柠檬热泵干燥工艺参数优化

龚丽，刘清化，刘军，*，陈永春，龙成树

（1.广东省农产品干燥加工工程重点实验室，广东广州510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东广州510630）

柠檬热泵干燥工艺参数优化

龚丽1，2，刘清化1，2，刘军1，2，*，陈永春1，2，龙成树1，2

（1.广东省农产品干燥加工工程重点实验室，广东广州510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东广州510630）

以新鲜柠檬为原料，干燥温度、切片厚度及风速作为试验因素，维生素C含量、干燥时间和感官评定值作为评价指标，对柠檬片热泵干燥工艺进行试验研究，利用正交试验综合平衡法对试验数据进行优化分析，结果表明，影响干燥时间的主要因素是干燥温度，风速对维生素C和干燥时间有一定的影响，方差分析得到：厚度对柠檬维生素C含量具有显著性影响。正交试验优化柠檬片热泵干燥工艺参数：温度为60℃、风速为0.5m/s、厚度为4mm，干燥时间7.5 h，维生素C含量289.47mg/100g，感官评定值为84，干燥后维生素C保留率为67.72%。

柠檬；热泵干燥；正交试验；综合平衡法；工艺参数

柠檬（Citrus limon）为芸香科柑橘属常绿小乔木，柠檬中富含维生素C和柠檬酸[1]，是一种具有很高营养价值和药用价值的水果。柠檬具有季节性，新鲜柠檬不易储藏，而对新鲜柠檬进行切片干燥有利于长时间保存，可以用开水冲泡作为柠檬茶饮用。

目前，国内柠檬片干燥主要采用热风烘干、真空冷冻干燥和太阳能干燥等。谢振文等对柠檬进行真空冷冻干燥工艺参数优化研究，得到了最佳工艺参数[2]；常婷婷等对柠檬热风干燥工艺进行了优化，得到温度为80℃，厚度为3mm，风速为0.5m/s，维生素C含量为137.06mg/100 g[3]；黄艳斌等进行了柠檬热风干燥特性及数学模型研究，得到柠檬热风干燥符合Page模型[4]；Ho-Hsien Chen等进行了封闭式太阳能干燥柠檬设备研究[5]。柠檬片真空冷冻干燥成本较高，无法大规模进行工业生产，热风干燥存在着能耗高、品质较差的问题。热泵干燥是一种节能干燥技术在干燥领域得到了广泛应用，例如稻谷干燥、果蔬干燥、种子干燥和水产品干燥等[6]，其在农副产品中的应用优势主要体现在节能和品质保证方面[7-8]。本文以新鲜柠檬为原料，对柠檬片进行热泵干燥试验，探讨热泵干燥过程中温度、风速、切片厚度对干燥速度、复水比及维生素C含量的影响，对提高柠檬的干燥效率和品质具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柠檬：英德市广海农业发展有限公司，新鲜、无损伤、形状均称、大小基本一致，初始含水量85.16%，均重量为110 g，维生素C平均含量为67.46mg/100 g。

抗坏血酸（C6H8O6，分析纯，规格25 g）：上海伯实生物科技有限公司。

1.2 主要仪器设备

RG-15多功能环保介质热泵干燥机：广东省现代农业装备研究所自制；MA150型水分测定仪：德国赛多利斯集团；FA/JA系列上皿电子天平：上海天平仪器厂；UV-180OPC型紫外可见分光光度计：上海亚荣生化仪器厂；KA32L型风速测定仪：沈阳加野科学仪器公司；W201D恒温水浴锅：上海申顺生物科技有限公司等。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

清洗→切片→称重→均匀平铺在物料盘上→物料放入干燥室脱水→记录干燥数据及成分测定

1.3.2 单因素试验设计

单因素热泵干燥柠檬片试验因素及水平分别为干燥温度：35、45、55、65℃；风速：0.5、1.0、1.5、2.0m/s；柠檬片厚度：2、4、6、8mm。通过单因素试验确定柠檬热泵干燥正交试验各因素的适合范围。

1.3.3 正交试验综合平衡法

在正交试验中，通常采用单一试验指标评价，而在本次试验中的评价指标有干燥时间、维生素C含量和柠檬片干的感官评定值，需要综合考虑各因素对三者之间的影响。对于多指标的评价问题，通过综合平衡法，分别评价温度、风速和厚度对干燥时间、维生素C含量和感官评定值的影响，然后根据各因素对指标的影响程度（极差值的大小）进行综合分析，确定温度、风速和厚度的最佳水平，得到最佳工艺参数[9]。

