王教領(lǐng) 宋衛(wèi)東 王明友 吳今姬 李 峰 丁天航

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京210014）

熱泵干燥特性溫和，一般干燥溫度不高，干燥品質(zhì)較好，然而存在干燥時(shí)間長(zhǎng)，能耗大的缺點(diǎn)。真空冷凍干燥是指在真空環(huán)境下，物料里面的水分凍結(jié)后由固體直接升華為氣體，具有干燥時(shí)間短，品相好等優(yōu)點(diǎn)，然而需要配置真空泵和冷阱等設(shè)備，能耗大。凍融-熱泵干燥技術(shù)采用凍融-熱泵干燥模式，其工藝是冷凍-融化-熱泵，再循環(huán)，數(shù)次以后，直接用熱泵干燥到符合要求為止[1-8]。對(duì)于凍融預(yù)處理的原理國(guó)內(nèi)目前研究較少，馬淵等[9-10]以幾種典型生物材料為對(duì)象，對(duì)生物組織凍融過(guò)程中的傳遞現(xiàn)象和界面特性進(jìn)行可視化試驗(yàn)觀測(cè)，定性分析了生物組織中水分存在形態(tài)對(duì)凍融過(guò)程特性的影響；李敏等[11]研究添加劑預(yù)處理對(duì)羅非魚(yú)片凍融-熱泵干燥品質(zhì)的綜合影響，以羅非魚(yú)片為試驗(yàn)材料，做預(yù)處理對(duì)羅非魚(yú)片凍融結(jié)合熱泵干燥過(guò)程影響的系列試驗(yàn)，結(jié)果表明，在較佳工藝下獲得的羅非魚(yú)片的干燥品質(zhì)綜合評(píng)分比熱風(fēng)干燥和常規(guī)熱泵干燥分別提高了40.18%和33.57%。郭婷等[12-15]探究了凍融處理對(duì)甘薯熱風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)的影響，結(jié)果表明：不同凍融處理甘薯的糊化特性曲線、電導(dǎo)率和花青素含量有差異；凍融1 次甘薯電導(dǎo)率最小，花青素含量最高；隨著凍融次數(shù)的增加，干制品復(fù)水性增加，表觀密度減小，呈現(xiàn)出較好的色澤；凍融2 次甘薯的產(chǎn)品硬度最小。以上研究表明，冷凍干燥在食品干燥領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，然而多是關(guān)注物料品質(zhì)的變化，幾乎未見(jiàn)關(guān)于干燥設(shè)備的報(bào)道，同時(shí)也很少涉及菌類的凍融干燥。

本文以典型干燥物料鮮香菇為研究對(duì)象，開(kāi)展凍融-熱泵干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化，旨在探究干燥箱內(nèi)不同位置物料干燥水分的變化情況；同時(shí)為了優(yōu)化干燥過(guò)程，控制產(chǎn)品質(zhì)量，利用4 個(gè)典型薄層干燥方程進(jìn)行擬合與驗(yàn)證，以期建立最佳干燥模型，為凍融-熱泵干燥機(jī)的設(shè)計(jì)及香菇凍融干燥提供參考。

