西洋菜热泵干燥特性试验研究

张艳来，龙成树，尹凯丹，龚丽，刘清化，李秀平

（1.中南林业科技大学机电工程学院，长沙 410004，2.广东省现代农业装备研究所，广州 510630，3.广东农工商职业技术学院，广州 510507）

西洋菜热泵干燥特性试验研究

张艳来1,2，龙成树1,2，尹凯丹3，龚丽2，刘清化2，李秀平3

（1.中南林业科技大学机电工程学院，长沙 410004，2.广东省现代农业装备研究所，广州 510630，3.广东农工商职业技术学院，广州 510507）

在热泵干燥下，采用正交试验和响应面试验设计方法，研究温度、风速、热烫时间对西洋菜干燥特性影响。结果表明，沸水中热烫约3.3 min，热风温度为50℃，风速为2.88 m·s-1条件下，在干燥室中干燥2～3 h后，西洋菜能达到理想干燥效果（含水率约为8%），干燥后的物料颜色变成深绿色，有较浓郁香气，所得干燥工艺对实际生产具有指导意义。

西洋菜；热泵；干燥特性；响应面

西洋菜（Nasturtium officinale），又名豆瓣菜、水芹菜、水田芥，是十字花科多年生蔬菜[1]。我国种植区域主要分布两广、台湾、上海等地[2]，欧洲国家广泛种植和食用[3-4]。西洋菜有很高药用价值[4-7]。西洋菜收获期在5～7月份，可食用周期短，化学药剂保鲜仅有短时间保鲜效果，且会影响其药用性[8]。西洋菜脱水干燥工艺研究有重要意义。国内干燥脱水蔬菜加工大多采用传统热风干燥，干燥速度较慢、加热温度高、能耗大且对蔬菜营养成分、色泽、风味影响大[9-11]。热泵干燥是高效节能的温和干燥方法，接近自然干燥[12]。吕金虎、张海红等为降低能耗，提高干燥效率，缩短生产周期，使用自制热泵干燥甘蓝，节能可达40%～50%[11，13]。赵海波等研究白菜种子热泵干燥工艺，相比传统热风干燥节能近50%，且白菜种子发芽率提高[14]。李媛媛等采用热泵对油豆角干燥特性开展研究，获得优化工艺参数[15]。潘年龙等改进干制黄花菜传统生产方法，相比传统热风干燥产品感官品质良好，有黄花菜固有香味，无异味[16]。随着热泵干燥技术完善，脱水蔬菜应用增多[17]。

西洋菜功能成分分析及种植技术研究较多，但干燥工艺研究较少。本试验应用热泵干燥装置[18]，研究热烫时间、温度、风速对西洋菜干燥特性影响，得到西洋菜干燥工艺，可指导实践生产，为干燥设备设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

西洋菜购于广东省阳山县大崀村西洋菜种植基地，试验前，先清理杂质、败叶，然后常温（25℃）洗涤，去除表面水分后测得含水率为94%± 1%。

1.2 设备

热泵干燥试验装置由广东省现代农业装备研究所自制，主要参数：温度为35～65℃，风速为1.0～3.0 m·s-1，相对湿度（RH）为45%～90%。热泵本质上是一种热能品质提升装置，即一种利用高位能使热量从低位热源转为高位热源的装置[19]。其工作原理与制冷机相同，依照逆卡诺循环原理工作，不同的主要是工作温度范围的差别。

仪器：DC-P3型全自动测色色差计，北京维欣仪奥科技有限公司；赛多利斯水分测定仪，MA150，德国赛多利斯集团；KANOMAX风速测定仪，KA32L型，沈阳加野科学仪器公司；FA/JA系列上皿电子天平，上海天平仪器厂；W201D恒温水浴锅，上海申顺生物科技有限公司等。

