梨片热泵干燥设备设计及干燥特性

2021-10-20崔朝经黄金关军锋卢邦纬张振涛赵丹丹

食品工业 2021年9期

崔朝经，黄金，关军锋，卢邦纬，张振涛，赵丹丹, *

1. 河北科技大学食品与生物学院（石家庄 050018）；2. 河北省农林科学院遗传生理研究所（石家庄 050051）；3. 中国科学院理化技术研究所（北京 100190）；4. 河南佰衡节能科技股份有限公司（新乡 453000）

雪花梨集中产于河北省赵县，是该省土特名产之一，赵州雪花梨作为农牧渔部门命名的优质农产品，深受国内外消费者喜爱。雪花梨富含维生素、配糖体及鞣酸等成分，具有生津止渴、开胃、助消化、化痰驱风、醒酒、解疮毒等功效，可作为高血压、肝硬化、肝炎、冠心病等疾病的辅助治疗果品。

中国梨果仍以鲜食为主，加工产品较少。将梨果进行干制，在保持其本身味道的基础上，增加了可咀嚼性，干制后的梨片既可进行直接食用，又可进行梨粉、梨酒、梨酱的生产，扩大食品食用多样性[1]。果蔬物料经干制后，由于水分减少，能够有效抑制微生物活性，延长货架期和保质期，且由于体积的缩小，在运输过程中能减少损伤和破坏，为长途运输提供方便。因此梨片的干制对于梨果的精深加工和附加值的提高具有重要意义。热泵干燥能够有效地进行废热回收，干燥温度范围较广，温湿度可控可调，且范围较广，因此具有节能环保、干制产品品质较高等优点，目前成功应用于果品、蔬菜、植物药材、粮食种子、烟草等农产品的干燥研究及生产应用中[2-4]。

试验通过设计满足50 kg新鲜梨果的小型热泵干燥设备，对梨片热泵干燥过程中的干燥系统性能（温湿度控制、压缩机性能）、梨片干燥动力学特性、干制品色泽、抗氧化性指标及干燥能耗进行评价和分析，为梨片的热泵干燥研究及生产应用提供数据和支撑。

1 材料与方法

1.1 梨片热泵干燥设备设计

根据前期试验梨片热风（60~70 ℃）干燥过程失水特性研究并结合企业调研，通过计算得到适宜的平均失水百分比速率，干燥50 kg梨片（初始含水率85%）时，平均失水速率2.28~3.42 kg/h，为保证供热充足，取3.42 kg/h，计算方法[5-6]如下。

在干燥过程中，物料中的水分蒸发所需热量Qw按式（1）计算。

式中：Gw为失水速率，kg/h；γ为水分平均汽化潜，kJ/kg。

试验过程中，环境的平均干球温度ta=15 ℃，相对湿度φ=30%，在最大排湿阶段，排湿空气温度tw=50℃，相对湿度40%，新风量Gd按式（2）计算。

式中：da为新风湿含量，kg/kg；dw为排湿空气湿含量，kg/kg。

空气加热所需要的热量Qa按式（3）计算。

式中：cp为空气的定压比热，取1.1 kJ/（kg·K）。

物料加热所需要的热量Qj按式（4）计算。

忽略干燥室与外界环境的热交换所产生的热量，则热泵需提供的总热量Qc按式（5）计算。

设计中，取5%的裕量，则Qc为3.68 kW。

根据能量分析和能量调节的需要，系统选用1台2HP压缩机，干燥室内布置2列烤盘；干燥室内为保证送风均匀性，其送风方式和回风方式如图1所示。

图1 热泵干燥设备图

1.2 试验材料

赵县雪花梨，购于赵县雪花梨基地，干基含水率7.33±0.58 g水/g干基，选择直径10.2±2.0 cm，于4 ℃保藏备用。将清洗干净的梨用圆形模具切成半圆柱，将其切成厚度0.5 cm半环状片，放置托盘进行干燥。

