热泵-热风分段式联合干燥胡萝卜片研究

徐建国，徐 刚，张森旺，顾 震，张绪坤，李华栋，*（.江西省科学院食品工程创新中心，江西南昌330096；.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063）

热泵-热风分段式联合干燥胡萝卜片研究

徐建国1，徐 刚1，张森旺1，顾 震1，张绪坤2，李华栋1，*
（1.江西省科学院食品工程创新中心，江西南昌330096；2.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063）

为解决常温热泵干燥易造成果蔬生物污染以及干燥后期效率下降导致干燥时间增加的问题，采用了先低温热泵干燥、后短时热风干燥的分段式联合干燥技术对胡萝卜片进行了中试干燥实验。采用单因素实验分析了由热泵干燥转入热风干燥时切换点对干燥过程和产品质量的影响，获得了较佳的分段干燥工艺。研究发现，物料自由水分的脱除方式能够影响干燥效率和产品质量；该分段干燥可以使单一热泵干燥时间（10.5h）缩短28.6%；其产品色泽优于热泵干燥产品；β-胡萝卜素含量非常接近热泵干燥产品，比热风干燥产品高59%。先低温热泵干燥、后短时热风干燥的分段式联合干燥技术在大幅度缩短干燥时间的同时，获得了高质量的干燥产品，该技术可以应用到热敏性果蔬脱水生产中。

分段干燥，联合干燥，热泵干燥，自由水分

果蔬干燥是加工和贮藏的重要手段，可以降低水分活度，抑制微生物的活性，保持营养成分[1-2]。热风干燥（HAD）因干燥温度高，产品质量较差[3]。冷冻干燥、真空干燥产品质量好，但因操作费用高、干燥时间长等缺陷，只适用于高附价值物料的脱水，不适于大宗果蔬。能效显著的热泵干燥（HPD）产品质量高、品质好[4-5]，其缺点是干燥时间太长，易使微生物大量繁殖、细菌总数超标。近年兴起的联合干燥因优势互补，避免了单一干燥方式的缺点，正逐渐被国内外学者、企业界广泛关注[6-7]。

果蔬中的水分通常以自由水、结合水和半结合水形式存在[8]。自由水与水分活度相关，这部分水可以被微生物利用，并为有效成分的降解提供水溶液环境[9]。因此，有效营养成分的热稳定性与这类水含量有关，防止物料局部高温与高水分同时出现，可以提高有效营养成分在干燥过程中保持率。针对果蔬物料的这一特点，江西省科学院食品工程创新中心提出了热泵－热风分段式联合干燥（HP-HAD）技术[10]：在高水分含量的干燥初期，采用低温热泵干燥，脱除部分自由水分。当水分降到一定程度，切换为热风干燥，提高干燥温度，使干燥速率提高，缩短干燥时间。高温热风干燥还可以使微生物失活，减少生物污染。但是，不适宜的切换点很难发挥联合干燥的优势。

本文的研究目的就是通过开展胡萝卜片中试干燥实验，重点考察不同切换点时物料自由水含量对该干燥过程特征以及产品质量的影响，评价这种分段式、联合干燥中试生产过程，并确定较优干燥工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验原料 新鲜胡萝卜购于当地农贸市场，并贮藏于4℃冰箱中。每次实验前，将胡萝卜清洗并切成3mm左右的薄片，装入中试干燥箱中。胡萝卜初始水分测定采用105℃烘箱法获得[11]，含水率为91.7%。

