隧道式烘房掛面干燥工藝特征分析

王 杰 張影全 劉 銳 張 波 魏益民

隧道式烘房掛面干燥工藝特征分析

王 杰 張影全 劉 銳 張 波 魏益民

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

為了解隧道式烘房掛面干燥溫度、相對濕度以及掛面水分含量的動態(tài)變化，確定工藝參數(shù)及其關鍵控制點。采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀在線監(jiān)測隧道式烘房掛面干燥過程的溫度和相對濕度；測定掛面的水分含量，繪制干燥脫水曲線。結果顯示，隧道式烘房掛面干燥溫度呈現(xiàn)近似拋物線的形式，相對濕度隨著掛面干燥時間不斷降低；烘房不同空間位置（上、中、下及左、中、右）的溫度和相對濕度存在顯著性差異（P＜0.05）；三次多項式回歸方程對掛面干燥脫水曲線的擬合效果最好（R2＝0.999 4）。結果認為，隧道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)符合掛面干燥工藝技術規(guī)程；三次多項式回歸方程-數(shù)學模型對實現(xiàn)掛面干燥工藝標準化和自動化有重要的指導意義。

掛面 干燥工藝 干燥曲線 溫度 相對濕度 在線監(jiān)測

掛面干燥工藝是掛面生產(chǎn)的關鍵工序［1］。干燥工藝的合理性與產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及生產(chǎn)成本有著極為重要的關系［2-4］。在線監(jiān)測掛面干燥工藝參數(shù)，分析工藝參數(shù)特征，了解掛面含水量的動態(tài)變化，對優(yōu)化掛面干燥工藝，確定掛面干燥工藝關鍵控制點，節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益有著重要的指導意義。

國內(nèi)外學者對面條的干燥特性及其理論研究較為深入，特別是對意大利杜倫麥面條和日本烏冬面的研究已有大量報道［5-16］。研究表明，面條屬于內(nèi)部擴散控制性物料，當干燥介質(zhì)的溫度和相對濕度差異過大、干燥速率過快時，使面條表面的水分迅速蒸發(fā)，從而使面條表面和內(nèi)部的水分梯度增大；同時，由于面條表面失水過多而結膜，且發(fā)生收縮，使面條內(nèi)部受壓、外表緊繃，會產(chǎn)生變形、酥條、裂紋等不良后果［17］。Hills等［7］研究認為，面條在高溫干燥的同時，應當保持一定的相對濕度，以減少面條表面和內(nèi)部之間的水分差距，這樣就能有效地防止由于干燥過快而導致的應力性龜裂。陸啟玉［2］認為，防止掛面酥條，關鍵是要避免濕面條表面由于干燥過快而導致的“結膜”，要防止表面“結膜”，必須在干燥前期保持較高的相對濕度，使掛面的水分在一定的相對濕度下緩慢地蒸發(fā)，保持外擴散與內(nèi)擴散的速度基本平衡，即“保濕烘干”。掛面干燥通常分為預干燥階段、主干燥階段和最后干燥階段［18-19］。也有學者在此基礎上提出4階段或5階段干燥的概念或方案。各階段掛面干燥介質(zhì)（空氣）的濕熱狀態(tài)和動力學參數(shù)對掛面質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗具有重要的影響，特別是干燥介質(zhì)的溫度和相對濕度對掛面干燥質(zhì)量和干燥速率的影響較大［2］。由于面粉質(zhì)量、產(chǎn)品規(guī)格以及烘房結構的差異，掛面生產(chǎn)企業(yè)在烘房結構設計、干燥工藝參數(shù)控制、烘房節(jié)能降耗等方面一直存在合理性問題，這些問題已成為限制掛面行業(yè)發(fā)展的重要技術瓶頸。近年來，高精度數(shù)字化或在線溫度濕度測量儀器已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)，其特點是直讀、靈敏、準確，具有自動存儲數(shù)據(jù)和繪圖功能，其所能耐受的工作環(huán)境及用途也越來越廣泛。將此類測量儀器應用于掛面干燥過程的在線監(jiān)測，分析烘房的掛面干燥工藝參數(shù)，指導烘房工藝參數(shù)控制，在國內(nèi)還不多見。

