马铃薯片的热泵干燥与干燥动力学拟合

周罗娜 王辉 刘嘉 刘永翔 雷尊国 叶发银 计保芮

摘要：以马铃薯为原料，拟探索在热泵干燥的过程中，马铃薯片的切片厚度、漂烫时间、干燥温度、马铃薯品种及酸、盐处理对干燥速率的影响。结果表明，马铃薯片的切片厚度、漂烫时间、干燥温度对干燥速率均有较大影响，当切片厚度为2 mm，漂烫时间为60 s，干燥温度为80 ℃时，马铃薯片的干燥速率最快;马铃薯品种不同，干燥速率也有所不同，其中品种为费乌瑞它的马铃薯片干燥速率最快;马铃薯片经过酸、盐预处理均能提高热泵干燥的干燥速率，其中乳酸、氯化钠提高得最多。通过模型拟合，得出符合马铃薯片热泵干燥动力学特性的模型为Page模型，可以准确地预测马铃薯片热风干燥的过程，从而为实际生产提供理论依据。

关键词：马铃薯片;热泵干燥;模型拟合;动力学拟合

中图分类号： TS215  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0208-06

收稿日期：2018-05-14

基金项目：贵州省科技重大专项（编号：黔科合重大专项字[2014]6016）;贵州省科研机构服务企业行动计划[编号：黔科合服企（2015）4005];贵州省第五批创新人才基地建设项目（编号：黔人领发[2016]22号）;贵州省农业科学院创新专项（编号：黔农科院科技创新[2017]07号）。

作者简介：周罗娜（1992—），女，贵州贵阳人，硕士，研究实习员，研究方向为食品加工。

通信作者：王 辉，硕士，助理研究员，研究方向为食品加工。

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是1万年前起源于南美洲安第斯山脉中心地区的作物，其适应性强、耐瘠薄干旱、产量高，可供人类食用部分的占比高达85%[1]。经过5个世纪的发展，马铃薯逐渐扩展到欧洲、非洲和亚洲，现已成为继小麦、稻谷、玉米之后的世界第四大粮食作物。马铃薯作为日常饮食中的一部分，是钾、镁、膳食纤维、维生素B6的重要来源[2]，老少皆宜，易于消化。

马铃薯除了可鲜食外，在云南、贵州、四川等地，人们喜爱将其切成薄片后晒成马铃薯干片。每次食用前，将马铃薯干片放入油锅中炸透，再撒入适量盐或辣椒面，即可得到一道美味可口的菜肴。在农村，几乎每家每户都能够晒出这种马铃薯片。但是，运用自然晾晒方法制作出的马铃薯片，消耗时间长，易褐变，尤其是冬季在缺少阳光的高原地区。

热泵干燥作为农副产品的干燥方法，近年来成为人们关注的焦点，在许多农副产品中均有研究，如枸杞[3]、番木瓜[4]、香菇[5]、柠檬[6]、辣椒[7]等。热泵干燥法具有耗能少、操作简单、 干燥效率高的优点。运用热泵干燥技术干燥马铃薯片，可以在缩短干燥时间的同时，使马铃薯片外表保持金黄，从而有效提高马铃薯片的干燥效率与品质，节约能量。本研究分析了切片厚度、漂烫时间、干燥温度、马铃薯品种以及酸、盐处理对马铃薯片热泵干燥效率的影响，并对热泵干燥过程中的动力学模型进行拟合，以期为马铃薯片热泵干燥提供理论依据和指导，较准确地把握其水分含量及干燥时间的变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为新鲜马铃薯，品种分别为大西洋、荷兰豆、费乌瑞它。

试验试剂：食品级醋酸（CH3COOH）、食品级柠檬酸（C6H8O7）、食品级乳酸（C3H6O3）、食品级氯化钠（NaCl）、食品级氯化钙（CaCl2）、食品级碳酸钠（Na2CO3）。

