陳盈希， 蘭青， 季旭， 彭福明， 夏朝鳳， 李絢陽

(1.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650092；2.昆明永淦節(jié)能科技有限公司，云南 昆明 650301)

引 言

核桃是大理漾濞縣的主要經(jīng)濟作物之一，種植面積大，經(jīng)濟效益高，因此核桃的貯藏保鮮加工技術(shù)成為農(nóng)戶所關(guān)心的問題.為了延長核桃保質(zhì)期，帶來更加適宜的口感，加速揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)和不飽和脂肪酸的氧化，進而加工成其他優(yōu)質(zhì)的核桃產(chǎn)品，需要對核桃進行干燥.現(xiàn)有對核桃的處理研究主要集中在考察干制后的核桃在不同處理條件下的變化[1-4].去皮鮮核桃的干制通常分為自然晾曬、有煙烘烤和無煙烘烤.其中自然晾曬由于在室外進行衛(wèi)生環(huán)境條件差，產(chǎn)品質(zhì)量低.而有煙烘烤和無煙烘烤都是利用煤或柴燃燒產(chǎn)生的熱煙氣直接或間接的烘烤核桃，由于煤中含有硫元素具有漂白作用，干燥后會使核桃顏色發(fā)白，長期食用對人體有一定危害且煤燃燒產(chǎn)生的大量污染物會對環(huán)境造成破壞.基于傳統(tǒng)干燥方法的缺點，新型干燥方法如微波干燥、吸附干燥、變壓干燥、真空冷凍干燥等成為目前研究的熱點[5]，雖然上述方法可以較大幅度提升核桃的干燥品質(zhì)，但是存在設(shè)備花費較大、生產(chǎn)量小等缺點，所以都處于試驗研究階段.

熱泵是一種熱能提升裝置，它從低溫熱源吸取熱量，并將其傳遞給溫度較高的被加熱物體.與傳統(tǒng)方式相比，采用熱泵設(shè)備進行干燥具有節(jié)能、高效、干燥溫度范圍廣、產(chǎn)品衛(wèi)生、環(huán)保等優(yōu)勢.隨著熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者對農(nóng)產(chǎn)品、海產(chǎn)品和蔬菜等進行了大量的熱泵干燥試驗研究[6-11].CL Hii等采用熱泵設(shè)備對可可豆進行干燥，就酸性程度和褐變程度而言，熱泵干燥的可可豆品質(zhì)優(yōu)于市售樣品[12].劉蘭等利用熱泵設(shè)備對羅非魚進行變溫和恒溫干燥，發(fā)現(xiàn)在設(shè)定條件下，同一裝置的變溫干燥比恒溫干燥在相同時間內(nèi)可獲得更低的含水率，且復(fù)水率有所提高[13].近年來，我國一些地區(qū)已開始使用熱泵對海產(chǎn)品進行干燥，但是利用熱泵對新鮮核桃進行干燥的實驗研究則少見.本文針對新鮮核桃的熱泵干燥過程進行了初步研究，為進一步探索和改善核桃干燥加工提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

選取云南大理漾濞縣的大泡核桃.

1.2 實驗系統(tǒng)與工作原理

圖1給出了課題組研發(fā)的熱泵干燥系統(tǒng)圖.主要包括干燥房、旋轉(zhuǎn)滾筒、室外機、排濕風機和自動控制系統(tǒng)等.其中，旋轉(zhuǎn)滾筒轉(zhuǎn)速為0.5 r/min，可使物料均勻受熱.此外，試驗還采用了：DKG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱；電子分析天平；CEM.DF.8820型多功能環(huán)境測試儀.設(shè)備工作原理為：干燥介質(zhì)經(jīng)過室外蒸發(fā)器時被吸收熱量溫度下降，經(jīng)過系統(tǒng)的冷凝器時，吸收熱泵系統(tǒng)放出的熱量，最后變成高溫低濕的空氣.熱空氣經(jīng)過待干燥的物料，吸收水分變成濕空氣，根據(jù)干燥房的濕度要求，將濕空氣通過排濕風機排向大氣，補風口再通入新的空氣.如此循環(huán)往復(fù)，對物料進行干燥.干燥時間、干燥溫度、干燥介質(zhì)相對濕度均可設(shè)定，無需人值守.

圖1 熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 核桃預(yù)處理

將采摘的新鮮核桃進行脫皮清洗，嚴格挑選大小相近、形狀飽滿、顏色均勻的核桃瀝干水分，用于熱泵干燥試驗.