1.3 方法

西洋菜热泵干燥工艺流程为：新鲜西洋菜→洗涤、除杂、过滤→去除表面水分→测出原始参数→热烫预处理→冷却、过滤→装盘、热泵中干燥→干品基本参数测定。

1.3.1 正交试验设计

本试验材料前期处理采用简单热烫，试验方法选用3个因素，即热泵热风温度、风速、热烫时间的3因素3水平正交试验设计。依次用A、B、C表示，Ai（i=1，2，3）分别表示温度为50、55、60℃；Bi（i=1，2，3）分别表示风速为0.78、1.90、2.88 m·s-1；Ci（i=1，2，3）分别表示热烫时间为2、4、6 min。正交试验如表1所示。由于考虑的只有3个因素，随机选取正交表中3列，本试验选取1、2、4列，空列反应交互作用重要性，空列数据数值越大，说明交互作用明显或者试验出现严重误差。

1.3.2 响应面试验设计

选用中心复合设计，试验选择热泵干燥装置上边界温度，中心复合边界设计中不允许超过温度边界，为保持序惯性，放弃中心复合边界设计，选用中心复合表面设计。Minitab运行参数：因子为3个，基础次数为20次，基础区组为1，Alpha值为1。干燥参数上下限：温度为50和60℃；风速为1和3 m·s-1；热烫时间为2和6 min。

1.3.3 测定指标方法

1.3.3.1 初始含水率测定

初始含水率是干燥过程中的重要参数，采用105℃烘箱测定法测定[20-22]。在试验时，首先去除清洗过程材料表面水分后，随机选取样品5 g，置于预热10 min烘箱中烘干测定。

1.3.3.2 复水性测定

将西洋菜干品，取样两份（每份20 g），一份用赛多利斯水分测定仪MA150测定含水率；另一份置于400 mL、温度为25℃水中，充分浸泡，每隔30 min捞出，去除表面水分后，称其重量，至相邻两次称量相差不足1 g，使西洋菜尽可能恢复到干制前状态。得到的质量与理论西洋菜绝干物料的质量之比，即为所测值[23]。

1.3.3.3 干燥速率比例系数λ测定

定义：实际试验材料（即鲜物重）m理论干重G0（不含水分）与实际干制G（试验完含一定水分）之差，再与标准物重m0（取500 g）和实际试验材料（约500 g）之商求积。初始含水率为ξ。定义公式为：

式中，G0=m(1-ξ)。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果分析

由于试验过程中存在误差，通过试验指标的选取将不同试验组之间的差异求同，利于更客观地比较干燥速率，而干燥试验的整体变化趋势没有改变。根据试验的数据分析如表1所示，极差RA＞RB＞RC，3个因素对干燥速率的影响主次顺序依次为：温度、风速、热烫时间。第3列极差值最小，说明试验过程中交互作用不明显，且干燥试验误差较小，试验数据可靠。

方差分析表2中，FA=21.52＞F0.01(2，4)，说明因素A水平的改变对试验指标有高度显著影响；F0.05(2，4)＜FB＜F0.01(2，4)，表明因素B水平的改变对试验指标有显著影响；因素C对干燥速率影响很小。方差分析与极差法分析结果相吻合，获得最优方案为A2B3C，即温度为55℃，风速为2.88 m·s-1，热烫时间不确定。

表1 正交试验数据Table 1 Orthogonal experimental data

表2 正交试验方差分析Table 2 Orthogonal analysis of variance

2.2 响应曲面设计结果分析

从表3可知，交互作用概率值为0.825，大于显著水平0.05，可以判断该效应项不显著。失拟项对应的P=0.331，同样高出显著水平，故原假设正确，试验模型中不存在失拟现象。线性拟合的P= 0.005，小于显著水平0.05，说明西洋菜干燥试验过程中，温度、风速、热烫时间与干燥速率呈线性关系可信度高。

