遠紅外輔助熱泵干燥食用玫瑰花瓣及產品品質分析

青舒婷，楊 豐,2，張海侖，李宇龍，許 軍，岳 進,2,3,4,

（1.上海交通大學食品科學與工程系，上海 200240；2.上海交通大學陸伯勛食品安全研究中心，上海 200240；3.上海交通大學四川研究院，四川成都 610000；4.農業農村部都市農業重點實驗室，上海 200240；5.上海前衛旅游發展有限公司，上海 201913）

玫瑰是一種薔薇科薔薇屬植物，富含維生素C、多糖等營養物質，具有抗氧化、抑菌、降血脂等功效，因此具有極高的食用價值[1-2]。即便在低溫下鮮花貯藏期也較短，食用玫瑰花作為食品原料，往往采用人工晾曬、熱風脫水等方法進行干燥處理后保存[3-4]。隨著人們對生活品質和生態壞境的要求逐漸提升，鮮花干燥產業也亟需升級換代，干燥技術朝著提高產品品質、有效利用能源、減少環境影響、運用計算機提高自控水平、操作簡單等方向發展[5-6]。

熱泵（Heat Pump，HP）干燥利用逆卡諾循環原理從低溫熱源吸收熱量，并將所吸收的熱量在較高溫度下作為有效熱能加以利用[7]。因其熱回收的獨特性能，在一定程度上可提高能源效率，同時可精準控制干燥過程中的溫度、濕度和氣流速率等參數[8]。通常以單位能耗除濕量（SMER）來評價熱泵干燥性能[9]。但是熱泵干燥耗時較長且存在物料加熱不均勻的問題，故常采用組合干燥方式實現優勢互補。遠紅外干燥（Far Infrared drying, FIR）利用物質對輻射的吸收和發射都在同一波長上而達到干燥效果。已有研究證實：采用遠紅外干燥可以將干燥時間縮短至蒸汽或熱風干燥的10%～20%[10-11]，且遠紅外穿透能力強，可以使被干燥物料表面和內部同時吸收遠紅外輻射能，充分改善物料加熱均勻性，從而提高產品品質[12]。遠紅外與熱泵聯合使用，一方面熱泵干燥在濕空氣除濕方面有良好的效果，可配合改善遠紅外使物料內部存在大量水蒸汽難排出的問題；另一方面遠紅外技術也能改善熱泵干燥物料加熱不均勻的問題。目前國內外學者對遠紅外輔助熱泵干燥技術的研究主要集中果蔬和水產品：如鐵棍山藥片[13-14]、龍眼[15]、香蕉片[16]、魷魚片[17]等，而在食用花卉的研究報道相對較少。羅磊等[18]通過遠紅外輔助熱泵干燥金銀花，結果發現與單一熱泵干燥相比，熱泵與遠紅外聯合干燥時間縮短52.1%，干燥能耗減少59.8%。

本研究將遠紅外與熱泵技術相結合，形成新型組合干燥方法，并定制開發遠紅外輔助熱泵干燥設備，進行食用玫瑰花瓣的干燥。研究不同熱泵溫度、遠紅外輔助方式下的干燥特性，以及產品品質，并以單一熱泵干燥、傳統熱風干燥作為對照，以期為食用花卉的干燥加工領域提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮食用玫瑰花瓣 為法國墨紅品種，種植于上海市崇明區長興鎮前衛農場，試驗當天采摘挑選后立即進行干燥試驗；鹽酸、正丁醇、硫酸鐵銨、磷酸、偏磷酸、磷酸三鈉、甲醇、L-半胱氨酸、磷酸二氫鉀、硫酸、無水乙醇、苯酚等試劑 國藥集團化學試劑有限公司；抗壞血酸標準品 上海安譜實驗科技股份有限公司。

HGOE-6型遠紅外輔助熱泵干燥設備 杭州歐易電器有限公司；Multiskan GO-1510型酶標儀 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；LabScan XE型色度分析儀 HunterLab；GZX-9240 MBE型電熱鼓風干燥箱 海博迅實業有限公司醫療設備廠；UV-1800 240V型紫外分光光度計 SHIMADZU；高效液相色譜儀 Waters。

