远红外辅助热泵干燥食用玫瑰花瓣及产品品质分析

青舒婷，杨 丰,2，张海仑，李宇龙，许 军，岳 进,2,3,4,

（1.上海交通大学食品科学与工程系，上海 200240；2.上海交通大学陆伯勋食品安全研究中心，上海 200240；3.上海交通大学四川研究院，四川成都 610000；4.农业农村部都市农业重点实验室，上海 200240；5.上海前卫旅游发展有限公司，上海 201913）

玫瑰是一种蔷薇科蔷薇属植物，富含维生素C、多糖等营养物质，具有抗氧化、抑菌、降血脂等功效，因此具有极高的食用价值[1-2]。即便在低温下鲜花贮藏期也较短，食用玫瑰花作为食品原料，往往采用人工晾晒、热风脱水等方法进行干燥处理后保存[3-4]。随着人们对生活品质和生态坏境的要求逐渐提升，鲜花干燥产业也亟需升级换代，干燥技术朝着提高产品品质、有效利用能源、减少环境影响、运用计算机提高自控水平、操作简单等方向发展[5-6]。

热泵（Heat Pump，HP）干燥利用逆卡诺循环原理从低温热源吸收热量，并将所吸收的热量在较高温度下作为有效热能加以利用[7]。因其热回收的独特性能，在一定程度上可提高能源效率，同时可精准控制干燥过程中的温度、湿度和气流速率等参数[8]。通常以单位能耗除湿量（SMER）来评价热泵干燥性能[9]。但是热泵干燥耗时较长且存在物料加热不均匀的问题，故常采用组合干燥方式实现优势互补。远红外干燥（Far Infrared drying, FIR）利用物质对辐射的吸收和发射都在同一波长上而达到干燥效果。已有研究证实：采用远红外干燥可以将干燥时间缩短至蒸汽或热风干燥的10%～20%[10-11]，且远红外穿透能力强，可以使被干燥物料表面和内部同时吸收远红外辐射能，充分改善物料加热均匀性，从而提高产品品质[12]。远红外与热泵联合使用，一方面热泵干燥在湿空气除湿方面有良好的效果，可配合改善远红外使物料内部存在大量水蒸汽难排出的问题；另一方面远红外技术也能改善热泵干燥物料加热不均匀的问题。目前国内外学者对远红外辅助热泵干燥技术的研究主要集中果蔬和水产品：如铁棍山药片[13-14]、龙眼[15]、香蕉片[16]、鱿鱼片[17]等，而在食用花卉的研究报道相对较少。罗磊等[18]通过远红外辅助热泵干燥金银花，结果发现与单一热泵干燥相比，热泵与远红外联合干燥时间缩短52.1%，干燥能耗减少59.8%。

本研究将远红外与热泵技术相结合，形成新型组合干燥方法，并定制开发远红外辅助热泵干燥设备，进行食用玫瑰花瓣的干燥。研究不同热泵温度、远红外辅助方式下的干燥特性，以及产品品质，并以单一热泵干燥、传统热风干燥作为对照，以期为食用花卉的干燥加工领域提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜食用玫瑰花瓣 为法国墨红品种，种植于上海市崇明区长兴镇前卫农场，试验当天采摘挑选后立即进行干燥试验；盐酸、正丁醇、硫酸铁铵、磷酸、偏磷酸、磷酸三钠、甲醇、L-半胱氨酸、磷酸二氢钾、硫酸、无水乙醇、苯酚等试剂 国药集团化学试剂有限公司；抗坏血酸标准品 上海安谱实验科技股份有限公司。

HGOE-6型远红外辅助热泵干燥设备 杭州欧易电器有限公司；Multiskan GO-1510型酶标仪 赛默飞世尔科技（中国）有限公司；LabScan XE型色度分析仪 HunterLab；GZX-9240 MBE型电热鼓风干燥箱 海博迅实业有限公司医疗设备厂；UV-1800 240V型紫外分光光度计 SHIMADZU；高效液相色谱仪 Waters。

