(上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所 上海 200093)

新鮮香菇的水分含量可達(dá)約85%，采摘后除少部分進(jìn)行鮮售以外，大部分需要烘干以長(zhǎng)期保存[1]。目前，我國(guó)食用菌干制方法主要有自然晾曬干制和人工干制兩種。自然晾曬干燥，受天氣影響，干燥時(shí)間較長(zhǎng)，品質(zhì)難以保證；人工干制多采用烘箱，以燒煤、燃油或電加熱空氣，進(jìn)行熱風(fēng)干燥。人工干燥可控制風(fēng)溫、風(fēng)速，干燥時(shí)間短，但能耗較大，燃煤和燃油會(huì)造成環(huán)境污染。

熱泵干燥技術(shù)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要從低溫?zé)嵩次諢崃?，并在高溫下作為熱能有效地、受控制地加以利用[2]。與電加熱干燥、微波干燥和真空冷凍干燥等相比，具有節(jié)能、高效和提高干燥產(chǎn)品品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。李麗等[6]研究了熱泵干燥山藥工藝，指出影響干燥時(shí)間的主要因素是干燥溫度，且山藥熱泵干燥符合Page模型。NGUYEN DING DUC等[7]利用熱泵干燥木鱉果，研究了干燥后木鱉果感官品質(zhì)與風(fēng)溫和風(fēng)速的關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)荔枝、龍眼和花生等產(chǎn)品的熱泵干燥工藝也進(jìn)行了研究。

本文以香菇為研究對(duì)象，采用余熱回收式熱泵干燥裝置，研究香菇的干燥特性。建立干燥水分比與干燥時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，為香菇的干燥生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮香菇采自上海市青浦區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，香菇平均含水率為85.4%，并在4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)臺(tái)為上海理工大學(xué)自主設(shè)計(jì)的余熱回收式熱泵干燥裝置，主要由熱泵機(jī)組、干燥室、循環(huán)風(fēng)機(jī)和熱回收裝置等組成，如圖1所示。當(dāng)風(fēng)閥關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)為閉式模式，從干燥室排出的空氣經(jīng)冷凝器加熱升溫，進(jìn)入干燥室干燥物料；當(dāng)風(fēng)閥開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)變?yōu)榘腴_(kāi)式，進(jìn)入熱回收和除濕循環(huán)模式。從干燥室內(nèi)排出的高溫、高濕空氣先進(jìn)入轉(zhuǎn)輪熱交換器，再經(jīng)蒸發(fā)器，冷凝除濕后通過(guò)冷凝器加熱，送入干燥室干燥物料。

1壓縮機(jī)；2蒸發(fā)器；3節(jié)流閥；4冷凝器；5干燥室；6風(fēng)機(jī)；7風(fēng)速儀；8溫濕度計(jì)；9電子秤；10數(shù)據(jù)采集儀； 11電加熱；12轉(zhuǎn)輪熱回收器。圖1 熱泵干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of heat pump drying equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得出香菇干燥速率受風(fēng)溫、風(fēng)速、裝載量及放置方式的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)因素的水平設(shè)置。

1.3.1熱泵干燥實(shí)驗(yàn)

取大小一致的香菇，去菇柄并留1～2 cm蒂根，單層平鋪于干燥擱板上，設(shè)置不同的風(fēng)溫(50、55、60 ℃)、風(fēng)速(3、4、5 m/s)、裝載量(1、1.5、2 kg)及放置方式(菌褶迎風(fēng)放置和菌蓋迎風(fēng)放置)，進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，每隔1 h測(cè)定樣品質(zhì)量，干燥至行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的香菇安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)(濕基含水量≤13%)[8]。分別從組織結(jié)構(gòu)、色澤和氣味對(duì)干燥香菇品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3.2收縮率測(cè)定

采用比容法，即用超細(xì)石英砂填埋的方法測(cè)定干燥前后產(chǎn)品的體積[9-10]，收縮率Sv為：

式中：Vr為干燥前香菇的體積，mL；V為干燥后香菇的體積，mL。

1.3.3復(fù)水性測(cè)定

取一定量干燥后的香菇浸沒(méi)在40 ℃的恒溫蒸餾水中，靜置30 min后取出并瀝干，除去表面水分，稱(chēng)取復(fù)水后質(zhì)量按式(2)計(jì)算復(fù)水比Rf，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，并取平均值[11]。

式中：mf為復(fù)水后香菇的質(zhì)量，g；mg為復(fù)水前香菇質(zhì)量，g。

1.3.4色澤的測(cè)定

采用CR-400/410色差儀測(cè)定干燥香菇表面的色澤，每次測(cè)試重復(fù)3次，并取平均值。

1.4 干燥參數(shù)

