全 文 ：网络出版时间 2014-11-21 16:42:00 [URL] http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1642.014.html
Journal of Northeast Agricultural University
东 北 农 业 大 学 学 报第45卷 第11期 45(11): 116~123
2014年11月 November 2014
西洋菜热泵干燥特性试验研究
张艳来1,2，龙成树1,2，尹凯丹3，龚 丽2，刘清化2，李秀平3
（ 1.中南林业科技大学机电工程学院，长沙 410004，2.广东省现代农业装备研究所，广州 510630，
3.广东农工商职业技术学院，广州 510507）
摘 要：在热泵干燥下，采用正交试验和响应面试验设计方法，研究温度、风速、热烫时间对西洋菜干燥特
性影响。结果表明，沸水中热烫约3.3 min，热风温度为50 ℃，风速为2.88 m · s-1条件下，在干燥室中干燥2~3 h
后，西洋菜能达到理想干燥效果（含水率约为8%），干燥后的物料颜色变成深绿色，有较浓郁香气，所得干燥工艺
对实际生产具有指导意义。
关键词：西洋菜； 热泵；干燥特性；响应面
中图分类号：S375 文献标志码：A 文章编号：1005-9369（2014）11-0116-08
张艳来,龙成树,尹凯丹,等.西洋菜热泵干燥特性试验研究[J].东北农业大学学报, 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 ab-
stract)
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. Guangdong Agricultural Machinery Research In-
stitute, Guangzhou 510630, China; 3. Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou 510507, China)
Abstract: 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-1 in 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.
Key words: watercress (Nasturtium officinale); heat pump; drying characteristics; response surface
收稿日期：2013-06-29
基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划（2012AA10A502-02）；广东省科技计划项目（2011A020102006）
作者简介：张艳来（1970-），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为干燥技术、过程节能。E-mail: ceylzhang@scut.edu.cn
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]。我国
种植区域主要分布两广、台湾、上海等地[2]，欧洲
国家广泛种植和食用 [3- 4]。西洋菜有很高药用价
值[4-7]。西洋菜收获期在 5~7月份，可食用周期短，
化学药剂保鲜仅有短时间保鲜效果，且会影响其
张艳来等：西洋菜热泵干燥特性试验研究第11期
药用性 [8]。西洋菜脱水干燥工艺研究有重要意义。
国内干燥脱水蔬菜加工大多采用传统热风干燥，干
燥速度较慢、加热温度高、能耗大且对蔬菜营养成
分、色泽、风味影响大[9-11]。热泵干燥是高效节能的
温和干燥方法，接近自然干燥[12]。吕金虎、张海红
等为降低能耗，提高干燥效率，缩短生产周期，使
用自制热泵干燥甘蓝，节能可达40%~50%[11， 13]。赵
海波等研究白菜种子热泵干燥工艺，相比传统热
风干燥节能近50%，且白菜种子发芽率提高 [14]。李
媛媛等采用热泵对油豆角干燥特性开展研究，获
得优化工艺参数[15]。潘年龙等改进干制黄花菜传统
生产方法，相比传统热风干燥产品感官品质良好，
有黄花菜固有香味，无异味[16]。随着热泵干燥技术
完善，脱水蔬菜应用增多[17]。
西洋菜功能成分分析及种植技术研究较多，但
干燥工艺研究较少。本试验应用热泵干燥装置[18]，
研究热烫时间、温度、风速对西洋菜干燥特性影
响，得到西洋菜干燥工艺，可指导实践生产，为
干燥设备设计提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
西洋菜购于广东省阳山县大崀村西洋菜种植
基地，试验前，先清理杂质、败叶，然后常温
（25 ℃）洗涤，去除表面水分后测得含水率为94%±
1%。
1.2 设备
热泵干燥试验装置由广东省现代农业装备研
究所自制，主要参数：温度为 35~65 ℃，风速为
1.0~3.0 m · s-1，相对湿度（RH）为45%~90%。热泵
本质上是一种热能品质提升装置，即一种利用高
