熱泵-高壓電場聯合干燥對山藥片干燥特性的影響

孟照峰,崔祥娜,劉寅,王藝曼,胡汝生,杜晨陽,王順

(中原工學院 能源與環境學院,河南 鄭州,451191)

山藥是常用的中藥材,被收錄于歷版《中國藥典》[1];它能夠供給人體大量的黏液蛋白[2];入藥能增強免疫力。而鮮山藥水分含量較高,不宜長時間運輸與貯藏[3],否則就會出現霉變、腐爛等問題,造成了食物的浪費與環境的污染,因此干燥處理必不可少。

國內外諸多專家學者對山藥干燥進行研究。山藥干燥主要以熱風干燥和自然晾曬為主,這種方法雖簡單、節能,但干燥時間長,干燥品質低。近年來,冷凍干燥[4]以及微波干燥[5]得到一定的推廣。微波干燥傳熱快,水分子吸收能量,使它們迅速蒸發;此外,微波干燥可以防止食品原料的收縮[5],但產品干燥不均勻,會使局部產品過熱。冷凍干燥可以得到保持原有營養價值的產品[6],但能源消耗比較高。隨著國家戰略規劃的推出,節能已經成為一種重要社會意識。熱泵干燥[7]以它高效節能的優點已經得到了較多的應用,其中包括獼猴桃[8]、柿子[9]等。研究得出,相較于真空冷凍干燥、熱風干燥、微波干燥,熱泵干燥是兼顧品質與成本的一項干燥方式。

高壓電場干燥作為一種新興的干燥技術,能耗低、干燥品質好,具有巨大的前景。它主要依靠不均勻高壓電場產生的離子風對物料表面產生的沖擊作用和不均勻電場對水分子牽引力作用[10],這個過程擾亂了飽和的邊界層,加快水分子從食物中蒸發[11]。BAJGAI等[12]對菠菜研究結果表明,25 ℃高壓電場干燥下的失水率與60 ℃熱風干燥相似,高壓電場干燥的菠菜葉顏色與原始綠色接近。丁昌江等[13]、邢茹等[14]對胡蘿卜等蔬菜進行了高壓電場干燥實驗。結果表明,電場干燥(溫度36～42 ℃)比70 ℃干燥的時間分別縮短了43.3%、41.0%、28.6%、40.9%,同時干燥后果蔬的營養成分保留良好,這表明,高壓電場可加快干燥速率,降低干燥溫度。

在這種背景下,本文設計用熱泵代替熱風為高壓電場干燥升溫,二者進行優勢互補。既可進一步節能,又可提升干燥品質。因此,一種新型干燥系統應運而生,用熱泵-高壓電場聯合干燥系統來干燥山藥片,并分析山藥片在聯合干燥下的干燥特性與營養成分變化,為客觀、準確測定懷山藥片提供幫助,并為山藥片的貯藏、運輸提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

熱泵-高壓電場聯合干燥系統原理圖如圖1所示。主要設備包括:壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、干燥室、高壓電場發生器等,主要設備及參數見表1。實驗臺的實物圖如圖2所示。

表1 主要實驗設備及參數Table 1 main experimental equipment and parameters

圖1 熱泵-高壓電場聯合干燥系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump-high voltage electric field combined drying system

圖2 實驗臺實物圖Fig.2 Experimental setup

熱泵系統包括2種模式:空氣源熱泵加熱除濕干燥循環和閉式干燥循環。空氣源熱泵加熱除濕干燥循環一般用于干燥前升溫過程;干燥過程中采用閉式熱泵循環。熱風由循環風機驅動,進入干燥室干燥物料,從干燥室出來后,經過除濕蒸發器進行除濕、冷凝器進行加熱后進入干燥室內完成循環。高壓電場設置在干燥室內,與熱泵系統聯合干燥物料。