干基含水率Mt計(jì)算：

式中：Wt為物料干燥至任意t時(shí)刻的質(zhì)量，g；G為干物料的質(zhì)量，g。

水分比MR計(jì)算：

式中：Mo為物料初始干基含水率，g/g；Me為物料平衡干基含水率，g/g；Mt為物料干燥到t時(shí)刻干基含水率，g/g。

由于平衡干基含水率Me遠(yuǎn)小于Mo和Mt，公式(4)可簡(jiǎn)化為[12]：

干燥速率DR計(jì)算：

式中：DR為干燥速率，g/(g5h)；Mti為ti時(shí)刻的物料干基含水率，g/g；Mti+1為ti+1時(shí)刻的物料干基含水率，g/g；Δt為ti+1與ti時(shí)刻的時(shí)間間隔，h。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合與回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香菇熱泵干燥影響因素研究

2.1.1風(fēng)溫的影響

當(dāng)風(fēng)速為4 m/s、裝載量為1.5 kg、干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度維持在15%～30%、菌褶迎風(fēng)放置時(shí)，在風(fēng)溫分別為50、55、60 ℃時(shí)進(jìn)行香菇干燥實(shí)驗(yàn)。

圖2所示為不同風(fēng)溫時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化?？芍愎降乃直入S干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，當(dāng)干燥進(jìn)行至一定時(shí)間后，曲線趨于平緩；干燥相同時(shí)間時(shí)，隨著風(fēng)溫升高，干燥曲線變陡，原因在于溫度的升高不僅加速了香菇表面水分蒸發(fā)速度，還降低了空氣的相對(duì)濕度，增大了物料表面與干燥空氣間的擴(kuò)散動(dòng)力，縮短了干燥時(shí)間[13]。當(dāng)達(dá)到香菇貯藏安全濕基含水率13%時(shí)，風(fēng)溫為50 ℃時(shí)所需的干燥時(shí)間最長(zhǎng)，為13 h；風(fēng)溫為55 ℃時(shí)所需時(shí)間次之，為11 h；而采用風(fēng)溫為60 ℃干燥時(shí)，8 h后水分比基本無(wú)變化，相比50 ℃時(shí)的干燥時(shí)間縮短了1/3。

圖2 不同風(fēng)溫時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化Fig.2 Moisture ratio of mushroom changes with time under different wind temperatures

圖3所示為不同風(fēng)溫時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率的變化。可知隨著干基含水率的降低，干燥過(guò)程可分為加速干燥和降速干燥兩個(gè)階段，其中降速階段時(shí)間較長(zhǎng)。干燥時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的恒速干燥階段，原因可能是由于熱泵干燥的熱風(fēng)相對(duì)濕度較小，且菇體結(jié)構(gòu)較為疏松，表面水分蒸發(fā)較快，難以形成穩(wěn)定的水分濃度差，導(dǎo)致恒速干燥階段持續(xù)時(shí)間較短。當(dāng)干基含水率約為5 g/g時(shí)，風(fēng)溫為55 ℃和60 ℃下的干燥速率均隨干基含水率的降低而降低，這是由于香菇內(nèi)部含水率隨干燥時(shí)間的增加而越來(lái)越低，內(nèi)部水分遷移至表面速率下降，導(dǎo)致干燥速率逐漸減?。伙L(fēng)溫為50 ℃時(shí)，干基含水率在4～5 g/g時(shí)出現(xiàn)短暫的恒速干燥階段，可能是由于此溫度下，香菇表面水分蒸發(fā)與內(nèi)部水分遷移達(dá)到短暫的動(dòng)態(tài)平衡。風(fēng)溫越高，干燥速率越快，干燥時(shí)間越短[14]。

圖3 不同風(fēng)溫時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率的變化Fig.3 Drying rate of mushroom changes with dry base water content under different wind temperatures

2.1.2風(fēng)速的影響

當(dāng)風(fēng)溫為55 ℃、裝載量為1.5 kg、菌褶迎風(fēng)放置時(shí)，在風(fēng)速分別為3、4、5 m/s時(shí)進(jìn)行香菇干燥實(shí)驗(yàn)。

圖4所示為不同風(fēng)速下香菇水分比隨時(shí)間的變化?？芍S著干燥過(guò)程的進(jìn)行，各風(fēng)速下香菇的水分比在初期下降較快，干燥后期曲線逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，干燥曲線斜率變大，干燥時(shí)間隨之縮短。風(fēng)速分別為3、4、5 m/s時(shí)，干燥至濕基含水率為13%所需時(shí)間分別為13、10、9 h。這是由于隨著風(fēng)速增大，物料表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)效率提高，增大了水分蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)力，縮短了干燥時(shí)間[15]。

圖4 不同風(fēng)速時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化Fig.4 Moisture ratio of mushroom changes with time under different wind speeds

