菠蘿蜜熱泵干燥機理及工藝研究

石維善，李保國（上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海200093）

菠蘿蜜熱泵干燥機理及工藝研究

石維善，李保國*
（上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海200093）

摘要：進行熱泵干燥菠蘿蜜的的實驗研究，通過單因素試驗，分析了干燥溫度和風(fēng)速對菠蘿蜜品質(zhì)及營養(yǎng)成分的影響，并通過正交試驗，確定菠蘿蜜熱泵干燥的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明：在相對濕度為20%，物料尺寸為25（mm）× 15（mm）×2（mm），干燥溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s時，VC損失量最小及感官品質(zhì)最佳。試驗表明物料大小，干燥溫度與風(fēng)速對菠蘿蜜的干燥速率和干后品質(zhì)有顯著性的影響。

關(guān)鍵詞：菠蘿蜜；熱泵干燥；相對濕度；風(fēng)速

近年來，越南菠蘿蜜種植面積不斷擴大，產(chǎn)量不斷提高，但由于對其深加工不夠，造成菠蘿蜜的腐爛。對其進行干燥加工，可以延長菠蘿蜜的保質(zhì)期。目前果蔬干燥方法有烘箱干燥、熱風(fēng)干燥、冷凍干燥等，選擇一種適宜菠蘿蜜的干燥方法，能最大限度地保存其營養(yǎng)品質(zhì)，使其在干燥過程水分蒸發(fā)快，顏色變化少，VC含量得到最大限度的保存。目前菠蘿蜜產(chǎn)業(yè)已成為越南熱帶經(jīng)濟的重要組成部分。但由于菠蘿蜜的貯存、運輸困難，限制了菠蘿蜜出口的進一步發(fā)展[1]。

目前對于菠蘿蜜干燥工藝相關(guān)的研究較少，特別是節(jié)能、環(huán)保的新的干燥技術(shù)。在國內(nèi)有相關(guān)的研究者采用熱風(fēng)干燥法與真空冷凍干燥對菠蘿蜜干燥的產(chǎn)品進行營養(yǎng)成分、色差等標(biāo)準(zhǔn)分析與研究[2-3]。國外學(xué)者在傳統(tǒng)干燥技術(shù)上采用太陽能新技術(shù)對菠蘿蜜進行研究[4]。但是對菠蘿蜜的熱泵干燥還沒有相關(guān)的研究報道。

熱泵干燥也是一種高效率節(jié)能的干燥方法，熱泵干燥采用壓縮法得到相對濕度低的干燥氣流，在低溫條件下進行物料干燥，它適合于蔬菜、水果干燥[5]。對黃花菜和胡蘿卜的干燥實驗表明，采用熱泵干燥效果好，對物料的成分破壞少。經(jīng)低溫干燥處理的食品具有色、香、味及營養(yǎng)成分保存最佳，復(fù)水快、方便易食等特點，是高級營養(yǎng)品、快速方便食品的最佳加工方法[6]。

本文選用新鮮菠蘿蜜作為試驗材料，進行熱泵干燥試驗，以VC含量、色差、失水率和感官分析為指標(biāo)，對菠蘿蜜進行了熱泵干燥工藝條件研究。

1　材料與方法

1.1試驗材料

馬來6號菠蘿蜜從市場購買；草酸、抗壞血酸、

2，6-二氯靛酚鈉從國藥公司購買。

1.2試驗設(shè)備

采用QS-500熱泵干燥實驗裝置：上海綠原制冷設(shè)備有限公司；TQPWB-20001XA色差儀：北京新恒能分析儀器有限公司；FA1604電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3試驗方法

菠蘿蜜切成25（mm）×15（mm）×2（mm），30（mm）× 15（mm）×2（mm）和35（mm）×15（mm）×2（mm）3個水平的塊狀，90℃熱水浸泡60 s以達到滅菌的目的。干燥試驗前，采用烘箱法測算出菠蘿蜜的平均含水率為80.30%，將預(yù)處理好的菠蘿蜜放進熱泵干燥實驗裝置中，設(shè)定好溫度和風(fēng)速，隔30min記錄重量變化，按國標(biāo)公式計算水分蒸發(fā)量，直到樣品恒重為止。

1.4測定方法

1.4.1含水率測定

采用GB 5009.3-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》第一法進行測定[7]。

1.4.2VC含量的測定

按GB/T 6195-1986《水果、蔬菜維生素C含量測定法（2，6-二氯靛酚滴定法）》[8]。

1.4.3色差

用色差儀測定菠蘿蜜表面的色澤（L，a，b），記錄數(shù)據(jù)。CIELAB表色系統(tǒng)，是利用空間坐標(biāo)L、a、b值表色。明亮度用L值表示，從大到小由白色向黑色漸變；色度指數(shù)用a，b值表示，a值由紅色（正）向綠色（負(fù)）漸變；b值由黃色（正）向藍色（負(fù)）漸變。L值越大越好，a、b值越接近初始值越理想。測定時，將測試頭對準(zhǔn)菠蘿蜜的中央位置，按緊以避免測試頭漏光，每個處理重復(fù)3次，取平均值[9]。