目前，掛面加工企業(yè)對于掛面干燥工藝既沒有標準化的工藝參數(shù)可依，又缺少自動化或智能化的控制系統(tǒng)。掛面干燥工藝主要依靠技術人員的經(jīng)驗和精心操作來實現(xiàn)，且烘房內(nèi)的溫度和濕度容易受到季節(jié)和天氣變化的影響，導致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定（劈條、酥條、水分含量超標），能耗利用不合理，企業(yè)效益受到影響。對于掛面干燥工藝參數(shù)，應準確及時地測定其數(shù)據(jù)，掌握變化規(guī)律，建立掛面干燥脫水曲線模型，以便操作人員及時監(jiān)控和調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。

本研究采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀在線監(jiān)測隧道式烘房掛面干燥的溫度和相對濕度；測定掛面的水分含量，繪制干燥脫水曲線；分析掛面干燥過程中溫度、相對濕度及掛面水分含量的動態(tài)變化，確定工藝參數(shù)及其關鍵控制點；為掛面干燥工藝的過程控制提供依據(jù)和方法。

1 材料與方法

1.1 時間和地點

試驗于2013年3月1日至4日在掛面生產(chǎn)企業(yè)隧道式烘房實施。

隧道式烘房長60 m、寬6 m、高3.5 m。主要由烘道、供熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等組成。掛面在傳動系統(tǒng)的控制下勻速運行；掛面上方為供熱系統(tǒng)，采用循環(huán)導熱油通過管式散熱器向烘房提供熱量；通風系統(tǒng)主要由吊扇和風機構成，分別用于產(chǎn)生熱對流和排除掛面蒸發(fā)的水汽（圖1）。

圖1 掛面干燥過程溫度濕度在線監(jiān)測示意圖

1.2 儀器和設備

179A-TH智能溫度濕度記錄儀：美國Apresys精密光電有限公司；BSA323S-CW電子天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；DHG-9140電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 掛面工藝參數(shù)在線監(jiān)測

根據(jù)掛面在面桿上的懸掛長度（1.30 m），制作3個寬0.05 m的不銹鋼鉤條。將179A-TH智能溫度濕度記錄儀分別固定在不銹鋼鉤條的上、中、下位置；在掛面切條上架后，將準備好的儀器與設備并排懸掛在烘房隧道的第1、3、5道掛面?zhèn)魉脱b置上，即左、中、右位置；儀器設備跟隨掛面的鏈條傳動裝置一起運行，在線監(jiān)測烘房隧道9個空間位置的溫度和相對濕度（圖1）。干燥的產(chǎn)品為2 mm精粉掛面。監(jiān)測試驗重復3次。

反思：鋁和氫氧化鈉溶液反應的實質(zhì)是鋁先和H2O反應生成Al(OH)3和H2,生成的Al(OH)3再和氫氧化鈉反應生成NaAlO2和H2O。為什么鋁單質(zhì)平時不和水反應?是因為生成的Al(OH)3難溶于水,阻止了鋁和水的反應,鋁表面的氧化物也阻止了鋁和水的反應。鋁是不能將氫氧化鈉中的H置換出來的,所以下列表示法是錯誤的:

1.3.2 干燥曲線的計算方法

干燥曲線為掛面水分含量隨干燥位置變化的曲線，且與掛面干燥的溫度濕度在線監(jiān)測同步進行。設定干燥掛面的取樣位置為1、15、30、45和59 m，并且與9個溫度濕度記錄儀所處的空間位置相對應。對應不同干燥位置掛面的水分含量（Ws），如下式所示：

式中：ms為掛面在任意干燥s位置的總質(zhì)量／g；m為掛面的干物質(zhì)質(zhì)量／g。水分含量測定參照GB／T 5009.3—2010，重復3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0和Excel 2007處理數(shù)據(jù)，做統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 掛面干燥溫度曲線及特征

圖2為隧道式烘房9個監(jiān)測位置掛面的干燥溫度曲線。烘房溫度呈現(xiàn)近似拋物線，初始干燥溫度為22℃，持續(xù)20 min后溫度開始上升，上升過程烘房的溫度均勻性較差；102 min時溫度達到了最高值，為45.07℃；150 min后烘房溫度開始降低，在181～201 min時間段內(nèi)烘房降溫速率較快；烘房末尾的干燥溫度稍高于初始干燥溫度。

