香菇熱管射流干燥動(dòng)力學(xué)研究

肖旭霖，袁華聰，高曉麗，鄭姍姍

（陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710062）

香菇含有十多種氨基酸，其中有異亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、擷氨酸等7種人體必需的氨基酸；還含有維生素B1、B2、PP及無機(jī)鹽[1]。祖國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為，香菇性味甘、平、涼，入肝、經(jīng)胃，有潤(rùn)肝腎、健脾胃、益智安神、養(yǎng)顏美容之功效[2]。香菇中的香菇多糖具有免疫調(diào)節(jié)功能；抗腫瘤、抗突變、抗感染、抗疲勞、抗衰老、抗氧化、降血脂、降膽固醇等作用[3]。因此，香菇成為天然的植物保健食品。通常食用的香菇大多為干制品。目前，香菇干制多采用熱風(fēng)對(duì)流干燥，其干燥時(shí)間長(zhǎng)，溫度和濕度較難控制，香菇營(yíng)養(yǎng)成分流失嚴(yán)重，干燥后色澤極易變深[4]。氣體射流沖擊技術(shù)是將具有一定壓力的加熱氣體，經(jīng)噴嘴噴出，并直接沖擊加熱物料的一種新的加熱方法。由于噴出的熱氣流具有很高的速度，當(dāng)它沖擊到濕物料的表面時(shí)，高速氣流沖擊使物料表面邊界層破壞而非常薄，減小了熱質(zhì)轉(zhuǎn)換的阻力，提高了熱質(zhì)交換速率，傳熱系數(shù)比普通熱風(fēng)干燥要高出幾倍，加強(qiáng)了水分的排除，因而大大縮短了干燥時(shí)間，提高了干燥速度[5]。熱管導(dǎo)熱效率及余熱回收率高，非常適合于回收連續(xù)生產(chǎn)工藝中的余熱。射流干燥采用熱管技術(shù)回收余熱，對(duì)減少能耗有重要作用。氣體射流沖擊節(jié)能技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工方面，國(guó)外除干燥外主要應(yīng)用于食品烘焙，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)；國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究主要有北京烤鴨加工[6]，甘薯烘烤[7]，海參加工[8]，果蔬燙漂[9-10]，蘋果、無核葡萄及鮮肉蓯蓉干燥[11-13]，板栗脫殼加工[14]等，在香菇干燥方面未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用熱管和射流沖擊節(jié)能干燥技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)新鮮香菇進(jìn)行干燥，探討不同射流溫度、介質(zhì)風(fēng)速和噴嘴高度對(duì)香菇干燥特性的影響，同時(shí)建立干燥動(dòng)力學(xué)模型，并應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)處理軟件[15]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原料品種 939新鮮香菇，購(gòu)買于西安市朱雀農(nóng)貿(mào)批發(fā)市場(chǎng)，選擇大小一致，無病蟲害子實(shí)體，于低溫存放。鮮香菇含水率在90%～93%。

自制氣體射流沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī) 配有雙排管噴嘴和熱管，噴嘴間距85mm，噴嘴內(nèi)直徑16mm，結(jié)構(gòu)見圖1；風(fēng)速計(jì)AVM-03/AVM-01 泰儀電子工業(yè)股份有限公司；電子天平BS224S 北京賽多利斯系統(tǒng)有限公司；電冰箱海爾BCD-206T 青島海爾股份有限公司；手壓式塑料封口機(jī)SG-300 上海申廣辦公設(shè)備有限公司。

圖1 氣體射流沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air impingement jet testing machine

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用熱管射流沖擊干燥方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[11]，溫度由溫度控制器控制，干燥介質(zhì)流速由變頻器控制。實(shí)驗(yàn)各參數(shù)水平范圍為：溫度50～70℃，介質(zhì)風(fēng)速36～40km/h，噴嘴高度100～130mm，干燥盒寬度固定為150mm，物料厚度固定為一個(gè)香菇去柄傘面厚度。為了分析各因素對(duì)干燥速率的影響，對(duì)以上條件進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)量換算成水分比和干燥速率。平衡水分按文獻(xiàn)[16]介紹的方法進(jìn)行確定。在開始實(shí)驗(yàn)前，調(diào)節(jié)干燥器使干燥室溫度達(dá)到要求的干燥溫度并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)取一定質(zhì)量的香菇，單層均勻平鋪于熱管射流干燥箱的干燥盒內(nèi)分別采用不同溫度、介質(zhì)流速及噴嘴高度進(jìn)行干燥，每隔30min記錄樣品質(zhì)量直至樣品含水率達(dá)到12%～13%為止。

1.2.1 水分測(cè)定 水分按文獻(xiàn)[17]方法進(jìn)行測(cè)定。干燥實(shí)驗(yàn)中的水分比MR表示一定干燥條件下物料的剩余水分率，由式（1）表示[18-19]：