1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

凍融-熱泵干燥機(jī)（圖1）由熱泵系統(tǒng)、干燥箱、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及其配套床架和料盤(pán)等組成。在干燥之前將物料均勻鋪放在料盤(pán)中，再將料盤(pán)放在對(duì)應(yīng)的床架上。床架的位置分布如圖5所示，因1 號(hào)床架上方有冷風(fēng)機(jī)排風(fēng)扇，所以放置的是4 層床架（圖3），每層床架上放置2 個(gè)配套的料盤(pán)；2，3，4，5 號(hào)位置放置的是6 層床架 （圖2），每層床架上放置2 個(gè)配套的料盤(pán)。同時(shí)為了充分利用干燥箱內(nèi)部空間，2 和4 號(hào)的床架尺寸相同，3 和5 號(hào)位置的床架尺寸相同，比2 號(hào)床架尺寸稍小些。在每次打開(kāi)制冷系統(tǒng)時(shí)需要先關(guān)閉1和5 風(fēng)管啟閉控制機(jī)構(gòu)，防止冷氣進(jìn)入熱泵后導(dǎo)致其不能正常開(kāi)啟。當(dāng)關(guān)閉好風(fēng)管閥門(mén)并設(shè)定好溫度后，開(kāi)啟制冷系統(tǒng)，并保持一定時(shí)間，再關(guān)閉制冷系統(tǒng)，打開(kāi)風(fēng)管閥門(mén)，開(kāi)啟熱泵，對(duì)物料進(jìn)行干燥解凍處理。其中熱泵的熱風(fēng)是由風(fēng)道9 通過(guò)出風(fēng)板7 上的出風(fēng)孔6 流出，對(duì)物料由下至上進(jìn)行均勻干燥。反復(fù)進(jìn)行冷凍-解凍處理數(shù)次，直到達(dá)到干燥要求。

表1 凍融熱泵干燥機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of freeze thaw heat pump dryer

圖1 熱泵冷凍干燥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of heat pump system

圖2 六層干燥床架結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of six layer dry bed

圖3 四層干燥床架結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of four layer dry bedstead

圖4 料盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.4 Tray structure

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

鮮香菇，無(wú)錫市新錦源菌業(yè)科技有限公司。要求切根保存，新鮮、無(wú)損傷、無(wú)病害，大小基本一致，于采摘當(dāng)天進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 主要儀器與設(shè)備

凍融-熱泵干燥機(jī)，自制；BSA224S 電子天平，廣州市深華生物技術(shù)有限公司；奧豪斯MB27 水分（鹵素）測(cè)定儀，合肥祺景電子科技有限公司；柯尼卡美能達(dá)CR-10plus 色差計(jì)，上海嘉標(biāo)測(cè)試儀器有限公司。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選在江蘇省溧陽(yáng)市龍?zhí)读謭?chǎng)內(nèi)。一般香菇冷凍時(shí)，如果緩慢冷凍，則形成的冰晶較大，對(duì)活性物質(zhì)影響較大。而在快速冷凍時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部也同時(shí)結(jié)冰，形成的晶體較小，對(duì)果蔬破壞小。另一方面，在香菇結(jié)晶融化時(shí)選擇慢速率，可以使果蔬具有多孔性，利于水蒸氣溢出，并使其具有較好的復(fù)水性[16-18]。因此，本次凍融干燥選擇快速冷凍，慢速融化，具體干燥工藝：-10 ℃冷凍2 h，40 ℃熱泵解凍干燥2 h，-10 ℃冷凍3 h，40 ℃熱泵融化干燥4 h，-10 ℃冷凍1 h，40 ℃熱泵融化1 h，50 ℃熱泵干燥7 h，冷凍1 h，50 ℃熱泵干燥至干基含水率為（0.30±0.02）g/g 結(jié)束，期間忽略升、降溫過(guò)程的影響。同時(shí)為了檢驗(yàn)干燥機(jī)的干燥性能與均勻性，在床架上均勻放置若干料盤(pán)，1～5 號(hào)床架料盤(pán)位置和編號(hào)情況如圖6所示。

2.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

圖5 干燥床架位置分布Fig.5 Distribution of dry bed

2.4.1 干燥曲線的測(cè)定 從進(jìn)入冷凍干燥開(kāi)始為起始0 點(diǎn)，每隔1 h 稱取一次香菇質(zhì)量，根據(jù)香菇初始含水率，計(jì)算該時(shí)刻香菇的干基含水率，至干基含水率達(dá)到（0.3±0.02）g/g 時(shí)結(jié)束干燥，繪制干基含水率隨時(shí)間變化的曲線圖，即為干燥曲線。

