彭鈺航 王廣紅 孫飛雪 金聽祥

(鄭州輕工業(yè)大學能源與動力工程學院，河南 鄭州 450002)

胡蘿卜因其富含多種維生素、類胡蘿卜素、花青素、鈣、鐵等營養(yǎng)成分，兼具抗氧化、促進生長發(fā)育、保護視力、抗癌防癌、提高免疫、促消化等[1-2]功能，素有“小人參”之稱。中國是胡蘿卜種植大國，產(chǎn)量和出口量占全球40%，新鮮胡蘿卜含水量為86%～95%，容易腐爛。脫水加工是胡蘿卜的主要加工方式之一，加工后的產(chǎn)品不僅可以延長貨架期，方便運輸和貯藏，還能有效減少腐壞造成的資源浪費[3]。

熱泵干燥技術因具有操作簡單、高效節(jié)能、環(huán)境友好等優(yōu)點，被廣泛應用于干燥領域。干燥工藝參數(shù)對熱泵干燥品質有較大影響[4]，同時也對節(jié)能降耗有影響。周韻等[5]使用響應面法研究了熱風微波耦合干燥工藝參數(shù)對胡蘿卜干燥速率和干燥品質的影響。畢金峰等[6]使用響應面法對胡蘿卜變溫壓差膨化干燥的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。沈文龍等[7]通過響應面法得到了杏鮑菇的最佳熱泵干燥工藝為初始溫度50 ℃，溫度增量7 ℃，鋪料密度2.9 kg/m2。王安建等[8]使用響應面法對香菇熱泵干燥工藝進行了優(yōu)化，優(yōu)化結果為溫度54 ℃、風速3 m/s、裝載量1 176 g/m2。王梅等[9]使用響應面法優(yōu)化了山藥脆片的干燥工藝，其最佳干燥工藝條件為切片厚度3.8 mm、燙漂時間4 min 20 s、干燥溫度60 ℃、干燥時間2.0 h。龍成樹等[10]建立了響應面法優(yōu)化桑葉熱泵干燥速率模型，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)為干燥溫度64.20 ℃、風速2.40 m/s、熱燙時間2.0 min、干燥耗時2.25 h。錢革蘭等[11]使用響應面法分析熱風微波耦合干燥胡蘿卜片的形變，得到最優(yōu)參數(shù)為微波功率密度1.9 W/g，熱風溫度65 ℃，胡蘿卜片厚度5 mm，可使體積保留率提高10%。文章擬采用Box-Behnken設計，研究初始溫度、干燥溫升和切片厚度3個工藝參數(shù)對產(chǎn)品色差、復水比和β-胡蘿卜素含量的影響，確定最佳的干燥工藝參數(shù)，旨在為實際生產(chǎn)過程提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

采用同一批長度大致相同、直徑約4 cm、成熟適度未木質化、無病蟲無萎縮、無糠心、皮薄肉厚、顏色呈鮮紅色或橙色的新鮮胡蘿卜。

1.2 儀器與設備

空氣能熱泵箱式一體節(jié)能烘干機：CG-05HA型，循環(huán)系統(tǒng)為半開式，可根據(jù)需要調節(jié)不同階段的干燥溫度、相對濕度以及干燥時間，廣東創(chuàng)陸制冷科技有限公司；

質構儀：TA.TOUCH型，上海保圣實業(yè)發(fā)展有限公司；

高速多功能粉碎機：200T型，永康市鉑歐五金制品有限公司；

快速水分儀：FBS-750A型，廈門弗布斯檢測設備有限公司；

分光測色儀：YS3060型，深圳市三恩時科技有限公司；

玻璃砂芯過濾裝置：1 000 mL，鄭州利研儀器有限公司；

低溫恒溫槽：DC-3010型，溫度波動±0.5 ℃，江蘇天翎儀器有限公司；

多功能切菜機：QP-1102型，中山市百客思電器有限公司；

精密電子天平：ES500型，精度為0.001 g，天津市德安特傳感技術有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 熱泵干燥流程

