黑皮冬瓜空氣能熱泵干燥工藝參數優化

黃皓，胡珊，羅華建，梁衛驅，陳仕麗，鐘鳴，徐匆

（東莞市農業科學研究中心，廣東東莞523000）

冬瓜為葫蘆科冬瓜屬植物，果實中富含維生素C（VC）、煙酸、胡蘿卜素、膳食纖維、鉀鈣磷等多種維生素和礦物質，具有清熱解暑、祛濕消腫的功效[1]。黑皮冬瓜為冬瓜的一個品種，是廣東東莞的特色名優蔬菜，以其瓜形好、品質優良、口感佳而深受市場青睞。冬瓜目前仍以鮮食為主，但近年隨著黑皮冬瓜栽培面積增大，產量持續增加等原因，鮮瓜收購價格波動大，瓜農增產不增收，因此，瓜農采用人工晾曬的方法將冬瓜制干，既可延長冬瓜的保質期，又可提高冬瓜售價。然而，人工晾曬對天氣條件要求較高，干燥效率低，且室外的環境衛生條件較差，大大影響了瓜干的品質。

空氣能熱泵干燥技術是近年流行起來的新型干燥技術，具有高效節能、清潔生產、環境友好、設備易于定制等優點，已廣泛應用于食品、醫藥、煙草等行業，目前已有荔枝[2]、龍眼[3]、香蕉[4]等東莞特色農產品熱泵干燥技術的研究報道，但冬瓜空氣能熱泵干燥工藝方面的研究還未見報道。

本文采用空氣能熱泵設備進行黑皮冬瓜干燥，研究瓜片厚度、干燥溫度、干燥風速等參數對冬瓜熱泵干燥過程及瓜干品質的影響，通過單因素、正交試驗及綜合加權評分法確定了黑皮冬瓜空氣能熱泵干燥工藝，為冬瓜干的規模化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市售無病蟲害、無機械損傷的新鮮黑皮冬瓜；抗壞血酸（分析純，25 g）：廣東光華科技股份有限公司；2，6-二氯靛酚鈉（分析純，5 g）：上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設備

空氣能熱泵烘干機（LAD-030）：廣東瑞星新能源科技有限公司制造（工作溫度：25℃～70℃，工作風速：0～2.5 m/s）；色差計（CR-10）：柯尼卡美能達；電熱恒溫水浴鍋（HWS-26）：上海一恒科學儀器有限公司；電子天平（STX1202ZH）：奧豪斯儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9243BS-Ⅲ）：上海新苗醫療器械制造有限公司；切片機（XL-75）：廣州市旭朗機械設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

新鮮冬瓜→清洗→去皮、去籽→切片→稱重（1 000 g）→均勻擺盤（單層）→熱泵干燥（每小時稱重）→瓜干（品質指標測定）

1.3.2 單因素試驗設計

單因素試驗的因素水平分別為：切片厚度（2、4、6、8、10、12 mm）；干燥溫度（45、50、55、60、65 ℃）；循環風速（1.0、1.5、2.0、2.5 m/s）。通過單因素試驗確定黑皮冬瓜熱泵干燥各參數的最適范圍。

1.3.3 正交試驗綜合加權評分法

正交試驗中，綜合考慮明度指數值（L值）、復水比以及VC保留率這3項品質指標，對瓜干品質進行加權評分。采用專家賦權法確定各指標的權重，以滿分100分計，L值權重分值為40分，復水比權重分值為25分，VC保留率權重分值為35分，綜合評分為各指標加權得分之和[5]。各指標得分計算公式為：

式中：Yi為該指標加權得分；a為該指標權重分值；Wi為該指標實際試驗結果；W0為該指標最佳試驗結果，本試驗以正交試驗結果中各指標的最大值為最佳值。

1.4 指標檢測方法

1.4.1 初始含水率

瓜片初始含水率采用直接干燥法測定[6]。

1.4.2 水分率

干燥過程中，物料質量及含水量均在變化，物料含水率的變化并不能很好的反應干燥速度，但干燥過程中，物料中干物質的質量基本不變，干物質所帶水分在逐漸減少，因此，可用水分率（即1份干物質所含水分的份數）來表示干燥過程中水分的變化情況[7]，計算公式為：