位能使热量从低位热源转为高位热源的装置[19]。其
工作原理与制冷机相同，依照逆卡诺循环原理工
作，不同的主要是工作温度范围的差别。
仪器：DC-P3型全自动测色色差计，北京维
欣仪奥科技有限公司；赛多利斯水分测定仪，
MA150，德国赛多利斯集团；KANOMAX风速测定
仪，KA32L型，沈阳加野科学仪器公司；FA/JA系
列上皿电子天平，上海天平仪器厂；W201D 恒温
水浴锅， 上海申顺生物科技有限公司等。
1.3 方法
西洋菜热泵干燥工艺流程为：新鲜西洋菜→
洗涤、除杂、过滤→去除表面水分→测出原始参
数→热烫预处理→冷却、过滤→装盘、热泵中干
燥→干品基本参数测定。
1.3.1 正交试验设计
本试验材料前期处理采用简单热烫，试验方
法选用3个因素，即热泵热风温度、风速、热烫时
间的3因素3水平正交试验设计。依次用A、B、C
表示，Ai（i=1， 2， 3）分别表示温度为 50、 55、
60 ℃；Bi（i=1，2，3）分别表示风速为 0.78、1.90、
2.88 m · s-1；Ci（i=1，2，3）分别表示热烫时间为
2、4、6 min。正交试验如表 1所示。由于考虑的
只有3个因素，随机选取正交表中3列，本试验选
取1、2、4列，空列反应交互作用重要性，空列数
据数值越大，说明交互作用明显或者试验出现严
重误差。
1.3.2 响应面试验设计
选用中心复合设计，试验选择热泵干燥装置
上边界温度，中心复合边界设计中不允许超过温
度边界，为保持序惯性，放弃中心复合边界设计，
选用中心复合表面设计。Minitab运行参数：因子为
3个，基础次数为 20次，基础区组为 1，Alpha值
为1。干燥参数上下限：温度为50和60 ℃；风速为
1和3 m · s-1；热烫时间为2和6 min。
1.3.3 测定指标方法
1.3.3.1 初始含水率测定
初始含水率是干燥过程中的重要参数，采用
105 ℃烘箱测定法测定[20-22]。在试验时，首先去除
清洗过程材料表面水分后，随机选取样品 5 g，置
于预热10 min烘箱中烘干测定。
1.3.3.2 复水性测定
将西洋菜干品，取样两份（每份20 g），一份用
赛多利斯水分测定仪MA150测定含水率；另一份
置于 400 mL、温度为 25 ℃水中，充分浸泡，每隔
30 min捞出，去除表面水分后，称其重量，至相邻
两次称量相差不足 1 g，使西洋菜尽可能恢复到干
制前状态。得到的质量与理论西洋菜绝干物料的
质量之比，即为所测值[23]。
1.3.3.3 干燥速率比例系数λ测定
定义：实际试验材料（即鲜物重）m理论干重G0
（不含水分）与实际干制G（试验完含一定水分）之
差，再与标准物重m0（取500 g）和实际试验材料（约
500 g）之商求积。初始含水率为ξ。定义公式为：
··117
东 北 农 业 大 学 学 报 第45卷
（1）
式中，G0=m(1-ξ)。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果分析
由于试验过程中存在误差，通过试验指标的
选取将不同试验组之间的差异求同，利于更客观
地比较干燥速率，而干燥试验的整体变化趋势没
有改变。根据试验的数据分析如表 1所示，极差
RA>RB>RC，3个因素对干燥速率的影响主次顺序依
次为：温度、风速、热烫时间。第 3列极差值最
小，说明试验过程中交互作用不明显，且干燥试
验误差较小，试验数据可靠。
方差分析表 2中，FA=21.52>F0.01(2，4)，说明因
素A水平的改变对试验指标有高度显著影响；F0.05
(2，4)验指标有显著影响；因素C对干燥速率影响很小。
方差分析与极差法分析结果相吻合，获得最优方案
为A2B3C，即温度为55 ℃，风速为2.88 m · s-1，热
烫时间不确定。
试验号Experimentnumber
1
2
3
4
5
6
7
8
9
K1j
K2j
K3j
k1j
k2j
K3j
极差Rj
Sj
A
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4.98
10.64
-1.99
1.66
3.55
-0.66
12.63
26.67
B
1
2
3
1
2
3
1
2
3
-0.47
5.31
8.79
-0.16
1.77
2.93
9.26
14.58
空列Emptycolumns
1
2
3
2
3
1
3
1
2
5.42
3.50
4.71
1.81
1.17
1.57
1.92
0.63
C
1
2
3
3
1
2
2
3
1
3.22
6.43
3.98
1.07
2.14
1.33
3.21
1.87
干燥速率比例系数λDrying rateproportionalcoefficient
-0.16
2.20
2.95
1.34
3.42
5.88
-1.65
-0.30
-0.04
方差来源Sources of variance
温度(℃) A Temperature
风速(m·s-1) B Wind speed
热烫时间(min) C Blanching time
误差e Error
e(C,e)
总和 Summation
偏差平方和SSSum of square
26.67
14.58
1.87
0.63
2.50
43.76