式中，Mt、M0、Me分別表示t時(shí)刻含水量、初始含水量、平衡含水量。由于Me的值相對(duì)Mt與M0來說較小，簡(jiǎn)化后的誤差可忽略不計(jì)，因此水分比可簡(jiǎn)化為式（2）表示：

干燥速率可用式（3）計(jì)算：

式中，Mt+dt為樣品在t+dt時(shí)刻的含水率，%；Mt為樣品在t時(shí)刻的含水率，%；dt表示相鄰2次測(cè)量的時(shí)間間隔。

1.2.2 干燥模型 選擇3種運(yùn)用較多的干燥基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型對(duì)干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證，用R2（correlation coeffcient），χ2（reduced chi-square），RMSE（root mean square error）3個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)模型擬合結(jié)果的好壞。三種干燥基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型見表1，三個(gè)參數(shù)計(jì)算方法見式（4）～式（6）[19-20]。

表1 三種干燥基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型Table 1 The math model of three kinds of drying basic

式中，MRexp，i和MRpre，i分別為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)所得MR和模型預(yù)測(cè)所得MR；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；n為模型中參數(shù)的個(gè)數(shù)。

R2是評(píng)價(jià)模型擬合程度好壞的一個(gè)最重要的指標(biāo)，R2越大，χ2和RMSE越小，說明模型擬合程度越高。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 應(yīng)用Excel和DPS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香菇熱管射流干燥特性

2.1.1 射流溫度對(duì)香菇熱管射流干燥特性的影響

圖2、圖3表示介質(zhì)風(fēng)速為38km/h、噴嘴高度為100mm恒定條件下，溫度對(duì)香菇干燥特性的影響。從圖2不同溫度下香菇射流干燥特性曲線可知，物料水分比隨溫度增加下降，物料干燥所需時(shí)間隨著溫度提高而減少，在50、60、70℃干燥條件下，至安全含水量（12%～13%）所需時(shí)間分別為180、150、120min。隨著溫度增高，干燥時(shí)間縮短，說明溫度提高，干燥速率增大。

圖2 不同溫度干燥曲線Fig.2 Drying curves under different temperature

圖3 不同溫度干燥速率曲線Fig.3 Drying rate curves under different temperature

不同溫度下香菇射流干燥速率曲線如圖3所示，干燥速率隨著干燥溫度提高明顯加快，干燥過程大體分為3個(gè)階段：加速、恒速、降速干燥階段。在干燥加速階段，由于物料初始含水率較高，干燥介質(zhì)相對(duì)濕度與物料濕度差較大，而且噴出的氣體具有極高的速度，且流體的流程短，直接沖擊到需加熱的物料表面時(shí)，氣流與物料表面之間產(chǎn)生非常薄的邊界層，使傳質(zhì)推動(dòng)力增大，水分蒸發(fā)快，干燥速率也隨之增大。恒速干燥階段，水分由物料內(nèi)部向表面遷移的速率與水分遷移到表面后的蒸發(fā)速率相等，干燥速率基本保持恒定，不隨物料含水率變化，但70℃時(shí)恒速段干燥速率變化幅度較大，可能是在高溫射流沖擊下外部蒸發(fā)速率大于內(nèi)部遷移速率所致。降速階段隨著物料內(nèi)部含水量的減少，水分由物料內(nèi)部向表面遷移速率減小，導(dǎo)致干燥速率逐漸減小。溫度低，干燥時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，易褐變，影響外觀色澤，所以干燥溫度以60℃為宜。

2.1.2 介質(zhì)風(fēng)速對(duì)香菇熱管射流干燥特性的影響圖4、圖5表示干燥溫度為60℃、噴嘴高度為100mm恒定條件下風(fēng)速對(duì)香菇干燥特性的影響。從圖4不同風(fēng)速下香菇射流干燥特性曲線可知，物料水分比隨風(fēng)速增加而下降，物料干燥所需時(shí)間隨著風(fēng)速提高而減少，在36、38、40km/h干燥條件下，至安全含水量（12%～13%）所需時(shí)間分別為270、150、120min。隨著風(fēng)速增高，干燥時(shí)間縮短，干燥速率增大。

圖4 不同風(fēng)速干燥曲線Fig.4 Drying curves under different air velocities

圖5 不同風(fēng)速干燥速率曲線Fig.5 Drying rate curves under different air velocities

不同風(fēng)速下香菇射流干燥速率曲線如圖5所示，隨著干燥風(fēng)速提高，干燥速率明顯加快，風(fēng)速越大，使得空氣中濕度增加越少，空氣與物料間的濕度差就越大，同時(shí)傳熱與傳質(zhì)邊界層減薄，傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)均增大，干燥速率也就越大。因此提高風(fēng)速對(duì)干燥過程有利[21]，但風(fēng)速過大物料在高速氣流沖擊下相互撞擊加大，干燥后期物料邊緣出現(xiàn)破損。因此，干燥介質(zhì)風(fēng)速取40km/h為宜。