式中：G為水分率；M為瓜片的含水率，%。

干燥前，先測得冬瓜的初始含水率，可計算出冬片的初始水分率，再通過記錄干燥過程中瓜片的質量變化計算出對應的水分率，并繪制出干燥曲線[8]。

1.4.3 干燥率

干燥率是指制備一份干品所需要的新鮮原料的份數[7]，計算公式為：

式中：D為干燥率；M1為新鮮瓜片的含水率，%；M2為瓜干的含水率，%。

1.4.4 色澤測定

利用色差計，依據CIELAB表色系統測定瓜干的明度指數L，L=0表示黑色，L=100表示白色，瓜干L值越大，色澤越好[9]。

1.4.5 復水比

復水方法：稱取適量瓜干放入裝有60℃蒸餾水的燒杯中，將燒杯置于60℃水浴鍋中，恒溫復水1 h后取出，瀝干3 min后稱量[9]。

復水比計算公式為：

式中：Rf為復水比；m1為干制品的質量，g；m2為干制品復水后的質量，g。

1.4.6 維生素C（VC）含量的測定

采用2，6-二氯靛酚滴定法測定樣品的VC含量[10]。

VC保留率計算公式為：

式中：K 為 VC保留率，%；C1為瓜干 VC含量，mg/100 g；C0 為鮮瓜 VC含量，mg/100 g；D 為干燥率。

1.5 數據處理方法

采用origin 8.0作圖，SPSS Statistics 17.0做正交試驗設計及數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 切片厚度對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質的影響

將新鮮冬瓜分別切成厚度為 2、4、6、8、10、12 mm的瓜片，在60℃和2.5 m/s風速條件下干燥至恒重，冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖1，瓜干品質指標L值、復水比及VC保留率結果見表1。

圖1 不同厚度冬瓜片熱泵干燥曲線Fig.1 Heat pump drying curves of wax gourd with different slice thikness

表1 切片厚度對瓜干品質的影響Table 1 Effects of different slice thikness on the quality of dried wax gourd

由圖1可看出干燥時間隨著瓜片厚度的減小而縮短，瓜片越薄，水分從內到外遷移的距離越短，瓜片內傳熱傳質阻力越小，干燥速度越快。從表1數據的單因素方差分析結果可知，切片厚度對瓜干的L值、復水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。L值結果顯示隨著瓜片厚度的增加L值先增大后減小，其中8 mm與10 mm厚度的瓜片烘干后L值較高，瓜片越厚干燥后組織間越緊密，瓜干外觀越發飽滿，色澤也較白，但瓜片過厚會顯著延長干燥時間，增加瓜肉氧化程度使得瓜干發黃。復水比的結果表明瓜片越薄復水越快。VC保留率結果顯示4 mm和6 mm瓜片烘干后VC保留率較高，可能瓜片太薄在切片過程中會有部分汁液流失，進而造成部分VC流失，瓜片太厚會延長干燥時間，加大VC損失幾率。此外，在瓜片的包裝過程中發現2 mm的瓜片烘干后過于薄脆，易碎裂。因此，綜合考慮干燥速度與品質指標，4 mm～8 mm的厚度較為適合。

2.2 溫度對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質的影響

將新鮮冬瓜切成厚度為8 mm的瓜片，分別在溫度 45、50、55、60、65 ℃，風速 2.5 m/s的條件下干燥至恒重。冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖2，瓜干品質指標L值、復水比及VC保留率結果見表2。

圖2 冬瓜在不同溫度下的熱泵干燥曲線Fig.2 Heat pump drying curves of wax gourd at different temperatures

表2 不同溫度對瓜干品質的影響Table 2 Effects of different temperature on the quality of dried wax gourd

由圖2可看出干燥時間隨著干燥溫度的增加而縮短，溫度升高加速了瓜片水分由內到外的擴散速度，同時降低了循環空氣的相對濕度，增加了瓜片表面水分向干燥空氣的擴散動力，進而縮短了干燥時間。由表2數據的單因素方差分析結果可知，干燥溫度對瓜干的L值、復水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。L值結果顯示65℃干燥的瓜干相對于45℃～60℃干燥的瓜干色澤指標顯著降低（P＜0.05），冬瓜肉含水量較高，干制過程中溫度過高組織中汁液迅速膨脹造成細胞破裂，內容物流出，所含有機物發生焦化，使得瓜干色澤發黃。復水比及VC保留率的結果顯示溫度過高或過低都會顯著降低瓜干的復水比及VC保留率，60℃烘制的瓜干復水比及VC保留率最高。綜合考慮干燥速度和品質指標，50℃～60℃較為合適。