1.2 實驗方法

將新鮮、無損傷的山藥進行干燥前預處理。首先進行切片處理,均勻地切成3 mm厚的山藥薄片。然后使用鹵素水分檢測儀隨機檢測山藥片的初始含水率,取平均值,最終測得山藥片的初始含水率為(72.66±2.77)%。將山藥片放入干燥室進行實驗。初始固定質量為(320±0.5) g,表面積為13.44 cm2。托盤尺寸為0.47 m×0.35 m。實驗變量有溫度(50、55、60 ℃)、電壓(0、80、90、100 kV)和風速(1、2、3 m/s)。實驗設計方案如表2所示。實驗過程中每隔10 min記錄山藥片質量,當山藥片的濕基含水率達到安全含水率13%時,即可停止干燥(Q/WHZY 0001S—2022《懷山藥片(粉)及其制品》)。

1.3 檢測指標

1.3.1 含水率的測定

山藥片的干、濕基含水率計算如公式(1)～公式(3)所示[15-16]:

m=m0×(1-w0)

(1)

(2)

(3)

式中:m為山藥片的絕干質量,g;m0是初始時刻的質量,g;w0是山藥片的初始含水率,%;wt是t時刻的干基含水率,%;mt是t時刻山藥片的質量,g;wwt是t時刻的濕基含水率,%。

1.3.2 水分比的測定[15]

水分比測定的計算如公式(4)所示:

(4)

式中:MR為水分比,%;we為樣品平衡時的干基含水率,%;wt為t時刻樣品的干莖含水率,%;wt0為初始時刻樣品的干基含水率,%。

1.3.3 干燥速率的測定[15]

干燥速率的測定如公式(5)所示:

(5)

式中:DR為干燥速率,h-1;wt為t時刻干莖含水率,%;wt+Δt為t+Δt時刻的干基含水率,%;Δt為干燥間隔時間,s。

1.3.4 復水率的測定

干制品的復水率是檢驗干制品品質的一項重要指標[17]。將干燥后的山藥片放入25 ℃蒸餾水中保持4 h,而后快速擦干樣品表面水分,進行稱量[18]。復水率的計算如公式(6)所示[17]:

(6)

式中:RR為復水率,%;ma為復水后的質量,g;mb為復水前的質量,g。

1.3.5 有效水分擴散系數

有效水分擴散系數表示物料在干燥過程中水分的擴散情況,反映物料在一定條件下的脫水能力,根據Fick第二定律可得其簡化后的計算方程如公式(7)所示[19]:

(7)

根據計算方程,繪制物料干燥過程中對的關系圖,進行線性擬合得到直線斜率,從而得出Deff,如公式(8)所示:

(8)

式中:Deff為有效水分擴散系數,m2/s;t為物料干燥時間,s;L為物料厚度的一半,m。

1.3.6 活化能

活化能表示物料在干燥過程中脫去單位物質的量的水分所需的能量,其大小表示干燥的難易程度。活化能越大,干燥所需的能量越多,物料就越難干燥[20]。根據Arrhenius方程,得出活化能Ea的計算方程如公式(9)所示:

Deff=D0exp[-Ea/R(T+273.15)]

(9)

對方程兩邊取對數,得到公式(10):

(10)

由公式(10)可得,有效水分擴散系數的對數lnDeff與1/(T+273.15)呈線性關系,進行線性擬合得到直線斜率k2,從而得出Ea,計算方程如公式(11)所示:

(11)

式中:D0為物料中的擴散基數,m2/s;Ea為干燥活化能,kJ/mol;R為氣體摩爾常數,8.314 J/(mol·K);T為干燥溫度,℃。

1.3.7 成品評價標準

參考陳紅惠等[18]的方法,對山藥片評價,檢驗方法為:取適量試樣與潔凈的白瓷盤中,在自然光下觀察其色澤和狀態,聞其氣味。評分采用百分制,見表3。

表3 感官要求Table 3 Sensory requirements

1.3.8 單位能耗的測定

單位能耗通過電參數測量儀測定,計算如公式(12)所示[21]:

(12)

式中:Es為單位能耗,kJ/g;Et為干燥過程中的總能耗,kW/h;M為樣品質量,g。

1.3.9 總酚含量的測定

測定方法為福林酚比色法。參考李藝[22]的方法測定,將干燥后的山藥粉碎,并取5 g粉末與和25 mL 75%乙醇研磨成勻漿,將混合物以100 W超聲波下提取1 h,以6 000 r/min、4 ℃離心15 min。然后將1 mL上清液、6 mL蒸餾水、0.5 mL 1.0 mol/L的福林酚試劑混合靜置3 min后加入1.5 mL 20%的Na2CO3溶液充分混合,靜置2 h后在765 nm下測定吸光度。通過每克樣品中所含的沒食子酸濃度,再通過換算得出最終樣品的多酚含量,通過每克樣品中所含的沒食子酸濃度,再通過換算計算出最終樣品的多酚含量,換算公式如公式(13)所示:

(13)

式中:W為樣品中多酚含量,mg GAE/g DM;C為沒食子酸質量濃度,g/mL;V為測量時樣品溶液定容的體積,mL;N為樣品提取液定容的體積,mL;M為樣品質量,g。

1.3.10 干燥模型與統計參數的評價

通過大量模型進行擬合,選取Newton、Page和Henderson and Pabis 3種模型。表4為3種模型用于描述山藥片薄層物料干燥動力學。非線性擬合分析用于求出每個模型的常數和參數,統計參數包括卡方檢驗值χ2、均方根誤差(root mean square error,RMSE)以及決定系數R2。這3個參數可以選取到最適合描述干燥動力學的參考標準。R2的值越大,RMSE和χ2的值越小時,數學模型的擬合程度越好[23]。參數計算方法分別如公式(14)～公式(16)所示:

表4 薄層干燥數學模型[15]Table 4 Mathematical model of thin layer drying

(14)

(15)

(16)

式中:MRexp,i為水分比的實驗值,%;MRpre,i為水分比的預測值,%;MRpre為水分比預測值的平均值,%;Z為觀測次數;z為回歸模型中常數項的個數。

2 結果與分析

2.1 單熱泵與聯合干燥對比分析

圖3為單熱泵干燥與聯合干燥在不同溫度下山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖3-a可知,同溫度下聯合干燥的干燥速率較單熱泵有明顯提升;說明附加電壓對干燥速率的提升有較大作用。60 ℃單熱泵與55 ℃聯合干燥速率趨勢相似,這說明附加電壓可減小單熱泵溫度5 ℃左右,對一些熱敏性物料有潛在優勢。由圖3-b可知,單熱泵干燥在干燥溫度為50、55以及60 ℃時的干燥時間分別為110、90、70 min。聯合干燥在干燥溫度50、55、60 ℃時的干燥時間分別為90、70、60 min。同一溫度下,聯合干燥所需的干燥時間較單熱泵縮短14%～22%。單熱泵55、60 ℃分別與聯合干燥50、55 ℃干燥時間相同,這是因為高壓電場產生的離子風加快山藥片內部水分遷移至表層的速率,增加水分的遷移速度,這進一步證明聯合干燥有利于減低干燥溫度。

a-單熱泵干燥下山藥片的干燥曲線;b-聯合干燥下山藥片的干燥曲線圖3 單熱泵與聯合干燥下山藥片的干燥曲線Fig.3 Drying curve of yam slices dried by single heat pump and combined drying