1.2 實驗方法

1.2.1 遠紅外輔助熱泵干燥設備 圖1為遠紅外輔助熱泵干燥設備的示意圖，主要由熱泵系統、遠紅外裝置、干燥房、導風板等部分構成，每次試驗干燥室內放置2個物料車，每車12層，每層可裝兩盤物料，分別裝24盤，每盤約300±10 g玫瑰花瓣。烘干運行過程如下：

圖1 遠紅外輔助熱泵干燥設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of far infrared auxiliary heat pump drying equipment

機組制熱除濕烘干運行過程：壓縮機制熱（11），冷媒流向（8）冷凝器，散熱后冷媒流向（9）除濕蒸發器，完成機組制熱除濕烘干過程。

機組制冷除濕烘干運行過程：壓縮機制冷（11），冷媒流向（7）外冷凝器，散熱后冷媒流向（9）除濕蒸發器，完成機組制冷除濕烘干過程。

烘干送風機、循環風機、遠紅外加熱管循環過程：送風機（5）通過送風口送風到循環風機（4），循環風機加大送風風量，經過導風板（3）均勻送風到物料車（1）；遠紅外燈管（2）對物料車（1）上物料進行輻射加熱，送風到回風口進入熱交換器（10），熱交換后進入除濕蒸發器（9），再次進入熱交換器（10），熱交換后進入冷凝器（8）后，送風機（5）完成循環過程。

1.2.2 干燥工藝 將采摘后的新鮮玫瑰花瓣平鋪于干燥平板上，放入遠紅外輔助熱泵干燥室內，每隔固定時間后對樣品稱量，直至濕基含水率低于12%。設置遠紅外功率為4 kW，熱泵溫度為40、50、60 ℃，遠紅外輔助方式為遠紅外全程、前程、后程輔助熱泵分別進行試驗。

根據《DB 34/T 3274-2018中藥材加工技術規程玫瑰花》規定干燥鮮花的濕基含水率不應高于12%，因此將濕基含水率12%作為玫瑰花瓣的干燥終點。

位于郝關與同口之間，口門長500m。閘基高程2～8.5m主要為第②層壤土、第②2層砂壤土。壤土具有中等壓縮性，微弱透水性，強度較高，構成地基主要持力層；高程2m以下為第③壤土，含大量腐殖質和貝殼、螺殼碎屑，局部呈淤泥質，工程性質相對較差。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 玫瑰花瓣初始含水量、干基含水量和干燥速率 玫瑰花瓣的初始含水量參考《GB 5009.3-2016食品安全國家標準 食品中水分的測定》中直接干燥法測試；玫瑰花瓣干燥過程中的干基含水量根據式（1）計算：

式中：Wt為玫瑰花瓣在干燥任意t時刻的干基含水量，g/g；mt、m0分別為干燥任意t時刻和絕干物料的質量，g。

干燥速率為單位時間內含水量的變化量，根據式（2）計算：

式中：Dr為干燥速率，g/（g干基·min）；Wt、Wt+Δt分別為玫瑰花瓣在t和t+Δt時刻的干基含水量，g/g干基；Δt為取樣間隔時間，min。

1.2.3.2 干燥曲線擬合 建立水分比（MR）隨干燥時間（t）變化的干燥模型，以預測玫瑰花瓣在遠紅外輔助熱泵干燥過程中的水分含量變化。水分比根據式（3）計算：

式中：MR為水分比；We為干燥平衡時玫瑰花瓣干基含水量，可近似用玫瑰花瓣的最終干基含水量表示，g/g干基；W0為玫瑰花瓣初始含水量，g/g干基。

表1 常用的薄層干燥數學模型Table 1 Commonly used mathematical models of thin-layer drying

1.2.3.3 色澤測定 利用色度分析儀測試，讀取L*值（亮→暗：100→0）、a*值（綠→紅）、b*值（藍→黃）表示，重復測試7次。色差（ΔE）、色彩角（h°）和彩度（C*）根據測定值按如下公式（4）、（5）、（6）計算：

色彩角代表色調，0°、90°、180°和270°分別代表醬紅色調、黃色調、藍綠色調和藍色調。彩度反映顏色的飽和度[22-23]。

1.2.3.4 生物活性物質測定 原花青素含量參考《DB12/T 885-2019 植物提取物中原花青素的測定紫外/可見分光光度法》測試；維生素C含量參考《GB 5009.86-2016 食品中抗壞血酸的測定 高效液相色譜法》測試；多糖含量參考《SN/T 4260-2015 出口植物源食品中粗多糖的測定 苯酚-硫酸法》測試。

