張艷來，龍成樹，尹凱丹，龔麗，劉清化，李秀平

（1.中南林業(yè)科技大學機電工程學院，長沙 410004，2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630，3.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510507）

西洋菜熱泵干燥特性試驗研究

張艷來1,2，龍成樹1,2，尹凱丹3，龔麗2，劉清化2，李秀平3

（1.中南林業(yè)科技大學機電工程學院，長沙 410004，2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630，3.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510507）

在熱泵干燥下，采用正交試驗和響應面試驗設(shè)計方法，研究溫度、風速、熱燙時間對西洋菜干燥特性影響。結(jié)果表明，沸水中熱燙約3.3 min，熱風溫度為50℃，風速為2.88 m·s-1條件下，在干燥室中干燥2～3 h后，西洋菜能達到理想干燥效果（含水率約為8%），干燥后的物料顏色變成深綠色，有較濃郁香氣，所得干燥工藝對實際生產(chǎn)具有指導意義。

西洋菜；熱泵；干燥特性；響應面

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]。我國種植區(qū)域主要分布兩廣、臺灣、上海等地[2]，歐洲國家廣泛種植和食用[3-4]。西洋菜有很高藥用價值[4-7]。西洋菜收獲期在5～7月份，可食用周期短，化學藥劑保鮮僅有短時間保鮮效果，且會影響其藥用性[8]。西洋菜脫水干燥工藝研究有重要意義。國內(nèi)干燥脫水蔬菜加工大多采用傳統(tǒng)熱風干燥，干燥速度較慢、加熱溫度高、能耗大且對蔬菜營養(yǎng)成分、色澤、風味影響大[9-11]。熱泵干燥是高效節(jié)能的溫和干燥方法，接近自然干燥[12]。呂金虎、張海紅等為降低能耗，提高干燥效率，縮短生產(chǎn)周期，使用自制熱泵干燥甘藍，節(jié)能可達40%～50%[11，13]。趙海波等研究白菜種子熱泵干燥工藝，相比傳統(tǒng)熱風干燥節(jié)能近50%，且白菜種子發(fā)芽率提高[14]。李媛媛等采用熱泵對油豆角干燥特性開展研究，獲得優(yōu)化工藝參數(shù)[15]。潘年龍等改進干制黃花菜傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，相比傳統(tǒng)熱風干燥產(chǎn)品感官品質(zhì)良好，有黃花菜固有香味，無異味[16]。隨著熱泵干燥技術(shù)完善，脫水蔬菜應用增多[17]。

西洋菜功能成分分析及種植技術(shù)研究較多，但干燥工藝研究較少。本試驗應用熱泵干燥裝置[18]，研究熱燙時間、溫度、風速對西洋菜干燥特性影響，得到西洋菜干燥工藝，可指導實踐生產(chǎn)，為干燥設(shè)備設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

西洋菜購于廣東省陽山縣大崀村西洋菜種植基地，試驗前，先清理雜質(zhì)、敗葉，然后常溫（25℃）洗滌，去除表面水分后測得含水率為94%± 1%。

1.2 設(shè)備

熱泵干燥試驗裝置由廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所自制，主要參數(shù)：溫度為35～65℃，風速為1.0～3.0 m·s-1，相對濕度（RH）為45%～90%。熱泵本質(zhì)上是一種熱能品質(zhì)提升裝置，即一種利用高位能使熱量從低位熱源轉(zhuǎn)為高位熱源的裝置[19]。其工作原理與制冷機相同，依照逆卡諾循環(huán)原理工作，不同的主要是工作溫度范圍的差別。

儀器：DC-P3型全自動測色色差計，北京維欣儀奧科技有限公司；賽多利斯水分測定儀，MA150，德國賽多利斯集團；KANOMAX風速測定儀，KA32L型，沈陽加野科學儀器公司；FA/JA系列上皿電子天平，上海天平儀器廠；W201D恒溫水浴鍋，上海申順生物科技有限公司等。

1.3 方法

西洋菜熱泵干燥工藝流程為：新鮮西洋菜→洗滌、除雜、過濾→去除表面水分→測出原始參數(shù)→熱燙預處理→冷卻、過濾→裝盤、熱泵中干燥→干品基本參數(shù)測定。

