紫菜過熱蒸汽干燥特性研究

盧 燁，任彥蓮，方 婷，陳錦權(quán)

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州 350002）

紫菜過熱蒸汽干燥特性研究

盧 燁，任彥蓮，方 婷，陳錦權(quán)

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州 350002）

將過熱蒸汽干燥技術(shù)用于紫菜干燥加工中.首先確定紫菜燙漂護(hù)色的時(shí)間和溫度，然后用過熱蒸汽干燥技術(shù)對紫菜干燥特性進(jìn)行研究，探討不同物料鋪設(shè)厚度、蒸汽溫度、蒸汽流速及初始干基含水率對干燥特性的影響，根據(jù)逐步回歸法和紫菜干燥過程中的水分比和時(shí)間變化規(guī)律，建立紫菜過熱蒸汽干燥動力學(xué)數(shù)學(xué)模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紫菜過熱蒸汽干燥最佳燙漂溫度為85℃，時(shí)間為30 s.物料鋪設(shè)厚度、蒸汽溫度、蒸汽流速及初始干基含水率對物料干燥都有較明顯影響.過熱蒸汽干燥滿足Page模型，預(yù)測值與實(shí)際值擬合程度良好.

紫菜;過熱蒸汽干燥;干燥特性

紫菜（Porphyra haitanensis）是一種生長于淺海巖石上的藻類植物，紫色，種類多，素有巖礁嬌子之稱.紫菜富蛋白質(zhì)和碘、磷、鈣等物質(zhì)，可供食用［1］.作為我國重要的水產(chǎn)資源，紫菜具有含水率高、易腐爛、不宜貯藏的特點(diǎn).目前對于紫菜的干燥主要分為兩種:自然干燥和熱風(fēng)干燥［2］.自然干燥經(jīng)濟(jì)實(shí)惠簡單易行，但受天氣影響較大，貯藏時(shí)間相對較短.熱風(fēng)干燥由于紫菜含水量大，則勢必存在能源消耗大等缺點(diǎn).因此需要探索一種全新的干燥方式，降低能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì).

過熱蒸汽干燥是近幾年發(fā)展起來的一種全新的干燥方式，是指利用過熱蒸汽直接與被干物料接觸而去除水分的一種干燥方式［3］.它能基本滿足物料在干燥過程中的對于色、香、味、形的要求，較好的保留營養(yǎng)成分，因此在食品加工領(lǐng)域具有廣闊的市場前景.過熱蒸汽干燥具有干燥效率高、物料防氧化以及殺菌消毒等優(yōu)點(diǎn)，在世界許多國家得以應(yīng)用［4］.目前，過熱蒸汽干燥技術(shù)在國內(nèi)尚處于試驗(yàn)室階段、應(yīng)用較少，但在加拿大、美國等一些發(fā)達(dá)國家，過熱蒸汽干燥已經(jīng)應(yīng)用到多種農(nóng)副產(chǎn)品的干燥加工中，例如烘干木材、煤炭、紙張、蔬菜、水果等多種物料［5］.將過熱蒸汽干燥應(yīng)用到紫菜干燥中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文開展對紫菜過熱蒸汽干燥特性的研究.首先確定了紫菜燙漂護(hù)色的時(shí)間和溫度，然后探討不同物料鋪設(shè)厚度、蒸汽溫度、蒸汽流速及初始干基含水率對干燥過程中物料溫度及干燥速率的影響.根據(jù)逐步回歸法推算出紫菜過熱蒸汽干燥動力學(xué)模型，解決了物料在干燥過程中水分含量在線檢測困難的問題，為進(jìn)一步研究過熱蒸汽干燥對紫菜品質(zhì)的影響及工藝參數(shù)優(yōu)化提供必要的試驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

壇紫菜:產(chǎn)在福建寧德，挑選顏色光亮，有韌性，無腐爛變質(zhì)的紫菜做試驗(yàn)材料.

1.2 工藝流程

將新鮮紫菜按以下步驟進(jìn)行處理:清洗、切分、燙漂、瀝干、調(diào)整水分、預(yù)熱排汽、干燥.

燙漂可以殺滅物料中的部分微生物，鈍化或者破壞物料中的氧化酶系統(tǒng)，排除組織中的氧氣，保護(hù)色澤，保持其加工穩(wěn)定性，并且有助于加快干燥速率，提高產(chǎn)品的復(fù)水比.但是燙漂過度，會破壞物料中的組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蔬菜的色澤風(fēng)味的劣變以及營養(yǎng)物質(zhì)的流失.故在原料的預(yù)處理過程中應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臓C漂溫度和時(shí)間.