1.3 试验方法

1.3.1 干燥动力学特性

在干燥过程，每30 min进行称重测试，梨片的干基含水量（Mt，g水/g干基）和水分比（MR）按式（6）和（7）计算[7-9]。

式中：Mt为t时刻干基含水量，g水/g干基；M0为初始时刻的干基含水量，g水/g干基。

干燥速率（DR，g水/g干基·h-1）按式（8）计算。

式中：ΔMt为t-1至t时刻内的失水量，g水/g干基；Tt为t-1至t时刻内的时间，h。

1.3.2 干燥模型——Weibull分布函数

Weibull分布函数由式（9）表示[10]。

式中：α为干燥过程中的速率常数，h；β为形状参数。

1.3.3 总酚含量的测定[11]

提取：将1.0 g梨片干制品粉末置于80%甲醇水溶液（25 mL）中，进行超声提取（30 ℃，30 min），在4℃下离心10 min（10 000×g），收集上清液，重复提取2次，合并上清液，定容至100 mL。

测定：采用Folin-Ciocalteu比色法。将提取液（0.8 mL）和稀释10倍的Folin酚试剂（4.0 mL）混合均匀，加入6.0 mL Na2CO3溶液（10%，W/W）混合均匀。室温下避光反应2 h，以80%甲醇溶液为空白，在波长765 nm下进行吸光度测定。

以不同浓度的没食子酸进行标准曲线的绘制，结果以1 g干物质中含有相当没食子酸的毫克数表示（mg GAE/g DW）。

1.3.4 抗氧化性（DPPH·清除能力和羟基自由基清除能力）[12-13]

清除DPPH·能力测定：以80%甲醇为溶剂，配制0.01 mmol/L的DPPH·溶液。取400 μL的提取液加入7 mL DPPH·溶液，混合均匀后在室温下避光静置30 min，在波长517 nm处进行吸光度的测定。对照为80%甲醇替代提取液进行反应。清除率按式（10）计算。

式中：A为用提取液溶剂80%甲醇代替样品提取液的吸光度；B为样品提取液吸光度；B0为用80%甲醇代替样品提取液的吸光度。

羟自由基清除能力测定：配制9 mmol/L的FeSO4、9 mmol/L的水杨酸-乙醇和8.8 mmol/L的H2O2溶液。取1 mL样品提取液于10 mL离心管中，加入1 mL FeSO4、1 mL水杨酸-乙醇和1 mL H2O2混匀，在37 ℃下反应30 min，测其在510 nm下的吸光度。按式（11）计算。

综上所述，高频超声频率和低频振动频率均会对试验结果产生较大影响，在合理选取超声频率、振动模态且低频激励电压较大时，损伤试样的调制系数远大于参考试样，非线性振动声调制方法能够较易分辨试样是否存在缺陷。

羟自由基清除率=[A-(B-B0)/A]×100% （11）式中：A为用提取液溶剂80%甲醇代替样品提取液的吸光度；B为样品提取液吸光度；B0为用80%甲醇代替样品提取液的吸光度。

1.3.5 颜色测定

使用色彩色差计（CR-400）测定样品的颜色变化。选择鲜果的梨片和干燥后的梨片进行测定，并使用L、a和b颜色参数对其颜色进行测定。色差值ΔE按式（12）计算。

式中：L0、a0、b0为新鲜样品测定值；L、a、b为干燥后样品测定值。

1.3.6 热泵干燥系统的SMER

用SMER表征热泵干燥系统的性能，其值越大，表明性能越好，该值受到物料特性及干燥设备的影响。定义为单位能耗除湿量[14-15]。

式中：SMER为单位能量所对应水分损失量，kg/（kW·h）；Mde为从干燥物料中水分降低质量，kg；Wtot为系统耗电总量，kW·h；P为系统功率，kW。

利用Origin 8.5软件对试验数据进行处理。所有试验均重复3次，试验结果以“平均值±标准偏差”（means±SD）表示。

2 结果与讨论

2.1 热泵干燥系统性能

2.1.1 干燥室温湿度

梨片干燥总时长600 min，根据前期干燥优化所得阶段升温及阶段降湿工艺，具体干燥工艺条件：温度设定以每2 h为1个周期，在第1小时以线性速度升高5 ℃，然后保持温度1 h，湿度以每2 h下降10%速度进行设定，温度最高不超过65 ℃。干燥过程温湿度参数设定为50 ℃（40%），55 ℃（30%），60 ℃（20%）和65 ℃（10%）。

