胡萝卜热泵干燥工艺优化

彭钰航 王广红 孙飞雪 金听祥

(郑州轻工业大学能源与动力工程学院，河南 郑州 450002)

胡萝卜因其富含多种维生素、类胡萝卜素、花青素、钙、铁等营养成分，兼具抗氧化、促进生长发育、保护视力、抗癌防癌、提高免疫、促消化等[1-2]功能，素有“小人参”之称。中国是胡萝卜种植大国，产量和出口量占全球40%，新鲜胡萝卜含水量为86%～95%，容易腐烂。脱水加工是胡萝卜的主要加工方式之一，加工后的产品不仅可以延长货架期，方便运输和贮藏，还能有效减少腐坏造成的资源浪费[3]。

热泵干燥技术因具有操作简单、高效节能、环境友好等优点，被广泛应用于干燥领域。干燥工艺参数对热泵干燥品质有较大影响[4]，同时也对节能降耗有影响。周韵等[5]使用响应面法研究了热风微波耦合干燥工艺参数对胡萝卜干燥速率和干燥品质的影响。毕金峰等[6]使用响应面法对胡萝卜变温压差膨化干燥的工艺参数进行了优化。沈文龙等[7]通过响应面法得到了杏鲍菇的最佳热泵干燥工艺为初始温度50 ℃，温度增量7 ℃，铺料密度2.9 kg/m2。王安建等[8]使用响应面法对香菇热泵干燥工艺进行了优化，优化结果为温度54 ℃、风速3 m/s、装载量1 176 g/m2。王梅等[9]使用响应面法优化了山药脆片的干燥工艺，其最佳干燥工艺条件为切片厚度3.8 mm、烫漂时间4 min 20 s、干燥温度60 ℃、干燥时间2.0 h。龙成树等[10]建立了响应面法优化桑叶热泵干燥速率模型，得到了最优的工艺参数为干燥温度64.20 ℃、风速2.40 m/s、热烫时间2.0 min、干燥耗时2.25 h。钱革兰等[11]使用响应面法分析热风微波耦合干燥胡萝卜片的形变，得到最优参数为微波功率密度1.9 W/g，热风温度65 ℃，胡萝卜片厚度5 mm，可使体积保留率提高10%。文章拟采用Box-Behnken设计，研究初始温度、干燥温升和切片厚度3个工艺参数对产品色差、复水比和β-胡萝卜素含量的影响，确定最佳的干燥工艺参数，旨在为实际生产过程提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

采用同一批长度大致相同、直径约4 cm、成熟适度未木质化、无病虫无萎缩、无糠心、皮薄肉厚、颜色呈鲜红色或橙色的新鲜胡萝卜。

1.2 仪器与设备

空气能热泵箱式一体节能烘干机：CG-05HA型，循环系统为半开式，可根据需要调节不同阶段的干燥温度、相对湿度以及干燥时间，广东创陆制冷科技有限公司；

质构仪：TA.TOUCH型，上海保圣实业发展有限公司；

高速多功能粉碎机：200T型，永康市铂欧五金制品有限公司；

快速水分仪：FBS-750A型，厦门弗布斯检测设备有限公司；

分光测色仪：YS3060型，深圳市三恩时科技有限公司；

玻璃砂芯过滤装置：1 000 mL，郑州利研仪器有限公司；

低温恒温槽：DC-3010型，温度波动±0.5 ℃，江苏天翎仪器有限公司；

多功能切菜机：QP-1102型，中山市百客思电器有限公司；

精密电子天平：ES500型，精度为0.001 g，天津市德安特传感技术有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 热泵干燥流程

新鲜胡萝卜切片→称重→开水热烫3.5 min→冷水中冷却，拭干水分→铺放于筛盘上→热泵干燥机干燥→每隔30 min测量胡萝卜质量→干燥至样品相邻减重低于0.02 g/100 g→包装贮藏

干燥过程分两个阶段，第一阶段的温度为初始温度，物料在初始温度下干燥至含水率25%～30%时进入第二阶段，第二阶段的温度为初始温度+温升值。

1.3.2 响应面试验 根据预试验，确定以色差值、复水比、β-胡萝卜素含量为响应值，初始温度、干燥温升及切片厚度为因素，建立三因素三水平的Box-Behnken中心组合试验。

1.4 产品指标测定

1.4.1 色差 根据文献[12]修改如下：使用测色仪进行测定，每种样品取3次样，每样旋转3次不同角度，结果取平均值。按式(1)计算色差值。

(1)

式中：

ΔE——色差值；

L*——亮度值，0～100；

a*——红色度，-80～100；

b*——黄色度，-80～100。

1.4.2 复水比 分别取各组干燥成品2 g，放入250 mL烧杯中,用水量为200 mL，90 ℃水浴20 min，取出沥水，擦干表面水分后称重，按式(2)计算复水比。

(2)

其中：

Rf——复水比，g/g；

Gf——样品复水后沥干质量，g；

Gg——干制品试样质量，g。

1.4.3β-胡萝卜素含量 根据文献[13-14]，按式(3)计算β-胡萝卜素含量。

(3)

