黑皮冬瓜空气能热泵干燥工艺参数优化

黄皓，胡珊，罗华建，梁卫驱，陈仕丽，钟鸣，徐匆

（东莞市农业科学研究中心，广东东莞523000）

冬瓜为葫芦科冬瓜属植物，果实中富含维生素C（VC）、烟酸、胡萝卜素、膳食纤维、钾钙磷等多种维生素和矿物质，具有清热解暑、祛湿消肿的功效[1]。黑皮冬瓜为冬瓜的一个品种，是广东东莞的特色名优蔬菜，以其瓜形好、品质优良、口感佳而深受市场青睐。冬瓜目前仍以鲜食为主，但近年随着黑皮冬瓜栽培面积增大，产量持续增加等原因，鲜瓜收购价格波动大，瓜农增产不增收，因此，瓜农采用人工晾晒的方法将冬瓜制干，既可延长冬瓜的保质期，又可提高冬瓜售价。然而，人工晾晒对天气条件要求较高，干燥效率低，且室外的环境卫生条件较差，大大影响了瓜干的品质。

空气能热泵干燥技术是近年流行起来的新型干燥技术，具有高效节能、清洁生产、环境友好、设备易于定制等优点，已广泛应用于食品、医药、烟草等行业，目前已有荔枝[2]、龙眼[3]、香蕉[4]等东莞特色农产品热泵干燥技术的研究报道，但冬瓜空气能热泵干燥工艺方面的研究还未见报道。

本文采用空气能热泵设备进行黑皮冬瓜干燥，研究瓜片厚度、干燥温度、干燥风速等参数对冬瓜热泵干燥过程及瓜干品质的影响，通过单因素、正交试验及综合加权评分法确定了黑皮冬瓜空气能热泵干燥工艺，为冬瓜干的规模化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

市售无病虫害、无机械损伤的新鲜黑皮冬瓜；抗坏血酸（分析纯，25 g）：广东光华科技股份有限公司；2，6-二氯靛酚钠（分析纯，5 g）：上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

空气能热泵烘干机（LAD-030）：广东瑞星新能源科技有限公司制造（工作温度：25℃～70℃，工作风速：0～2.5 m/s）；色差计（CR-10）：柯尼卡美能达；电热恒温水浴锅（HWS-26）：上海一恒科学仪器有限公司；电子天平（STX1202ZH）：奥豪斯仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9243BS-Ⅲ）：上海新苗医疗器械制造有限公司；切片机（XL-75）：广州市旭朗机械设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

新鲜冬瓜→清洗→去皮、去籽→切片→称重（1 000 g）→均匀摆盘（单层）→热泵干燥（每小时称重）→瓜干（品质指标测定）

1.3.2 单因素试验设计

单因素试验的因素水平分别为：切片厚度（2、4、6、8、10、12 mm）；干燥温度（45、50、55、60、65 ℃）；循环风速（1.0、1.5、2.0、2.5 m/s）。通过单因素试验确定黑皮冬瓜热泵干燥各参数的最适范围。

1.3.3 正交试验综合加权评分法

正交试验中，综合考虑明度指数值（L值）、复水比以及VC保留率这3项品质指标，对瓜干品质进行加权评分。采用专家赋权法确定各指标的权重，以满分100分计，L值权重分值为40分，复水比权重分值为25分，VC保留率权重分值为35分，综合评分为各指标加权得分之和[5]。各指标得分计算公式为：

式中：Yi为该指标加权得分；a为该指标权重分值；Wi为该指标实际试验结果；W0为该指标最佳试验结果，本试验以正交试验结果中各指标的最大值为最佳值。

1.4 指标检测方法

1.4.1 初始含水率

瓜片初始含水率采用直接干燥法测定[6]。

1.4.2 水分率

干燥过程中，物料质量及含水量均在变化，物料含水率的变化并不能很好的反应干燥速度，但干燥过程中，物料中干物质的质量基本不变，干物质所带水分在逐渐减少，因此，可用水分率（即1份干物质所含水分的份数）来表示干燥过程中水分的变化情况[7]，计算公式为：