2.3 風速對黑皮冬瓜熱泵干燥速度及瓜干品質的影響

將新鮮冬瓜切成厚度為8 mm的瓜片，分別在風速 1.0、1.5、2.0、2.5 m/s，溫度 60℃的條件下干燥至恒重。冬瓜片干燥過程的水分率變化曲線見圖3，瓜干品質參數L值、復水比及VC保留率結果見表3。

圖3 冬瓜在不同風速下的熱泵干燥曲線Fig.3 Heat pump drying curves of wax gourd at different air speeds

表3 不同風速對瓜干品質的影響Table 3 Effects of different air speeds on the quality of dried wax gourd

由圖3可看出增大風速可縮短干燥時間，但風速超過1.5 m/s后對干燥速度的影響開始變小，適當的增加風速可加速帶走瓜片表面蒸發出的水分，使得瓜片表面與內部存在一定的水分壓差，在壓差作用下內部水分向表面遷移，但僅以壓差為推力對內部水分擴散的影響較小[11]。由表3數據的單因素方差分析結果可知，風速對瓜干的L值、復水比及VC保留率均有顯著影響（P＜0.05）。1 m/s風速干燥的瓜干相對于1.5 m/s～2.5 m/s風速下干燥的瓜干L值及復水比均顯著降低（P＜0.05），且風速過快或過慢均會顯著影響瓜干的VC保留率，風速過慢降低干燥速度，延長了干燥時間，增加了VC損失的幾率，風速過快，使瓜片在干燥過程中接觸過多新鮮空氣，在一定程度上加速VC的氧化。結果顯示1.5 m/s的風速下瓜干VC保留率相對較高。綜合考慮干燥速度與品質指標，1.5 m/s～2.5 m/s的風速較為合適。

2.4 正交試驗設計及結果分析

通過單因素試驗確定了溫度的適合范圍為50℃～60℃，風速的適合范圍為1.5 m/s～2.5 m/s，切片厚度的適合范圍為4 mm～8 mm，采用L9（34）正交試驗表，以L值、復水比、VC保留率及綜合評分為響指標，設計三因素三水平的正交試驗，對影響黑皮冬瓜熱泵干燥工藝的關鍵參數做進一步優化。試驗因素水平設計見表4，試驗方案設計及結果見表5，數據直觀分析結果見表6，數據的方差分析結果見表7。

表4 正交試驗因素與水平Table 4Factors and levels of orthogonal experiment L9（34）

表5 正交試驗方案設計及結果Table 5 Orthogonal experimental design and results

表6 數據直觀分析結果Table 6 Data visual analysis results

續表6 數據直觀分析結果Continue table 6 Data visual analysis results

表7 方差分析結果Table 7 Variance analysis results

由表6數據的極差分析結果可知，影響L值的主次因素依次為厚度＞風速＞溫度，影響復水比的主次因素依次為厚度＞風速＞溫度，影響VC保留率的主次因素依次為溫度＞厚度＞風速，厚度是影響L值和復水比的主要因素，由表7的方差分析結果也可看出厚度對L值和復水比有顯著影響，但分別以L值、復水比和VC保留率為評價指標所得最佳方案各不相同，因此采用綜合加權評分法優化出最佳方案為溫度60℃，風速1.5 m/s，切片厚度6 mm。采用最佳方案進行3次平行驗證試驗，制得瓜干的L值為86.2，復水比為6.82，VC保留率為84.37%，綜合評分為92.91分，平行實驗數據相對誤差在5%以內，與優化結果相符。

3 結論

本文通過單因素及正交試驗研究切片厚度、干燥溫度及風速對黑皮冬瓜空氣能熱泵干制過程及瓜干品質的影響。單因素試驗結果表明切片厚度、干燥溫度及風速均對干燥速度及瓜干品質有顯著影響。瓜片越薄，干燥速度越快，但過薄的瓜片烘干后極易碎裂和吸潮，適合的厚度范圍為4 mm～8 mm；提高溫度可以加速干燥，但溫度過高會顯著降低瓜干的L值、復水比及VC保留率，適合的溫度范圍為50℃～60℃；適當加大風速可提升干燥速度，但持續加大風速對干燥過程的加速效果不明顯，且會降低瓜片的VC保留率，適合的風速范圍為1.5 m/s～2.5 m/s。在單因素試驗結果的基礎上通過正交試驗及綜合加權評分法確定黑皮冬瓜空氣能熱泵的最適干燥工藝為溫度60℃，風速1.5 m/s，厚度 6 mm。