1.2 实验方法

1.2.1 远红外辅助热泵干燥设备 图1为远红外辅助热泵干燥设备的示意图，主要由热泵系统、远红外装置、干燥房、导风板等部分构成，每次试验干燥室内放置2个物料车，每车12层，每层可装两盘物料，分别装24盘，每盘约300±10 g玫瑰花瓣。烘干运行过程如下：

图1 远红外辅助热泵干燥设备示意图Fig.1 Schematic diagram of far infrared auxiliary heat pump drying equipment

机组制热除湿烘干运行过程：压缩机制热（11），冷媒流向（8）冷凝器，散热后冷媒流向（9）除湿蒸发器，完成机组制热除湿烘干过程。

机组制冷除湿烘干运行过程：压缩机制冷（11），冷媒流向（7）外冷凝器，散热后冷媒流向（9）除湿蒸发器，完成机组制冷除湿烘干过程。

烘干送风机、循环风机、远红外加热管循环过程：送风机（5）通过送风口送风到循环风机（4），循环风机加大送风风量，经过导风板（3）均匀送风到物料车（1）；远红外灯管（2）对物料车（1）上物料进行辐射加热，送风到回风口进入热交换器（10），热交换后进入除湿蒸发器（9），再次进入热交换器（10），热交换后进入冷凝器（8）后，送风机（5）完成循环过程。

1.2.2 干燥工艺 将采摘后的新鲜玫瑰花瓣平铺于干燥平板上，放入远红外辅助热泵干燥室内，每隔固定时间后对样品称量，直至湿基含水率低于12%。设置远红外功率为4 kW，热泵温度为40、50、60 ℃，远红外辅助方式为远红外全程、前程、后程辅助热泵分别进行试验。

根据《DB 34/T 3274-2018中药材加工技术规程玫瑰花》规定干燥鲜花的湿基含水率不应高于12%，因此将湿基含水率12%作为玫瑰花瓣的干燥终点。

位于郝关与同口之间，口门长500m。闸基高程2～8.5m主要为第②层壤土、第②2层砂壤土。壤土具有中等压缩性，微弱透水性，强度较高，构成地基主要持力层；高程2m以下为第③壤土，含大量腐殖质和贝壳、螺壳碎屑，局部呈淤泥质，工程性质相对较差。

1.2.3 指标测定

1.2.3.1 玫瑰花瓣初始含水量、干基含水量和干燥速率 玫瑰花瓣的初始含水量参考《GB 5009.3-2016食品安全国家标准 食品中水分的测定》中直接干燥法测试；玫瑰花瓣干燥过程中的干基含水量根据式（1）计算：

式中：Wt为玫瑰花瓣在干燥任意t时刻的干基含水量，g/g；mt、m0分别为干燥任意t时刻和绝干物料的质量，g。

干燥速率为单位时间内含水量的变化量，根据式（2）计算：

式中：Dr为干燥速率，g/（g干基·min）；Wt、Wt+Δt分别为玫瑰花瓣在t和t+Δt时刻的干基含水量，g/g干基；Δt为取样间隔时间，min。

1.2.3.2 干燥曲线拟合 建立水分比（MR）随干燥时间（t）变化的干燥模型，以预测玫瑰花瓣在远红外辅助热泵干燥过程中的水分含量变化。水分比根据式（3）计算：

式中：MR为水分比；We为干燥平衡时玫瑰花瓣干基含水量，可近似用玫瑰花瓣的最终干基含水量表示，g/g干基；W0为玫瑰花瓣初始含水量，g/g干基。

表1 常用的薄层干燥数学模型Table 1 Commonly used mathematical models of thin-layer drying

1.2.3.3 色泽测定 利用色度分析仪测试，读取L*值（亮→暗：100→0）、a*值（绿→红）、b*值（蓝→黄）表示，重复测试7次。色差（ΔE）、色彩角（h°）和彩度（C*）根据测定值按如下公式（4）、（5）、（6）计算：

色彩角代表色调，0°、90°、180°和270°分别代表酱红色调、黄色调、蓝绿色调和蓝色调。彩度反映颜色的饱和度[22-23]。

1.2.3.4 生物活性物质测定 原花青素含量参考《DB12/T 885-2019 植物提取物中原花青素的测定紫外/可见分光光度法》测试；维生素C含量参考《GB 5009.86-2016 食品中抗坏血酸的测定 高效液相色谱法》测试；多糖含量参考《SN/T 4260-2015 出口植物源食品中粗多糖的测定 苯酚-硫酸法》测试。