1.2.3.5 DPPH自由基清除率測定 參照Qiu等[24]的方法測試。稱取干玫瑰花瓣0.5 g，加入80 g蒸餾水，于沸水中水浴30 min后取出冷卻（取出后需將溶液補至80.5 g）；將冷卻后的玫瑰花提取液離心12000 r/min，10 min后取上清液，以蒸餾水將上清液稀釋20倍備用；取稀釋液50 μL，加入0.1 mmol/L DPPH-乙醇（95%）溶液950 μL，于酶標儀517 nm處測試吸光度，記為As，其中以50 μL蒸餾水中加入0.1 mmol/L DPPH-乙醇（95%）溶液950 μL為空白，記為Ac。計算公式如下：

式中：E為DPPH自由基清除率，%；As為所測樣品吸光度；Ac為空白樣品吸光度。

1.2.3.6 總能耗和單位能耗除濕量測定 總能耗：直接觀測遠紅外輔助熱泵干燥設備的專用電表讀數而得。

單位能耗除濕量（SMER）可評價熱泵干燥過程中的熱效率，根據式（8）計算：

式中：SMER為單位能耗除濕量，g/（kW·h）；Md為水分蒸發量，g；Pt為輸入的電能，kW·h。

1.3 數據處理

試驗數據均以平均值±標準差（mean±S.D.）表示，試驗結果采用SPSS 24.0進行單因素方差分析（ANOVA），采用Duncan法進行多重比較，顯著性水平設為0.05；運用Origin 2018繪圖及數學模型擬合。

2 結果與分析

2.1 熱泵溫度對干燥特性和玫瑰花瓣品質的影響

2.1.1 熱泵溫度對玫瑰花瓣干燥特性的影響 40～60 ℃是熱泵工作的適宜溫度范圍[25]，本研究選取40、50和60 ℃三個溫度，研究不同熱泵溫度對新鮮玫瑰花瓣的干燥特性的影響。由圖2a可知，熱泵溫度對食用玫瑰花瓣的水分含量具有明顯影響，40、50和60 ℃的熱泵溫度條件下的玫瑰花瓣干基含水量隨著干燥時間的延長而逐漸下降，三個不同熱泵溫度分別在干燥330、270和210 min時到達干燥終點。其中60 ℃的熱泵溫度條件下的干燥效率最高，在干燥210 min時玫瑰花瓣的干基含水量已趨于0 g/g，比50和40 ℃的干燥時間分別減少22%和36%。圖2b為熱泵溫度干燥速率曲線，50和60 ℃的干燥速率曲線明顯呈加速、恒速干燥、降速干燥三個階段。在60 ℃條件下，受玫瑰花瓣中水分的表面汽化和擴散雙重作用，干燥速率最快。而40 ℃的干燥曲線無恒速干燥階段，出現了兩階段的降速干燥過程，可能是由于溫度較低，干燥速率主要由玫瑰花瓣的水分擴散速率決定[26]。總的來說，60 ℃的玫瑰花瓣熱泵干燥特性優于40和50 ℃，這一結果與姬長英等[27]研究不同熱泵溫度對辣椒的干燥特性的影響的結果一致，若溫度太低可能使得物料內擴散作用大于外擴散作用，造成物料內部水汽不易散出，甚至充氣膨脹，對產品綜合品質造成破壞。

圖2 熱泵溫度對食用玫瑰花瓣干燥特性的影響Fig.2 Effect of heat pump temperature on the drying characteristics of heat pump drying rose petals

2.1.2 不同熱泵溫度對干玫瑰花瓣品質的影響40、50和60 ℃的L*值、ΔE（表2）呈顯著性變化（P＜0.05），a*、b*、C*和h°等特征值均無顯著差異；60 ℃下L*值最大，ΔE最小，表明該條件下熱泵干燥后的玫瑰花瓣色澤更接近于新鮮玫瑰花瓣，效果較好。原花青素、維生素C和多糖是玫瑰花中的主要功能物質，其中原花青素是玫瑰花酚類化合物的典型代表，被譽為天然抗氧化劑，其清除自由基的能力是維生素C的20倍[28]，由表2可知，三個熱泵溫度干燥后的玫瑰花瓣的原花青素、維生素C和多糖含量均呈顯著性變化（P＜0.05），其中60 ℃下玫瑰花瓣中的幾種生物活性組分損失最少，因此表現出最強的DPPH自由基清除能力。這是由于60 ℃下干燥速率較高，水分含量下降較快，不易發生美拉德反應和生物活性物質的分解，玫瑰花中的酚類物質相比較40、50 ℃而言，供氫能力更強，因此清除DPPH自由基能力也更強[29]。綜合評價，熱泵溫度為60 ℃干燥玫瑰花瓣的干燥效率最高，營養成分、生物活性組分和色澤保留較好。因此后續實驗選取熱泵溫度為60 ℃。

