芒果高温热泵间歇干燥特性的研究

罗彩连　林羡　吴继军　徐玉娟　李俊

摘 要 为了提高芒果干制过程的能源利用率及干制品的品质，在真空渗透脱水预处理的基础上，研究不同热泵干燥温度（50、55、60 ℃）及间歇时间（1、2、4 h）下对芒果干燥特性的影响。结果表明：热泵干燥温度越高，水分比下降越快，干燥速率越大；热泵干燥、间歇时间越长，水分比下降越快，干燥速率越大；55 ℃干燥温度下，热泵间歇干燥的水分比下降的速度及干燥速率均高于连续干燥，干燥时间显著缩短。Midilli模型为最适宜模拟芒果高温热泵干燥特性的数学模型。

关键词 芒果；真空渗透脱水；热泵干燥；干燥特性

中图分类号 S667.7 文献标识码 A

Study on Intermittent High Temperature Heat Pump

Drying Characteristics of Mango

LUO Cailian， LIN Xian*， WU Jijun， XU Yujuan， LI Jun

Sericulture and Farm Product Processing Research Institude， Guangdong Academy of

Agricultural Sciences， Guangzhou，Guangdong 510610， China

Abstract Effects of different drying temperatures （50 、55 、60 ℃） and intermittent drying times（1、2 、4 h at 55 ℃）on the drying characteristic of dried mango pre-submitted to vacuum osmotic dehydration were studied. The results showed that the higher the heat drying temperature， the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the longer the intermittent time the lower the moisture ratio and the faster the drying rate； the moisture ratio and the drying rate of intermittent drying declined， more quickly than that of continuous drying. Besides， compared with continuous drying， intermittent drying was significantly shortened the drying time. Midilli model fitted the drying curves well.

Key words Mango；Vacuum osmotic dehydration；Heat pump drying；Drying characteristic

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.030

芒果是经济价值极高的热带水果之一，其果肉细腻、风味独特，深受人们所喜爱。然而，新鲜芒果不耐贮藏，货架期短[1]。因此，除鲜食外，通过将芒果加工成干制品，能有效延长其保质期，提高产品附加值[2]。现有的干制加工过程主要存在能耗大，品质差（如色泽差，营养成分损失）等问题。高温热泵干燥，由制冷剂回路及干燥介质回路组成，从低品位能源吸收的热量转换为高品位的热量[3]，能有效提高能源利用率，是目前食品干燥领域的研究热点之一。间歇干燥是一种干燥条件随时间的变化而变化的干燥方法，它可以改变干燥空气温度，湿度，压力甚至热量输出模式。与连续干燥相比，具有减少实际干燥时间、提高产品色泽、口感等优点。

为了能够准确的预测间歇干燥过程中食品内部水分分布，合理选择间歇干燥较佳工艺提供依据，间歇干燥过程中切片土豆[4]、白菜种子[5]、龙眼[6]、荔枝[7]等的水分传质模型均有报道，然而未见芒果高温热泵干燥的水分变化规律研究。因此，本文通过研究不同高温热泵干燥温度及间歇时间对芒果真空渗透脱水后期干燥特性的影响，探究高温热泵干燥的干燥效果，建立干燥数学模型，确定芒果的高效节能保质干燥工艺，为高温热泵干燥技术在芒果干制产业中的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料 芒果品种为金煌，购于广州水果市场。

1.1.2 仪器与设备 GHRH-20型高温热泵干燥系统；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程 芒果→清洗→去皮、去核→切片→真空渗透脱水→高温热泵干燥→包装→品质指标测定。

1.2.2 操作要点 切片：芒果统一切片直径为4 cm、厚度为1.2 cm的圆片。真空渗透脱水：经0.04 MPa真空处理20 min后恢复至常压，渗透脱水至含水率为（77.00±1.00）%。高温热泵干燥：干燥前机器预热30 min达到稳定温度后，将芒果片平铺于筛网上。试验设计6个干燥工艺条件。其中，连续热泵的干燥温度分别为50、55、60 ℃；间歇干燥的干燥温度为55 ℃，每干燥2 h，停止加热进行间歇干燥，间歇时间分别为1、2、4 h。干燥风[速为1.0 m/s，干燥至芒果含水率为（21.00±1.00）%]。