1.2.3.5 DPPH自由基清除率测定 参照Qiu等[24]的方法测试。称取干玫瑰花瓣0.5 g，加入80 g蒸馏水，于沸水中水浴30 min后取出冷却（取出后需将溶液补至80.5 g）；将冷却后的玫瑰花提取液离心12000 r/min，10 min后取上清液，以蒸馏水将上清液稀释20倍备用；取稀释液50 μL，加入0.1 mmol/L DPPH-乙醇（95%）溶液950 μL，于酶标仪517 nm处测试吸光度，记为As，其中以50 μL蒸馏水中加入0.1 mmol/L DPPH-乙醇（95%）溶液950 μL为空白，记为Ac。计算公式如下：

式中：E为DPPH自由基清除率，%；As为所测样品吸光度；Ac为空白样品吸光度。

1.2.3.6 总能耗和单位能耗除湿量测定 总能耗：直接观测远红外辅助热泵干燥设备的专用电表读数而得。

单位能耗除湿量（SMER）可评价热泵干燥过程中的热效率，根据式（8）计算：

式中：SMER为单位能耗除湿量，g/（kW·h）；Md为水分蒸发量，g；Pt为输入的电能，kW·h。

1.3 数据处理

试验数据均以平均值±标准差（mean±S.D.）表示，试验结果采用SPSS 24.0进行单因素方差分析（ANOVA），采用Duncan法进行多重比较，显著性水平设为0.05；运用Origin 2018绘图及数学模型拟合。

2 结果与分析

2.1 热泵温度对干燥特性和玫瑰花瓣品质的影响

2.1.1 热泵温度对玫瑰花瓣干燥特性的影响 40～60 ℃是热泵工作的适宜温度范围[25]，本研究选取40、50和60 ℃三个温度，研究不同热泵温度对新鲜玫瑰花瓣的干燥特性的影响。由图2a可知，热泵温度对食用玫瑰花瓣的水分含量具有明显影响，40、50和60 ℃的热泵温度条件下的玫瑰花瓣干基含水量随着干燥时间的延长而逐渐下降，三个不同热泵温度分别在干燥330、270和210 min时到达干燥终点。其中60 ℃的热泵温度条件下的干燥效率最高，在干燥210 min时玫瑰花瓣的干基含水量已趋于0 g/g，比50和40 ℃的干燥时间分别减少22%和36%。图2b为热泵温度干燥速率曲线，50和60 ℃的干燥速率曲线明显呈加速、恒速干燥、降速干燥三个阶段。在60 ℃条件下，受玫瑰花瓣中水分的表面汽化和扩散双重作用，干燥速率最快。而40 ℃的干燥曲线无恒速干燥阶段，出现了两阶段的降速干燥过程，可能是由于温度较低，干燥速率主要由玫瑰花瓣的水分扩散速率决定[26]。总的来说，60 ℃的玫瑰花瓣热泵干燥特性优于40和50 ℃，这一结果与姬长英等[27]研究不同热泵温度对辣椒的干燥特性的影响的结果一致，若温度太低可能使得物料内扩散作用大于外扩散作用，造成物料内部水汽不易散出，甚至充气膨胀，对产品综合品质造成破坏。

图2 热泵温度对食用玫瑰花瓣干燥特性的影响Fig.2 Effect of heat pump temperature on the drying characteristics of heat pump drying rose petals