燙漂過程的研究主要是確定最佳燙漂溫度和時(shí)間.本實(shí)驗(yàn)根據(jù)設(shè)備條件，設(shè)置不同燙漂溫度（80、85、90℃）和燙漂時(shí)間（30、60、90 s），用接觸式溫度傳感器測量物料的中心溫度.將新鮮的紫菜清洗干凈，用刀切分成15 cm左右的紫菜條.稱取一定質(zhì)量的紫菜，按物料∶水=1∶50進(jìn)行燙漂護(hù)色，以干燥產(chǎn)品的復(fù)原比作為評價(jià)指標(biāo).

1.3 主要儀器

過熱蒸汽干燥設(shè)備，HWS28型電熱恒溫水浴鍋，F(xiàn)A1004A電子天平，DHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，PL602-S型電子天平，AR816型風(fēng)速儀，數(shù)顯溫度控制器

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 初始含水量的測定 按GB/T 5009.3－2003《食品中水分的測定方法》［6］.

1.4.2 干燥參數(shù)的調(diào)節(jié) （1）物料厚度:將瀝干后的紫菜均勻的平鋪在載物篩網(wǎng)上，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置不同的厚度（5、10和15 mm）.

（2）蒸汽流速:干燥腔中蒸汽流速通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來控制（0.9、1.2、1.5 m·s－1）.

（3）蒸汽溫度:蒸汽溫度由數(shù)顯溫度控制器來調(diào)節(jié)和控制（115、130和145℃）.

（4）初始含水率:通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)預(yù)干燥的時(shí)間，可以得到熱風(fēng)干燥后，過熱蒸汽干燥前不同的紫菜初始含水率.含水率均采用干基含水率進(jìn)行計(jì)算.

1.4.3 干燥特性試驗(yàn) 稱取一定量的處理后的紫菜，均勻的平鋪在過熱蒸汽干燥的載物篩網(wǎng)上，以物料厚度、蒸汽流速、蒸汽溫度和物料初始干基含水率為參數(shù)進(jìn)行干燥.干燥過程中定時(shí)記錄物料質(zhì)量，換算為干基含水率，直至干基含水率≤6%.過熱蒸汽干燥系統(tǒng)不具備連續(xù)稱重條件，若獲得連續(xù)的質(zhì)量變化，需定時(shí)進(jìn)行質(zhì)量測定.若采用間歇稱重法，即每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次稱量操作，稱重間隔越小對高溫干燥結(jié)果產(chǎn)生的不良影響越嚴(yán)重.為了獲得較為精確的數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)采用等稱重間隔、初始起點(diǎn)不同的方法，使干燥過程中取數(shù)的時(shí)間間隔相對縮小.干燥終點(diǎn)可以采取兩種方式進(jìn)行判斷:（1）稱重法:將物料從干燥腔中取出來進(jìn)行快速稱重后再對物料進(jìn)行干燥，直至安全水分含量.（2）溫度趨近法:當(dāng)物料溫度與蒸汽溫度相差不大，物料溫度變化不明顯，并可保持一段時(shí)間時(shí)即可認(rèn)為已達(dá)到干燥終點(diǎn).本試驗(yàn)過熱蒸汽干燥系統(tǒng)不具備連續(xù)稱重條件，在干燥過程中干燥腔開啟與關(guān)閉過程中會造成能量的大量損失，使過熱蒸汽和物料溫度產(chǎn)生較大波動，故選用溫度趨近法判斷.

1.4.4 試驗(yàn)指標(biāo) （1）溫度曲線:溫度曲線是指干燥過程中物料中心溫度隨時(shí)間變化的一種關(guān)系曲線.試驗(yàn)中，每隔△t，記錄一次物料溫度直到干燥終點(diǎn)，繪制T－t曲線.

（2）干燥曲線:干燥曲線是指物料干基含水率w與干燥時(shí)間t的關(guān)系曲線.試驗(yàn)中，每隔△t，對物料進(jìn)行一次稱量，換算出此刻物料干基含水率，干燥結(jié)束后繪制干燥曲線.干基含水率計(jì)算如公式1所示.

干基含水率:w=（mt－mg）/mg×100%（1）

式中，w—干基含水率（%）;mt—物料t時(shí)刻的質(zhì)量（g）.