自由度dfdegree of freedom
2.00
2.00
2.00
2.00
4.00
8.00
均方MSMean square
13.34
7.29
0.94
0.32
0.63
统计量FStatistic
21.52
11.57
临界值Critical value
F0.05(2,4)=6.94
F0.01(2,4)=18.00
显著性Significance
**
*
λ = m0(G0 -G )m2 × 100% 表 1 正交试验数据Table 1 Orthogonal experimental data
表 2 正交试验方差分析
Table 2 Orthogonal analysis of variance
2.2 响应曲面设计结果分析
从表 3可知，交互作用概率值为 0.825，大于
显著水平0.05，可以判断该效应项不显著。失拟项
对应的P=0.331，同样高出显著水平，故原假设正
确，试验模型中不存在失拟现象。线性拟合的P=
0.005，小于显著水平 0.05，说明西洋菜干燥试验
过程中，温度、风速、热烫时间与干燥速率呈线
性关系可信度高。
残差诊断，通过应用Minitab软件得到图1~4。
残差诊断目的是基于残差的状况诊断模型与
数据拟合情况，间接反映试验的正确性。以观测
值顺序为横轴的散点见图1，各点随机在水平轴上
下无规则波动；与拟合值图，在以响应变量拟合
预测值为横轴散点图中未出现“漏斗型”或者“喇叭
型”，说明残差保持等方差；正态概率图和直方
图，概率图中概率值集中分布在某个区段，且均
匀分布在斜直线两侧，直方图服从正态分布，说
明试验误差小，试验结果可信。残差对于各自变
量为横轴的散点图，图 2~4未出现明显弯曲现象，
说明交互作用不显著与正交试验设计结果呼应。
··118
张艳来等：西洋菜热泵干燥特性试验研究第11期
表 3 干燥速率比例系数的方差分析
Table 3 Analysis of variance of drying rate scale factor
图1 干燥速率系数残差
Fig. 1 Drying rate coefficient residual
来源Sources
回归 Regression
线性 Linear
交互作用 Interaction
残差误差 Residual error
失拟 Loss of quasi
纯误差 Pure error
合计 Summation
自由度Degree of freedom
6
3
3
13
8
5
19
Seq SS
73.757
70.627
3.130
45.189
32.094
13.094
118.946
Adj SS
73.757
70.627
3.130
45.189
32.094
13.094
Adj MS
12.293
23.542
1.043
3.476
4.012
2.619
F
3.54
6.77
0.30
1.53
P
0.027
0.005
0.825
0.331
正态概率图 Normal probability plot
标准化残差 Standardized residuals
标
准
化
残
差
Stan
dard
ized
resi
dua
ls
与拟合值图 Logic fitting value
拟合值 The fitting value
标准化残差Standardized residuals 观测值顺序 Observation value sequence
与顺序 Logical order
百
分
比
perc
enta
ge
99
90
50
10
1 -2 -1 0 1 2
频
率
Freq
uen
cy
6.0
4.5
3.0
1.5
0.0 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
标
准
化
残
差
Stan
dard
ized
resi
dua
ls
2
1
0
-1
4 5 6 7 8
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2
1
0
-1
○
○○○○○○○○
○○○ ○
○○ ○○
○ ○
○
○
○
○○○
○
○
○
○
○○
○
○ ○
○
○
○
○
○
○
○
○○
○○
○
○
○
○○
○
○ ○ ○ ○
○○
直方图 Histogram
图2 残差与风速
Fig. 2 Residuals and wind speed
标
准
化
残
差
Stan
dard
ized
resi
dua
ls
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
风速（m·s-1）Wind speed
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
图3 残差与热烫时间
Fig. 3 Residuals and blanching time
热烫时间（min）Blanching time
○ ○
○
○○
○
○
○
○
○
○○
○○○○
○
标
准
化
残
差
Stan
dard
ized
resi
dua
ls
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