式中：

N——β-胡萝卜素含量，mg/g；

x——利用标准曲线求得的β-胡萝卜素含量，mg/mL；

m——胡萝卜粉质量，g；

k——干基水分含量，%。

2 结果与分析

2.1 响应面试验结果及数据分析

2.1.1 响应面试验结果 在前期预试验的基础上，以色差值、复水比、β-胡萝卜素含量为响应值，以初始温度、干燥温升、切片厚度为自变量，建立三因素三水平中心组合试验设计，因素水平表见表1，试验设计与结果见表2。

表1 试验因素与水平表

表2 试验设计及结果

2.1.2 回归方程拟合及方差分析 采用Design-Expert 10.0统计软件对所得数据进行回归分析，得到回归方程为：

(4)

(5)

(6)

由表3可知，回归方程的模型决定系数均>0.8，说明干燥初始温度、干燥温升和切片厚度对胡萝卜干制品影响显著，校正系数均>0.7，说明模型的拟合度较好，可以反映响应面曲线的变化趋势，能较好地预测胡萝卜的热泵干燥过程。离散系数都较小，说明干燥试验具有较好的精确性和可靠性。干燥温升对胡萝卜干燥后的色差及复水比影响较大，可能是因为第二阶段温度过高使胡萝卜切片的表面细胞发生不可逆转变化，颜色变深，细胞渗透性减小。初始温度对β-胡萝卜素含量影响较大，可能是因为β-胡萝卜素在干燥初期较容易流失，合适的初始温度更容易保留β-胡萝卜素。

表3 方差分析†

2.1.3 响应面图分析 由图1可知，色差值随初始温度的升高呈先降低再升高的趋势，当初始温度为54～56 ℃时，色差值最低；随着干燥温升的增大，色差值先降低后升高，当干燥温升为9～11 ℃时，色差值最低；切片厚度对色差值的影响不显著。热泵干燥过程中，由于干燥时间长，温度过高，易使蔬菜中的色素物质和营养物质加速氧化降解[15]。由于胡萝卜是热敏性根菜类蔬菜，在干燥过程中会发生褐变，初始温度对酶促褐变和非酶促褐变均有较大影响，当初始温度为54～56 ℃时，酶促褐变和非酶促褐变的现象减少，干制品的色泽变化小[3]。

图1 各因素交互作用对胡萝卜色差影响的响应面图

由图2可知，切片厚度一定时，复水比随初始温度的升高呈先升高再降低的趋势，当初始温度为54～56 ℃时，复水比最高。这是因为随着初始温度的升高，胡萝卜组织结构易出现多孔疏松状态，体积逐渐膨化，导致复水过程中吸水量增加，复水终点时水分含量值变大，复水比增加。初始温度不断升高后，胡萝卜片内部毛细管与细胞的萎缩变形增大，初始温度对物料组织结构的破坏作用增加，复水难度增加，导致复水比减小[16]。随着干燥温升的增大，复水比先升高再降低，当干燥温升为9～11 ℃时，复水比最高。随着切片厚度的增加，复水比逐渐减小。因此干燥温升对复水比的影响最为显著，其次为初始温度。

图2 各因素交互作用对胡萝卜复水比影响的响应面图

由图3可知，β-胡萝卜素含量随初始温度的升高而缓慢升高；随着干燥温升的增大，β-胡萝卜素含量无显著变化；随着切片厚度的增加，β-胡萝卜素含量先升高后降低，当切片厚度为3.5～4.0 mm时，β-胡萝卜素含量最高，切片厚度对β-胡萝卜素含量影响最为显著。

图3 各因素交互作用对β-胡萝卜素含量影响的响应面图

综上，当初始干燥温度为54～56 ℃，干燥温升为9～11 ℃，切片厚度为3.5～4.0 mm时，胡萝卜干制品的色差CV色差=4.47%，CV复水比=5.64%，CVβ-胡萝卜素含量=11.85%。值最小，复水比最高，β-胡萝卜素含量最高。

2.2 验证实验

用Design-Expert 10.0软件对回归方程求解，得到胡萝卜热泵干燥的最优工艺参数为初始温度54.10 ℃，干燥温升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此条件下理论预测的胡萝卜色差值为9.759，复水比为6.196，β-胡萝卜素含量为34.378 mg/100 g。结合实际将干燥条件调整为初始温度54 ℃，干燥温升9.3 ℃，切片厚度(3.8±0.1) mm，在此条件下进行3次平行验证实验，实测胡萝卜色差值为9.616±0.2，复水比为6.251±0.1，β-胡萝卜素含量为(33.527±0.500) mg/100 g，与理论预测值相比，相对误差分别为1.465%，0.877%，2.475%，说明可以利用响应面对胡萝卜热泵干燥工艺进行预测与分析。

3 结论

采用响应面法，研究了初始温度、干燥温升和切片厚度对胡萝卜干燥产品色差、复水比和β-胡萝卜素含量的影响。结果表明：初始温度是影响色差值的显著因素，干燥温升和切片厚度是次显著因素；干燥温升是影响复水比的显著因素，初始温度和切片厚度是次显著因素；切片厚度是影响β-胡萝卜素含量的显著因素，初始温度和干燥温升是次显著因素。胡萝卜热泵干燥的最佳工艺为初始温度54.10 ℃，干燥温升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此条件下胡萝卜色差值为9.759，复水比为6.196，β-胡萝卜素含量为34.378 mg/100 g。后续可在不同的阶段改变不同的相对湿度或将干燥分成更多的阶段，更进一步细化参数，在保证干燥品质的同时最大限度降低能耗。