（3）干燥速率曲線:干燥速率曲線是指干燥過程中失水速率v與物料干基含水率w的關(guān)系曲線.試驗(yàn)中，每隔一定的干基含水率變化量，對物料進(jìn)行1次稱量，并計(jì)算出此段時(shí)間內(nèi)物料的失水速率，直至干燥

式中，v—失水速率（g·min－1）;△m—相鄰兩次測定的失水質(zhì)量（g）;△t—相鄰兩次測量的時(shí)間間隔（min）.

（4）干制品復(fù)原比:復(fù)水作為衡量干燥產(chǎn)品的質(zhì)量因素，它是一個(gè)復(fù)雜的過程，表明干燥和脫水處理對物料產(chǎn)生的物理和化學(xué)變化程度.稱取一定質(zhì)量樣品放入燒杯，加入干重150倍的水使試樣浸漬其中，在30℃溫度下復(fù)水30min后撈起試樣置篩網(wǎng)上，用濾紙吸干表面水分，稱重，復(fù)原比的計(jì)算如式3所示.

式中，R復(fù)—干制品復(fù)水后瀝干后的質(zhì)量（g）;R干—干制品干燥前鮮物的質(zhì)量（g）.

1.5 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.

結(jié)

束.失水速率計(jì)算公式2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 燙漂對紫菜護(hù)色效果的影響

紫菜經(jīng)過燙漂溫度:80、85、90℃，燙漂時(shí)間:30、60、90 s處理后，在鋪設(shè)厚度為5mm，物料初始含水率為566%，蒸汽流速為1.2 m·s－1，蒸汽溫度為115℃條件下進(jìn)行干燥，其復(fù)原比分別如表1所示.

由表1可知，經(jīng)過燙漂處理的紫菜，其干制品復(fù)水性較好，并且當(dāng)溫度為85℃、時(shí)間為30 s時(shí)干燥效果最好.紫菜質(zhì)地較軟較薄，溫度過高或時(shí)間過長，物料內(nèi)部組織會受到較大破壞，造成細(xì)胞壁破損，干制品復(fù)水后物料變得軟爛，無法保證完整的外觀結(jié)構(gòu)，影響復(fù)水品質(zhì).

表1 不同溫度和時(shí)間對紫菜干燥復(fù)原比的影響Table 1 Effects of different temperature and time on restoration ratio

2.2 紫菜過熱蒸汽干燥特性

2.2.1 蒸汽溫度對紫菜干燥特性的影響 當(dāng)鋪設(shè)厚度為5 mm，物料初始含水率為566%，蒸汽流速為1.2 m·s－1時(shí)，分別在115℃、130℃和145℃的蒸汽溫度下進(jìn)行干燥，其溫度曲線、干燥曲線和失水速率變化曲線分別如圖1、圖2、圖3所示.

圖1 不同蒸汽溫度下的紫菜溫度變化曲線Fig.1 Temperature curves of Porphyra haitanensis at different steam temperature

圖2 不同蒸汽溫度下的紫菜干燥曲線Fig.2 Drying curves of Porphyra haitanensiss at different steam temperature