1.2.3 指标测定 水分含量参照GB 5009.3-2010[8]食品中水分含量的测定的直接干燥法，水分含量以干基含水量表示，如下：

Md=mw/md （1）

其中，mw表示物料中任意时刻水分含量，md表示物料中任意时刻干物质质量（下同）。

水分比：干燥动力学常采用无量纲水分比 MR 随时间变化来分析干燥过程的变化规律，其中水分比MR的表达式为[9]：

MR=（Md-Me）/（M0-Me） （2）

其中，Md是物料在任意时刻的干基含水量，M0是物料干燥初始时刻的干基含水量，Me是物料平衡时刻的干基含水量，相对于初始干基含水量来说比较小，可以忽略不计，所以方程可以简化为：

MR=Md/M0 （3）

1.2.4 干燥模型的建立 a. 曲线拟合，根据有机及生物材料中常用的9种薄层干燥模型[6]，通过对水分比对时间作图得到的曲线进行拟合，对芒果的热泵干燥特性进行了研究。由于回软过程的动力学与连续对流干燥基本相似[10-11]，因而间歇干燥的动力学模型也采用这9种薄层干燥模型。薄层干燥模型见表1。

b. 评价模型指标，利用origin8.0对曲线进行拟合，可得到模型相关系数。其中相关系数R2、卡方χ2及误差平方根RMSE是评价干燥模型对干燥曲线拟合的优劣的重要指标。相关系数R2值越大，卡方χ2及误差平方根RMSE值越小，则干燥模型拟合的越好。这些参数的计算公式为：

其中，MRexp，i、MRpre，i分别为水分比的实验值及预测值，N为试验点个数，n为模型中的常数项的个数。

干燥速率：干燥速率定义为单位时间内每单位面积（物料和干燥介质的接触面积）湿物料汽化的水分质量。当物料与干燥介质的接触面积不易确定时，用干燥强度表示干燥速率，其定义为物料湿含量随时间的变化率，通常用DR表示，其表达式如下：

DR=dMd/dt=（Md，j+1-Md，j）/（tj+1-tj） （6）

其中Md，j+1，Md，j分别表示tj+1，tj时刻干基含水量。

1.3 数据处理

采用SPSS17.0对试验结果经过进行one-way ANOVA方差分析与多重比较分析。采用origin8.0对干燥曲线进行拟合及数据分析。

2 结果与分析

2.1 芒果高温热泵干燥曲线

图1（a）结果表明，芒果高温热泵干燥曲线可分为3个阶段，干燥前期水分比下降速度较快，干燥中期水分比下降缓慢，干燥后期水分比达到平衡而无显著变化。干燥温度越高，水分比下降的越快。干燥温度为50、55、60 ℃时，下降到目标水分比（MR=0.1即前面所提到的目标含水量21%）时所需的时间分别为12、10、8 h，表明干燥温度从50 ℃增加到55 ℃和50 ℃增加到60 ℃可分别节省干燥时间16.67%和30.77%。干燥间歇时间对芒果高温热泵干燥曲线的影响如图1（b）所示。结果表明，随着有效干燥时间的增加，间歇时间越长水分比下降越快。同样，水分比的变化趋势与热泵干燥温度对水分比的影响类似如图1（b）所示。55 ℃热泵间歇干燥，MR为0.1所需的时间均略低于8 h，比55 ℃间歇干燥10 h的时间节省了20%。

2.2 芒果高温热泵干燥速率曲线

一般情况下，农产品的干燥速率曲线可分为初期加速阶段、恒速阶段及降速阶段。图2（a）结果表明，芒果热泵连续干燥在干燥温度50 ℃，干燥分为加速、恒速、降速3阶段，干燥温度为55、60 ℃时，加速、降速2阶段。在降速干燥阶段后期，温度差异对干燥速率的影响越来越不显著，这可能是因为结合水比较难蒸发出去。由于干燥初期的干基含水量较大，不同干燥温度下，加速阶段均为0～2 h，干燥温度越高，干燥速率增加越快。干燥间歇时间对芒果高温热泵干燥速率曲线的影响如图2（b）所示。结果表明，干燥前2 h为相当于连续干燥阶段，因而各处理组的干燥速率一样；干燥2 h后，干燥速率下降，但此时干燥速率随着间歇时间的增加显著增加。此后，随着干燥时间的增加，不同处理组干燥速率的差异性逐渐减少。