新鮮胡蘿卜切片→稱重→開水熱燙3.5 min→冷水中冷卻，拭干水分→鋪放于篩盤上→熱泵干燥機干燥→每隔30 min測量胡蘿卜質量→干燥至樣品相鄰減重低于0.02 g/100 g→包裝貯藏

干燥過程分兩個階段，第一階段的溫度為初始溫度，物料在初始溫度下干燥至含水率25%～30%時進入第二階段，第二階段的溫度為初始溫度+溫升值。

1.3.2 響應面試驗 根據(jù)預試驗，確定以色差值、復水比、β-胡蘿卜素含量為響應值，初始溫度、干燥溫升及切片厚度為因素，建立三因素三水平的Box-Behnken中心組合試驗。

1.4 產(chǎn)品指標測定

1.4.1 色差 根據(jù)文獻[12]修改如下：使用測色儀進行測定，每種樣品取3次樣，每樣旋轉3次不同角度，結果取平均值。按式(1)計算色差值。

(1)

式中：

ΔE——色差值；

L*——亮度值，0～100；

a*——紅色度，-80～100；

b*——黃色度，-80～100。

1.4.2 復水比 分別取各組干燥成品2 g，放入250 mL燒杯中,用水量為200 mL，90 ℃水浴20 min，取出瀝水，擦干表面水分后稱重，按式(2)計算復水比。

(2)

其中：

Rf——復水比，g/g；

Gf——樣品復水后瀝干質量，g；

Gg——干制品試樣質量，g。

1.4.3β-胡蘿卜素含量 根據(jù)文獻[13-14]，按式(3)計算β-胡蘿卜素含量。

(3)

式中：

N——β-胡蘿卜素含量，mg/g；

x——利用標準曲線求得的β-胡蘿卜素含量，mg/mL；

m——胡蘿卜粉質量，g；

k——干基水分含量，%。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗結果及數(shù)據(jù)分析

2.1.1 響應面試驗結果 在前期預試驗的基礎上，以色差值、復水比、β-胡蘿卜素含量為響應值，以初始溫度、干燥溫升、切片厚度為自變量，建立三因素三水平中心組合試驗設計，因素水平表見表1，試驗設計與結果見表2。

表1 試驗因素與水平表

表2 試驗設計及結果

2.1.2 回歸方程擬合及方差分析 采用Design-Expert 10.0統(tǒng)計軟件對所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到回歸方程為：

(4)

(5)

(6)

由表3可知，回歸方程的模型決定系數(shù)均>0.8，說明干燥初始溫度、干燥溫升和切片厚度對胡蘿卜干制品影響顯著，校正系數(shù)均>0.7，說明模型的擬合度較好，可以反映響應面曲線的變化趨勢，能較好地預測胡蘿卜的熱泵干燥過程。離散系數(shù)都較小，說明干燥試驗具有較好的精確性和可靠性。干燥溫升對胡蘿卜干燥后的色差及復水比影響較大，可能是因為第二階段溫度過高使胡蘿卜切片的表面細胞發(fā)生不可逆轉變化，顏色變深，細胞滲透性減小。初始溫度對β-胡蘿卜素含量影響較大，可能是因為β-胡蘿卜素在干燥初期較容易流失，合適的初始溫度更容易保留β-胡蘿卜素。

表3 方差分析?