WSB-005型温湿度变送器 武汉市仪器仪表研究所；KA22型风速仪 沈阳加野科学仪器有限公司；WRNK-191型K式热电偶 北京天航大业自动化仪表；MiniMR-60核磁共振成像设备 上海纽迈科技有限公司；DS-1型高速组织打浆机 上海标本模型厂；752型紫外分光光度计 上海菁华科技仪器公司；WSC-2型Lovibond色差仪 上海昕瑞仪器；WT10002电子天平 常州诺基仪器有限公司；自主开发的热泵-热风联合干燥装置 如图1所示，主要包括四部分：热泵系统、穿流干燥箱、电加热装置以及风机。这四部分通过风管连接。热泵系统压缩机功率为5P，采用R22作为制冷剂。风机功率5.5kW，采用变频器控制。穿流式干燥箱尺寸为1.2m×1.2m×0.4m，可装18kg胡萝卜片。通过开关风阀可以实现常温（30～40℃）热泵干燥、热风（60～70℃）干燥以及分段式联合干燥。

图1 分段式热泵－热风联合干燥装置示意图Fig.1 Experimental setup of the combined cross-flow pilot dryer

1.2 干燥实验

胡萝卜片分别用热泵干燥、热风干燥以及先热泵、后热风分段式联合干燥进行脱水实验。

热泵干燥时，胡萝卜片分别在低温30、40℃，风速为1.5、2、2.5m/s的条件下进行干燥实验。热泵干燥系统的性能利用脱水率MER（kg H2O/h）和单位能耗除湿量SMER（kg H2O/kW·h）进行评测。MER反应了干燥系统的生产能力，而SMER反应了干燥过程中的能源效率。二者按式（1）、式（2）进行计算[12]：

MER=m×（wf-wi） 式（1）

SMER=MER/Wt式（2）

式中，m—胡萝卜质量，kg；wi—干燥前含水率，kg/kg；wf—干燥后含水率；Wt—能耗，kW。

热风干燥温度越高对果蔬质量破坏越大。依据电加热设备工作情况，本实验热风干燥条件选为风温70℃，风速1.5m/s。

采用单因素实验考察了切换点对热泵－热风联合干燥过程和干燥质量的影响。联合干燥时，第一阶段采用40℃热泵干燥。当物料含湿量分别降至70%、40%时，开启风阀a、b、c，关闭d，采用70℃热风干燥至安全水分（10%w.b.）。热风升温速率为0.5℃/min。干燥过程中，每隔30min用天平称重物料，并记录干燥室内A处的温度、相对湿度以及风速。物料温度采用K式热电偶获得。热电偶信号基于NI Compact DAQ9174机箱、Model NI9250采集卡和LabVIEW software（V8.9.5）收集数据。

1.3 核磁共振实验

核磁共振技术作为一项非破坏性技术可以用于估测物料内部水的分布和流动性[13]。核磁共振信号强度直接与物料真实水分相关[14]。横向驰豫时间（T2）可以反应不同状态水分的分布和流动性[15-16]。本实验采用CPMG序列获得物料干燥过程中的T2。利用反演软件（V1.1）获得T2分布。

1.4 干燥指标

1.4.1 β胡萝卜素含量 胡萝卜清洗，剥皮后，取胡萝卜皮质部分切成直径为11mm、厚4mm的样品，按1.2部分的干燥条件进行干燥。采用改良的紫外分光光度法测定β胡萝卜素含量[17]。取5～8g样品在高速组织打浆机中打浆，将浆液置入烧瓶中，并加入40mL乙醇、40mL 2mol/L的NaOH溶液，在70℃水浴中皂化30min。离心，取上清液。用5mL异丙醚多次提取上清液至无色，收集提取液用异丙醚定容至100mL。利用紫外分光光度计在450nm波长下测定吸光度值，通过与β胡萝卜素标准曲线比对，获得样品β胡萝卜素含量。相同实验重复3次。