圖5所示為不同風(fēng)速下香菇干燥速率隨干基含水率的變化?？芍稍锍跏茧A段，隨著風(fēng)速的提高，干燥速率顯著增加。干燥過(guò)程中無(wú)明顯的恒速干燥階段，這可能與熱泵干燥特點(diǎn)及香菇組織結(jié)構(gòu)有關(guān)：由于干燥室相對(duì)濕度較低，水分及時(shí)被干燥介質(zhì)帶走，難以在物料表面形成穩(wěn)定的熱濕平衡；香菇傘蓋結(jié)構(gòu)較疏松，表面自由水分能及時(shí)被干燥介質(zhì)帶走，干燥速率快速達(dá)到最大。風(fēng)速為3 m/s時(shí)，干燥速率在干基含水率約為4 g/g時(shí)達(dá)到最大，可能是由于風(fēng)速較低，物料表面水分蒸發(fā)后不能及時(shí)被熱風(fēng)帶走，導(dǎo)致達(dá)到最大干燥速率時(shí)間延長(zhǎng)。風(fēng)速為4 m/s和5 m/s時(shí)，干燥速率快速在干基含水率約為5 g/g時(shí)達(dá)到最大，經(jīng)過(guò)短暫恒速階段后，即進(jìn)入降速干燥階段。干燥后期物料內(nèi)部自由水減少，水分向表面擴(kuò)散阻力增大，干燥速率降低。

圖5 不同風(fēng)速時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率的變化Fig.5 Drying rate of mushroom changes with dry base water content under different wind speeds

2.1.3裝載量的影響

當(dāng)風(fēng)溫為55 ℃、風(fēng)速為4 m/s、菌褶迎風(fēng)放置時(shí)，在不同裝載量時(shí)進(jìn)行香菇干燥實(shí)驗(yàn)。

圖6所示為不同裝載量時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化?？芍b載量越小，含水率降低越快。裝載量分別為1.0、1.5、2.0 kg時(shí)，干燥至目標(biāo)濕基含水率13%時(shí)所對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為8.5、10.5、13 h。裝載量的增加導(dǎo)致干燥時(shí)間延長(zhǎng)是由于干燥過(guò)程需除去的水分增加，但單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分能力是一定的，導(dǎo)致干燥時(shí)間延長(zhǎng)[16]。

圖6 不同裝載量時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化Fig.6 Moisture ratio of mushroom changes with time under different loading capacity

圖7所示為不同裝載量時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率的變化。可知香菇干燥過(guò)程處于加速干燥階段和降速干燥階段，且降速階段時(shí)間明顯大于加速階段。原因是當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，干燥初期干燥介質(zhì)供給的熱量用于香菇自身溫度的升高，裝載量越少，水分蒸發(fā)所需熱量越少，隨著裝載量的增加，干燥速率變慢。

圖7 不同裝載量時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率變化Fig.7 Drying rate of mushroom changes with dry base water content under different loadings

2.1.4放置方式的影響

當(dāng)溫度為55 ℃、風(fēng)速為4 m/s、裝載量為1.5 kg，在香菇菌蓋迎風(fēng)和菌褶迎風(fēng)放置時(shí)進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。

圖8所示為不同放置方式時(shí)香菇水分比隨時(shí)間的變化?？芍獜母稍镩_(kāi)始至干燥9 h，菌褶迎風(fēng)放置比菌蓋迎風(fēng)放置水分比降低快；干燥時(shí)間超過(guò)9 h后，放置方式對(duì)香菇干燥速率影響較小。

圖8 不同放置方式時(shí)香菇水分比隨時(shí)間變化Fig.8 Moisture ratio of mushroom changes with time under different placements

圖9所示為不同放置方式時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率的變化?？芍抻L(fēng)放置比菌蓋迎風(fēng)放置干燥速率大。這可能是由于香菇菌蓋由老熟菌絲形成的淺褐色被膜構(gòu)成，被膜由厚壁細(xì)胞構(gòu)成，故干燥時(shí)內(nèi)部水分從菌蓋表面蒸發(fā)阻力較大。而菌褶比表面積大且組織疏松，故水分易從菌褶蒸發(fā)出來(lái)[17]。因此，干燥前期，菌褶迎風(fēng)放置更利于內(nèi)部水分從菌褶表面蒸發(fā)，而在干燥后期，香菇處于降速干燥段，開(kāi)始蒸發(fā)內(nèi)部水分，內(nèi)部水分向外擴(kuò)散阻力增大，兩者所需的干燥時(shí)間相近。

圖9 不同放置方式時(shí)香菇干燥速率隨干基含水率變化Fig.9 Drying rate of mushroom changes with dry base water content under different placements