1.3.1 正交試驗設(shè)計

本試驗材料前期處理采用簡單熱燙，試驗方法選用3個因素，即熱泵熱風溫度、風速、熱燙時間的3因素3水平正交試驗設(shè)計。依次用A、B、C表示，Ai（i=1，2，3）分別表示溫度為50、55、60℃；Bi（i=1，2，3）分別表示風速為0.78、1.90、2.88 m·s-1；Ci（i=1，2，3）分別表示熱燙時間為2、4、6 min。正交試驗如表1所示。由于考慮的只有3個因素，隨機選取正交表中3列，本試驗選取1、2、4列，空列反應交互作用重要性，空列數(shù)據(jù)數(shù)值越大，說明交互作用明顯或者試驗出現(xiàn)嚴重誤差。

1.3.2 響應面試驗設(shè)計

選用中心復合設(shè)計，試驗選擇熱泵干燥裝置上邊界溫度，中心復合邊界設(shè)計中不允許超過溫度邊界，為保持序慣性，放棄中心復合邊界設(shè)計，選用中心復合表面設(shè)計。Minitab運行參數(shù)：因子為3個，基礎(chǔ)次數(shù)為20次，基礎(chǔ)區(qū)組為1，Alpha值為1。干燥參數(shù)上下限：溫度為50和60℃；風速為1和3 m·s-1；熱燙時間為2和6 min。

1.3.3 測定指標方法

1.3.3.1 初始含水率測定

初始含水率是干燥過程中的重要參數(shù)，采用105℃烘箱測定法測定[20-22]。在試驗時，首先去除清洗過程材料表面水分后，隨機選取樣品5 g，置于預熱10 min烘箱中烘干測定。

1.3.3.2 復水性測定

將西洋菜干品，取樣兩份（每份20 g），一份用賽多利斯水分測定儀MA150測定含水率；另一份置于400 mL、溫度為25℃水中，充分浸泡，每隔30 min撈出，去除表面水分后，稱其重量，至相鄰兩次稱量相差不足1 g，使西洋菜盡可能恢復到干制前狀態(tài)。得到的質(zhì)量與理論西洋菜絕干物料的質(zhì)量之比，即為所測值[23]。

1.3.3.3 干燥速率比例系數(shù)λ測定

定義：實際試驗材料（即鮮物重）m理論干重G0（不含水分）與實際干制G（試驗完含一定水分）之差，再與標準物重m0（取500 g）和實際試驗材料（約500 g）之商求積。初始含水率為ξ。定義公式為：

式中，G0=m(1-ξ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果分析

由于試驗過程中存在誤差，通過試驗指標的選取將不同試驗組之間的差異求同，利于更客觀地比較干燥速率，而干燥試驗的整體變化趨勢沒有改變。根據(jù)試驗的數(shù)據(jù)分析如表1所示，極差RA＞RB＞RC，3個因素對干燥速率的影響主次順序依次為：溫度、風速、熱燙時間。第3列極差值最小，說明試驗過程中交互作用不明顯，且干燥試驗誤差較小，試驗數(shù)據(jù)可靠。

方差分析表2中，F(xiàn)A=21.52＞F0.01(2，4)，說明因素A水平的改變對試驗指標有高度顯著影響；F0.05(2，4)＜FB＜F0.01(2，4)，表明因素B水平的改變對試驗指標有顯著影響；因素C對干燥速率影響很小。方差分析與極差法分析結(jié)果相吻合，獲得最優(yōu)方案為A2B3C，即溫度為55℃，風速為2.88 m·s-1，熱燙時間不確定。

表1 正交試驗數(shù)據(jù)Table 1 Orthogonal experimental data

表2 正交試驗方差分析Table 2 Orthogonal analysis of variance

2.2 響應曲面設(shè)計結(jié)果分析

從表3可知，交互作用概率值為0.825，大于顯著水平0.05，可以判斷該效應項不顯著。失擬項對應的P=0.331，同樣高出顯著水平，故原假設(shè)正確，試驗模型中不存在失擬現(xiàn)象。線性擬合的P= 0.005，小于顯著水平0.05，說明西洋菜干燥試驗過程中，溫度、風速、熱燙時間與干燥速率呈線性關(guān)系可信度高。