1.4 實驗設(shè)計

核桃在干燥過程中果皮的失水率快，而果仁失水率較慢.較高的干燥溫度有利于縮短干燥時間，而根據(jù)胡伯凱等人的研究，當干燥溫度為55 ℃時，核桃中的游離脂肪酸較多且過氧化值較高，貯藏過程中越容易發(fā)生酸敗[14].所以我們將溫度選取在35 ℃到50 ℃之間.較低的空氣相對濕度能夠帶走物料排出的大量水汽，加快干燥速率，但是過低的空氣相對濕度可能會使物料產(chǎn)生龜裂且設(shè)備需要大量排濕而耗能，因此我們選定了兩個相對合適的空氣相對濕度：35%和45%.本次試驗設(shè)計了8個相對適宜的干燥條件(表1)，探究干燥溫度和濕度對核桃的影響.

表1 熱泵干燥工藝條件

1.5 試驗測試指標

1.5.1 水分

采用《食品中水分的測定》中的直接干燥法進行水分測定.關(guān)鍵步驟為干燥過程中每3 h選取10顆大小均一的核桃樣品，盡可能切碎，精密稱取切碎的樣品，干燥至恒重，以干基濕含量表示含水率，干基濕含量Xm、濕基濕含量Wm分別可以通過公式[15](1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中，Mw為物料中水分質(zhì)量；Md為物料中干物質(zhì)質(zhì)量.

1.5.2 干燥速率

通常定義干燥速率為物料干基濕含量隨時間的變化率，計算公式如下：

(3)

式中，Nd為干燥速率；Md，i為時間為ti時干基.

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃的干燥曲線

不同溫度和濕度條件下，熱泵干燥鮮核桃的干燥曲線如圖2所示.

圖2 不同條件下的核桃熱泵干燥特性曲線

Fig.2 Heat pump drying characteristics curves of of walnut under different conditions

由圖可知，在初始含水率為50%的條件下，隨著干燥的進行，核桃的含水率呈遞減趨勢.干燥溫度對核桃的干燥過程影響較大.當干燥溫度為35 ℃時，干燥耗時63 h，當溫度升高到40 ℃和45 ℃時，耗時分別為51 h和42 h，省時20%和33%.當溫度繼續(xù)升高到50 ℃時，干燥時間并沒有明顯縮短.分析原因可能是過高的空氣溫度使核桃果殼外表面在干燥前期失水過快，果殼縮水較嚴重，內(nèi)褶壁發(fā)達，果殼傳質(zhì)速率降低，果仁蒸發(fā)出的水汽難以通過內(nèi)褶壁向果殼表面擴散，水汽滯留于果仁與果殼間的空隙中.當干燥溫度在35～45 ℃、空氣的相對濕度在35%時能縮短干燥時間.通過曲線可以看出：在此溫度范圍內(nèi)，干燥初期，干燥介質(zhì)的相對濕度對核桃的干燥過程有一定的影響，在干燥后期，相同溫度不同濕度的干燥曲線近似重合在一起，空氣相對濕度的影響減少.這是因為，核桃果殼起初的傳質(zhì)速率高于內(nèi)部傳質(zhì)速率，空氣的相對濕度越低，帶走核桃排出水分的能力越強，隨干燥的進行，果仁的水分擴散速率降低，水分滯留在果仁和果殼之間，果殼的傳質(zhì)速率降低，因此干燥介質(zhì)的相對濕度的影響逐漸減少.當溫度升高到50 ℃時，空氣的相對濕度對干燥過程基本沒有影響，兩條曲線近似重合在一起.

2.2 核桃的干燥速率曲線

圖3所示為不同溫度和相對濕度條件下核桃熱泵干燥的速率曲線.