β胡萝卜素保持率按下式计算：

C=Cf/Ci式（3）

式中，Ci—胡萝卜干燥前β胡萝卜素含量，mg/100g干；Cf—胡萝卜干燥后β胡萝卜素含量，mg/100g干。

1.4.2 颜色 取胡萝卜皮质部分制样。用Lovibond色差仪分别测量新鲜样和干燥样的红值R、黄值Y、蓝值B和灰度N值。每个样品重复3次。

1.4.3 复水率 采用25℃水中浸泡1h的方法获得干燥产品的复水率[2]。样品在浸泡前后分别用天平称重。复水率按下式计算：

R=mr/mi式（4）

式中，mi—样品复水前质量，kg；mr—样品复水后质量，kg。

实验重复3次，取平均值。

1.4.4 数据处理 实验数据利用SAS（v.9.1）进行方差分析。不同干燥方法间的指标均值进行Duncan多范围检验，当p≤0.05时，均值被视为显著差异。

2 结果与讨论

2.1 物料水分在干燥过程中的状态变化

图2是利用CPMG序列获得胡萝卜片在HPD干燥过程中内部水分的T2分布。可以发现，该图谱存在3个不同的峰，即在100～1000ms之间、流动性最强的T22，在10～100ms之间、流动性较强的T21，以及在1～ 10ms之间、流动性最差的T20。这些水分分别对应着物料的自由水、半结合水以及结合水。这三种状态的水分分别占新鲜胡萝卜总水分的94.79%、3.67%以及1.54%。其中，自由水分含量最大。干燥过程中，T22峰面积相对于T21、T20迅速减少，这说明干燥过程中，各种水分同时失去，但自由水失去速度最快。当干燥至28.9%～37.6%湿分段时，自由水近似消失。干燥至安全水分时，T22峰消失，T20峰依然存在。这说明HPD干燥过程主要除去物料的自由水分，不能完全除去结合水。

图2 HPD干燥过程中胡萝卜内部水分T2分布Fig.2 Distribution of relaxation times during HPD

图3（a）是湿基含水率在90.5%～92%之间的新鲜胡萝卜片在深床（40mm）热泵干燥过程的特征曲线。可以看出，所有的热泵干燥过程呈现相近似的干燥动力学特征，并且干燥时间较长。穿流干燥风速和温度可以显著影响干燥时间。随着干燥风速和干燥温度的升高，干燥曲线变陡，可以较快除去物料水分，缩短干燥时间。

从图3（b）上可以看出，在干燥初始，SMER值较高（大于1kg/kW·h），随着干燥的进行，其值迅速下降。这是因为，物料在干燥开始时富含自由水分，在其表面发生的湿分蒸发速率很快。随后干燥速率受物料内部传质速率控制。除去相同数量的水分，需要更多的能量，致使SMER下降。

另外，相同风速下、40℃干燥条件的SMER值高于30℃干燥条件下的SMER值。适当的增加风速可以提高SMER。但是在40℃、最大风速2.5m/s时，最大的SMER值仅出现在开始阶段；此后，其值一直低于40℃、2m/s干燥条件。相同规律同样出现在30℃干燥条件下。这是因为升高温度可以加速物料内部水分传递和蒸发，高风速下可以加快干燥空气和物料间的热量、水分传递。但当物料干燥速度受内部水分传递控制时，高风速只能会增加干燥系统风机能耗，降低过程SMER。因此，干燥温度40℃、风速2m/s时，热泵系统可以获得较好的除湿效率。在这一条件下，干燥18kg胡萝卜片需要630min，干燥时间依然较长。

图3 不同干燥状态下HPD干燥曲线与性能曲线Fig.3 Drying curves（a）and SMER（b）of HPD at different drying conditions

2.2 分段式热泵－热风联合干燥过程特征

从图4（a）可以看出，分段式热泵－热风联合干燥过程具有热泵干燥和热风干燥的特征。当热泵干燥至物料含水70%w.b.时（HP-HAD II），切换为70℃热风干燥至终点，所需总干燥时间约为300min；而热泵干燥至40%w.b.时（HP-HAD I），切换热风干燥，所需总时间为450min。但二个联合干燥过程相比单一热泵干燥630min，干燥时间分别缩短52.4%、28.6%。这说明分段式热泵－热风联合干燥是一个快速干燥过程，可以大幅度缩短热泵干燥时间。第二阶段热风干燥过程越早，所需干燥时间越短。