1.4 指标测定

1.4.1 复水比的测量

随机称取8 g～10 g柠檬片，1 000mL烧杯中加热水500mL，调节温度60℃，置于60℃恒温水浴锅复水2 h，前1 h每15分钟测量1次质量，后1 h每30分钟测量1次质量，3 h后，每60分钟测量1次质量，测量时应用滤纸吸干表面水分。

式中：G1为干燥柠檬片复水后沥干的质量，g；G2为干燥柠檬片质量，g。

1.4.2 抗坏血酸含量的检测

抗坏血酸含量的检测采用紫外分光光度计测量法。

1.4.3 干燥柠檬片的感官评定

根据如下感官评分表，选取10人对柠檬片进行感官评价。

表1 柠檬片感官评定Table1 Sensory evaluation of lem on slices

2 结果与分析

2.1 干燥温度对柠檬片干燥速度的影响

不同干燥温度下柠檬片热泵干燥曲线如图1所示。

图1 不同干燥温度下柠檬片热泵干燥曲线Fig.1 Theheat pump d rying curveof lem on under different temperature

图1表明在相同的厚度（4mm）和风速（0.5m/s）条件下，干燥温度越高柠檬片干燥速度越快，35℃和65℃时干燥时间分别为72 h和6 h。这是因为风速度越大对流换热系数和对流传质系数越大，传质速率越高，干燥速度越快[9]。

2.2 柠檬切片厚度对干燥速度的影响

不同切片厚度下柠檬片热泵干燥曲线如图2所示。

图2 不同切片厚度下柠檬片热泵干燥曲线Fig.2 Theheatpum p drying curveof lemon under different thickness

图2表明在相同的温度（55℃）和风速（0.5m/s）条件下，切片厚度越薄干燥速度越快，2mm和8mm厚度的柠檬片干燥时间分别为4 h和28 h，厚度在2mm～4mm之间干燥速度变化较大，6mm～8mm之间变化较为平缓。由于切片越厚物料中心水分越难迁移，且厚片中完整果粒所占比例大，而完整果粒因有一层膜包裹其内部水分难挥发，导致干燥时间越长。

2.3 干燥风速对柠檬干燥速度的影响

不同风速下柠檬热泵干燥曲线如图3所示。

图3 不同风速下柠檬热泵干燥曲线Fig.3 Theheat pum p drying curveof lemon under differentwind spee

由图3表明，在相同切片厚度（4 mm）和温度（55℃）条件下，干燥风速对柠檬片干燥速度有一定的影响，干燥风速越大干燥速度越快，这是因为风速越大，干燥介质与柠檬片之间的对流传热膜系数越大，传热传质速度提高的缘故[10]。

2.4 不同干燥条件对柠檬复水性的影响

不同干燥温度下柠檬干复水曲线如图4所示，不同厚度下的柠檬干复水曲线如图5所示，不同风速下柠檬干复水曲线如图6所示。

在农产品干燥中，干燥后产品的复水率是衡量产品品质的重要指标。图4表明干燥温度越高，柠檬片复水性越好，干燥速度过慢会形成致密结构而导致柠檬片复水性较差。图5表明切片厚度为2mm复水性最好，切片厚度4mm～8mm变化不明显，可能是由于切片越薄，果粒破坏率越大，复水性越好。图6表明风速在1.0m/s附近柠檬片的复水性最好，风速太大和太小都会影响柠檬片的复水性。

图4 不同干燥温度下柠檬干复水曲线Fig.4 Different temperatureson the lemon dry rehydration curve

图5 不同厚度下柠檬干复水曲线Fig.5 Different thicknesson the lemon dry rehydration curve

图6 不同风速下柠檬干的复水曲线Fig.6 Differentwind speed on the lemon dry rehydration curve

2.5 正交试验设计及结果分析

单因素试验中确定正交温度范围为40℃～60℃，风速为0.5m/s～1.5m/s，厚度为2mm～6mm，正交试验因素与水平设计见表2。设计三因素三水平的正交试验，选择L9（34）正交试验表，并以干燥时间（h）、干柠檬片中维生素C含量（mg/100 g）和感官评定值为指标进行分析，结果见表3和表4。

表3和表4数据分析表明，在一定范围内，干燥时间越短越好，维生素C含量和感官评定值，评价指标值越大越好。由干燥时间极差分析可知，干燥温度极差值最大，即干燥温度是影响干燥时间的主要因素即A3为最佳水平，由感官定值和维生素C含量极差分析结果可知，切片厚度是影响感官评定和维生素C的主要因素C2为最佳水平，同时风速在两者的极差分析中为最小影响因素，综合温度单因素试验结果，选择B1作为最佳水平，根据上述温度、风速及厚度3个因素对柠檬片干的干燥时间、维生素C含量和感官评定值3个评定指标的极差分析，得到柠檬片热泵干燥的最优的工艺组合为：干燥温度60℃，风速0.5m/s，切片厚度4mm（A3B1C2）。

