酒糟微波間歇干燥特性及動力學(xué)模型

張黎驊，張 文，呂珍珍，徐中明

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 610044； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014)

酒糟微波間歇干燥特性及動力學(xué)模型

張黎驊1,2，張 文2，呂珍珍3，徐中明2

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 610044； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014)

利用自制的微波干燥在線測試裝置，對酒糟的微波間歇干燥特性進(jìn)行實驗研究，探討不同微波功率、糟層厚度及間歇比對酒糟濕基含水率、失水速率和溫度的影響，得出酒糟微波間歇干燥的失水規(guī)律。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立酒糟微波間歇干燥的動力學(xué)模型，并對模型進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。結(jié)果表明，經(jīng)擬合得到酒糟微波間歇干燥的最佳模型為Page模型，擬合方程為：ln (-lnMR)＝ -3.9977＋0.0038P-0.6427H-0.4118R ＋(1.7216 ＋ 0.0001P ＋0.0200H-0.0403R) lnt，此方程能夠較好地描述酒糟的干燥過程，準(zhǔn)確預(yù)測各階段酒糟的含水率和失水速率。

酒糟；微波干燥；失水特性；動力學(xué)模型

由于微波干燥具有干燥速度快、熱效率高、加熱均勻、無污染和不破壞食品的營養(yǎng)成分等獨特優(yōu)點，使得微波干燥廣泛應(yīng)用于糧食、油料作物、茶葉、蠶繭及煙草等農(nóng)產(chǎn)品加工中[1-4]。酒糟是釀酒的副產(chǎn)物。它以糧食為原料，富含大量粗蛋白、維生素、粗纖維等營養(yǎng)成分，尤其是粗蛋白的含量在12%以上[5]，經(jīng)干燥后便是良好的飼料資源。酒糟深加工最關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就是干燥，目前酒糟干燥主要采用直接干燥、壓榨干燥等干燥方式[6-8]，其效率低、成本較高，很難滿足生產(chǎn)需求。

對于農(nóng)產(chǎn)品的干燥模型，國內(nèi)有王俊等[9]、歐春艷等[10]，國外有 Ertekin等[11]、Hakan等[12]進(jìn)行過相關(guān)研究。目前尚未有對酒糟的微波間歇干燥的報道，酒糟微波間歇干燥的理論研究還比較缺乏。本實驗重點研究酒糟在微波間歇干燥條件下的干燥特性，探索微波功率、糟層厚度、間歇比對其干燥速率的影響規(guī)律，建立酒糟微波間歇干燥的動力學(xué)模型，預(yù)測酒糟在干燥過程含水率的變化，以期為酒糟微波間歇干燥工藝的研究提供理論依據(jù)，為酒糟干燥提出一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗所用酒糟購于雅安市大興酒廠，為糧食、玉米和稻殼混合發(fā)酵釀酒后的副產(chǎn)物，呈散粒狀，經(jīng)初步脫水后濕基含水率為65%。然后按一定要求均勻平鋪成一層在帶孔塑料盤上；干燥過程中，定時采集物料質(zhì)量，直至濕基含水率13%(安全貯藏水分)左右為止[6]。

1.2 儀器與設(shè)備

P70D20TL-D4型Galanz微波爐 佛山市格蘭仕微波爐電器有限公司；GZX2DH型電熱恒溫干燥烘箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；ARRW60電子精密天平 上海奧豪斯公司。

儀器設(shè)備組成如圖1所示的實驗系統(tǒng)，電子天平和溫度傳感器均與計算機(jī)連接，通過自編的Visual Basic應(yīng)用程序在計算機(jī)上實時顯示目前質(zhì)量和溫度并記錄?？紤]到酒糟取樣的差異性，以上指標(biāo)的實驗重復(fù)3次，測量結(jié)果取平均值。

圖1 微波干燥測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of online testing device for microwave drying

1.3 相關(guān)指標(biāo)的計算

間歇比按式(1)進(jìn)行計算[13]。

平均失水速率按式(2)進(jìn)行計算[14]。

式中：Δm為相鄰兩次測量的質(zhì)量變化/g；Δt為相鄰兩次測量的時間間隔/min。

1.4 微波間歇干燥的動力學(xué)模型

1.4.1 干燥模型

物料干燥是一個復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過程，建立薄層干燥模型對研究干燥規(guī)律、預(yù)測干燥工藝參數(shù)有重要的作用[15]。目前，一般有3種數(shù)學(xué)模型用來描述物料薄層干燥過程[16]。