殘差診斷，通過應用Minitab軟件得到圖1～4。

殘差診斷目的是基于殘差的狀況診斷模型與數(shù)據(jù)擬合情況，間接反映試驗的正確性。以觀測值順序為橫軸的散點見圖1，各點隨機在水平軸上下無規(guī)則波動；與擬合值圖，在以響應變量擬合預測值為橫軸散點圖中未出現(xiàn)“漏斗型”或者“喇叭型”，說明殘差保持等方差；正態(tài)概率圖和直方圖，概率圖中概率值集中分布在某個區(qū)段，且均勻分布在斜直線兩側(cè)，直方圖服從正態(tài)分布，說明試驗誤差小，試驗結(jié)果可信。殘差對于各自變量為橫軸的散點圖，圖2～4未出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象，說明交互作用不顯著與正交試驗設(shè)計結(jié)果呼應。

表3 干燥速率比例系數(shù)的方差分析Table 3 Analysis of variance of drying rate scale factor

圖1 干燥速率系數(shù)殘差Fig.1 Drying rate coefficient residual

圖2 殘差與風速Fig.2 Residuals and wind speed

圖3 殘差與熱燙時間Fig.3 Residuals and blanching time

圖4 殘差與溫度Fig.4 Residuals and temperature

2.2.1 溫度、風速、熱燙時間對西洋菜熱泵干燥速率影響

圖5～6表明，溫度和風速對西洋菜干燥速率有影響，溫度不變，隨風速從1 m·s-1升至3 m·s-1，干燥速率比例系數(shù)不斷增大，干燥速率增大；風速一定時，干燥速率隨溫度升高而減少，當超過55℃時，變化很小，在溫度為50℃、風速為2.75 m·s-1時干燥速率最大。干燥試驗中，隨著溫度升高，單位體積干燥介質(zhì)（空氣）所含熱量越多，經(jīng)過濕物料傳遞的熱量越多。因而，蒸發(fā)速率快，干燥速率快。但干燥溫度過高，可能造成濕物料表面由于初期過快蒸發(fā)而結(jié)殼，不利于后期干燥，造成整體平均干燥速率下降，所以西洋菜干燥溫度不宜過高。風速越大，干燥室內(nèi)高溫低濕空氣更新較快，干燥速率越快，但風速大，風機消耗功率也大。

在最佳風速情形下干燥速率與溫度、熱燙時間的等值線圖和曲面圖見圖7～8。數(shù)據(jù)表明，風速一定時，隨著溫度增大，熱燙對西洋菜干燥速率影響越顯著，但是在溫度為55℃后，熱燙時間對干燥速率無影響或者負影響。熱燙時間適當，西洋菜組織細胞失水，細胞內(nèi)結(jié)合水含量減少，促進西洋菜干燥，但是高干燥溫度，使干燥前期西洋菜表面組織細胞過分失水而結(jié)殼，阻礙內(nèi)部組織水分向外擴散，平均干燥降水速率反而減少。因此，風速和熱燙時間一定時，干燥速率隨溫度增加，表現(xiàn)為先增大后減少。在溫度為50℃時，熱燙時間約為3 min時最優(yōu)。

在最佳溫度下干燥速率與風速、熱燙時間的等值線圖和曲面圖見圖9～10。從圖中可得出，溫度一定時，隨風速變化，熱燙時間對干燥速率影響有變化。熱燙時間適當能促進干燥速率增加。主要是因為適當熱燙時間，使西洋菜細胞內(nèi)部結(jié)合水分，轉(zhuǎn)移到組織細胞間，促使西洋菜脫水速率更快。在風速為1.5～2.75 m·s-1，熱燙時間約為3 min時得到最優(yōu)值。

嶺北鎮(zhèn)是個狹窄的山里小鎮(zhèn)。整個鎮(zhèn)就只有狹長的一條鞋帶一樣的路，我們嶺北周村就在鞋帶的中央。這條扭來曲去的鞋帶一頭通向金華，一頭撲向紹興。麻糍就是扯著這根鞋帶出門。