残差诊断，通过应用Minitab软件得到图1～4。

残差诊断目的是基于残差的状况诊断模型与数据拟合情况，间接反映试验的正确性。以观测值顺序为横轴的散点见图1，各点随机在水平轴上下无规则波动；与拟合值图，在以响应变量拟合预测值为横轴散点图中未出现“漏斗型”或者“喇叭型”，说明残差保持等方差；正态概率图和直方图，概率图中概率值集中分布在某个区段，且均匀分布在斜直线两侧，直方图服从正态分布，说明试验误差小，试验结果可信。残差对于各自变量为横轴的散点图，图2～4未出现明显弯曲现象，说明交互作用不显著与正交试验设计结果呼应。

表3 干燥速率比例系数的方差分析Table 3 Analysis of variance of drying rate scale factor

图1 干燥速率系数残差Fig.1 Drying rate coefficient residual

图2 残差与风速Fig.2 Residuals and wind speed

图3 残差与热烫时间Fig.3 Residuals and blanching time

图4 残差与温度Fig.4 Residuals and temperature

2.2.1 温度、风速、热烫时间对西洋菜热泵干燥速率影响

图5～6表明，温度和风速对西洋菜干燥速率有影响，温度不变，随风速从1 m·s-1升至3 m·s-1，干燥速率比例系数不断增大，干燥速率增大；风速一定时，干燥速率随温度升高而减少，当超过55℃时，变化很小，在温度为50℃、风速为2.75 m·s-1时干燥速率最大。干燥试验中，随着温度升高，单位体积干燥介质（空气）所含热量越多，经过湿物料传递的热量越多。因而，蒸发速率快，干燥速率快。但干燥温度过高，可能造成湿物料表面由于初期过快蒸发而结壳，不利于后期干燥，造成整体平均干燥速率下降，所以西洋菜干燥温度不宜过高。风速越大，干燥室内高温低湿空气更新较快，干燥速率越快，但风速大，风机消耗功率也大。

在最佳风速情形下干燥速率与温度、热烫时间的等值线图和曲面图见图7～8。数据表明，风速一定时，随着温度增大，热烫对西洋菜干燥速率影响越显著，但是在温度为55℃后，热烫时间对干燥速率无影响或者负影响。热烫时间适当，西洋菜组织细胞失水，细胞内结合水含量减少，促进西洋菜干燥，但是高干燥温度，使干燥前期西洋菜表面组织细胞过分失水而结壳，阻碍内部组织水分向外扩散，平均干燥降水速率反而减少。因此，风速和热烫时间一定时，干燥速率随温度增加，表现为先增大后减少。在温度为50℃时，热烫时间约为3 min时最优。

在最佳温度下干燥速率与风速、热烫时间的等值线图和曲面图见图9～10。从图中可得出，温度一定时，随风速变化，热烫时间对干燥速率影响有变化。热烫时间适当能促进干燥速率增加。主要是因为适当热烫时间，使西洋菜细胞内部结合水分，转移到组织细胞间，促使西洋菜脱水速率更快。在风速为1.5～2.75 m·s-1，热烫时间约为3 min时得到最优值。

岭北镇是个狭窄的山里小镇。整个镇就只有狭长的一条鞋带一样的路，我们岭北周村就在鞋带的中央。这条扭来曲去的鞋带一头通向金华，一头扑向绍兴。麻糍就是扯着这根鞋带出门。

综上所述，温度和风速对热泵干燥西洋菜干燥速率影响较大，适当热烫时间能促进干燥速率增大。通过分析数据得到，热泵干燥西洋菜的理想参数：温度约50℃，风速约2.75 m·s-1，热烫时间约3 min。

2.2.2 最优化曲线图与回归方程

结合上述响应面试验分析结果，应用Minitab软件计算机优化器，可获得最优解，最优化参数。由图11可知，最优解为6.54，最优干燥参数为温度取50℃，风速取2.88 m·s-1，热烫时间取3.3 min。

图5 干燥速率与温度，风速等值线Fig.5 Isogram of drying rate and temperature,wind speed

图6 干燥速率与温度，风速曲面Fig.6 Surface of drying rate and temperature,windspeed

图7 干燥速率与温度、热烫时间等值线Fig.7 Isogram of drying rate and temperature,blanching time

图8 干燥速率与温度、热烫时间曲面Fig.8 Surface of drying rate and temperature,blanching time

图9 干燥速率与风速、热烫时间等值线Fig.9 Isogram of drying rate and wind speed,blanching time

图10 干燥速率与风速、热烫时间曲面Fig.1 0Surface of drying rate and wind speed, blanching time Contour map