1.2 主要设备与仪器

主要设备与仪器有热泵果蔬烘干机（JDYZN-5HG-13）、奥豪斯cp213电子秤、雷磁PHS-2F pH计。

1.3 试剂的配制

（1）醋酸（CH3COOH）溶液的配制：精确量取10.00 mL醋酸，与1 000 mL蒸馏水充分混合，即得溶液（体积比为 1 ∶100），pH值为3.02。（2）柠檬酸（C6H8O7）溶液的配制（质量比为1 ∶100）：精确称取10.00 g柠檬酸，于1 000 g蒸馏水中溶解，得到相应溶液，pH值为2.23。（3）乳酸（C3H6O3）溶液的配制：精确称取10.00 g乳酸，于1 000 g蒸馏水中溶解，得到相应溶液（质量比为1 ∶100），pH值为 6.63。（4）碳酸钠（Na2CO3）溶液（0.5 mol/L）的配制：精确称取53.00 g Na2CO3，加入适量蒸馏水充分溶解，定容至 1 000 mL。（5）氯化钙（CaCl2）溶液（0.5 mol/L）的配制：精确称取55.50 g CaCl2，在适量蒸馏水中充分溶解后，定容至 1 000 mL。（5）氯化钠（NaCl）溶液（0.5 mol/L）的配制：精确称取29.25 g NaCl，于适量蒸馏水中充分溶解后，定容至 1 000 mL。

1.4 试验方法

1.4.1 马铃薯切片干燥处理流程 新鲜马铃薯→清洗→去皮→切片→冲洗→预处理→漂烫（沸水）→吸干表面水分→热泵干燥→留样。

1.4.2 干燥试验

1.4.2.1 马铃薯切片厚度、漂烫时间、干燥温度对干燥的影响 本研究选择的马铃薯品种为大西洋，选取3个切片厚度、3个漂烫时间、3个干燥温度进行热泵干燥试验。在烘干过程中，每10 min測定1次样品质量的变化，直至前后2次称量无变化、达到恒质量时结束试验。每组试验重复3次，具体试验参数见表1。

1.4.2.2 酸处理对干燥的影响 本研究选择的马铃薯品种为大西洋，选择醋酸、柠檬酸、乳酸3种酸，对马铃薯片进行热泵干燥试验。在漂烫前，分别用配制好的不同种类的酸对切片马铃薯浸泡处理1 h，浸泡时酸、马铃薯的质量比=10 ∶1。在烘干过程中，每10 min测定1次样品质量的变化，直至前后2次称量无变化、达到恒质量时结束试验。每组试验重复3次，具体试验参数见表2。

2.2 干燥动力学模型拟合

为了描述马铃薯片在热泵干燥过程中的脱水规律，本研究选取了4种不同的干燥模型对其干燥曲线进行经验模型的回归分析，并取R2作为方程接受程度的评价指标。R2越接近1，则拟合精度越优，各方程对马铃薯片热泵干燥过程的平均拟合效果如表6所示。

由表6可知，大部分经验模型均达到较高的拟合度，Page模型回归结果的平均R2最大，为0.998 4。表7为Page模型对马铃薯片在不同条件下干燥曲线的参数模拟结果，其中k表示干燥常数，可以看出，温度、漂烫时间、干燥温度及马铃薯品种对k值有影响。在对马铃薯片进行酸处理与盐处理后，k值也受到了影响。在不同的切片厚度下，切片厚度为2 mm时的k值最大;在不同的漂烫时间下，漂烫时间为60 s时的k值最大;当干燥温度不同时，干燥温度为80 ℃时的k值最大;当马铃薯品种为费乌瑞它时，k值最大;当进行酸处理与盐处理时，用乳酸处理、氯化钠处理的k值最大。以上结果与图1至图5得出的规律相同。在Page模型拟合中，R2值在0.994 6～0999 9之间变化，标准差s小于2%，说明模型拟合的结果较好，因此选择Page模型用于描述马铃薯片热泵干燥过程中的脱水规律。

3 结论

本研究结果表明，马铃薯的切片厚度、漂烫时间、干燥温度对于马铃薯片的干燥特性都有影响。干燥速率随着马铃薯切片厚度的增加而减慢，随着漂烫时间、干燥温度的增加而增加。酸处理和盐处理均对马铃薯片的干燥特性有影响，可能由于添加酸和盐后，改变了马铃薯片细胞的通透性，使得细胞内的水分丧失加快，达到恒质量的时间减少，干燥速率加快。

当马铃薯切片厚度为2 mm时，马铃薯片的干燥速率最快，但切片厚度为4 mm时，马铃薯片的形状最佳;当漂烫时间为60 s时，干燥速率最快，达到恒质量的时间最短，口感最适合;当干燥温度为80 ℃时，干燥速率最快;马铃薯品种费乌瑞它的干燥速率最快;添加乳酸、氯化钠使马铃薯片的干燥速率提高得最多。

本研究确定了符合马铃薯片热泵干燥的动力学模型为Page模型，Page模型可以准确地预测马铃薯片热风干燥的过程。

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