圖2 隧道式烘房掛面干燥溫度曲線

烘房9個監(jiān)測位置的溫度參數(shù)如表1所示。烘房內(nèi)不同位置的平均溫度表現(xiàn)出一定的差異，右上位置的平均溫度最高（34.0℃），右下位置的平均溫度最低（32.2℃），最大差值達1.8℃。不同位置溫度的變異系數(shù)比較接近。

對烘房空間位置上、中、下及左、中、右的溫度值進行配對方差分析認為（表2），上、中、下及左、中、右位置間的溫度均存在顯著差異?；沮厔轂閺纳系较?、從右到左溫度逐漸降低?？梢姡词乖谟袑α黠L扇的同一開放空間，不同位置的空氣介質(zhì)溫度仍然具有顯著差異。初步分析認為，這與烘房的管式散熱器位置及循環(huán)導熱油的進出口位置有關。

表1 隧道式烘房空間位置的溫度特征

表2 隧道式烘房空間位置的溫度差異分析

2.2 掛面干燥濕度曲線及特征

圖3 隧道式烘房掛面干燥濕度曲線

烘房各監(jiān)測位置的濕度特征如表3所示。9個空間位置的平均濕度在74%～82%之間，各位置濕度的變異較大，為16.41%～22.29%。在前期干燥的部分時間段內(nèi)，烘房部分位置的相對濕度達到了100%的飽和狀態(tài)。

表3 隧道式烘房空間位置的濕度特征

對烘房空間位置上、中、下及左、中、右的相對濕度值進行配對方差分析。結果如表4所示。烘房上、中、下及左、中、右位置間的相對濕度均存在顯著差異。中、下位置的相對濕度顯著高于上部；右邊顯著高于左邊。

表4 隧道式烘房空間位置的濕度差異分析

2.3 掛面干燥脫水曲線及特征

在線監(jiān)測掛面干燥溫度和相對濕度的同時，定點測定掛面干燥脫水曲線（圖4）。

圖4 隧道式烘房空間位置掛面的干燥脫水曲線

掛面干燥過程的含水量變化如表5所示。掛面干燥的初始和末尾平均含水量分別為28.71%和11.88%，干燥過程4個階段的脫水率（脫水率＝階段脫水量／總脫水量）分別為 13.79%、38.68%、33.09%、14.44%，多數(shù)（71.77%）掛面水分在烘房15～45 m的干燥過程中被脫去。

表5 隧道式烘房掛面干燥過程的含水量

另外，從表5可以看出，烘房初始（1 m）和末端（59 m）取樣點9個空間位置掛面的水含量非常接近，變異系數(shù)僅為0.93%和1.45%；其他取樣點（15、30、45 m）的含水量變異系數(shù)也均小于10%。表明烘房不同空間位置掛面的水分含量差異不大，干燥過程的脫水速率較為一致。

2.4 隧道式烘房掛面干燥脫水模型

根據(jù)烘房9個不同位置處掛面的干燥脫水曲線數(shù)據(jù)，對掛面在烘房中的運行位置和水分含量進行回歸分析。圖5為隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線。

圖5 隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線

結果顯示，三次多項式回歸方程的相關性最高，方程決定系數(shù)（R2）為0.999 4?；貧w方程如下：

式中：X為掛面在烘房中的運行距離／m；Y為掛面在烘房中運行至X（m）處的含水量／%。

3 討論

采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀對隧道式烘房掛面干燥過程的溫度和相對濕度進行在線監(jiān)測，能夠直觀顯示和判斷烘房溫度、濕度的動態(tài)變化及其分布特征。與此同時，建立隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線，對優(yōu)化掛面干燥工藝，改造掛面干燥設備，實現(xiàn)掛面干燥工藝標準化及自動化提供方法和參數(shù)依據(jù)。