图11 参数最优化曲线Fig.11 Parameter optimization curve

在3因素间的交互作用从响应面分析中剔除后，得到的模型中，虽模型项缺少使残差平方和指标降低，但调整残差平方和指标明显有所提高。而且删除后的回归P=0.001值变得更小，说明回归效果更好。应用Minitab回归分析得到3因素回归方程：

通过得到的回归方程（2），可得到各试验指标在干燥速率比例系数取最大值时最优值，最优干燥参数组合代入得Y=6.23，与优化器预测最优值相对误差为4.7%，结果可信。

2.3 复水性试验结果分析

由图12可知，干燥后西洋菜复水率2.9～4.0，在复水时间180 min附近达到峰值。即在50～60℃热泵干燥条件下，西洋菜复水性良好。热泵风速增大，使物料干燥过程中受热更均匀，对复水性有影响，而热烫预处理时间对复水性影响小。此外，热烫预处理后西洋菜复水能力相对未经热烫处理下降，可能是热烫过程使西洋菜内部组织结构发生不可逆变化，但热烫在保持色泽、减少酶褐变反应等方面效果良好。

图12 复水性曲线Fig.12 Rehydration curve

3 结论

本试验是采用正交试验设计和响应面设计两种试验设计方法，利用热泵干燥机对西洋菜干燥过程进行试验研究。

①试验预处理阶段，西洋菜颜色变深，预处理后水变成黄色。

②正交试验数据分析表明，温度为主要影响因素，风速次之，热烫时间影响程度最小；用方差分析验证影响显著因素为温度和风速，热烫时间为不显著因素，试验最优干燥组合为温度55℃，风速2.88 m·s-1，热烫时间不确定。

③通过应用Minitab软件分析，验证由正交试验得出交互作用影响较小，主要干燥速率影响因素为温度和风速，通过优化模型得到西洋菜脱水性最优回归方程，结合方程及计算机优化器，获得最优干燥参数为温度50℃，风速2.88 m·s-1，热烫时间3.3 min。

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Experimental study on drying heat pump characteristics of watercress (Nasturtium officinale)

ZHANG Yanlai1,2,LONG Chengshu1,2,YIN Kaidan3,GONG Li2,LIU Qinghua2,LI Xiuping3
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China;2.GuangdongAgricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China;3.GuangdongAIB Polytechnic College,Guangzhou 510507,China)

The research was to examine effects that temperature,wind speed and blanching time have on the characteristics of watercress in the heat pump drying conditions.In the study,both the orthogonal experiment and the response surface design techniques were used.The experiment results indicated that watercress could reach ideal degree of drying(water content about 8%)if it was blanched in boiling water for 3.3 min,in 50℃and dried 2 to 3 h with the wind velocity was 2.88 m·s-1in the desiccation room of heat pump.The color of watercress changed into dark green and it had a rich aroma after dried and the drying process had certain guiding significance for practical production.

watercress(Nasturtium officinale);heat pump;drying characteristics;response surface

S375

A

1005-9369（2014）11-0116-08

2013-06-29

“十二五”农村领域国家科技计划（2012AA10A502-02）；广东省科技计划项目（2011A020102006）

张艳来（1970-），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为干燥技术、过程节能。E-mail:ceylzhang@scut.edu.cn

时间2014-11-21 16:42:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1642.014.html

张艳来,龙成树,尹凯丹,等.西洋菜热泵干燥特性试验研究[J].东北农业大学学报,2014,45(11):116-123.

Zhang Yanlai,Long Chengshu,Yin Kaidan,et al.Experimental study on drying heat pump characteristics of watercress (Nasturtium officinale)[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):116-123.(in Chinese with English abstract)