2.4.2 水分測(cè)定

1） 干基含水率：樣品的水分質(zhì)量與干物質(zhì)的質(zhì)量之比，計(jì)算如式（1）所示。

式中，mw——在任意干燥時(shí)間下樣品中水分的質(zhì)量，g；md——樣品中絕干物料的質(zhì)量，g。

2） 水分比（Moisture ratio，MR）：在一定干燥條件下，水分比可用來(lái)表示物料還有多少水分未被干燥去除，反映物料干燥速率的快慢，計(jì)算如式（2）所示。

式中，Mt——t 時(shí)刻的含水率，g/g；Me——平衡含水率，即在一定的干燥條件下，將香菇干燥至恒重時(shí)的含水率，g/g；M0——初始含水率，g/g。

3） 干燥速率（Drying rate，DR），計(jì)算如式（3）所示。

式中，Mt+dt——t+dt 時(shí)刻的含水率，g/g；Mt——t 時(shí)刻的含水率，g/g；t——時(shí)間，h。

4） 復(fù)水比：產(chǎn)品復(fù)水性能用復(fù)水比表示，為產(chǎn)品在復(fù)水一定時(shí)間后的質(zhì)量與復(fù)水前質(zhì)量之比，計(jì)算如式（4）所示。

式中，RR——復(fù)水比；Mf——產(chǎn)品復(fù)水瀝干后的質(zhì)量，kg；Mg——復(fù)水前產(chǎn)品的質(zhì)量，kg。

試驗(yàn)時(shí)，取干燥后并稱量的樣品放入40 ℃恒溫的蒸餾水中，恒溫保持30 min 后，取出瀝干20 min，并用吸水紙拭干表面水分，稱質(zhì)量，每組進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

2.4.3 色差的測(cè)定 色差計(jì)的L 值表示物料色澤的明暗度L=0 表示黑色，L=100 表示白色，L 值越大，顏色越白，褐變程度越低；L 值越小，顏色暗，褐變程度高，本試驗(yàn)主要檢測(cè)香菇菌蓋的色差變化，試驗(yàn)對(duì)每個(gè)處理組均抽取5 個(gè)樣品測(cè)試，每個(gè)產(chǎn)品取不同部位測(cè)試3 處，每個(gè)處理組檢測(cè)15次，最后取其平均值作為這個(gè)處理組的色差值。

2.4.4 干燥數(shù)學(xué)模型 物料干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)又與物料的物理特性密切相關(guān)。眾多學(xué)者通過(guò)不同物料的干燥試驗(yàn)研究，總結(jié)了多個(gè)理論、半理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诿枋龈稍镞^(guò)程中物料水分比隨時(shí)間的變化規(guī)律[19-22]。試驗(yàn)選擇了4 個(gè)常用的薄層干燥模型進(jìn)行香菇熱泵干燥動(dòng)力學(xué)研究，如表2所示。

表2 常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 2 Common thin layer drying mathematical model

運(yùn)用4 種經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模型（表2）對(duì)香菇凍融干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立干燥動(dòng)力學(xué)模型。用相關(guān)系數(shù)（R2）、均方誤差的根（RMSE）和卡方系數(shù)（χ2） 這3 個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)模型擬合度的優(yōu)劣，R2越接近于1，RMSE 和χ2越小，說(shuō)明模型擬合度越高[23-24]。

2.4.5 有效擴(kuò)散系數(shù)（Deff） 物料內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)是水分質(zhì)量傳遞的參數(shù)，可反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，可以用Fick 擴(kuò)散第二定律來(lái)求解[25-30]，如式（5）所示。

當(dāng)物料表面水分瞬間與周圍空氣達(dá)到平衡時(shí)，忽略物料外部其它阻力和體積變化[22]，可求式（5）的解如式（6）所示。

式中，Deff——有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L——物料厚度的一半，m；對(duì)于較長(zhǎng)干燥時(shí)間可以取n=1，并對(duì)MR 取對(duì)數(shù)，則式（6）可以簡(jiǎn)化為式（7）。