由圖1和圖2可知，過熱蒸汽干燥紫菜到安全含水率時(shí)，各溫度（145、130和115℃）干燥所用時(shí)間分別為25、35和45 min，即在物料厚度、蒸汽流速和初始含水率均相等的情況下，蒸汽溫度越高，所需干燥時(shí)間也就越短.這是因?yàn)樵谝欢ǖ拇髿鈮合?，過熱蒸汽溫度越高，過熱蒸汽與飽和蒸汽間的過熱度越大，其相對濕度就越低，蒸汽與物料之間的溫度差越大，使得傳熱推動力－溫度差、傳質(zhì)推動力－濕度差越大，其干燥速度也就越大，達(dá)到一定含水量所需時(shí)間就越短.由圖還可看出，紫菜干燥溫度變化分為3個(gè)階段:開始階段，物料溫度迅速上升;第二階段，物料溫度達(dá)到一種近似平衡的狀態(tài)，并保持一段時(shí)間;第三階段，物料溫度緩慢上升，直至達(dá)到干燥終點(diǎn).初始階段，紫菜溫度低于水在常壓下的沸點(diǎn)溫度，過熱蒸汽除了通常的對流換熱外，還存在著與低溫紫菜間的凝結(jié)換熱，蒸汽的凝結(jié)換熱系數(shù)大，放出大量的凝結(jié)潛熱，因此，物料溫度迅速上升.第二階段，物料溫度平衡狀態(tài)維持在100℃左右，溫度上升緩慢，其原因?yàn)?這一段時(shí)間，物料中水分大量蒸發(fā)，物料表面由過熱蒸汽帶走的水分小于內(nèi)部水分向表面遷移的速率，物料表面能夠始終維持濕潤狀態(tài)，故物料溫度不變.干燥后期，紫菜里水分明顯減少，物料內(nèi)部水分向表面遷移的速率小于物料表面水分蒸發(fā)的速率，物料表面會漸漸產(chǎn)生干區(qū)，過熱蒸汽提供的熱量一部分用來蒸發(fā)水分，另一部分使紫菜溫度上升.由圖還可以看出，蒸汽溫度越高，干燥傳質(zhì)傳熱過程劇烈，進(jìn)入恒速干燥階段越快，但恒速階段持續(xù)時(shí)間也越短，當(dāng)溫度在145℃時(shí)，幾乎沒明顯的恒速階段干燥經(jīng)過短暫的干燥加速后進(jìn)入降速干燥階段，因?yàn)槭俾侍?，干燥時(shí)間短，恒速階段不明顯.145和130℃時(shí)物料水分含量變化比較劇烈，干燥速率較接近，115℃其干燥曲線比較平緩，由此可知，蒸汽溫度越高，干燥曲線變化越不明顯.其原因可能為:溫度高，失水速率快，干燥時(shí)間短，干燥初期蒸汽冷凝產(chǎn)生的水分很快被蒸發(fā)，對干燥時(shí)間影響不大;而當(dāng)溫度較低時(shí)，干燥初期產(chǎn)生的冷凝水對干燥時(shí)間影響較大，尤其在干燥末期，物料中水分含量較低，但是干燥腔內(nèi)還有冷凝水，這樣過熱蒸汽提供的熱量一部分使物料溫度上升，另一部分還要蒸發(fā)冷凝水，這樣就降低了干燥效率.并且本設(shè)備不能做到完全的密封與隔熱，干燥過程中有必要補(bǔ)充一定量的飽和蒸汽，對干燥效率同樣有一定的影響，干燥時(shí)間變長，干燥曲線變化變緩.從圖中可以看出，干燥速率曲線起伏變化較大，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)研究的是不同溫度下的物料干基含水率的變化趨勢.因?yàn)檫^熱蒸汽干燥是一種高溫干燥方式，本試驗(yàn)系統(tǒng)不具備連續(xù)稱量的條件，需要利用等時(shí)間間隔稱重法進(jìn)行稱重，干燥腔的開閉對試驗(yàn)會產(chǎn)生一定的誤差，因此產(chǎn)生了這種變化趨勢.

圖3 不同蒸汽溫度下的紫菜干燥速率曲線Fig.3 Drying rate curves of Porphyra haitanensis at different steam temperature

2.2.2 鋪設(shè)厚度對紫菜干燥特性的影響 當(dāng)蒸汽溫度為115℃，物料初始干基含水率在566%，蒸汽流速為1.2m·s－1時(shí)，分別在物料鋪設(shè)厚度為5、10和15mm時(shí)進(jìn)行干燥，其溫度曲線、干燥曲線和失水速率變化曲線分別如圖4、圖5、圖6所示.

圖4 不同厚度的紫菜干燥溫度曲線Fig.4 Temperature curves of Porphyra haitanensis at different thickness

圖5 不同厚度的紫菜干燥曲線Fig.5 Drying curves of Porphyra haitanensis at different thickness

圖6 不同厚度下的紫菜干燥速率曲線Fig.6 Drying rate curves of Porphyra haitanensis at different thickness