在图4（b）的热风干燥过程中出现了一个近似恒速干燥阶段，而降速干燥过程一直存在于热泵干燥过程中。尽管许多像胡萝卜一样的食品在干燥过程中会出现一个恒速干燥过程，但这一过程却没有在热泵干燥过程中出现。可能是因为穿流干燥箱提供了一个快速干燥环境，或者是热泵此时具有较高的除湿效率。

在联合干燥过程中，当干燥速率下降、物料处于低湿状态时，第二阶段的70℃热风干燥可以快速升高物料温度（图5）。高温可提高物料内部水分扩散速率，使得HP-HAD II的干燥速率从1.7kg/（kg·h）提高到2.2kg/（kg·h），使HP-HAD I的干燥速率从0.2kg/（kg·h）提高到0.7kg/（kg·h）（图4），最终缩短了干燥时间。

图4 不同干燥方式干燥曲线和干燥速率曲线比较Fig.4 Drying curves（a）and drying rates（b）of different drying methods at 1.25m/s air velocity

2.3 不同干燥方式产品质量比较

表1说明不同干燥方法对胡萝卜片Y、R和N值有显著影响。相比热风干燥，联合干燥过程I的产品有更高的Y，R值。同时，从表2中发现，联合干燥产品β胡萝卜素含量高于热风干燥产品。这说明黄值Y和红值R与类胡萝卜素含量呈正相关[18]。但这一规律不符合热泵干燥产品。虽然热泵干燥产品具有较高的β胡萝卜素含量，但其R值最小。通过肉眼观察发现，热泵干燥产品呈现暗红色，亮度差。造成这一现象的原因可能是在深床干燥过程中，热泵产品长期处于低温环境，造成了微生物污染。

图5 不同干燥条件下胡萝卜内部温度变化Fig.5 Centre temperature profiles of carrot slice undergoing different drying methods

在表2中，HPD产品表现出较高的复水率，而HAD产品复水性最差。虽然HPD过程中物料收缩现象依然存在，但温和、低温干燥可能使物料表面形成多孔结构，有利用产品复水。热风干燥过程中，高温会使多糖物质融化、淀粉凝胶化，当物料温度降低时，会造成胡萝卜表面和内部组织硬化，不利于产品复水。因此，HP-HAD II因第二阶段热风干燥时间较长，虽具有较高的MER，提高了生产能力，但复水率下降。

表1 不同干燥方式对胡萝卜片产品色泽的影响Table 1 Effect of different drying methods on color of carrot slices

表2 不同干燥方式对干燥指标的影响Table 2 Effect of different drying methods on drying indices

从图6中可以看出，热泵、热风干燥前期，β胡萝卜素含量迅速下降；干燥中后期，β胡萝卜素降解曲线平缓。这是因为在干燥初期，自由水被缓慢除去，物料内的有效成分（β胡萝卜素等）浓度增加，这使相关化学降解反应速率增加。高温热风可使物料温度迅速升高至40℃以上（图5），增加了β胡萝卜素的化学降解速度。同时，在这一温度下，脂肪氧化酶、过氧化氢酶引起的有氧催化生物反应会加速β胡萝卜素降解[19]。热泵干燥过程中，物料平均温度长期低于40℃。低温降低了β胡萝卜素化学降解速率和由类胡萝卜素裂解酶引起的生物降解反应速率[20]。因此，HPD产品的最终保持率高达0.83。

图2中某一时刻三种不同形态的水分含量可以根据各峰面积与此时物料含水率的比例关系，通过计算获得（省略具体计算过程）。对于联合干燥过程，HP-HAD I切换点在40%w.b时，第一阶段低温HPD除去了95.4%的自由水分，过程SMER为0.47kg H2O/kW·h；HP-HAD II切换点在70%w.b.时，第一阶段的HPD过程除去了75.36%的自由水分，过程SMER为0.49kg H2O/kW·h。二者SMER均高于单一HPD的0.37kg H2O/kW·h。可见，自由水的脱除方式可以影响过程能耗。HP-HAD I、HP-HAD II产品β胡萝卜素保持率分别在0.75～0.81、0.64～0.72范围内，均高于HAD产品。这说明切换点的位置可以影响到自由水的脱除方式，进而影响产品质量。