2.1.3 響應面圖分析 由圖1可知，色差值隨初始溫度的升高呈先降低再升高的趨勢，當初始溫度為54～56 ℃時，色差值最低；隨著干燥溫升的增大，色差值先降低后升高，當干燥溫升為9～11 ℃時，色差值最低；切片厚度對色差值的影響不顯著。熱泵干燥過程中，由于干燥時間長，溫度過高，易使蔬菜中的色素物質和營養(yǎng)物質加速氧化降解[15]。由于胡蘿卜是熱敏性根菜類蔬菜，在干燥過程中會發(fā)生褐變，初始溫度對酶促褐變和非酶促褐變均有較大影響，當初始溫度為54～56 ℃時，酶促褐變和非酶促褐變的現(xiàn)象減少，干制品的色澤變化小[3]。

圖1 各因素交互作用對胡蘿卜色差影響的響應面圖

由圖2可知，切片厚度一定時，復水比隨初始溫度的升高呈先升高再降低的趨勢，當初始溫度為54～56 ℃時，復水比最高。這是因為隨著初始溫度的升高，胡蘿卜組織結構易出現(xiàn)多孔疏松狀態(tài)，體積逐漸膨化，導致復水過程中吸水量增加，復水終點時水分含量值變大，復水比增加。初始溫度不斷升高后，胡蘿卜片內(nèi)部毛細管與細胞的萎縮變形增大，初始溫度對物料組織結構的破壞作用增加，復水難度增加，導致復水比減小[16]。隨著干燥溫升的增大，復水比先升高再降低，當干燥溫升為9～11 ℃時，復水比最高。隨著切片厚度的增加，復水比逐漸減小。因此干燥溫升對復水比的影響最為顯著，其次為初始溫度。

圖2 各因素交互作用對胡蘿卜復水比影響的響應面圖

由圖3可知，β-胡蘿卜素含量隨初始溫度的升高而緩慢升高；隨著干燥溫升的增大，β-胡蘿卜素含量無顯著變化；隨著切片厚度的增加，β-胡蘿卜素含量先升高后降低，當切片厚度為3.5～4.0 mm時，β-胡蘿卜素含量最高，切片厚度對β-胡蘿卜素含量影響最為顯著。

圖3 各因素交互作用對β-胡蘿卜素含量影響的響應面圖

綜上，當初始干燥溫度為54～56 ℃，干燥溫升為9～11 ℃，切片厚度為3.5～4.0 mm時，胡蘿卜干制品的色差CV色差=4.47%，CV復水比=5.64%，CVβ-胡蘿卜素含量=11.85%。值最小，復水比最高，β-胡蘿卜素含量最高。

2.2 驗證實驗

用Design-Expert 10.0軟件對回歸方程求解，得到胡蘿卜熱泵干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下理論預測的胡蘿卜色差值為9.759，復水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。結合實際將干燥條件調整為初始溫度54 ℃，干燥溫升9.3 ℃，切片厚度(3.8±0.1) mm，在此條件下進行3次平行驗證實驗，實測胡蘿卜色差值為9.616±0.2，復水比為6.251±0.1，β-胡蘿卜素含量為(33.527±0.500) mg/100 g，與理論預測值相比，相對誤差分別為1.465%，0.877%，2.475%，說明可以利用響應面對胡蘿卜熱泵干燥工藝進行預測與分析。

3 結論

采用響應面法，研究了初始溫度、干燥溫升和切片厚度對胡蘿卜干燥產(chǎn)品色差、復水比和β-胡蘿卜素含量的影響。結果表明：初始溫度是影響色差值的顯著因素，干燥溫升和切片厚度是次顯著因素；干燥溫升是影響復水比的顯著因素，初始溫度和切片厚度是次顯著因素；切片厚度是影響β-胡蘿卜素含量的顯著因素，初始溫度和干燥溫升是次顯著因素。胡蘿卜熱泵干燥的最佳工藝為初始溫度54.10 ℃，干燥溫升9.25 ℃，切片厚度3.8 mm，此條件下胡蘿卜色差值為9.759，復水比為6.196，β-胡蘿卜素含量為34.378 mg/100 g。后續(xù)可在不同的階段改變不同的相對濕度或將干燥分成更多的階段，更進一步細化參數(shù)，在保證干燥品質的同時最大限度降低能耗。