式中：t為干燥時間/min；Mt為t時刻物料的濕基含水率/%；Me為物料的濕基平衡含水率/%；M0為物料濕基初始含水率/%；A、r、N為待定系數(shù)。

由于微波干燥物料的濕基平衡含水率Me資料很少，實驗數(shù)據(jù)很難獲得，因此把上述的水分比(MR)簡化為[3]：

1.4.2 模型的線性化

指數(shù)模型是單項擴(kuò)散模型和Page模型的特殊形式，所以用單項擴(kuò)散模型和Page模型來模擬酒糟的微波干燥過程[16]。將上述模型轉(zhuǎn)化為線性模型：

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率、糟層厚度及間歇比對酒糟干燥的影響

2.1.1 微波功率對酒糟失水特性的影響

當(dāng)糟層厚度為10mm，裝載質(zhì)量為55g，微波間歇比為6時，不同微波功率條件下酒糟的干燥曲線和失水速率曲線如圖2所示。

圖2 不同微波功率下酒糟的干燥曲線和失水速率曲線Fig.2 Drying and dehydration rate curves of lees under different microwave powers

由圖2a可知，隨著微波功率的增大，酒糟的干燥曲線越陡，即微波強(qiáng)度越大，干燥速率越快，干燥至安全含水率所需的時間也越短。在干燥末期，曲線變平緩，微波干燥脫水難度增加。可見，在間歇比和層厚相同的條件下，干燥所需時間與微波功率大致呈負(fù)相關(guān)，微波功率越大，則干燥所需時間越短。

從圖2b可以看出，酒糟微波間歇干燥過程同傳統(tǒng)的干燥規(guī)律一樣，可以分為3個階段：加速、恒速及降速干燥階段。微波干燥加速階段時間短，且微波功率越大，進(jìn)入恒速階段所用的時間越少。失水速率隨著微波功率的增大而增大，當(dāng)微波功率從280W增大到700W，失水速率增大了160%。但當(dāng)功率到280W時，恒速階段失水速率急劇下降。

2.1.2 糟層厚度對酒糟失水特性的影響

當(dāng)微波功率為595W，微波間歇比為6時，不同糟層厚度條件下酒糟的干燥曲線和失水速率曲線如圖3所示。

圖3 不同糟層厚度下酒糟的干燥曲線和失水速率曲線Fig.3 Drying and dehydration rate curves of lees under different lees layer thicknesses

從圖3可以看出，在不同糟層厚度的相同干燥條件下，其含水率變化是不相同的。糟層厚度越大，裝載質(zhì)量越多，在同一時刻其含水量越多，干燥至相同含水率的時間越長。糟層厚度增加10mm，干燥時間增加5%～15%。整個干燥過程分為了加速、恒速和降速干燥3個階段，各階段區(qū)別明顯。糟層厚度越大，失水速率也越大，這是因為糟層厚度越大，微波是對物質(zhì)整體加熱利用率提高，使水分蒸發(fā)加劇，對總的干燥時間影響較小，因而失水速率增大。但當(dāng)糟層厚度增大到30mm時，失水速率增大已不明顯，這可能是因為厚度過大，影響了內(nèi)部水分的擴(kuò)散，使得水分蒸發(fā)速度變緩。反之，糟層厚度越小，失水速率越慢。

2.1.3 微波間歇比對酒糟失水特性的影響

在選擇微波間歇比為1時干燥所得酒糟的品質(zhì)均不理想，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和預(yù)實驗，單次干燥過程中微波接通時間定為8s，間歇時間為35～50s較為適宜，此時微波間歇比即為5.375～7.250。當(dāng)微波功率為595W，裝載質(zhì)量為55g，糟層厚度為10mm時，不同糟層厚度條件下酒糟的干燥曲線、失水速率曲線和溫度曲線如圖4所示。

圖4 不同間歇比條件下酒糟的干燥曲線、失水速率曲線和溫度曲線Fig.4 Drying, dehydration rate and temperature curves of lees under different intermittent times