图6 不同干燥过程中β胡萝卜素降解曲线Fig.6 Degradation kinetics of β-carotene Retention undergoing different drying methods

随着干燥的进行，物料自由水含量下降到一定程度，不能继续为有效成分的化学降解提供溶剂环境。同时，低水分限制了微生物的生长，增加了反应物所在环境的粘度，在空间结构上限制了酶的活性[21]，降低了生化降解速率。这时有效成分可以承受一定的反应温度。采用逐步升温的热风干燥除去最后的自由水分以及半结合水，不仅可以显著缩短干燥时间、提高效率，而且可以使产品高温杀菌，减少微生物污染。这也正是HP-HAD I可以生产出复水率、β胡萝卜素保持率与HPD产品相近（p＞0.05），但其Y、R值却高于HPD，产品色泽好的原因。基于电能耗，尽管3种干燥方法的能耗没有明显差别，但相比热泵干燥，联合干燥过程可以节省6.5%～20.4%电能消耗。

3 结论

3.1 胡萝卜内部水分按弛豫时间的不同以自由水、半结合水以及结合水三种形态存在；自由水占绝大多数，为94.79%。

3.2 物料处于热泵干燥降速干燥段时，风速过大会增加辅助设备（风机）的能耗，使得过程SMER下降。干燥温度40℃、风速2m/s时，热泵性能最好。

3.3 切换点单因素实验表明，相比10.5h的HPD过程，切换点在高水分区（70%）、低水分区（40%）时，分阶段式热泵－热风联合干燥时间分别缩短52.4%、28.6%，MER分别提高110.2%、39.7%。

3.4 自由水的除去方式可以影响产品质量、干燥时间和能耗。低温HPD除去的自由水越多，产品质量越好，但SMER越小。第一阶段采用40℃热泵干燥将胡萝卜片干至含水率40%w.b.，除去95.4%的自由水后，第二阶段采用逐步升温的70℃热风干燥至安全水分，这一联合干燥过程可以生产出产品色泽优于HPD、复水率和胡萝卜素含量接近于HPD的产品。相比HAD产品，产品复水率和β胡萝卜素含量分别高出59%、52%。该过程为较优联合干燥过程。

[1]Alibas L.Microwave，air and combined microwave-air-drying parametersofpumpkin slices[J].LWF-Food Science and Technology，2007，40：1145-1451.

[2]Mayor L，Sereno A M.Modelling shrinkage during convective drying of food matertials：a review[J].Journal of Food Engineering，2004，61：373-386.

[3]Lin T M，Durance T D，Scaman C H.Characterization of vacuum microwave，air and freeze dried carrot slices[J].Food Research International，1998，31（2）：111-117.

[4]Teeboonma U，Tiansuwan J，Soponronnarit S.Optimization of heat pump fruit dryers[J].Journal of Food Engineering，2003，59（4）：369-377.

[5]Sunthonvit N，Srzednicki G，Craske J.Effects of drying treatments on the composition of volatile compounds in dried nectarines[J].Drying Technology，2007，25（5）：877-881.

[6]Kudra T，Mujumdar A S.Advanced drying technology[M].1st edition.New York：Marcel Dekker，2002：25-26.

[7]张慜，徐艳阳，孙金才.国内外果蔬联合干燥技术的研究进展[J].无锡轻工大学学报，2003，22（6）：103-106.

[8]张绪坤，祝树森，黄俭花，等.用低场核磁分析胡萝卜切片干燥过程的内部水分变化[J].农业工程学报，2012，28（22）：282-287.

[9]Khalloufi S，Giasson J，Ratti C.Water activity of freeze dried mushrooms and berries[J].Canadian Agricultrual Engineering，2000，42（1）：7.1-7.13.