式中：G为水分率；M为瓜片的含水率，%。

干燥前，先测得冬瓜的初始含水率，可计算出冬片的初始水分率，再通过记录干燥过程中瓜片的质量变化计算出对应的水分率，并绘制出干燥曲线[8]。

1.4.3 干燥率

干燥率是指制备一份干品所需要的新鲜原料的份数[7]，计算公式为：

式中：D为干燥率；M1为新鲜瓜片的含水率，%；M2为瓜干的含水率，%。

1.4.4 色泽测定

利用色差计，依据CIELAB表色系统测定瓜干的明度指数L，L=0表示黑色，L=100表示白色，瓜干L值越大，色泽越好[9]。

1.4.5 复水比

复水方法：称取适量瓜干放入装有60℃蒸馏水的烧杯中，将烧杯置于60℃水浴锅中，恒温复水1 h后取出，沥干3 min后称量[9]。

复水比计算公式为：

式中：Rf为复水比；m1为干制品的质量，g；m2为干制品复水后的质量，g。

1.4.6 维生素C（VC）含量的测定

采用2，6-二氯靛酚滴定法测定样品的VC含量[10]。

VC保留率计算公式为：

式中：K 为 VC保留率，%；C1为瓜干 VC含量，mg/100 g；C0 为鲜瓜 VC含量，mg/100 g；D 为干燥率。

1.5 数据处理方法

采用origin 8.0作图，SPSS Statistics 17.0做正交试验设计及数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 切片厚度对黑皮冬瓜热泵干燥速度及瓜干品质的影响

将新鲜冬瓜分别切成厚度为 2、4、6、8、10、12 mm的瓜片，在60℃和2.5 m/s风速条件下干燥至恒重，冬瓜片干燥过程的水分率变化曲线见图1，瓜干品质指标L值、复水比及VC保留率结果见表1。

图1 不同厚度冬瓜片热泵干燥曲线Fig.1 Heat pump drying curves of wax gourd with different slice thikness

表1 切片厚度对瓜干品质的影响Table 1 Effects of different slice thikness on the quality of dried wax gourd

由图1可看出干燥时间随着瓜片厚度的减小而缩短，瓜片越薄，水分从内到外迁移的距离越短，瓜片内传热传质阻力越小，干燥速度越快。从表1数据的单因素方差分析结果可知，切片厚度对瓜干的L值、复水比及VC保留率均有显著影响（P＜0.05）。L值结果显示随着瓜片厚度的增加L值先增大后减小，其中8 mm与10 mm厚度的瓜片烘干后L值较高，瓜片越厚干燥后组织间越紧密，瓜干外观越发饱满，色泽也较白，但瓜片过厚会显著延长干燥时间，增加瓜肉氧化程度使得瓜干发黄。复水比的结果表明瓜片越薄复水越快。VC保留率结果显示4 mm和6 mm瓜片烘干后VC保留率较高，可能瓜片太薄在切片过程中会有部分汁液流失，进而造成部分VC流失，瓜片太厚会延长干燥时间，加大VC损失几率。此外，在瓜片的包装过程中发现2 mm的瓜片烘干后过于薄脆，易碎裂。因此，综合考虑干燥速度与品质指标，4 mm～8 mm的厚度较为适合。

2.2 温度对黑皮冬瓜热泵干燥速度及瓜干品质的影响

将新鲜冬瓜切成厚度为8 mm的瓜片，分别在温度 45、50、55、60、65 ℃，风速 2.5 m/s的条件下干燥至恒重。冬瓜片干燥过程的水分率变化曲线见图2，瓜干品质指标L值、复水比及VC保留率结果见表2。

图2 冬瓜在不同温度下的热泵干燥曲线Fig.2 Heat pump drying curves of wax gourd at different temperatures

表2 不同温度对瓜干品质的影响Table 2 Effects of different temperature on the quality of dried wax gourd

由图2可看出干燥时间随着干燥温度的增加而缩短，温度升高加速了瓜片水分由内到外的扩散速度，同时降低了循环空气的相对湿度，增加了瓜片表面水分向干燥空气的扩散动力，进而缩短了干燥时间。由表2数据的单因素方差分析结果可知，干燥温度对瓜干的L值、复水比及VC保留率均有显著影响（P＜0.05）。L值结果显示65℃干燥的瓜干相对于45℃～60℃干燥的瓜干色泽指标显著降低（P＜0.05），冬瓜肉含水量较高，干制过程中温度过高组织中汁液迅速膨胀造成细胞破裂，内容物流出，所含有机物发生焦化，使得瓜干色泽发黄。复水比及VC保留率的结果显示温度过高或过低都会显著降低瓜干的复水比及VC保留率，60℃烘制的瓜干复水比及VC保留率最高。综合考虑干燥速度和品质指标，50℃～60℃较为合适。

