結果Table 7 Optimized process variables and corresponding responses

由表7可知，較低的干燥溫度、較長的漂燙時間和較小的鋪料密度因素水平組合對提高豇豆干制品復水性有利。當干燥溫度45.54 ℃、漂燙時間2.33 min、鋪料密度2.04 kg/m2時，豇豆干燥產品的復水率最高為1.24，復水性最好。較小的干燥溫度、較短的漂燙時間和較高的鋪料密度因素水平組合對降低豇豆干制品色差有利。當干燥溫度45.05 ℃、漂燙時間1.1 min、鋪料密度3.06 kg/m2時，豇豆干燥產品的色差最低為17.64，與新鮮豇豆色澤最接近。較高的干燥溫度、較長的漂燙時間和較低的鋪料密度因素水平組合對降低豇豆干制品單位耗能量有利。當干燥溫度64.53 ℃、漂燙時間2.9 min、鋪料密度2.43 kg/m2時，豇豆干燥產品的單位耗能量最低為11.02（kW·h）/kg，節能效果最好。較高的干燥溫度、較長的漂燙時間和較低的鋪料密度因素水平組合對減少豇豆干燥總耗時有利。當干燥溫度64.32 ℃、漂燙時間2.26 min、鋪料密度2.21 kg/m2時，豇豆干燥產品的耗時最短為4 h，干燥效率最高。

2.2.3 綜合工藝參數優化

由前述4 個單目標參數優化分析可知，若干燥溫度過低，雖然能使豇豆干制品復水性和色差等品質變好，但卻使單位耗能量和干燥耗時變大；若干燥溫度過高，雖然能使單位耗能量和干燥耗時變小，但卻使豇豆干制品復水性和色差等品質變差。漂燙時間和鋪料密度兩因素數值過大或過低對豇豆干燥工藝參數也有著類似的影響。因4 個考核指標數值大小差異大、單位也不一樣，有的優化指標求最大值，有的優化指標求最小值，因此將4 個目標考核參數進行歸一化處理，見表8。

表8 各考核參數歸一化結果Table 8 Normalized results of response variables

對表8中歸一化后的各單目標函數式聯立起來，見公式（5）。約束條件：Y’j≥0（j=1，2，3，4），-1≤Xi≤1（i=1，2，3）。

在實際生產中，通常優先考慮品質指標，對于豇豆熱泵干燥工藝，將復水率、色差、單位耗能量和耗時各響應目標影響比重設置為3∶3∶2∶2。優化工藝結果為干燥溫度49.8 ℃、漂燙時間3 min、鋪料密度2 kg/m2。在該工藝條件下，豇豆復水率1.13，色差值2.66，單位耗能量14.58（kW·h）/kg，耗時7 h，綜合指標最佳，為最佳工藝條件。

按優化工藝結果干燥溫度50℃、漂燙時間3 min、鋪料密度2 kg/m2進行3 組驗證實驗，實驗結果取平均值。熱泵干燥后測得豇豆復水率1.15，色差值22.39，單位耗能量14.31（kW·h）/kg，耗時7 h，與分析預測值較接近，因此該優化工藝實際可行。

3 結 論

通過熱泵干燥單因素試驗分析得出干燥溫度、漂燙時間和鋪料密度3 個因素各自的最優水平，在此基礎上進行Box-Behnken響應面試驗設計和分析，建立復水率、色差、單位耗能量和耗時4 個目標參數的回歸方程，確定干燥溫度、漂燙時間和鋪料密度3 個因素對各個目標參數的影響順序。最后對豇豆熱泵干燥工藝進行優化，確定豇豆熱泵干燥的最佳工藝條件為干燥溫度50 ℃、漂燙時間3 min、鋪料密度2 kg/m2。在此實驗條件下，實際測得豇豆復水率1.15，色差值22.39，單位耗能量14.31（kW·h）/kg，耗時7 h，與理論值誤差較小，可用于實際生產推廣。

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