1.4.4干燥平均速率

菠蘿蜜干燥前水分含量高，通過熱泵干燥水分減少。

式中：G1為菠蘿蜜干燥前的質(zhì)量，g；G2為菠蘿蜜干燥后的質(zhì)量，g；h為干燥的時間，h。

1.4.5菠蘿蜜感官評價

菠蘿蜜干燥后，隨機抽取10個鑒評員進行評價給分，評價標(biāo)準(zhǔn)按顏色、外觀和香味，每項最高為100分，最終取平均值，如表1所示。

表1　菠蘿蜜產(chǎn)品感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table1　Sensory evaluation table of Jack fruitproduct

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗

2.1.1熱泵干燥溫度對含水率的影響

熱泵干燥溫度對菠蘿蜜含水率的影響如圖1所示。

圖1　不同溫度對菠蘿蜜熱泵干燥曲線的影響Fig.1　Effectof different drying tem perature on the drying cruve of jackfruitby pum p

溫度對物料的干燥速率影響較大，溫度越高越有利于水分的蒸發(fā)，這是由于溫度升高時物料內(nèi)部水分蒸發(fā)速率增大，物料的干燥速率就越大，干燥時間越短。溫度越低時失水率的速度比較小，所用的干燥時間較長。從圖1中可看出，當(dāng)溫度越高時，預(yù)熱階段時間縮短水分蒸發(fā)快。隨后，水分開始大量蒸發(fā)與保持恒定，溫度越高水分蒸發(fā)越多，菠蘿蜜重量大幅度下降，直到菠蘿蜜內(nèi)部擴散慢于菠蘿蜜表面的蒸發(fā)。此時，菠蘿蜜表面形成干區(qū)，干燥速率開始下降，達到平衡干燥過程結(jié)束。溫度為60℃含水率下降最大，需要的干燥時間最短，溫度為40℃所需要的時間較長。且當(dāng)溫度每增加5℃，菠蘿蜜干燥所需時間減少約30min。

從產(chǎn)品干燥速率、VC保留含量、顏色、香味、柔韌性和節(jié)能方面綜合考慮，本試驗選取45、50、55℃3個溫度水平作進一步研究。

2.1.2熱泵干燥風(fēng)速對含水率的影響

圖2為干燥風(fēng)速對含水率的影響。

圖2　不同風(fēng)速對菠蘿蜜熱泵干燥曲線的影響Fig.2　Effectofdifferentw ind velocity on thedrying cruve of jackfruitby pump

從圖2中看到，隨著風(fēng)速增加，物料含水率下降增加，干燥速率增大，干燥時間縮短。這是由于風(fēng)速越大，對流傳熱傳質(zhì)效率提高，水分蒸發(fā)速率也隨之上升，水蒸氣隨空氣中迅速送到熱泵干燥的冷凝系統(tǒng)，將濕空氣中水分凝結(jié)排除，導(dǎo)致空氣相對濕度顯著下降，因此，干燥時間縮短。且風(fēng)速每增加0.5m/s，菠蘿蜜干燥所需時間減少約30min。

風(fēng)速越高干燥時間越短，但當(dāng)風(fēng)速過高、去水速率較快時，產(chǎn)品的外觀與品質(zhì)影響較大，出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象，顏色不均勻，VC含量損失大。風(fēng)速越小菠蘿蜜干燥品質(zhì)越好，顏色接近新鮮菠蘿蜜，但干燥時間長，耗能大。綜合考慮，本試驗選取3.5、4.0、4.5m/s3個風(fēng)速作進一步研究。

2.2正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇物料尺寸、干燥溫度、干燥風(fēng)速3個因素，每個因素取3個水平，以VC含量、失水率、感官評定作為評價指標(biāo)，進行L9（34）正交試驗。表2為菠蘿蜜正交試驗設(shè)計。

表2　菠蘿蜜正交試驗表Table 2　Jackfruitorthogonality com prehensive

續(xù)表2　菠蘿蜜正交試驗表Continue table 2　Jack fruit orthogonality com prehensive

從表2可看出，物料尺寸，溫度與風(fēng)速對菠蘿蜜干燥速率、干燥后VC含量和感官有明顯影響。各因素對菠蘿蜜VC保留含量影響的大小依次為：物料尺寸＞溫度＞風(fēng)速。經(jīng)統(tǒng)計分析得到最佳工藝為：菠蘿蜜尺寸25（mm）×15（mm）×2（mm），溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s。在此條件下菠蘿蜜干燥后VC含量最高為3.73mg/100 g。這是由于在干燥過程，菠蘿蜜VC含量的損失的主要原因為：菠蘿蜜中還原型VC被氧化造成的，物料尺寸和溫度對菠蘿蜜的VC降解速度影響較大，物料表面積與熱空氣接觸越大，溫度越高，其有氧降解速度加快，最終導(dǎo)致VC含量損失越大[11]。風(fēng)速對菠蘿蜜VC保留含量影響較小，這是因為本試驗采用循環(huán)氣流沒受到外界環(huán)境氧氣的影響。

