热泵干燥核桃的试验研究

陈盈希， 兰青， 季旭， 彭福明， 夏朝凤， 李绚阳

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650092；2.昆明永淦节能科技有限公司，云南 昆明 650301)

引 言

核桃是大理漾濞县的主要经济作物之一，种植面积大，经济效益高，因此核桃的贮藏保鲜加工技术成为农户所关心的问题.为了延长核桃保质期，带来更加适宜的口感，加速挥发性物质的挥发和不饱和脂肪酸的氧化，进而加工成其他优质的核桃产品，需要对核桃进行干燥.现有对核桃的处理研究主要集中在考察干制后的核桃在不同处理条件下的变化[1-4].去皮鲜核桃的干制通常分为自然晾晒、有烟烘烤和无烟烘烤.其中自然晾晒由于在室外进行卫生环境条件差，产品质量低.而有烟烘烤和无烟烘烤都是利用煤或柴燃烧产生的热烟气直接或间接的烘烤核桃，由于煤中含有硫元素具有漂白作用，干燥后会使核桃颜色发白，长期食用对人体有一定危害且煤燃烧产生的大量污染物会对环境造成破坏.基于传统干燥方法的缺点，新型干燥方法如微波干燥、吸附干燥、变压干燥、真空冷冻干燥等成为目前研究的热点[5]，虽然上述方法可以较大幅度提升核桃的干燥品质，但是存在设备花费较大、生产量小等缺点，所以都处于试验研究阶段.

热泵是一种热能提升装置，它从低温热源吸取热量，并将其传递给温度较高的被加热物体.与传统方式相比，采用热泵设备进行干燥具有节能、高效、干燥温度范围广、产品卫生、环保等优势.随着热泵干燥技术的发展，国内外学者对农产品、海产品和蔬菜等进行了大量的热泵干燥试验研究[6-11].CL Hii等采用热泵设备对可可豆进行干燥，就酸性程度和褐变程度而言，热泵干燥的可可豆品质优于市售样品[12].刘兰等利用热泵设备对罗非鱼进行变温和恒温干燥，发现在设定条件下，同一装置的变温干燥比恒温干燥在相同时间内可获得更低的含水率，且复水率有所提高[13].近年来，我国一些地区已开始使用热泵对海产品进行干燥，但是利用热泵对新鲜核桃进行干燥的实验研究则少见.本文针对新鲜核桃的热泵干燥过程进行了初步研究，为进一步探索和改善核桃干燥加工提供一定的理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

选取云南大理漾濞县的大泡核桃.

1.2 实验系统与工作原理

图1给出了课题组研发的热泵干燥系统图.主要包括干燥房、旋转滚筒、室外机、排湿风机和自动控制系统等.其中，旋转滚筒转速为0.5 r/min，可使物料均匀受热.此外，试验还采用了：DKG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱；电子分析天平；CEM.DF.8820型多功能环境测试仪.设备工作原理为：干燥介质经过室外蒸发器时被吸收热量温度下降，经过系统的冷凝器时，吸收热泵系统放出的热量，最后变成高温低湿的空气.热空气经过待干燥的物料，吸收水分变成湿空气，根据干燥房的湿度要求，将湿空气通过排湿风机排向大气，补风口再通入新的空气.如此循环往复，对物料进行干燥.干燥时间、干燥温度、干燥介质相对湿度均可设定，无需人值守.

图1 热泵干燥系统结构简图

1.3 核桃预处理

将采摘的新鲜核桃进行脱皮清洗，严格挑选大小相近、形状饱满、颜色均匀的核桃沥干水分，用于热泵干燥试验.

1.4 实验设计

核桃在干燥过程中果皮的失水率快，而果仁失水率较慢.较高的干燥温度有利于缩短干燥时间，而根据胡伯凯等人的研究，当干燥温度为55 ℃时，核桃中的游离脂肪酸较多且过氧化值较高，贮藏过程中越容易发生酸败[14].所以我们将温度选取在35 ℃到50 ℃之间.较低的空气相对湿度能够带走物料排出的大量水汽，加快干燥速率，但是过低的空气相对湿度可能会使物料产生龟裂且设备需要大量排湿而耗能，因此我们选定了两个相对合适的空气相对湿度：35%和45%.本次试验设计了8个相对适宜的干燥条件(表1)，探究干燥温度和湿度对核桃的影响.

表1 热泵干燥工艺条件

1.5 试验测试指标

1.5.1 水分

采用《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行水分测定.关键步骤为干燥过程中每3 h选取10颗大小均一的核桃样品，尽可能切碎，精密称取切碎的样品，干燥至恒重，以干基湿含量表示含水率，干基湿含量Xm、湿基湿含量Wm分别可以通过公式[15](1)、(2)计算：

(1)

(2)

式中，Mw为物料中水分质量；Md为物料中干物质质量.