表2 不同熱泵溫度下干燥食用玫瑰花瓣品質的影響Table 2 Effects of different heat pump temperatures on the quality of dried edible rose petals

2.2 遠紅外輔助方式對干玫瑰花瓣品質的影響

2.2.1 60 ℃熱泵干燥玫瑰花瓣過程中的單位能耗除濕量（SMER） 由圖3可知，在干燥過程中SMER呈先上升后下降趨勢，在干燥45 min時，SMER達到最高，為2.73 g/（kW·h），而后緩慢下降。干燥前期玫瑰花瓣水分含量較高，水分快速蒸發，SMER快速上升，此階段熱效率更高；隨著熱泵干燥過程的進行，玫瑰花瓣中的自由水逐漸減少，剩余的結合水因其活化能較高，因此去除結合水需要更高的溫度或者更長時間[30]，因此僅依靠單一熱泵技術不易去除，進而玫瑰花瓣在熱泵干燥中后期的水分蒸發量逐漸減少，在干燥45 min后，SMER值呈緩慢下降趨勢[31]。為了提高干燥效率，尤其在熱泵干燥45 min后出現熱效率逐漸降低的情況下，加以遠紅外技術輔助干燥。因此，干燥45 min時作為遠紅外輔助加入的干燥時間分界點。

圖3 60 ℃熱泵干燥玫瑰花瓣過程中的單位能耗除濕量Fig.3 Influence of heat pump (60 ℃) drying rose petals on unit energy consumption and dehumidification

2.2.2 遠紅外輔助方式對熱泵干燥玫瑰花瓣干燥特性的影響 60 ℃熱泵干燥中，SMER在45 min時出現拐點（圖3），因此以干燥45 min作為分界點，將玫瑰花瓣干燥過程分為前程和后程，分別進行前程遠紅外輔助、后程遠紅外輔助和全程遠紅外輔助三組試驗，并以傳統熱風（70 ℃）干燥和單一熱泵（60 ℃）干燥為對照組。由圖4a可知，隨著干燥時間的延長，不同干燥方法玫瑰花瓣的干基含水量總體均呈下降趨勢，其中全程和后程遠紅外輔助干燥方式的玫瑰花瓣含水量隨干燥時間的變化趨勢基本一致，后程遠紅外輔助干燥時間最短，干燥120 min可使玫瑰花瓣水分含量低于12%，比傳統熱風和單一熱泵干燥耗時縮短了33.33%，比前程遠紅外輔助熱泵干燥耗時縮短了11.11%。從圖4b也明顯發現全程和后程遠紅外輔助方式的干燥速率最快，干燥過程主要分為加速階段和降速干燥階段。這一結果與段續等[32]研究玫瑰花瓣紅外噴動床干燥速率的結果一致。一方面證明前程遠紅外輔助方式對提高玫瑰花瓣干燥效率來說貢獻不大，另一方面說明在后期干燥階段中，后程遠紅外輔助可以更容易去除玫瑰花瓣中的結合水，顯著提高玫瑰花瓣干燥效率。在干燥前期，前程遠紅外輔助熱泵干燥的含水量下降較快，45 min后由于關閉遠紅外裝置，干燥效率逐漸下降；熱風干燥的溫度選取70 ℃，參考上海崇明區長興鄉前衛農場玫瑰花干燥的經驗溫度，在干燥過程中熱風干燥總體優于60 ℃單一熱泵干燥，這也反映干燥溫度對玫瑰花瓣的干燥特性起到關鍵作用。綜合玫瑰花瓣干燥特性來看，后程遠紅外輔助熱泵干燥速率在干基含水量為2.28 g/g時達到最高，干燥速率最快可達到為0.09 g/（g·min），且總能耗也最低，僅為22.86 kW·h，相比單一熱泵干燥降低了36.18%，相比全程遠紅外輔助方式降低了9.64%，因此后程遠紅外輔助熱泵干燥的效率更高。