表2 正交试验因素与水平设计Table2 Factorsand levelsof orthogonalexperiments L9（34）

表3 正交试验结果Table3 Orthogonalexperimental results

表4 数据直观分析结果Table4 Data visualanalysis resu lts

表5数据表明，厚度对维生素C含量的影响具有显著性。

表5 维生素C含量方差分析结果Table5 Varianceanalysisof Vitam inC content

在最佳干燥工艺条件下进行3次平行验证试验，试验结果为：干燥时间为7.5 h、维生素C平均含量为289.47mg/100 g、柠檬酸平均含量为15.39%，感官评定平均值为84，平行试验数据相对误差在5%以内，与优化结果相符，且较文献报导的热风干燥后柠檬片维生素C含量高[3]，说明热泵干燥可以减少柠檬片中维生素C含量的损失。

3 结论

热泵干燥单因素试验数据分析得到温度、风速、厚度与成品质量的关系。正交试验数据直观分析得到干燥时间影响程度为：温度＞厚度＞风速，维生素C含量与感官评定值影响程度为：厚度＞温度＞风速，方差分析结果显示切片厚度是影响维生素C含量的显著因素。正交试验结果分析得到最优的工艺参数：温度为60℃、风速为0.5m/s、厚度为4mm，在优化条件下进行试验验证，试验结果为柠檬干燥时间7.5 h，维生素C含量289.47mg/100 g，感官评定值84，维生素C保留率为67.72%。在本试验中发现柠檬片在常温贮藏15 d后颜色变化严重，而低温贮藏色泽可以保持一个月以上，具体贮藏技术还有待进一步研究。

[1]高俊燕,朱春华,李进学,等.柠檬加工综合利用的研究进展[J].亚热带农业研究,2009,5(1)：64-68

[2]谢振文,张帮奎,涂雪令,等.真空冷冻干燥柠檬片工艺参数优化研究[J].食品与发酵科技,2010,46(3)：51-54

[3]常婷婷,张欣,熊伟成,等.柠檬片热风干燥工艺参数优化[J].农产品加工(学刊),2013(16)：34-37

[4]黄艳斌,郑优,陈海桥,等.柠檬热风干燥特性及数学模型[J].食品工业科技,2012(14)：169-172,191

[5]Ho-Hsien Chen,Carlos Eduardo Hernandez,Tzou-Chi Huang.A study of the drying effect on lemon slices using a closed-type solar dryer[J].Solar Energy,2005(78)：97-103

[6]张艳来,尹凯丹,龙成树,等.热泵技术在我国农产品干燥中的应用及展望[J].农机化研究,2014(5)：1-7

[7]张绪坤,胡文伟,张进疆,等.国内外热泵干燥的现状与展望[J].江西科学,2009,27(4)：629-633

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[9]郑少华,姜奉华.试验设计与数据处理[M].北京：中国建材工业出版社,2004：71-73

[10]王会林,卢涛,姜培学.生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟[J].农业工程学报,2014(20)：325-333

Optim ization of Heat Pum p Drying Technology Param eters of Lemon

GONG Li1，2，LIUQing-hua1，2，LIU Jun1，2，*，CHENYong-chun1，2，LONGCheng-shu1，2
（1.Key Lab ofGD for AgriculturalProductsDry Processing Engineering，Guangzhou 510630，Guangdong，China；2.Guangdong AgriculturalMachinery Research Institute，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

With fresh lemon as rawmaterial，temperature，thicknessand speed asexperimental factors，vitamin C content，drying time and sensory evaluation isevaluation of lemon experimental study ofheatpump drying technology.Using orthogonalofoverallbalancemethod experiment to optimize the analysis ofexperimental data，the results shoWthat themain factors affecting the drying time is temperature，wind speed has a certain impacton Vitamin Cand drying time.Analysisofvariance showed that：the thicknesshasa significant influence on Vitamin C contentof lemon.Orthogonaloptimization lemon heatpump drying processparameters：temperatureof60℃，wind speed of0.5m/s，the thicknessof4mm，drying time7.5 h，Vitamin C content289.47mg/100 g，sensoryevaluation is84，afterdrying Vitamin C retention rateof67.22%.

lemon；heatpumpdrying；orthogonalexperiment；theoverallbalancemethod；processparameters

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.017

2016-07-16

柠檬产地初加工技术推广与服务；2013年中央财政专项农业技术推广与服务补助资金（粤农财[2014]19号）

龚丽（1975—），女（汉），副研究员，博士，主要从事农产品贮藏加工工艺研究。

*通信作者：刘军，男，硕士，主要从事农产品干燥加工工艺及设备研究工作。