2.1.3 噴嘴高度對(duì)香菇熱管射流干燥特性的影響

圖6、圖7表示射流溫度和風(fēng)速恒定的條件下噴嘴高度對(duì)香菇干燥特性的影響。從圖6不同噴嘴高度下香菇射流干燥曲線可知，隨著噴嘴高度增大，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，但不同噴嘴高度條件下的干燥時(shí)間差異不大，當(dāng)噴嘴高度為130mm時(shí)，將香菇干燥至安全含水量（12%～13%）需255min，而在噴嘴高度為100、115mm時(shí)，干燥時(shí)間為210、240min。從圖7干燥速率曲線圖可知，干燥仍分為三個(gè)階段，不同噴嘴高度條件下干燥速率差異不大。噴嘴高度小時(shí)，物料表面沖擊氣流流速快，干品表面彈性較差，噴嘴高度大時(shí)，各噴嘴沖擊氣流作用斷面增加，在設(shè)備噴嘴間距固定情況下，射流作用區(qū)產(chǎn)生挾帶，所以噴嘴高度以115mm為宜。

圖6 不同噴嘴高度干燥曲線Fig.6 Drying curves under different nozzle height

圖7 不同噴嘴高度干燥速率曲線Fig.7 Drying rate curves under different nozzle height

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 動(dòng)力學(xué)最佳模型的選擇[18-20]運(yùn)用3種模型對(duì)干燥溫度為60℃、風(fēng)速為40km/h、噴嘴高度為115mm的干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。

表2 薄層干燥數(shù)學(xué)模型及其擬合結(jié)果Table 2 Statistical results acquired from three thin-layer drying models

從表2可知，單項(xiàng)擴(kuò)散模型、Logarithmic模型、Page模型的R2值為0.9857、0.9999、0.9990，Logarithmic模型的R2值最大，Logarithmic模型的χ2、RMSE值分別為0.00004和0.004，小于單項(xiàng)擴(kuò)散模型和Page模型，因此選擇Logarithmic模型作為香菇熱管射流干燥的數(shù)學(xué)模型。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入所選Logarithmic模型MR=aexp（-kt）+c，用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行非線性回歸分析[22]，獲得回歸模型參數(shù)為a=0.89，k=0.03，c=0.11，故香菇熱管射流干燥動(dòng)力學(xué)模型為MR=0.89exp（-0.03t）+0.11。其方差分析見表3。經(jīng)方差分析，得到回歸方程極顯著p＜0.05，回歸方程系數(shù)也極顯著p＜0.05，回歸方程確定系數(shù)R2=0.9999，說明模型的擬合度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，該模型能很好地描述香菇熱管射流干燥規(guī)律。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.2.2 模型驗(yàn)證 為檢驗(yàn)回歸模型的準(zhǔn)確度[23]，選取實(shí)驗(yàn)中的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)：射流溫度60℃，介質(zhì)風(fēng)速40km/h，噴嘴高度115mm。用所選模型在該條件下進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的比較見圖8。由圖8可知，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值基本吻合，說明Logarithmic模型較準(zhǔn)確地反映了香菇熱管射流干燥規(guī)律，對(duì)干燥過程可以起到預(yù)測(cè)作用。

圖8 相同條件下實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.8 Comparison of experimental and predicted moisture ratios under the same conditions

3 結(jié)論

香菇熱管射流干燥過程總體上可分為加速、恒速以及降速3個(gè)階段，但在溫度和風(fēng)速較高時(shí)，恒速段不明顯，干燥速率變化幅度較大。射流溫度與風(fēng)速是影響香菇干燥速率的主要因素，隨射流溫度和風(fēng)速的增大，干燥速率增大，干燥時(shí)間縮短。增加風(fēng)速使傳熱與傳質(zhì)邊界層減薄，有利于增加傳熱與傳質(zhì)效果，提高干燥速率，對(duì)干燥過程有利。不同噴嘴高度對(duì)干燥速率與干燥時(shí)間的影響差異不大。香菇熱管射流干燥的適宜參數(shù)為溫度60℃，風(fēng)速40km/h，噴嘴高度115mm。

對(duì)干燥基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型擬合分析表明，Logarithmic模型的擬合度最高，有最大的R2值、最小的χ2和RMSE值，其值分別為0.9999、0.00004和0.004，并且模型實(shí)驗(yàn)干燥曲線與預(yù)測(cè)干燥曲線基本吻合，說明Logarithmic模型較準(zhǔn)確地反映了香菇熱管射流干燥過程水分變化規(guī)律，對(duì)干燥過程可以起到預(yù)測(cè)作用。

用數(shù)據(jù)處理軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所選模型進(jìn)行非線性回歸分析，獲得回歸模型參數(shù)為a=0.89，k=0.03，c=0.11。所以得到適合香菇熱管射流干燥動(dòng)力學(xué)模型為M=0.89exp（-0.03t）+0.11。

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