2.2 不同電壓對山藥片干燥性能的影響

圖4為不同電壓下山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖4-a可知,聯合干燥下山藥片的干燥速率較0 kV(單熱泵)有明顯提升,并且隨著電壓的增加干燥速率也隨之增加,但增幅較小。另外,干燥速率隨干基含水率的減小而下降。由圖4-b可以看出,隨著電壓的提升,干燥時間分別為90、70、60、50 min。聯合干燥下山藥片的水分比比單熱泵要快,聯合干燥間的水分比曲線較為相似。這可以看出,在聯合干燥下,山藥片的水分蒸發比單熱泵更快,并且電壓越高水分蒸發越快,表明附加電壓可以縮短干燥時間,提升干燥速率。高壓電場產生的離子風[11]加快山藥片內部水分遷移至表層的速率,電場強度越大,水分子所受到的離子風越大,水分子的運輸速率隨之加快,擴散速率以及蒸發速率變大,進一步驗證高壓電場可以加快水分的蒸發。這與香蕉片的實驗結果一致[24]。

a-干燥速率;b-水分比圖4 不同電壓下山藥片的干燥曲線Fig.4 Drying curve of mountain slices under different voltages

2.3 不同風速下山藥片的干燥性能

圖5為不同風速山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖5-a可知,干燥速率隨干燥風速的增加而增加,即3 m/s具有較高的干燥速率。這是因為較大的干燥風速對山藥片表面水分汽化速率較大。干燥初期,干基含水率較高,干燥風速提升,水分蒸發速度快,導致干燥速率較大,干燥速率迅速提升至最大值后持續降速,直至到達干燥終點。低風速的干燥速率較高風速的干燥趨勢平緩。在干燥后期,不同風速間干燥速率變化不大,故可通過降低風速的方式,降低能耗、節約成本。由圖5-b可知,當風速分別為1、2、3 m/s時,樣品到達平衡時的時間分別為110、80、70 min,可以看出山藥到達干燥終點的時間隨風速的升高而縮短。干燥風速升高時,物料表面熱風流動較快,致使水分蒸發速率變快,水分比降低。

a-干燥速率;b-水分比圖5 不同風速下山藥片的干燥曲線Fig.5 Drying curve of slices under different wind speeds

2.4 復水率

復水率是指新鮮水果和蔬菜在干燥后吸收水分并恢復其原始新鮮度的能力。一般來說,干燥產品恢復新鮮狀態的程度越高,干燥產品的質量越好。圖6為干燥溫度、風速以及電壓下山藥片的復水率。單因素方差分析表明,風速變化以及附加電壓對山藥的復水能力都有顯著影響(P<0.05)。由圖6-a中可以看出,同一溫度下,聯合干燥較單熱泵提升6.3%～15.4%。55 ℃干燥的山藥片復水率較高,說明其吸水能力較好。這與ZZAMAN等[25]的研究一致。由圖6-b中看出,對照組(0 kV)時的復水率最低為1.89,在電壓80、90、100 kV的復水率分別較對照組增加6.3%,9.0%,3.8%。丁昌江等[15]研究了不同高壓電場強度下的干燥特性,發現復水率隨著高壓電場強度的升高而升高,他們認為在高壓電場的作用下,離子風沖擊樣品表面會使樣品形成多孔結構,這種結構會使樣品復水過程中吸收更多水的能力,從而增加山藥片的復水率。由圖6-c可知,復水率隨著風速的增加而逐漸降低,1 m/s時復水率最大,2、3 m/s較1 m/s分別減少3.9%、8.1%。這可能是因為隨著風速的增加,與離子風之間產生相互影響導致復水率的下降。

a-不同溫度干燥條件下的復水率;b-不同電壓干燥條件下的復水率;c-不同風速干燥條件下的復水率圖6 不同干燥條件下的復水率Fig.6 Rehydration rate under different drying conditions