○○
○
○
○
○
○
○○
○
○ ○
○○
○
○
○
··119
东 北 农 业 大 学 学 报 第45卷
2.2.1 温度、风速、热烫时间对西洋菜热泵干燥
速率影响
图5~6表明，温度和风速对西洋菜干燥速率有
影响，温度不变，随风速从 1 m · s-1升至 3 m · s-
1，干燥速率比例系数不断增大，干燥速率增大；
风速一定时，干燥速率随温度升高而减少，当
超 过55 ℃时，变化很小，在温度为50 ℃、风速
为 2.75 m · s-1时干燥速率最大。干燥试验中，随
着温度升高，单位体积干燥介质（空气）所含热量
越多，经过湿物料传递的热量越多。因而，蒸发
速率快，干燥速率快。但干燥温度过高，可能造
成湿物料表面由于初期过快蒸发而结壳，不利于
后期干燥，造成整体平均干燥速率下降，所以西洋
菜干燥温度不宜过高。风速越大，干燥室内高温低
湿空气更新较快，干燥速率越快，但风速大，风机
消耗功率也大。
在最佳风速情形下干燥速率与温度、热烫时间
的等值线图和曲面图见图7~8。数据表明，风速一
定时，随着温度增大，热烫对西洋菜干燥速率影响
越显著，但是在温度为 55 ℃后，热烫时间对干燥
速率无影响或者负影响。热烫时间适当，西洋菜
组织细胞失水，细胞内结合水含量减少，促进西
洋菜干燥，但是高干燥温度，使干燥前期西洋菜
表面组织细胞过分失水而结壳，阻碍内部组织水分
向外扩散，平均干燥降水速率反而减少。因此，风
速和热烫时间一定时，干燥速率随温度增加，表现
为先增大后减少。在温度为 50 ℃时，热烫时间约
为3 min时最优。
在最佳温度下干燥速率与风速、热烫时间的
等值线图和曲面图见图 9~10。从图中可得出，温
度一定时，随风速变化，热烫时间对干燥速率影
响有变化。热烫时间适当能促进干燥速率增加。
主要是因为适当热烫时间，使西洋菜细胞内部结
合水分，转移到组织细胞间，促使西洋菜脱水速率
更快。在风速为 1.5~2.75 m · s-1，热烫时间约为 3
min时得到最优值。
综上所述，温度和风速对热泵干燥西洋菜干
燥速率影响较大，适当热烫时间能促进干燥速率
增大。通过分析数据得到，热泵干燥西洋菜的理
想参数：温度约 50 ℃ ，风速约 2.75 m · s-1，热烫
时间约3 min。
2.2.2 最优化曲线图与回归方程
结合上述响应面试验分析结果，应用Minitab
软件计算机优化器，可获得最优解，最优化参
数。由图 11可知，最优解为 6.54，最优干燥参数
为温度取 50 ℃，风速取 2.88 m · s-1，热烫时间取
3.3 min。
图5 干燥速率与温度，风速等值线
Fig. 5 Isogram of drying rate and temperature, wind speed
图6 干燥速率与温度，风速曲面
Fig. 6 Surface of drying rate and
temperature, windspeed
图4 残差与温度
Fig. 4 Residuals and temperature
风
速
（m
·s-
1 ）
Win
dsp
eed
温度（℃）
Temperature
<4.54.5~5.05.0~5.55.5~6.06.0~7.07.0~7.5>7.5
λ
50 52 54 56 58 60
标
准
化
残
差
Stan
dard
ized
resi
dua
ls
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
○
○
○
○
○○
○
○
○ ○
○
○
○
○○
温度（℃）Temperature
50 52 54 56 58 60
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
热烫时间 4 min
Blanching time 4 min
7
6
5
4
干
燥
速
率
比
例
系
数
温度（℃）Temperature
风速
（m ·
s-1）
Wind
speed50 55 604.5 1
2
3λ
5.0
5.5
6.0 6.57.0
6.5
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张艳来等：西洋菜热泵干燥特性试验研究第11期
图 7 干燥速率与温度、热烫时间等值线
Fig. 7 Isogram of drying rate and
temperature, blanching time
图 8 干燥速率与温度、热烫时间曲面
Fig. 8 Surface of drying rate and
temperature, blanching time
图10 干燥速率与风速、热烫时间曲面
Fig. 10 Surface of drying rate and wind speed,
blanching time Contour map
图9 干燥速率与风速、热烫时间等值线
Fig. 9 Isogram of drying rate and
wind speed, blanching time
图11 参数最优化曲线
Fig. 11 Parameter optimization curve
风速2 m · s-1