2.1.2 不同热泵温度对干玫瑰花瓣品质的影响40、50和60 ℃的L*值、ΔE（表2）呈显著性变化（P＜0.05），a*、b*、C*和h°等特征值均无显著差异；60 ℃下L*值最大，ΔE最小，表明该条件下热泵干燥后的玫瑰花瓣色泽更接近于新鲜玫瑰花瓣，效果较好。原花青素、维生素C和多糖是玫瑰花中的主要功能物质，其中原花青素是玫瑰花酚类化合物的典型代表，被誉为天然抗氧化剂，其清除自由基的能力是维生素C的20倍[28]，由表2可知，三个热泵温度干燥后的玫瑰花瓣的原花青素、维生素C和多糖含量均呈显著性变化（P＜0.05），其中60 ℃下玫瑰花瓣中的几种生物活性组分损失最少，因此表现出最强的DPPH自由基清除能力。这是由于60 ℃下干燥速率较高，水分含量下降较快，不易发生美拉德反应和生物活性物质的分解，玫瑰花中的酚类物质相比较40、50 ℃而言，供氢能力更强，因此清除DPPH自由基能力也更强[29]。综合评价，热泵温度为60 ℃干燥玫瑰花瓣的干燥效率最高，营养成分、生物活性组分和色泽保留较好。因此后续实验选取热泵温度为60 ℃。

表2 不同热泵温度下干燥食用玫瑰花瓣品质的影响Table 2 Effects of different heat pump temperatures on the quality of dried edible rose petals

2.2 远红外辅助方式对干玫瑰花瓣品质的影响

2.2.1 60 ℃热泵干燥玫瑰花瓣过程中的单位能耗除湿量（SMER） 由图3可知，在干燥过程中SMER呈先上升后下降趋势，在干燥45 min时，SMER达到最高，为2.73 g/（kW·h），而后缓慢下降。干燥前期玫瑰花瓣水分含量较高，水分快速蒸发，SMER快速上升，此阶段热效率更高；随着热泵干燥过程的进行，玫瑰花瓣中的自由水逐渐减少，剩余的结合水因其活化能较高，因此去除结合水需要更高的温度或者更长时间[30]，因此仅依靠单一热泵技术不易去除，进而玫瑰花瓣在热泵干燥中后期的水分蒸发量逐渐减少，在干燥45 min后，SMER值呈缓慢下降趋势[31]。为了提高干燥效率，尤其在热泵干燥45 min后出现热效率逐渐降低的情况下，加以远红外技术辅助干燥。因此，干燥45 min时作为远红外辅助加入的干燥时间分界点。

图3 60 ℃热泵干燥玫瑰花瓣过程中的单位能耗除湿量Fig.3 Influence of heat pump (60 ℃) drying rose petals on unit energy consumption and dehumidification

2.2.2 远红外辅助方式对热泵干燥玫瑰花瓣干燥特性的影响 60 ℃热泵干燥中，SMER在45 min时出现拐点（图3），因此以干燥45 min作为分界点，将玫瑰花瓣干燥过程分为前程和后程，分别进行前程远红外辅助、后程远红外辅助和全程远红外辅助三组试验，并以传统热风（70 ℃）干燥和单一热泵（60 ℃）干燥为对照组。由图4a可知，随着干燥时间的延长，不同干燥方法玫瑰花瓣的干基含水量总体均呈下降趋势，其中全程和后程远红外辅助干燥方式的玫瑰花瓣含水量随干燥时间的变化趋势基本一致，后程远红外辅助干燥时间最短，干燥120 min可使玫瑰花瓣水分含量低于12%，比传统热风和单一热泵干燥耗时缩短了33.33%，比前程远红外辅助热泵干燥耗时缩短了11.11%。从图4b也明显发现全程和后程远红外辅助方式的干燥速率最快，干燥过程主要分为加速阶段和降速干燥阶段。这一结果与段续等[32]研究玫瑰花瓣红外喷动床干燥速率的结果一致。一方面证明前程远红外辅助方式对提高玫瑰花瓣干燥效率来说贡献不大，另一方面说明在后期干燥阶段中，后程远红外辅助可以更容易去除玫瑰花瓣中的结合水，显著提高玫瑰花瓣干燥效率。在干燥前期，前程远红外辅助热泵干燥的含水量下降较快，45 min后由于关闭远红外装置，干燥效率逐渐下降；热风干燥的温度选取70 ℃，参考上海崇明区长兴乡前卫农场玫瑰花干燥的经验温度，在干燥过程中热风干燥总体优于60 ℃单一热泵干燥，这也反映干燥温度对玫瑰花瓣的干燥特性起到关键作用。综合玫瑰花瓣干燥特性来看，后程远红外辅助热泵干燥速率在干基含水量为2.28 g/g时达到最高，干燥速率最快可达到为0.09 g/（g·min），且总能耗也最低，仅为22.86 kW·h，相比单一热泵干燥降低了36.18%，相比全程远红外辅助方式降低了9.64%，因此后程远红外辅助热泵干燥的效率更高。