2.5 有效水分擴散系數

有效水分擴散系數可以表現出干燥物料在干燥過程中水分遷移速度的快慢程度。表5顯示不同條件下的有效水分擴散系數。隨著溫度的提升,單熱泵干燥與聯合干燥的有效水分擴散系數均呈現處上升的趨勢,這說明溫度對水分的遷移有促進作用。同時,可以看出單熱泵55 ℃和聯合干燥50 ℃以及單熱泵60 ℃和聯合干燥55 ℃時的有效水分擴散系數相近,這印證了上文聯合干燥可降低干燥溫度5 ℃左右。隨著電場的增加,有效水分擴散系數也隨之增加,100 kV 時的有效擴散系數約為對照組的1.4倍,可以看出聯合干燥可有效提升有效水分擴散系數。隨著風速的增加,有效水分擴散系數隨之增大,但增速減小。

表5 不同條件下的有效擴散系數與活化能Table 5 Effective diffusion coefficient and activation energy under different conditions

2.6 活化能

干燥活化能是衡量干燥進程難易的重要指標,其值越小,表明干燥越易進行。表5為單熱泵與聯合干燥的活化能。計算得到單熱泵與聯合干燥的活化能分別為39.89、34.77 kJ/mol,聯合干燥的活化能較單熱泵減少約13%。這表明聯合干燥可降低干燥難度,使干燥更易進行。

2.7 單位能耗

由表6可以看出不同干燥條件下單位能耗的變化。由表6可知,溫度、電壓與風速對干燥能耗有不同程度的影響。山藥片的單位能耗在聯合干燥60 ℃條件下的能耗最低為18.38 kJ/g,單熱泵50 ℃時的單位能耗最高為26.95 kJ/g。同溫度下,聯合干燥的單位能耗較單熱泵可降低6%～19%。55 ℃單熱泵和50 ℃聯合干燥以及60 ℃單熱泵和55 ℃聯合干燥間的單位能耗相似,這又印證了上文所說聯合干燥可降低溫度5 ℃左右的說法。不同電壓下干燥山藥片的單位能耗隨著電壓的增大而逐漸減小,單熱泵與聯合干燥間的單位能耗存在較大差異,這說明附加電壓可有效降低單位能耗。不同風速下,干燥山藥片的單位能耗隨著風速的升高逐漸減小,熱風風速的增加導致物料表面水分蒸發速率變快,導致干燥時間縮短,從而影響干燥能耗。

表6 不同干燥條件下山藥片的單位能耗、感官評分以及總酚含量Table 6 Unit energy consumption, sensory score and total phenol content of yam slices under different drying conditions

2.8 山藥片的感官品質

表6顯示了不同干燥條件下山藥片的感官評分。由表6看出,溫度、電壓與風速對山藥片的感官評分都有不同程度的影響。隨著溫度的上升,單熱泵干燥與聯合干燥的感官評分為下降趨勢,但聯合干燥整體感官評分較單熱泵干燥要高10%～28%,一是因為高溫導致物料表面收縮卷曲,致使物料斷裂明顯;二是說明聯合干燥可以提升山藥片的感官評分。隨著電壓的升高,山藥片的感官評分呈現出先升后降的趨勢,55 ℃-80 kV時的評分最高為78.33。隨著風速的增加,山藥片的感官評分也隨之上升,3 m/s較1 m/s的感官特性提升21%。這是因為風速較低時,干燥速率較慢、干燥時間較長、形狀收縮較為嚴重,造成感官評分下降。

2.9 總酚含量

由表6可以看出不同干燥條件下總酚含量的變化。由表6可知,溫度與電壓對山藥片的總酚含量有不同程度的影響。單熱泵干燥時的總酚含量隨著溫度的升高而減小,50 ℃時的總酚含量約為55 ℃和60 ℃時的9%。這是因為溫度的上升,總酚的穩定性變差,更易分解。這與盛金鳳等[26]的研究結果相似。聯合干燥時的總酚含量整體上較單熱泵干燥時要高,60 ℃時的聯合干燥較單熱泵干燥提升了13%,這說明附加電壓能有效緩解高溫對總酚的負面影響。這在LAMMERSKITTEN等[27]的研究中也觀察到在電場的作用下總酚含量增加的結果。他們認為在電場干燥情況下,發生了某種生化反應,導致新化合物的生成。另外,也有人認為,是因為電場導致多酚氧化酶和過氧化氫酶等失活,使能較好的保存酚類化合物[28]。不同電壓下的總酚含量隨著電壓的升高而增大,80、90、100 kV分別較單熱泵提升0.5%、19.6%、12.3%,說明電壓90 kV以上的聯合干燥可有效提升山藥片中的總酚含量。不同風速下的總酚含量無明顯變化。