圖3 核桃在不同條件下的熱泵干燥速率曲線

Fig.3 Walnut drying rate curves under different conditions

由圖3可知，核桃的干燥過程可分為預(yù)熱、恒速和降速三個階段.核桃熱泵干燥的預(yù)熱和恒速階段都很短.各干燥條件下的預(yù)熱時間在4～10 h，且干燥溫度越高，有利于縮短預(yù)熱階段的時間；同樣，恒速階段時間約為5～15 h.上圖表明，隨著干燥溫度升高，恒速期的干燥速率也將越大，最高可到0.06 kg/(kg·h).由于熱泵系統(tǒng)的初始溫度為13 ℃，相對濕度為65%,且由于起初環(huán)境溫度較低，所以熱泵回收的熱量較少，干燥速率較慢.當溫度升高且相對濕度降低時，核桃外殼表面的水分持續(xù)蒸發(fā)，在溫度和濕度的作用下，干燥速率升高，到干燥后期，干燥速率開始下降.干燥溫度越低、濕度越高，降速階段在干燥時間所占的比例越大，其原因主要是該階段的干燥速率受外部因素的影響變少，核桃本身的結(jié)構(gòu)屬性對干燥速率的影響變強.當溫度在50 ℃時，在干燥初期干燥速率很快，但是由于核桃結(jié)構(gòu)的改變，在后期階段干燥速率非常緩慢且降速階段占整個干燥階段的比例增大.

2.3 最佳干燥工藝方案的確定

通過分析核桃的熱泵干燥曲線，從干燥速率的角度，溫度45 ℃且相對濕度為35%的條件為干燥核桃的適宜條件.但是根據(jù)核桃在定色期間溫度不宜過高且需要大排濕，在后期由于濕度對干燥過程的影響較小，出于節(jié)能和提高效率的角度，我們設(shè)計如下方案：定色階段將溫度設(shè)為40 ℃，濕度35%，保持8～10 h；后期將溫度設(shè)為45 ℃，濕度為45%，保持30 h.采取該方案又進行了實驗，并且將實驗結(jié)果和樣品與前面8組實驗樣品進行了對比.結(jié)果表明該組實驗樣品含水率完全符合標準，且樣品色澤更好，果殼的顏色與果仁的口感更符合市場需求.因此，將上述方案作為最佳干燥工藝方案.

3 經(jīng)濟效益分析

熱泵干燥與其他常規(guī)能源干燥方法的對比如下表所示.采用熱泵干燥核桃的工藝具有傳統(tǒng)干燥方法不可比擬的優(yōu)勢.從干燥時間來看，如果采用自然晾曬的方法，自然晾曬的時間為7天[16]，用煤干燥則需4～5天.采用熱泵大約40 h左右，時間大大縮短，且產(chǎn)品干凈衛(wèi)生，合格率更高.采用熱風干燥的方法，干燥500 kg核桃需要400 kg的標準煤，成本為0.44元/kg；用熱泵干燥核桃，只需消耗220度電，電成本為0.28元/kg；用熱泵干燥比用熱風干燥可減少36%的成本，且采用熱泵設(shè)備對環(huán)境沒有污染，可減少344 kg二氧化碳、10.4 kg二氧化硫、9.6 kg氮氧化物的排放.從節(jié)省勞動力的角度，傳統(tǒng)烤房從采摘核桃到烘烤完成需要大約20人；采用熱泵設(shè)備烘烤核桃過程全自動，無需人值守，只需10人即可，因此熱泵設(shè)備可以節(jié)約50%的勞動力.從品質(zhì)的角度，用煤干燥的核桃顏色偏白，有煙熏味，長期食用對人體有害；采用熱泵干燥出的核桃，更貼近核桃本身的色澤和口感，出售時更受歡迎且售價更高.熱泵干燥裝置比普通干燥裝置在技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等方面具有顯著優(yōu)勢.

表2 熱泵干燥與傳統(tǒng)干燥方式的比較

4 結(jié) 論

采用熱泵干燥核桃的時間比自然干燥周期縮短了80%，比傳統(tǒng)干燥方式周期縮短了將近50%.避開了雨林和塵土，提高了核桃的優(yōu)等品率.

雖然干燥溫度和干燥濕度都是影響干燥過程的重要因素，但是干燥溫度并不是越高越好.當干燥溫度在35 ℃到45 ℃范圍內(nèi)升高溫度有利于改善干燥速率，但是當溫度升高至50 ℃時，核桃的熱泵干燥時間并沒有明顯改善.空氣的相對濕度35%比45%更適合于干燥過程.干燥相對濕度在干燥前期對干燥物料有一定影響，在后期影響減少.

確定了最佳的熱泵干燥核桃的工藝參數(shù)：定色階段將溫度設(shè)在40 ℃，濕度在35%，保持8～10 h，后期將溫度升高至45 ℃，濕度在45%，保持30 h.

熱泵干燥的適用物料廣泛，干燥溫度范圍寬，濕度可變性強.對環(huán)境零污染，可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放.與采用熱風干燥方式相比可節(jié)約36%的能源，節(jié)省50%的勞動力.從銷售的角度，熱泵干燥出的核桃價格高于其他干燥方式核桃的價格.

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