图4 远红外辅助方式对热泵干燥玫瑰花瓣干燥特性的影响Fig.4 Influence of far-infrared assisted method on the drying characteristics of heat pump drying rose petals

2.2.3 远红外辅助方式对热泵干燥玫瑰花瓣品质的影响 由表3可知，与新鲜玫瑰花相比，后程和前程远红外辅助方式的干玫瑰花瓣色泽色差ΔE更小，饱和度C*值也更高，颜色更鲜艳。干燥时间更长的热风和单一热泵干燥组的色差ΔE最大，色彩角也显示其色泽更趋于黄色调，这可能是干燥时间长导致发生各类化学反应的机率增大，反应也会更剧烈[33]。这一结果与郭玲玲等[34]研究红外干燥后的香菇色泽变化的结果相似。后程远红外辅助热泵干燥的DPPH自由基清除率最高，这也进一步证实干燥效率会影响玫瑰花瓣的水分含量，进而影响酚类物质氧化速度[23]。后程远红外辅助方式的原花青素和多糖含量显著高于全程和前程远红外辅助方式（P＜0.05）。总体来看，后程远红外辅助热泵干燥玫瑰花瓣能较好保持营养成分的损失和固有色泽，且干燥耗时更短，总能耗更低。

表3 远红外辅助方式对热泵干燥玫瑰花瓣品质的影响Table 3 Influence of far-infrared auxiliary method on the quality of heat pump dried rose petals

2.3 数学模型的干燥过程拟合

利用6种常见的薄层干燥数学模型对后程远红外辅助热泵（60 ℃）干燥试验数据计算所得的（MR,t）值进行拟合处理，拟合程度由决定系数（R2）、卡方值（χ2）和均方根（RMSE）决定，R2值越接近于1，χ2和RMSE越小，表明拟合程度越好。表4为数学模型拟合结果。由表4可知，玫瑰花瓣后程远红外辅助热泵干燥过程用tian model方程拟合的R2最大，χ2和RMSE最小，因此该过程可用tian model方程模型描述，其表达式为MR=exp（-2.63672×10-4t2+0.00114t-0.01836）。

表4 玫瑰花瓣后程远红外辅助热泵干燥拟合结果Table 4 Fitting results of far-infrared auxiliary heat pump drying of rose petals

在tian model方程拟合基础之上，利用热泵温度60 ℃，远红外功率4 kW，远红外后程辅助方式进行远红外辅助热泵干燥玫瑰花瓣验证试验，并比较水分比（MR）的实际值与tian model方程拟合值，如图5所示，实际值与拟合值较一致，拟合效果较好，tian model方程符合远红外辅助热泵干燥玫瑰花瓣的干燥特性，能较好反映新鲜食用玫瑰花瓣远红外后程辅助热泵干燥中水分比的变化规律。对于行业内的玫瑰花瓣干燥过程的标准化、自动化提供理论和技术依据。

3 结论

新鲜食用玫瑰花瓣采用远红外辅助热泵干燥可得到综合品质较好的干玫瑰花瓣，其最佳工艺条件为：热泵温度60 ℃，远红外功率4 kW，远红外后程辅助方式。远红外后程辅助热泵干燥玫瑰花瓣的干燥曲线和干燥速率曲线呈现相同的变化趋势，主要为加速阶段和降速阶段，无明显的恒速阶段，干燥120 min时可使玫瑰花瓣水分含量低于安全终点12%，且总能耗最低。远红外后程辅助热泵干燥玫瑰花瓣的色泽总体较好，与传统热风、单一热泵以及全程辅助方式相比，更接近新鲜玫瑰花的色泽，DPPH自由基清除率更高，能较好保持玫瑰花中的原花青素、维生素C和多糖等成分。通过tian model方程可较好拟合远红外后程辅助热泵干燥玫瑰花瓣过程中的水分含量变化。远红外辅助热泵技术干燥食用玫瑰花瓣安全、高效，能耗较低，产品品质高，该技术可在行业内试行推广。