綜上所述，溫度和風速對熱泵干燥西洋菜干燥速率影響較大，適當熱燙時間能促進干燥速率增大。通過分析數(shù)據(jù)得到，熱泵干燥西洋菜的理想?yún)?shù)：溫度約50℃，風速約2.75 m·s-1，熱燙時間約3 min。

2.2.2 最優(yōu)化曲線圖與回歸方程

結(jié)合上述響應面試驗分析結(jié)果，應用Minitab軟件計算機優(yōu)化器，可獲得最優(yōu)解，最優(yōu)化參數(shù)。由圖11可知，最優(yōu)解為6.54，最優(yōu)干燥參數(shù)為溫度取50℃，風速取2.88 m·s-1，熱燙時間取3.3 min。

圖5 干燥速率與溫度，風速等值線Fig.5 Isogram of drying rate and temperature,wind speed

圖6 干燥速率與溫度，風速曲面Fig.6 Surface of drying rate and temperature,windspeed

圖7 干燥速率與溫度、熱燙時間等值線Fig.7 Isogram of drying rate and temperature,blanching time

圖8 干燥速率與溫度、熱燙時間曲面Fig.8 Surface of drying rate and temperature,blanching time

圖9 干燥速率與風速、熱燙時間等值線Fig.9 Isogram of drying rate and wind speed,blanching time

圖10 干燥速率與風速、熱燙時間曲面Fig.1 0Surface of drying rate and wind speed, blanching time Contour map

圖11 參數(shù)最優(yōu)化曲線Fig.11 Parameter optimization curve

在3因素間的交互作用從響應面分析中剔除后，得到的模型中，雖模型項缺少使殘差平方和指標降低，但調(diào)整殘差平方和指標明顯有所提高。而且刪除后的回歸P=0.001值變得更小，說明回歸效果更好。應用Minitab回歸分析得到3因素回歸方程：

通過得到的回歸方程（2），可得到各試驗指標在干燥速率比例系數(shù)取最大值時最優(yōu)值，最優(yōu)干燥參數(shù)組合代入得Y=6.23，與優(yōu)化器預測最優(yōu)值相對誤差為4.7%，結(jié)果可信。

2.3 復水性試驗結(jié)果分析

由圖12可知，干燥后西洋菜復水率2.9～4.0，在復水時間180 min附近達到峰值。即在50～60℃熱泵干燥條件下，西洋菜復水性良好。熱泵風速增大，使物料干燥過程中受熱更均勻，對復水性有影響，而熱燙預處理時間對復水性影響小。此外，熱燙預處理后西洋菜復水能力相對未經(jīng)熱燙處理下降，可能是熱燙過程使西洋菜內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，但熱燙在保持色澤、減少酶褐變反應等方面效果良好。

圖12 復水性曲線Fig.12 Rehydration curve

3 結(jié)論

本試驗是采用正交試驗設(shè)計和響應面設(shè)計兩種試驗設(shè)計方法，利用熱泵干燥機對西洋菜干燥過程進行試驗研究。

①試驗預處理階段，西洋菜顏色變深，預處理后水變成黃色。

②正交試驗數(shù)據(jù)分析表明，溫度為主要影響因素，風速次之，熱燙時間影響程度最小；用方差分析驗證影響顯著因素為溫度和風速，熱燙時間為不顯著因素，試驗最優(yōu)干燥組合為溫度55℃，風速2.88 m·s-1，熱燙時間不確定。

③通過應用Minitab軟件分析，驗證由正交試驗得出交互作用影響較小，主要干燥速率影響因素為溫度和風速，通過優(yōu)化模型得到西洋菜脫水性最優(yōu)回歸方程，結(jié)合方程及計算機優(yōu)化器，獲得最優(yōu)干燥參數(shù)為溫度50℃，風速2.88 m·s-1，熱燙時間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”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃（2012AA10A502-02）；廣東省科技計劃項目（2011A020102006）

張艷來（1970-），男，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為干燥技術(shù)、過程節(jié)能。E-mail:ceylzhang@scut.edu.cn

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

張艷來,龍成樹,尹凱丹,等.西洋菜熱泵干燥特性試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,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)