[10]张绪坤，李华栋，徐刚，等.脱水蔬菜热泵-热风组合干燥实验[J].农业工程学报，2008，24（12）：226-229.

[11]HiranvarachatB，SuvarnakutaP and Devahastin S. Isomerisation kinetics and antioxidant activities of β-carotene in carrots undergoing different drying techniques and conditions[J]. Food Chemistry，2008，107（4）：1538-1546.

[12]Prasertsan S，Sean-saby P.Heat pump drying of agricultural materials[J].Drying Technology，1998，16：235-250.

[13]Esselink E，Aalst H V，Maliepaard M，et al.Impact of industrial dough processing on structure：A rheology，nuclear magnetic resonance，and electron microscopy study[J].Cereal Chem，2003，80（4）：419-423.

[14]Ghosh P，Jayas D S，Marco L H，et al.A magnetic resonance imaging study of wheat drying kinetics[J].Biosystems Engineering，2007，97（2）：189-199.

[15]Seefeldt H F，Van Denberg F，Kochenberger W，et al.Water mobility in the endosperm of high beta-glucan barley mutants as studied by nuclear magnetic resonance imaging[J].Magnetic Resonance Imaging，2007，25（3）：425-432.

[16]Gruwel M L H，Chatson B，Yin X S，et al.A magnetic resonance study of water uptake in whole barley kernels[J]. International Journal of Food Science and Technology，2001，36（2）：161-168.

[17]Biswas A K，Sahoo J，Chatli M K.A simple UV-Vis spectrophotometric method for determination of β-carotene content in raw carrot，sweet potato and supplemented chicken meat nuggets[J].LWT-Food Science and Technology，2011，44（8）：1809-1813.

[18]Koca N，Burdurlu H S，Karadeniz F.Kinetics of colour changes in dehydrated carrots[J].Journal of Food Engineering，2007，78（2）：449-455.

[19]Cui Z W，Xu S Y，Sun D W.Effect of microwave-vacuum drying on the carotenoids retention of carrot slices and chlorophyll retention of Chinese chive leaves[J].Drying Technology，2004，22（3）：563-575.

[20]Baldermann S，Fleischmann M N P.Enzymatic carotenoid degradation and aroma formation in nectarines（Prunus persica）[J].Food Research International，2005，38：833-836.

[21]Kumar S，Ma B，Chung J T，et al.Folding and binding cascades：Dynamic landscapes and population shifts[J].Protein Science，2000，9：10-19.

Heat pump and hot air combined drying of carrot slices

XU Jian-guo1，XU Gang1，ZHANG Sen-wang1，GU Zhen1，ZHANG Xu-kun2，LI Hua-dong1，*
（1.Food Engineering Innovation Center of Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang 330096，China；2.Key laboratory of Non-destructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

An innovative two-stage drying concept was presented in this article.Drying of carrot slices using a combined drying in a pilot deep bed dryer was considered，the first stage heat pump drying at low temperature and the second stage hot-air drying in short time.In addition，sterilization could be achieved by applying hot air.The effect of conjunction where heat pump drying with low temperature switched to hot air drying on drying performance and product quality was discussed and the optimum drying process was determined.The results showed the removal process of free water could affect the general drying performance and product quality.A comparison of the color of products showed that the combined drying reduced the color change less than heat pump drying.The retention of β-carotene was very close to that dried by heat pump drying，higher about 59% than hot air drying.The drying time of the combined drying was reduced about 28.6%compared with the 10.5 hours of heat pump drying.High quality products were achieved and drying time was greatly reduced during the heat pump and hot air combined drying.The two-stage drying could be applied in industry.

two stage drying；combined drying；heat pump drying；free water

TS205.1

B

1002-0306（2014）12-0230-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.042

2013－07－16 *通讯联系人

徐建国（1979-），男，助理研究员，主要从事干燥技术与设备方面的研究。

国家自然科学基金项目（31060231）。