2.10 山藥片的數學干燥模型

2.10.1 干燥數學模型的建立

采用所選取的3個薄層干燥數學模型對不同干燥條件下的山藥片的水分比隨時間的實驗室數據進行擬合,得到各模型的待定常數,擬合結果見表7。

表7 山藥片薄層干燥模型參數統計結果Table 7 Statistical results of thin layer drying model parameters of yam slices

由表7可以看出,干燥曲線數據與干燥模型方程擬合的R2處于0.99之上,這說明這3個數學模型均能很好地描述山藥片干燥過程中的水分變化規律。其中,Page模型具有最高的R2、以及最低的χ2和RMSE,說明Page模型是描述山藥片聯合干燥的最佳模型。

2.10.2 模型的驗證

為了驗證模型的擬合效果,選取最適合的一組數據進行驗證,對實驗值和模型的預測值進行比較。在干燥溫度55 ℃、干燥風速3 m/s、電壓為80 kV的實驗條件下驗證的結果如圖7所示。由圖7可以看出,實驗值和模型預測值的擬合度較高,可以很好的用來描述山藥片熱泵-高壓電場聯合干燥下的水分變化規律。

圖7 Page模型的驗證Fig.7 Verification of page model

3 結論

為研究山藥片的熱泵-高壓電場聯合干燥特性,對山藥片在溫度50～60 ℃、電壓80～100 kV和風速1～3 m/s下進行干燥實驗。將山藥干片的復水率、水分擴散系數、活化能和干燥后山藥片中總酚含量等與單熱泵干燥(對照)進行了比較。采用3個常用干燥數學模型進行了模擬和分析。結果表明,山藥片的熱泵-高壓電場聯合干燥是一個降速干燥過程,提高干燥溫度可加快干燥速率。與單熱泵干燥相比,聯合干燥能有效降低干燥溫度5 ℃左右。隨著溫度的上升,單熱泵干燥與聯合干燥的感官評分都為下降趨勢,但聯合干燥整體感官評分較單熱泵干燥要高10%～28%。同一溫度下,聯合干燥的單位能耗較單熱泵最高可降低19%。55 ℃單熱泵和50 ℃聯合干燥以及60 ℃單熱泵和55 ℃聯合干燥間的單位能耗相似。聯合干燥的活化能較單熱泵減少約13%。聯合干燥時的總酚含量整體上較單熱泵干燥時要高,60 ℃時的聯合干燥較單熱泵干燥提升了13%。隨著電場的增強,有效水分擴散系數也隨之增加,100 kV時的有效擴散系數約為單熱泵的1.4倍。單因素方差分析表明,90 kV聯合干燥的復水率最高,較單熱泵干燥提升9.0%。電壓90 kV以上的聯合干燥可有效提升山藥片中的總酚含量。干燥風速升高時,物料表面熱風流動較快,致使水分蒸發速率變快。隨著風速的增加,有效水分擴散系數隨之增大,但增速減小;山藥片的感官評分也隨之上升,3 m/s較1 m/s的感官特性提升21%;單位能耗逐漸減小。通過對模型參數分析發現,Page模型更符合干燥實驗數據的變化規律,并且模型預測值與實驗值的擬合較優,可以很好地描述水分比的變化規律。本研究為優化熱泵-高壓電場干燥山藥片工藝,提高干燥效率和產品品質提供了實踐指導。