從圖4b可看出，在微波間歇干燥時，干燥過程同樣分為了加速、恒速和降速干燥3個階段，但是在恒速干燥階段時，干燥速率波動較大，這是微波間歇干燥同一般微波干燥的區(qū)別。從圖4a可以看出，酒糟微波間歇干燥時，干燥時間明顯增長，但是干燥品質(zhì)得到了很好的保證。從圖4c可以看出，在微波間歇干燥過程中酒糟的溫度上升較慢，且最終維持在一固定溫度處浮動，間歇比為6時，最高溫度為75℃，間歇比為5.375時最高溫度也僅為80℃左右，有效地避免了局部過熱、打火和酒糟內(nèi)部出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象。間歇比越大，最終的穩(wěn)定溫度越低，品質(zhì)越好，但干燥所需時間增多。

2.2 酒糟微波間歇干燥動力學(xué)模型的擬合

2.2.1 動力學(xué)模型的確定

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別繪制在不同微波功率、糟層厚度、間歇比下的-lnMR-t曲線和ln(-lnMR)-lnt曲線，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同微波功率、糟層厚度和間歇比條件下的-lnMR-t曲線Fig.5 -lnMR against t curves under different conditions of microwave power, lees layer thickness and intermittent time

圖6 不同微波功率、糟層厚度和間歇比條件下的ln(-lnMR)-lnt曲線Fig.6 ln(-lnMR)against lnt curves under different conditions of microwave power, lees layer thickness and intermittent time

從圖5可看出，每條曲線在各點處的斜率是各不相同的，這說明-ln(MR)與時間t呈非線性關(guān)系，單項擴(kuò)散模型與指數(shù)模型不適合微波干燥酒糟模型的建立。由圖6可以看出，ln(-lnMR)與lnt呈線性關(guān)系，表明酒糟的微波間歇干燥過程可以用Page方程來描述。在不同微波功率、不同糟層厚度和不同間歇比下的ln(-lnMR)與lnt關(guān)系曲線基本平行且相互間存在較明顯間距，說明微波功率、糟層厚度和間歇比對干燥模型影響顯著。這與蔣玉萍等[17]研究微波干燥番薯片的結(jié)論相似。因此，選擇Pag e模型作為酒糟微波間歇干燥的動力學(xué)模型。令：

則有：

式中：P為微波功率/W；H為糟層厚度/mm；R為間歇比；a、b、c、d、e、f、g、h為待定系數(shù)。

用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可求得酒糟微波間歇干燥的各待定系數(shù)，進(jìn)而求得其動力學(xué)模型為：

2.2.2 模型的統(tǒng)計檢驗

為檢驗?zāi)Ｐ蛿M合效果，對上述模型進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，檢驗結(jié)果見表1。從表1可知，模型方差分析中，F(xiàn)＝898.90＞F0.01(8，127)＝2.65，表明模型顯著；決定系數(shù)R2＝0.9801，擬合效果好。因此，可將該模型作為酒糟微波間歇干燥的數(shù)學(xué)模型，利用該模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測在不同干燥條件下，酒糟微波干燥過程中含水率和干燥速率的變化。

表1 模型的方差分析結(jié)果Table1 Analysis of variance for the model

2.2.3 動力學(xué)模型的驗證

為進(jìn)一步驗證模型的準(zhǔn)確性，任選一組實驗進(jìn)行驗證，實驗條件為：微波功率595W，糟層厚度20mm，微波間歇比為6。將該組實驗值與模型預(yù)測值比較，見圖7。

圖7 水分比(MR)實驗值與Page模型預(yù)測值的比較Fig.7 Experimental values and Page model-predicted values of MR

從圖7可以看出，兩條曲線基本吻合，說明Page方程能較準(zhǔn)確反應(yīng)水分的變化規(guī)律，可以用來描述酒糟微波間歇干燥的過程。

3 結(jié) 論

3.1 酒糟微波間歇干燥規(guī)律同傳統(tǒng)的干燥規(guī)律一樣，分為加速、恒速和降速干燥3個階段。

3.2 微波功率、糟層厚度、間歇比對干燥過程影響均顯著。微波功率、糟層厚度越大，間歇比越小，則干燥所需時間越短，但品質(zhì)較差；反之越長，但品質(zhì)能夠得到保證。