圖4 遠紅外輔助方式對熱泵干燥玫瑰花瓣干燥特性的影響Fig.4 Influence of far-infrared assisted method on the drying characteristics of heat pump drying rose petals

2.2.3 遠紅外輔助方式對熱泵干燥玫瑰花瓣品質的影響 由表3可知，與新鮮玫瑰花相比，后程和前程遠紅外輔助方式的干玫瑰花瓣色澤色差ΔE更小，飽和度C*值也更高，顏色更鮮艷。干燥時間更長的熱風和單一熱泵干燥組的色差ΔE最大，色彩角也顯示其色澤更趨于黃色調，這可能是干燥時間長導致發生各類化學反應的機率增大，反應也會更劇烈[33]。這一結果與郭玲玲等[34]研究紅外干燥后的香菇色澤變化的結果相似。后程遠紅外輔助熱泵干燥的DPPH自由基清除率最高，這也進一步證實干燥效率會影響玫瑰花瓣的水分含量，進而影響酚類物質氧化速度[23]。后程遠紅外輔助方式的原花青素和多糖含量顯著高于全程和前程遠紅外輔助方式（P＜0.05）。總體來看，后程遠紅外輔助熱泵干燥玫瑰花瓣能較好保持營養成分的損失和固有色澤，且干燥耗時更短，總能耗更低。

表3 遠紅外輔助方式對熱泵干燥玫瑰花瓣品質的影響Table 3 Influence of far-infrared auxiliary method on the quality of heat pump dried rose petals

2.3 數學模型的干燥過程擬合

利用6種常見的薄層干燥數學模型對后程遠紅外輔助熱泵（60 ℃）干燥試驗數據計算所得的（MR,t）值進行擬合處理，擬合程度由決定系數（R2）、卡方值（χ2）和均方根（RMSE）決定，R2值越接近于1，χ2和RMSE越小，表明擬合程度越好。表4為數學模型擬合結果。由表4可知，玫瑰花瓣后程遠紅外輔助熱泵干燥過程用tian model方程擬合的R2最大，χ2和RMSE最小，因此該過程可用tian model方程模型描述，其表達式為MR=exp（-2.63672×10-4t2+0.00114t-0.01836）。

表4 玫瑰花瓣后程遠紅外輔助熱泵干燥擬合結果Table 4 Fitting results of far-infrared auxiliary heat pump drying of rose petals

在tian model方程擬合基礎之上，利用熱泵溫度60 ℃，遠紅外功率4 kW，遠紅外后程輔助方式進行遠紅外輔助熱泵干燥玫瑰花瓣驗證試驗，并比較水分比（MR）的實際值與tian model方程擬合值，如圖5所示，實際值與擬合值較一致，擬合效果較好，tian model方程符合遠紅外輔助熱泵干燥玫瑰花瓣的干燥特性，能較好反映新鮮食用玫瑰花瓣遠紅外后程輔助熱泵干燥中水分比的變化規律。對于行業內的玫瑰花瓣干燥過程的標準化、自動化提供理論和技術依據。

3 結論

新鮮食用玫瑰花瓣采用遠紅外輔助熱泵干燥可得到綜合品質較好的干玫瑰花瓣，其最佳工藝條件為：熱泵溫度60 ℃，遠紅外功率4 kW，遠紅外后程輔助方式。遠紅外后程輔助熱泵干燥玫瑰花瓣的干燥曲線和干燥速率曲線呈現相同的變化趨勢，主要為加速階段和降速階段，無明顯的恒速階段，干燥120 min時可使玫瑰花瓣水分含量低于安全終點12%，且總能耗最低。遠紅外后程輔助熱泵干燥玫瑰花瓣的色澤總體較好，與傳統熱風、單一熱泵以及全程輔助方式相比，更接近新鮮玫瑰花的色澤，DPPH自由基清除率更高，能較好保持玫瑰花中的原花青素、維生素C和多糖等成分。通過tian model方程可較好擬合遠紅外后程輔助熱泵干燥玫瑰花瓣過程中的水分含量變化。遠紅外輔助熱泵技術干燥食用玫瑰花瓣安全、高效，能耗較低，產品品質高，該技術可在行業內試行推廣。