2.3 风速对黑皮冬瓜热泵干燥速度及瓜干品质的影响

将新鲜冬瓜切成厚度为8 mm的瓜片，分别在风速 1.0、1.5、2.0、2.5 m/s，温度 60℃的条件下干燥至恒重。冬瓜片干燥过程的水分率变化曲线见图3，瓜干品质参数L值、复水比及VC保留率结果见表3。

图3 冬瓜在不同风速下的热泵干燥曲线Fig.3 Heat pump drying curves of wax gourd at different air speeds

表3 不同风速对瓜干品质的影响Table 3 Effects of different air speeds on the quality of dried wax gourd

由图3可看出增大风速可缩短干燥时间，但风速超过1.5 m/s后对干燥速度的影响开始变小，适当的增加风速可加速带走瓜片表面蒸发出的水分，使得瓜片表面与内部存在一定的水分压差，在压差作用下内部水分向表面迁移，但仅以压差为推力对内部水分扩散的影响较小[11]。由表3数据的单因素方差分析结果可知，风速对瓜干的L值、复水比及VC保留率均有显著影响（P＜0.05）。1 m/s风速干燥的瓜干相对于1.5 m/s～2.5 m/s风速下干燥的瓜干L值及复水比均显著降低（P＜0.05），且风速过快或过慢均会显著影响瓜干的VC保留率，风速过慢降低干燥速度，延长了干燥时间，增加了VC损失的几率，风速过快，使瓜片在干燥过程中接触过多新鲜空气，在一定程度上加速VC的氧化。结果显示1.5 m/s的风速下瓜干VC保留率相对较高。综合考虑干燥速度与品质指标，1.5 m/s～2.5 m/s的风速较为合适。

2.4 正交试验设计及结果分析

通过单因素试验确定了温度的适合范围为50℃～60℃，风速的适合范围为1.5 m/s～2.5 m/s，切片厚度的适合范围为4 mm～8 mm，采用L9（34）正交试验表，以L值、复水比、VC保留率及综合评分为响指标，设计三因素三水平的正交试验，对影响黑皮冬瓜热泵干燥工艺的关键参数做进一步优化。试验因素水平设计见表4，试验方案设计及结果见表5，数据直观分析结果见表6，数据的方差分析结果见表7。

表4 正交试验因素与水平Table 4Factors and levels of orthogonal experiment L9（34）

表5 正交试验方案设计及结果Table 5 Orthogonal experimental design and results

表6 数据直观分析结果Table 6 Data visual analysis results

续表6 数据直观分析结果Continue table 6 Data visual analysis results

表7 方差分析结果Table 7 Variance analysis results

由表6数据的极差分析结果可知，影响L值的主次因素依次为厚度＞风速＞温度，影响复水比的主次因素依次为厚度＞风速＞温度，影响VC保留率的主次因素依次为温度＞厚度＞风速，厚度是影响L值和复水比的主要因素，由表7的方差分析结果也可看出厚度对L值和复水比有显著影响，但分别以L值、复水比和VC保留率为评价指标所得最佳方案各不相同，因此采用综合加权评分法优化出最佳方案为温度60℃，风速1.5 m/s，切片厚度6 mm。采用最佳方案进行3次平行验证试验，制得瓜干的L值为86.2，复水比为6.82，VC保留率为84.37%，综合评分为92.91分，平行实验数据相对误差在5%以内，与优化结果相符。

3 结论

本文通过单因素及正交试验研究切片厚度、干燥温度及风速对黑皮冬瓜空气能热泵干制过程及瓜干品质的影响。单因素试验结果表明切片厚度、干燥温度及风速均对干燥速度及瓜干品质有显著影响。瓜片越薄，干燥速度越快，但过薄的瓜片烘干后极易碎裂和吸潮，适合的厚度范围为4 mm～8 mm；提高温度可以加速干燥，但温度过高会显著降低瓜干的L值、复水比及VC保留率，适合的温度范围为50℃～60℃；适当加大风速可提升干燥速度，但持续加大风速对干燥过程的加速效果不明显，且会降低瓜片的VC保留率，适合的风速范围为1.5 m/s～2.5 m/s。在单因素试验结果的基础上通过正交试验及综合加权评分法确定黑皮冬瓜空气能热泵的最适干燥工艺为温度60℃，风速1.5 m/s，厚度 6 mm。