圖6 1～5 號(hào)床架料盤(pán)的位置分布Fig.6 The distribution of tray on 1 to 5 dry bedstead

繪制式（7）中l(wèi)nMR 相對(duì)于t 的曲線，將所得曲線進(jìn)行線性擬合得到的直線斜率（k）表達(dá)如式（8）所示。

2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用oringin8.0 繪圖，利用1stopt 15進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖7 1～5 號(hào)干燥床架香菇的干基含水率曲線Fig.7 The drying curves of moisture content of drying base on mushroom which put on 1 to 5 bedstead

圖8 1～5 號(hào)床架香菇的干燥速率曲線Fig.8 The drying rate curve of mushroom which put on 1 to 5 bedstead

3 結(jié)果與分析

3.1 香菇凍融干燥特性分析

利用spss 軟件，對(duì)獲取的干基含水率與干燥速率數(shù)據(jù)做圖，獲得干燥曲線與速率曲線，分別如圖7與圖8所示。

由圖7可以看出，各個(gè)床架與床架的各層之間干基含水率變化情況基本一致，干燥均勻性好，初始干基含水率為9，干燥至32 h 干基含水率均小于0.32 g/g，達(dá)到貯藏要求。圖8香菇干燥速率曲線表明，香菇經(jīng)過(guò)4 次凍融干燥處理，每次融化之后，熱泵解凍干燥速率在短時(shí)間內(nèi)會(huì)有所提高，特別是1～3 次比較明顯，這充分說(shuō)明香菇的凍結(jié)過(guò)程能夠?qū)⒉糠蛛y以在干燥過(guò)程中脫除的吸附水和結(jié)合水轉(zhuǎn)化成自由水。再經(jīng)過(guò)解凍處理后，這部分水更容易從香菇組織中分離出來(lái)，因此，解凍過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)速率增加的現(xiàn)象，同時(shí)在短暫增加過(guò)后又會(huì)由于自由水蒸發(fā)出現(xiàn)速率下降的情況。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在第4 次冷凍之后，解凍干燥速率增加幅度非常小，一方面可能是由于在干燥初期，香菇干基含水率高，冷凍導(dǎo)致的水分轉(zhuǎn)化速率高，因此水分的滲透速率高于單純熱泵解凍干燥速率，所以干燥速率會(huì)有較大提高，而在干燥后期，香菇內(nèi)部大部分水分已經(jīng)蒸發(fā)，結(jié)合水占比很大，冷凍對(duì)結(jié)合水的剝離能力有限，自由水的轉(zhuǎn)化率也會(huì)有所下降，冰晶的生長(zhǎng)減少，冷凍能力下降，凍融優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不明顯。干燥過(guò)程在20 h 后進(jìn)入單純熱泵干燥階段，干燥速率雖有增加，但是相對(duì)于前幾次增幅已經(jīng)很小，整個(gè)干燥過(guò)程存在加速與減速，無(wú)明顯恒速干燥過(guò)程。另外針對(duì)設(shè)備本身可以看出3 和5 號(hào)床架的冷凍干燥速率相對(duì)較高，主要是由于冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口正對(duì)3 和5 號(hào)床架，加快了冰晶形成與水分散失；而熱泵的出風(fēng)孔均勻的設(shè)置在整個(gè)地板上，所以熱泵干燥過(guò)程比較均勻。

圖9 不同位置香菇干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig.9 Effective moisture diffusion coefficient of Letinous edodes at different positions

通過(guò)公式（7）、（8），可以計(jì)算出香菇凍融干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在1.98×10-7～2.36×10-7m2/s之間，差異性較小，其主要影響因素可能是床架位置與層數(shù)。這與3.2 節(jié)中干燥模型分析得出干基含水率與床架層數(shù)之間符合Modified Henderson and Pabis 模型的結(jié)論一致。

圖10 不同位置香菇干燥色差Fig.10 Chromatism of Lentinus edodes at different drying locations

圖11 不同位置香菇復(fù)水比Fig.11 Rehydration of Lentinus edodes at different drying locations