1.5.2 干燥速率

通常定义干燥速率为物料干基湿含量随时间的变化率，计算公式如下：

(3)

式中，Nd为干燥速率；Md，i为时间为ti时干基.

2 结果与分析

2.1 核桃的干燥曲线

不同温度和湿度条件下，热泵干燥鲜核桃的干燥曲线如图2所示.

图2 不同条件下的核桃热泵干燥特性曲线

Fig.2 Heat pump drying characteristics curves of of walnut under different conditions

由图可知，在初始含水率为50%的条件下，随着干燥的进行，核桃的含水率呈递减趋势.干燥温度对核桃的干燥过程影响较大.当干燥温度为35 ℃时，干燥耗时63 h，当温度升高到40 ℃和45 ℃时，耗时分别为51 h和42 h，省时20%和33%.当温度继续升高到50 ℃时，干燥时间并没有明显缩短.分析原因可能是过高的空气温度使核桃果壳外表面在干燥前期失水过快，果壳缩水较严重，内褶壁发达，果壳传质速率降低，果仁蒸发出的水汽难以通过内褶壁向果壳表面扩散，水汽滞留于果仁与果壳间的空隙中.当干燥温度在35～45 ℃、空气的相对湿度在35%时能缩短干燥时间.通过曲线可以看出：在此温度范围内，干燥初期，干燥介质的相对湿度对核桃的干燥过程有一定的影响，在干燥后期，相同温度不同湿度的干燥曲线近似重合在一起，空气相对湿度的影响减少.这是因为，核桃果壳起初的传质速率高于内部传质速率，空气的相对湿度越低，带走核桃排出水分的能力越强，随干燥的进行，果仁的水分扩散速率降低，水分滞留在果仁和果壳之间，果壳的传质速率降低，因此干燥介质的相对湿度的影响逐渐减少.当温度升高到50 ℃时，空气的相对湿度对干燥过程基本没有影响，两条曲线近似重合在一起.

2.2 核桃的干燥速率曲线

图3所示为不同温度和相对湿度条件下核桃热泵干燥的速率曲线.

图3 核桃在不同条件下的热泵干燥速率曲线

Fig.3 Walnut drying rate curves under different conditions

由图3可知，核桃的干燥过程可分为预热、恒速和降速三个阶段.核桃热泵干燥的预热和恒速阶段都很短.各干燥条件下的预热时间在4～10 h，且干燥温度越高，有利于缩短预热阶段的时间；同样，恒速阶段时间约为5～15 h.上图表明，随着干燥温度升高，恒速期的干燥速率也将越大，最高可到0.06 kg/(kg·h).由于热泵系统的初始温度为13 ℃，相对湿度为65%,且由于起初环境温度较低，所以热泵回收的热量较少，干燥速率较慢.当温度升高且相对湿度降低时，核桃外壳表面的水分持续蒸发，在温度和湿度的作用下，干燥速率升高，到干燥后期，干燥速率开始下降.干燥温度越低、湿度越高，降速阶段在干燥时间所占的比例越大，其原因主要是该阶段的干燥速率受外部因素的影响变少，核桃本身的结构属性对干燥速率的影响变强.当温度在50 ℃时，在干燥初期干燥速率很快，但是由于核桃结构的改变，在后期阶段干燥速率非常缓慢且降速阶段占整个干燥阶段的比例增大.

2.3 最佳干燥工艺方案的确定

通过分析核桃的热泵干燥曲线，从干燥速率的角度，温度45 ℃且相对湿度为35%的条件为干燥核桃的适宜条件.但是根据核桃在定色期间温度不宜过高且需要大排湿，在后期由于湿度对干燥过程的影响较小，出于节能和提高效率的角度，我们设计如下方案：定色阶段将温度设为40 ℃，湿度35%，保持8～10 h；后期将温度设为45 ℃，湿度为45%，保持30 h.采取该方案又进行了实验，并且将实验结果和样品与前面8组实验样品进行了对比.结果表明该组实验样品含水率完全符合标准，且样品色泽更好，果壳的颜色与果仁的口感更符合市场需求.因此，将上述方案作为最佳干燥工艺方案.