3.3 用MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析，比較了3種常見的干燥模型，經(jīng)擬合得到酒糟微波間歇干燥的最佳模型為Page模型，擬合方程為：ln(-lnMR)＝-3.9977＋0.0038P-0.6427H-0.4118R＋(1.7216＋0.0001P＋0.0200H-0.0403R)lnt。

利用上述實驗結(jié)果，能夠較好的預(yù)測各階段酒糟微波間歇干燥的失水速率和含水率變化，為酒糟微波間歇干燥工藝提供理論依據(jù)。

[1]趙超, 陳建, 邱兵, 等. 花椒微波干燥特性試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2007, 38(3): 99-101.

[2]劉志軍, 張璧光, 李延軍. 馬尾松微波間歇干燥對干燥效率與速率的影響[J]. 木材工業(yè), 2006, 20(4): 13-15.

[3]熊永森, 王俊, 王金雙. 微波干制南瓜片干燥規(guī)律及工藝優(yōu)化研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2004, 20(2): 181-184.

[4]朱德泉, 王繼先, 朱德文, 等. 香菜微波干燥的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007, 23(12): 242-246.

[5]葉京生, 魯林平. 啤酒糟干燥技術(shù)研究[J]. 干燥技術(shù)與設(shè)備, 2004, 3 (1): 38-39.

[6]夏萍. 氣流換向干燥酒糟的試驗研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2005, 32(1): 101-104.

[7]夏萍. 干燥工藝對酒糟干燥過程熱效率的影響[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2004, 22(6): 27-29.

[8]馮殿義, 孫彤. 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器干燥酒糟過程的實驗研究[J]. 化學(xué)工程, 2006, 34(2): 13-15.

[9]王俊, 許乃章. 熱風(fēng)、遠(yuǎn)紅外和微波干燥香菇、蘑菇方程研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 1994, 25(2): 45-49.

[10]歐春艷, 楊磊, 李思東, 等. 甲殼素紅外干燥特性及動力學(xué)模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008, 24(4): 287-289.

[11]ERTEKIN C, YALDIZ O. Drying of eggplant and selection of a suitable thin layer drying model[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 63: 349-359.

[12]HAKAN O M, CAN E. Thin layer drying model for treated and untreated Stanley plums[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47: 2337-2348.

[13]曹崇文. 微波真空干燥技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 干燥技術(shù)與設(shè)備, 2004, 2(3): 5-9.

[14]趙超. 花椒間歇式微波干燥理論及工藝優(yōu)化研究[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2006.

[15]黃艷, 黃建立, 鄭寶東. 銀耳微波真空干燥特性及動力學(xué)模型[J] . 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(4): 362-367.

[16]JARUK S, JOHN S R. Measuring moisture diffusivity of potato and carrot(core and cortex)during convective hot air and isothermal drying [J]. Journal of Food Engineering, 2006, 74(1): 143-152.

[17]蔣玉萍, 王俊. 番薯片微波干燥特性及干燥模型[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2009, 21(4): 407-410.

Intermittent Microwave Drying Properties and Kinetic Model of Lees

ZHANG Li-hua1,2，ZHANG Wen2，LU.. Zhen-zhen3，XU Zhong-ming2
(1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 610044, China；2. College of Information and Engineering Technology, Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014, China；3. College of Food Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

A self-made online testing device for microwave drying was used to dry lees for exploring its batch drying properties. The effects of microwave power, lees layer thickness and intermittent time on moisture content, drying rate and temperature were investigated. The dehydrating law of lees was achieved during intermittent microwave drying. A kinetic model for intermittent microwave drying was established based on experimental data as follows: ln (-lnMR)＝ -3.9977＋0.0038P-0.6427H-0.4118R ＋(1.7216 ＋ 0.0001P ＋0.0200H-0.0403R) lnt. The kinetic model could accurately describe drying process of lees and predict water content and drying rate.

lees；microwave drying；dehydration characteristics；kinetic model

TS261.3

A

1002-6630(2012)01-0087-05

2011-02-25

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(肉牛牦牛)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-38)；四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人培養(yǎng)基金資助項目

張黎驊(1969— )，男，副教授，博士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械與裝備研究。E-mail：zhanglihua69@126.com