圖10表示不同干燥床架，香菇干燥后其色差變化情況，結(jié)果表明，不同床架上干燥后的香菇，其色差基本一致。

圖11表示不同干燥床架，香菇干燥后其復(fù)水性的變化情況。結(jié)果表明，不同床架上干燥后的香菇，其復(fù)水性較好，差異較小。結(jié)合圖10可以看出，色差值L 值較大的復(fù)水性總體較好，這是由于L 值大碳化程度低，對(duì)香菇細(xì)胞的破壞程度低，因此復(fù)水性較好。

3.2 香菇凍融干燥動(dòng)力學(xué)模型研究

運(yùn)用表2所示的4 種經(jīng)典薄層干燥模型對(duì)凍融香菇在凍融過(guò)程中的干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)度比較，得各干燥模型的擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量值如表3所示。

表3 各模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析Table 3 Statistical analysis of each model

表3可看出Henderson and Papis 模型的R2平均值最大，RMSE 與χ2平均值最小，因此Hendersonand Papis 可以有效描述凍融-熱泵干燥過(guò)程。

為了解釋凍融對(duì)Henderson and Papis 模型參數(shù)a，b，c，k，g，h 的影響，利用1stopt 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)Logarithmic 模型下凍融香菇待定系數(shù)a，b，c，k，g，h 與床架層數(shù)進(jìn)行曲線回歸分析，得出參數(shù)a，b，c，k，g，h 與床架層數(shù)（x）的關(guān)系式為：

MR=aexp（-kt）+bexp（-gt）+cexp（-ht）

a=-0.3689x5+ 6.5318x4-43.142x3+ 130.85x2-178.87x+85.371

b = 0.2122x5-3.6729x4+ 23.553x3- 68.857x2+90.216x-40.416

c = 0.1569x5-2.8625x4+ 19.612x3- 62.063x2+88.74x-44.017

k=-0.0073x5+0.1303x4-0.8729x3+2.6747x2-3.64x+1.594

g = 0.0048x5- 0.0912x4+ 0.6468x3-2.1128x2+3.0277x-1.441

h = 0.0072x5- 0.125x4+ 0.8061x3-2.3528x2+3.0665x-1.5191

各待定系數(shù)與凍融次數(shù)（x）回歸分析后的相關(guān)系數(shù)R2均為0.999，χ2＜0.05，說(shuō)明各待定系數(shù)可以用床架層數(shù)（x）來(lái)表示。

選取第1 層床架即x=1 時(shí)，對(duì)香菇凍融-熱泵干燥試驗(yàn)值與Henderson and Papis 最終模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證比較，結(jié)果如圖12所示，說(shuō)明擬合程度較好。

圖12 香菇凍融Henderson and Papis 模型下預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.12 Comparison of the predicted values and experimental values of the Henderson and Papis model in the freezing and thawing of Letinous edodes

4 總結(jié)

本文根據(jù)香菇凍融干燥特性確定了快凍慢融的干燥工藝，并且根據(jù)自制凍融-熱泵干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了床架和料盤(pán)結(jié)構(gòu)，并確定了床架的擺放位置。

經(jīng)過(guò)4 次凍融處理，每次凍融之后干燥速率短時(shí)間內(nèi)具有一定提高，隨后出現(xiàn)下降，凍融次數(shù)對(duì)水分遷移速率的影響呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，第4 次凍融之后干燥速率的提升已無(wú)明顯變化。在20 h 進(jìn)入單純熱泵干燥階段，在30 h 基本達(dá)到平衡含水率，整個(gè)干燥過(guò)程存在加速與降速階段，無(wú)明顯恒速干燥階段。香菇凍融干燥各位置干燥情況基本一致，均勻性好。

凍融香菇在不同干燥條件下的干燥過(guò)程均滿足Henderson and Papis 方程，其中待定系數(shù)a，c，k 與層架（x）之間呈5 次方關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均為0.999，表明該模型可有效預(yù)測(cè)凍融香菇干燥過(guò)程中水分含量隨干燥時(shí)間的變化。