3 经济效益分析

热泵干燥与其他常规能源干燥方法的对比如下表所示.采用热泵干燥核桃的工艺具有传统干燥方法不可比拟的优势.从干燥时间来看，如果采用自然晾晒的方法，自然晾晒的时间为7天[16]，用煤干燥则需4～5天.采用热泵大约40 h左右，时间大大缩短，且产品干净卫生，合格率更高.采用热风干燥的方法，干燥500 kg核桃需要400 kg的标准煤，成本为0.44元/kg；用热泵干燥核桃，只需消耗220度电，电成本为0.28元/kg；用热泵干燥比用热风干燥可减少36%的成本，且采用热泵设备对环境没有污染，可减少344 kg二氧化碳、10.4 kg二氧化硫、9.6 kg氮氧化物的排放.从节省劳动力的角度，传统烤房从采摘核桃到烘烤完成需要大约20人；采用热泵设备烘烤核桃过程全自动，无需人值守，只需10人即可，因此热泵设备可以节约50%的劳动力.从品质的角度，用煤干燥的核桃颜色偏白，有烟熏味，长期食用对人体有害；采用热泵干燥出的核桃，更贴近核桃本身的色泽和口感，出售时更受欢迎且售价更高.热泵干燥装置比普通干燥装置在技术、经济、环境等方面具有显著优势.

表2 热泵干燥与传统干燥方式的比较

4 结 论

采用热泵干燥核桃的时间比自然干燥周期缩短了80%，比传统干燥方式周期缩短了将近50%.避开了雨林和尘土，提高了核桃的优等品率.

虽然干燥温度和干燥湿度都是影响干燥过程的重要因素，但是干燥温度并不是越高越好.当干燥温度在35 ℃到45 ℃范围内升高温度有利于改善干燥速率，但是当温度升高至50 ℃时，核桃的热泵干燥时间并没有明显改善.空气的相对湿度35%比45%更适合于干燥过程.干燥相对湿度在干燥前期对干燥物料有一定影响，在后期影响减少.

确定了最佳的热泵干燥核桃的工艺参数：定色阶段将温度设在40 ℃，湿度在35%，保持8～10 h，后期将温度升高至45 ℃，湿度在45%，保持30 h.

热泵干燥的适用物料广泛，干燥温度范围宽，湿度可变性强.对环境零污染，可减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放.与采用热风干燥方式相比可节约36%的能源，节省50%的劳动力.从销售的角度，热泵干燥出的核桃价格高于其他干燥方式核桃的价格.

[1] 王克建,郝艳宾，张烨，等.不同包装处理对碎核桃仁中抗氧化物质的影响[J].食品科学,2005,2690(8):418-421.

[2] 李鹏霞,王炜，梁丽松，等.不同贮藏温度对核桃生理和品质的影响[J].保鲜与加工,2009,53(4):38-41.

[3] 周柏玲,李蕾，孙秋雁，等.玉米醇溶蛋白复合膜包衣对核桃仁酸败抑制效果的研究[J].农业工程学报,2004,20(4):180-183.

[4] LOPEZ A,PIQUE M T,ROMERO A,et al.Influence of cold stronger conditions on the quality of unshelled walnuts[J].International Journal of Refrigeration,1995,18(8):544-549.

[5] 徐珊，张海生，赵焕霞，等.核桃干制技术的研究进展[J].农产品加工,2013，325:52-54.

[6] 李志远，胡晓静，叶盛英，等.胡萝卜热泵干燥特性及数学模型的研究[J].食品与发酵工业,1999:25(6)：1-4.

[7] 赵海波，杨昭.白菜种子热泵干燥过程动态模型研究[J].农业机械学报,2011,42(11)：118-123.

[8] 母刚，张国琛，邵亮.热泵干燥海参的初步研究[J].渔业现代化,2007,34(5):47-48.

[9] 姜启兴，宗文雷，于沛沛，等.大蒜热泵干燥生产工艺的研究[J].安徽农业科学，2010,38(19):10259-10261.

[10]母刚，张国琛.热泵干燥北极虾工艺研究[J].水产科学，2013,32(6):343-347.

[11]许珊，张海生，赵焕霞，等.核桃干制技术的研究进展[J].农产品加工：学刊，2013,325(8):52-55.

[12]HII CL，LAW CL，SUZANNAH S.热泵干燥可可豆品质的研究[J].干燥技术与设备,2013，11(3):46-56.

[13]刘兰,关志强，李敏.罗非鱼片热泵干燥时间及品质影响因素的初步研究[J].食品科学,2008,29(9)：307-310.

[14]胡伯凯,徐莉,陈吉,何贵田.干燥温度对核桃品质的影响[J].食品工业科技.2013,34(4)：285-288.

[15]伊松林,张壁光.太阳能及热泵干燥技术[M].北京:化学工业出版社,2011.

[16]沈卫强，刘小龙，田翔，等.果蔬太阳能热泵组合干燥设备干燥核桃的试验研究[J].中国农机化，2012 (3):107-108.