生產(chǎn)中掛面干燥工藝基本是按照“三段式”掛面干燥理論設計和操作。預干燥階段通常是指將面條含水量從（30±0.5）%降到（28±0.5）%的階段［2］，干燥溫度一般控制在15～25℃，相對濕度85%～95%。預干燥階段的主要目的是蒸發(fā)面條表面水分，固定面條組織，防止由自身重力而導致面條拉長和斷裂。主干燥階段通常是指將掛面含水量從（28±0.5）%降至（17±0.5）%的階段，最高干燥溫度一般在45℃以下，相對濕度不得低于75%。由于面條脫水量較大，脫水速率較快，因此，主干燥階段既是掛面脫水干燥的主要階段，又是防止產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題的關鍵階段。主干燥階段的掛面干燥需要遵循“保濕烘干”原理，即保持烘房較高的相對濕度，使面條表層水分的汽化速率始終小于或等于內(nèi)部水分向表面的遷移速率。最后干燥階段屬于降溫散熱階段，要求掛面在緩慢降溫的過程中繼續(xù)脫水干燥，最終達到規(guī)定成品的水分要求（14.5%以下），并保持面條內(nèi)外水分和溫度的平衡。降溫速率通常以每分鐘降低0.5℃為宜［19］。對比分析掛面干燥工藝理論和隧道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)的在線監(jiān)測結果，認為該隧道式烘房掛面的干燥工藝特征基本滿足掛面干燥工藝理論和技術要求。

掛面干燥工藝的標準化和自動化是未來掛面行業(yè)的發(fā)展方向［21-22］。本研究在在線監(jiān)測掛面干燥工藝參數(shù)的同時，測定掛面的干燥脫水曲線，并針對掛面在烘房中的運行位置和水分含量進行回歸分析，得到了決定系數(shù)較高的三次多項式回歸方程，展現(xiàn)了掛面在烘房中的干燥脫水規(guī)律。進一步的研究還應驗證及修正已建立的回歸方程-數(shù)學模型，進而在掛面干燥生產(chǎn)線配備在線測量水分含量的儀器，再結合該回歸方程-數(shù)學模型建立掛面干燥工藝參數(shù)（溫度、相對濕度、干燥時間）的程序控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)掛面水分含量等質(zhì)量特性的在線檢測及干燥工藝的自動化控制。

4 結論

4.1 179A-TH智能溫度濕度記錄儀能夠在線監(jiān)測隧道式烘房掛面干燥過程的溫度、相對濕度和干燥時間。

4.2 本研究的隧道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)滿足掛面干燥工藝技術規(guī)程。

4.3 三次多項式回歸方程-數(shù)學模型對實現(xiàn)掛面干燥工藝標準化和自動化有重要的指導意義。

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Analysis on the Characteristics of Drying Process for Chinese Dried Noodle in the Tunnel-Type Drying Chamber

Wang Jie Zhang Yingquan Liu Rui Zhang Bo Wei Yimin
（Institute of Agro-Products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agriculture Sciences Key Laboratory of Agro-Products Processing，Ministry of Agriculture，Beijing 100193）

The purpose of this research was to understand the dynamic change of drying temperature，relative humidity and moisture content of the noodle in tunnel-type drying chamber in order to determine the parameters and critical control point during drying process.The 179A-TH intelligent temperature and relative humidity recorder has been adopted to monitor the on-line temperature and relative humidity of the tunnel-type drying chamber.Meanwhile，the moisture content of the noodle was measured，and the dehydrate curves has been drawn synchronously.The results showed that the variation of drying temperature was described approximately in a form of parabolic.The relative humidity decreased gradualy through the drying process.There were significant differences（P＜0.05）on the temperature and relative humidity among different spatial position（included upper，middle，lower and left，middle，right）in the tunnel-type drying chamber.The drying dehydrate curve could be well fitted by cubic polynomial regression equation（R2＝0.999 4）.It is concluded that the drying process parameters conform to the technical practice of the noodle drying process.The cubic polynomial regression equation-mathematical model have an important guiding effect for standardization and automation of the drying process of Chinese dried noodle.

Chinese dried noodle，drying process，drying curves，temperature，relative humidity，online monitoring

TS211.4

A

1003-0174（2014）03-0084-06

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（小麥）產(chǎn)業(yè)技術體系專項（CARS-03），企業(yè)技術服務（2012-2013）

2013-05-07

王杰，男，1987年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工工程

魏益民，男，1957年出生，教授，食品質(zhì)量與安全及加工技術