2.3 干燥数学模型模拟

采用9个常用薄层干燥数学模型对不同干燥温度和干燥间歇时间的芒果高温热泵干燥曲线进行模拟，平均拟合结果如表2所示。结果表明，每个模型的卡方及误差平方根RMSE的平均值的范围分别为0.000 225～0.004 681、0.010 99～0.045 05，所选用的模型模拟相关系数平均值均高于0.986，表明所选模型均能较好地拟合。其中，Midilli模型的相关系数平均值是0.996 79，为最大。Midilli模型的卡方及误差平方根的平均值分别是0.000 225、0.010 99，均为最小。Midilli模型的拟合效果最好，因此，芒果高温热泵干燥的数学模型选用此模型。

Midilli的拟合结果如表3所示。表3表明，k值呈现出随热泵干燥的温度增加而增加，随热泵间歇时间的增加而减少。60 ℃时，k值为0.330 33，分别是55 ℃、50 ℃的1.38、3.12倍。可见，干燥温度对干燥速率有促进作用。55 ℃连续干燥k值均大于间歇干燥，说明连续干燥的干燥潜能比间歇干燥大，这可能是间歇干燥在前期干燥速率比连续干燥大，导致后期水分含量少，因而干燥潜能降低。n为Midilli模型的指数项，从表3可以看出，n均大于1.0，这表明MR与时间的关系并不是一级动力学方程。由表3还可知k值与指数项n值呈负相关，即温度增加k值增加，而n降低；间歇时间增加，k值降低，n值增加。a， b均是Midilli模型的系数，a值随温度及间歇时间的增加而增加，b值的变化随温度增加时无规律性，而间歇干燥时间增加时呈现增大趋势。

3 讨论与结论

Shi等[12]对雪莲果片薄层热泵干燥时也发现热泵干燥时间随干燥温度和风速的增加而减低。随着温度的增加，热传递速率增加促进水分子运动加快，从而使产品内部水分快速迁移到表面，因而干燥速率增加。

热泵间歇干燥减少干燥所需时间，可能芒果内的水分在间歇时间内重新分布，为内部水分转移到表面提供了时间[13-14]，而且间歇时间越长，内部水分转移到表面时间越充足，从而干燥时间缩短。

芒果热泵连续干燥在干燥温度为50 ℃时干燥速率曲线与干燥温度为55 和60 ℃时的干燥速率曲线不同。差异的原因一方面可能是芒果样品经真空渗透脱水去了部分水分，因而在干燥初始阶段不能提供足够的水分[15-16]；另一方面，可能是切片表面的负荷低于3.50 kg/cm2（当表面负荷低于时干燥无恒速阶段）[17-18]。Wang（2011）[19]研究热泵干燥山楂糕可行性分析也发现干燥温度对干燥速率有影响。石启龙[20]利用Trabert理论对温度升高时物料的干燥速率加快的原因进行了解释，其原因为温度升高可以加快水分蒸发。

由于芒果物料进入降速阶段时达到了临界含水率，内部水分梯度降低[21]，即使延长间歇干燥时间，由于细胞内的结合水比自由水难迁移到表面，因而干燥速率没有明显增加。

采用9个常用薄层干燥数学模型对不同干燥温度和干燥间歇时间的芒果高温热泵干燥曲线进行模拟， Midilli模型的相关系数平均值是0.996 79，为最大。Midilli模型的卡方及误差平方根的平均值分别是0.000 225、0.010 99，均为最小。Midilli模型的拟合效果最好，因此，芒果高温热泵干燥的数学模型选用此模型。Cihan等[22]对薄层间歇干燥稻谷的干燥模型进行拟合时，发现Midilli模型的相关系数为0.999 6，标准差为0.006 8，卡方为0.667×10-4，为最适宜拟合稻谷薄层间歇干燥特性的数学模型。杨韦杰等[7]对荔枝薄层干燥时各干燥条件下Midilli模型的相关系数均大于0.99，RMSE为1.40%～2.22%，卡方为2.1×104～5.3×104，均较优，得到了Midilli模型模拟结果较好的结论。

k值为速率常数，用来衡量干燥特性，其值的增加表明干燥潜能增加[23]。60 ℃时，k值为0.330 33，为最大，这说明60 ℃的干燥潜能比55 ℃及50 ℃的干燥潜能大。可见，干燥温度对干燥速率有促进作用。55 ℃连续干燥k值均大于间歇干燥，说明连续干燥的干燥潜能比间歇干燥大。

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