表2結(jié)果表明，各因素對菠蘿蜜干燥速率影響從主到次依次為：溫度，風(fēng)速，物料尺寸。經(jīng)統(tǒng)計分析得到最佳干燥工藝為：菠蘿蜜尺寸為25（mm）×15（mm）× 2（mm），溫度為55℃，風(fēng)速為4.5m/s。感官評定從色差、外形和香味3個標(biāo)準(zhǔn)評分，經(jīng)極差分析表明，各因素對菠蘿蜜感官評定影響大小依次為：溫度，風(fēng)速，物料尺寸。經(jīng)過計算分析得到：最佳工藝條件為菠蘿蜜尺寸為25（mm）×15（mm）×2（mm），溫度為45℃，風(fēng)速為3.5m/s。在溫度低風(fēng)速小的條件下，菠蘿蜜干燥后色差變化小，顏色均勻，表面平整，不干裂，組織破壞程度小。當(dāng)高溫高風(fēng)速時，菠蘿蜜干燥后產(chǎn)品表面皺縮，顏色出現(xiàn)褐變。這是由于高風(fēng)速條件下，干燥速率太快，導(dǎo)致物料變形；菠蘿蜜糖含量較高，在高溫條件干燥，糖分易發(fā)生顏色褐變所致[10]。

3　結(jié)論

本文通過對菠蘿蜜熱泵干燥試驗研究得到：在熱泵干燥過程中物料尺寸越小、溫度越高、風(fēng)速越大菠蘿蜜水分蒸發(fā)速率越快，干燥所需時間越短。但隨著溫度、風(fēng)速升高與物料尺寸越大，菠蘿蜜色差變化越大，感官評價越差；與此同時溫度和風(fēng)速越大，菠蘿蜜VC含量損失也越大。

通過對試驗結(jié)果綜合評定得到：在物料尺寸為：25（mm）×15（mm）×2（mm）、溫度：45℃、風(fēng)速：3.5m/s條件下，VC含量保留率可達50.12%，感官評價最好。在物料大?。?5（mm）×15（mm）×2（mm），溫度：55℃，風(fēng)速：4.5m/s條件下，干燥速率最大。本試驗因為熱泵干燥條件所限，設(shè)計的裝載量較少，所以試驗中沒有考察裝載量參數(shù)的影響，相對濕度對干燥速率和產(chǎn)品品質(zhì)影響也未考慮，這些有待進一步研究。

隨著對生物物料干燥質(zhì)量要求的提高，農(nóng)產(chǎn)品的低溫干燥是發(fā)展趨勢。低溫干燥能較好地保持其色、香及營養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)，對保證生物物料的干燥品質(zhì)具有重要意義。熱泵干燥能滿足上述的要求。菠蘿蜜熱泵干燥，溫度低，時間短，干燥產(chǎn)品后能保持其原有風(fēng)味，是一種較好的休閑營養(yǎng)食品，因此熱泵干燥菠蘿蜜有著良好的市場前景。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.026

收稿日期：2014-06-10

基金項目：上海市教委科研創(chuàng)新項目（14ZZ133）；上海市教委產(chǎn)學(xué)研——助推計劃（ZB1307LG）

作者簡介：石維善（1988—），男，越南留學(xué)生，在讀碩士生，研究方向：食品干燥加工。

*通信作者：李保國（1961—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

Jack fruit Heat Pump Drying M echanism and Process Research

THACH Duy-thien，LIBao-guo*
（Institute of Food Scienceand Engineering，University of Shanghaifor Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In this study，the experimental research of heat pump drying jackfruitwas carried out.Through the single factor experiment，the influence of drying temperature and wind speed on the quality and nutritional components of jackfruitwere analyzed，and the optimal process parameters of the heat pump drying jackfruit were determined by orthogonal experiment.The results showed thatwhen the relative humidity was 20%，drying temperature at45℃，and thewind speed 3.5m/s，material size 25（mm）×15（mm）×2（mm），the nutritional components and vitamin C of jackfruitwere minimized loss.The effect ofmaterial size，drying temperatureandwind speed on thequality and drying rate of Jackfruitwere significant.

Key words：jackfruit；heatpump drying；relative humidity；wind velocity