由图2（a）所示，通过对实际温度与设定的目标温度曲线值比较，在干燥过程中，设备按照设定的温度曲线运行，温差在1 ℃之内，说明温度控制精确。入风口与出风口的温度随着干燥的进行而逐渐上升，入风口温度高于出风口温度，二者相差在5 ℃以内，在干燥后期温差越来越小。由图2（b）所示，相对湿度随着干燥进行而逐渐降低，出风口湿度高于入风口湿度，且到干燥后期，湿度相差同样越来越小。

图2 干燥室内入风口、出风口温湿度

2.1.2 压缩机工作性能及能耗

通常采用蒸发温度和冷凝温度衡量压缩机的性能，图3为梨片热泵干燥过程中的冷凝温度、蒸发温度和主机室温度的变化曲线。随着梨片干燥的进行，冷凝温度从初始的5.8 ℃逐渐升温，其温度范围在5.8~69.5 ℃，在压缩机能够提供的冷凝温度范围内。干燥地点为河南室内干燥，时间为2019年12月27日，在干燥过程中，蒸发温度波动范围较小，在4.1~6.9℃，波动情况主要受环境温度的直接影响。主机室的温度变化与蒸发温度变化趋势相同，其温差范围在5~10 ℃之间。

图3 干燥室内冷凝温度、蒸发温度和主机室温度

试验为50 kg梨片去除水分共42.5 kg，得到干果质量7.5 kg，系统总耗电20.5 kW·h，故SEMR为2.07 kg水/（kW·h）。工业用按照每度电0.5元计算，总费用为10.25元，核算烘烤成本为1.37元/kg干果。

2.2 梨片干燥动力学特性及品质分析

试验中，梨片干燥至安全水分需600 min（图4），干基水量随着时间延长而逐渐下降，对水分比MR与干燥时间t进行Weibull函数拟合，均方根误差RMSE为1.58×10-4，离差平方和χ2为0.003 01，R2为0.998 5，证明Weibull函数可以较好地模拟水分比与干燥时间之间关系。通过拟合所得，其尺度参数α为223.6 min，为总干燥时长的37.26%，形状参数β为1.4，说明物料在干燥前期存在延滞阶段[16]。

如图4（c）所示，除开始由于物料升温导致的干燥速率上升阶段，随着干燥过程的进行，含水量降低，梨片的干燥速率呈现缓慢降低和快速降低2个阶段，未出现恒速干燥阶段，说明梨片的内部水分扩散作用控制着整个干燥过程[17-18]，含水量降低至1.0 g水/g干基左右时，去除的水分逐渐由自由水转为结合水，因此物料干燥速率快速降低。

图4 梨片干燥动力学曲线

通过采集热泵干燥室内左侧和右侧上中下托盘正中间的梨片，对干燥室内的干制品品质均匀性进行分析。如表1所示，干燥后的梨片总酚含量无显著性差异，且均高于新鲜样品含量（3.34±0.73 mg GAE/g DW），在枸杞、葡萄等果蔬物料的干燥研究中，也同样发现干燥后物料的总酚含量提高的现象。一方面，这可能是因为酚类物质的形成是由于酚类物质分子之间的非酶反应，从而产生了可以生成酚类物质的酚醛树脂分子的前体，在新鲜的果实组织中，前体分子与相关的酶分子被液泡分离，随着干燥进行，果蔬物料内部结构发生变化而液泡受到破坏，从而促进酚类物质分子之间的非酶反应[19-20]。另一方面，这种现象可能是由于干燥过程释放束缚在基质中的酚类物质，这使得酚类物质更易于提取[21]。从抗氧化特性来看，干燥处理能够提高物料的抗氧化特性，这可能是由于酚类物质在抗氧化特性中起到主要作用。左侧梨片的DPPH·清除率和羟基自由基清除能力整体高于右侧，从干燥设备设计来看，右侧为进风处，其温度相对于左侧来说较高，导致热敏性抗氧化物质，如维生素C的损失较高。

从颜色上来看，由于水分的降低，干燥后的梨片L值降低，在干燥过程中发生褐变，因此a和b值升高；从总色差来看，左侧梨片的总色差值低于右侧梨片，可能是由于右侧温度相对较高而导致焦糖化褐变。整体上来说，热泵干燥室内产品品质较为均匀，在后续设计上可进一步通过优化干燥室内部温度、湿度的均匀性，进一步提高产品品质。