2.2 熱泵干燥對(duì)香菇品質(zhì)的影響

2.2.1感官品質(zhì)影響

在相同風(fēng)溫、風(fēng)速、裝載量、菌褶迎風(fēng)放置的條件下，分別采用熱泵干燥和YHG-9050A鼓風(fēng)干燥箱干燥(簡(jiǎn)稱(chēng)熱風(fēng)干燥)兩種方式干燥香菇至其安全貯藏濕基含水率13%，品質(zhì)比較如表1所示。

表1 不同干燥方式感官品質(zhì)對(duì)比Tab.1 Comparison of sensory quality with different drying methods

2.2.2收縮性及復(fù)水性影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)得：采用熱泵干燥和熱風(fēng)干燥香菇的收縮率分別為54%和65%。香菇復(fù)水30 min時(shí)水分達(dá)到飽和，熱泵干燥香菇的復(fù)水比可達(dá)3.9，而熱風(fēng)干燥香菇復(fù)水比為3.2。這是由于熱風(fēng)干燥香菇干品形成了相對(duì)致密結(jié)構(gòu)的緣故。

2.2.3香菇色澤影響

干燥后的香菇色澤如表2所示，實(shí)驗(yàn)采用L*、a*、b*來(lái)表示香菇的色澤：L*為樣品的亮度；a*的正值為偏紅，負(fù)值為偏綠；b*的正值為偏黃，負(fù)值為偏藍(lán)。

表2 不同干燥方式色澤對(duì)比Tab.2 Comparison of the colors with different drying methods

由表2可知，熱泵干燥的L*較大，顏色較淺，菌褶側(cè)b*較大，色澤偏黃。采用熱風(fēng)干燥香菇菌蓋顏色較深，菌褶淺黃。

3 香菇熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型

3.1 干燥模型

物料干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，選用前人總結(jié)得出的3種經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述香菇熱泵干燥過(guò)程。

指數(shù)模型：

MR=e-rt

(7)

單項(xiàng)擴(kuò)散模型：

MR=Ae-rt

(8)

Page模型：

MR=e-rtN

(9)

將式(7)～式(9)取對(duì)數(shù)，分別表示為：

lnMR=-rt

(10)

lnMR=lnA-rt

(11)

ln(-lnMR)=lnr+Nlnt

(12)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別制作不同溫度下的t-(-lnMR)曲線和lnt-ln(-lnMR)曲線。如圖10～圖11所示。

圖10 不同風(fēng)溫下t-(-lnMR)曲線Fig.10 Curves of t-(-lnMR) at different wind temperatures

由圖10和圖11可知，-lnMR與t呈非線性關(guān)系，ln(-lnMR)與lnt呈線性關(guān)系，故可選擇Page方程作為香菇熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型。

Page模型中的參數(shù)r與N和風(fēng)溫、風(fēng)速與裝載量有關(guān)，故令：

式中：X1為風(fēng)溫，℃；X2為風(fēng)速，m/s；X3為裝載量，kg；a、b、c、d、e、f、g、h待定系數(shù)[18]。

利用SPSS 19.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，得香菇干燥模型為MR=e-rtN，其中:r=0.033X1+0.315X2+1.912 ×10-5X3-0.033 ，N=0.023X1-0.055X2-1.08×10-6X3+1.262 。對(duì)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性概率P<0.001，說(shuō)明回歸方程顯著性明顯，且回歸方程可決系數(shù)R2>0.99，說(shuō)明模型的擬合度較好，實(shí)驗(yàn)誤差較小。

3.2 動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)回歸模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合準(zhǔn)確度，選取實(shí)驗(yàn)中的任一組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，由Page方程在該條件下進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比可得實(shí)驗(yàn)與擬合值基本吻合，如圖12所示。說(shuō)明Page方程可較好反映熱泵香菇干燥的水分變化規(guī)律，可以通過(guò)干燥模型對(duì)香菇的干燥過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

熱泵干燥是一種節(jié)能、低溫低濕的干燥方式，適用于食用菌類(lèi)產(chǎn)品干燥。本文進(jìn)行了熱泵干燥香菇實(shí)驗(yàn)及其動(dòng)力學(xué)模型研究，得出以下結(jié)論：

1) 香菇熱泵干燥前期為加速干燥階段，無(wú)明顯的恒速干燥階段，降速干燥階段較長(zhǎng)。隨著風(fēng)溫、風(fēng)速增加和裝載量減少，香菇干燥時(shí)間縮短。

2) 與熱風(fēng)干燥相比，采用熱泵干燥的香菇具有較小的收縮率和較大的復(fù)水比，菌蓋呈淺褐色，菌褶呈黃色，感官品質(zhì)良好。

3) 香菇熱泵干燥符合Page模型，且模型擬合效果較好。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型能反映香菇熱泵干燥規(guī)律。

本文受上海市聯(lián)盟計(jì)劃(LM201652)項(xiàng)目資助。(The project was support by the Alliance Program of Shanghai (No. LM201652).)