Wind speed 2 m · s-1
温度（℃）Temperature
<4.04.0~4.54.5~5.05.0~5.55.5~6.0>6.0
λ
50 52 54 56 58 60
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
6
5
4
温度（℃）Temperature
50 55 60 2
4
6热烫
时
间（
min
）
Blan
chin
gtim
e
热烫
时间
（min
）
Blanc
hing
time
7
6
5
4
风速（m · s-1）Wind speed
1 2 3 2
4
6
热烫
时间
（min
）
Blanc
hing
time
热
烫
时
间（
min
）
Blan
chin
gtim
e
<4.04.0~4.54.5~5.05.0~5.55.5~6.06.0~6.56.5~7.0>7.0
λ3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
风速（m · s-1） Wind speed
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
优化D0.42464
干燥速率比例
系数Drying rateproportionalcoefficient
y=6.5478
d=0.42464
温度60.0[50.0]50.0
风速3.0[2.880]1.0
热烫时间6.0[3.3333]2.0
复合
合意性Compositemeaning0.42464
高
曲线
低
干
燥
速
率
比
例
系
数
λ
干
燥
速
率
比
例
系
数
λ
4.05.0
5.5
6.0
4.0
5.0
4.5 6.0
6.5
50
4.5
5.5
温度 55 ℃
Temperature 55 ℃
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东 北 农 业 大 学 学 报 第45卷
在 3因素间的交互作用从响应面分析中剔除
后，得到的模型中，虽模型项缺少使残差平方和
指标降低，但调整残差平方和指标明显有所提
高。而且删除后的回归P=0.001值变得更小，说明
回归效果更好。应用Minitab回归分析得到 3因素
回归方程：
Y=-167.771+6.503A+3.192B-1.363C-0.063A2-
0.348B2+0.197C2 （2）
通过得到的回归方程（2），可得到各试验指标
在干燥速率比例系数取最大值时最优值，最优干
燥参数组合代入得 Y=6.23，与优化器预测最优值
相对误差为4.7%，结果可信。
2.3 复水性试验结果分析
由图 12可知，干燥后西洋菜复水率 2.9~4.0，
在复水时间 180 min附近达到峰值。即在 50~60 ℃
热泵干燥条件下，西洋菜复水性良好。热泵风速
增大，使物料干燥过程中受热更均匀，对复水性
有影响，而热烫预处理时间对复水性影响小。此
外，热烫预处理后西洋菜复水能力相对未经热烫
处理下降，可能是热烫过程使西洋菜内部组织结
构发生不可逆变化，但热烫在保持色泽、减少酶
褐变反应等方面效果良好。
总之，热泵干燥下西洋菜复水性良好，可在
选择较短热烫预处理时间及较大风速下得到更好
效果。
3 结 论
本试验是采用正交试验设计和响应面设计两
种试验设计方法，利用热泵干燥机对西洋菜干燥
过程进行试验研究。
① 试验预处理阶段，西洋菜颜色变深，预处
理后水变成黄色。
②正交试验数据分析表明，温度为主要影响因
素，风速次之，热烫时间影响程度最小；用方差分
析验证影响显著因素为温度和风速，热烫时间为不
显著因素，试验最优干燥组合为温度 55 ℃，风速
2.88 m · s-1，热烫时间不确定。
③ 通过应用Minitab软件分析，验证由正交试
验得出交互作用影响较小，主要干燥速率影响因
素为温度和风速，通过优化模型得到西洋菜脱水性
最优回归方程，结合方程及计算机优化器，获得
最优干燥参数为温度50 ℃，风速2.88 m · s-1，热烫
时间3.3 min。
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图12 复水性曲线
Fig. 12 Rehydration curve
时间（h）Time
复
水
化
值
Reh
ydra
tion
ratio
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0 min+60 ℃+0.54 m·s-12 min+60 ℃+0.78 m·s-16 min+60 ℃+0.54 m·s-16 min+60 ℃+0.78 m·s-1
□
□□□■
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■■
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▲□
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△
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