由圖4和圖5可以看出，在蒸汽溫度、蒸汽流速和初始干基含水率不變的情況下，物料厚度越大，干燥到安全水分所用時(shí)間就越長，即在相同的時(shí)刻，對應(yīng)物料的水分含量越高.其原因?yàn)?鋪設(shè)厚度增加，干燥傳質(zhì)阻力增大，相同的溫度下，濕度差降低，干燥時(shí)間就會延長;此外在干燥初期，高溫蒸汽遇到低溫物料會有大量水蒸汽冷凝，鋪設(shè)厚度越大，這種作用越明顯，這就相當(dāng)于物料在更高的初始含水率下進(jìn)行干燥.受設(shè)備本身?xiàng)l件的限制，在除濕和密封兩方面稍有欠缺，使得干燥過程中從物料中蒸發(fā)出來的水分未能及時(shí)排掉，重新凝結(jié)在干燥室內(nèi)壁上，增加了干燥負(fù)荷，其干燥時(shí)間也相應(yīng)的延長.從圖中可以看出，鋪設(shè)厚度為5、10、15 mm時(shí)其對應(yīng)的干燥時(shí)間分別為45、70和110min.當(dāng)鋪設(shè)厚度為15mm時(shí)，恒速階段時(shí)間持續(xù)最長.這是因?yàn)殡S著裝載量的增加，試驗(yàn)所需除去的水分也隨著增加，但是溫度不變，單位時(shí)間失水量就不變，故恒速干燥階段延長.由圖6可以看出，紫菜失水速率隨著鋪設(shè)厚度的增加而加快，這是因?yàn)樽喜虽佋O(shè)厚度間有大量的間隙，干燥速度取決于單位時(shí)間單位面積上的水分揮發(fā)量，水分的揮發(fā)量與物料實(shí)際表面積有關(guān)，厚度越大，蒸汽有效接觸面積就大，失水速率增大.但在干燥后期，物料大部分已干燥，有的地方表面出現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象，傳質(zhì)阻力增大，內(nèi)部中心處的水分蒸發(fā)受阻，干燥不均勻，體現(xiàn)在干燥曲線上就是在干燥末期失水速率較鋪設(shè)厚度較薄時(shí)要大.從干燥曲線中還可以看出，厚度增加，恒速干燥階段不是很明顯，整個(gè)處于一個(gè)較緩慢的降速干燥過程.這是因?yàn)殇佋O(shè)厚度大，蒸汽冷凝越嚴(yán)重，就需要有更多的能量，但是由于設(shè)備密封問題，一部分熱量散失，導(dǎo)致物料溫度上升緩慢，物料與蒸汽間的濕度差較小，干燥變慢，當(dāng)物料溫度達(dá)到對應(yīng)壓力下的飽和蒸汽溫度時(shí)，干燥速率才有所上升.故對于過熱蒸汽干燥，尤其是鋪設(shè)厚度較大時(shí)，干燥初期要有充分的預(yù)熱步驟，使干燥腔溫度達(dá)到所設(shè)定溫度后，再將物料放入干燥腔內(nèi)，這樣使水蒸汽冷凝大大減小，物料溫度會很快到達(dá)對應(yīng)壓力下的水的沸點(diǎn)溫度，縮短了干燥時(shí)間，提高了工作效率.

2.2.3 蒸汽流速對紫菜干燥特性的影響 當(dāng)蒸汽溫度為115℃，物料初始干基含水率為566%，鋪設(shè)厚度為5 mm 時(shí)，分別選取蒸汽流速為0.9、1.2、1.5 m·s－1進(jìn)行干燥，其溫度曲線、干燥曲線和干燥速率變化曲線分別如圖7、圖8、圖9所示.

圖7 不同蒸汽流速下的紫菜干燥溫度曲線Fig.7 Temperature curves of Porphyra haitanensis at different steam flow velocity

圖8 不同蒸汽流速下的紫菜干燥曲線Fig.8 Drying curves of Porphyra haitanensis at different steam flow velocity

由圖7和8可以看出，在蒸汽溫度，鋪設(shè)厚度和初始干基含水率相等的情況下，蒸汽流速越大，干燥到安全水分所需時(shí)間就越短.當(dāng)蒸汽流速為0.9、1.2、1.5 m·s－1時(shí)，其干燥時(shí)間分別為40、45 和60min，并且蒸汽流速越大，進(jìn)入恒速干燥階段時(shí)間越快，蒸汽流速為0.9 m·s－1時(shí)其干燥速率較明顯低于1.2和1.5 m·s－1時(shí)的干燥速率，且后者兩者差距不大.這是因?yàn)檎羝魉僭酱?，干燥腔?nèi)水蒸汽向外排放加快，過熱蒸汽中的含水量就越小，過熱蒸汽與物料間的濕度差就越大，傳熱系數(shù)也隨之增大，故干燥速率就越快.蒸汽流速增大，干燥速率提高，蒸汽流速的大

小在干燥初期對干燥速率影響較大，但是在干燥后期，不同蒸汽流速對干燥速率的影響不明顯.從圖9可以看出，當(dāng)物料干基含水率低于100%時(shí)，1.5 m·s－1時(shí)的干燥速率稍低于0.9和1.2 m·s－1的干燥速率，但是三者相差不大.原因可能為:干燥后期，物料水分含量降低，可以向干燥腔中蒸發(fā)的水分減少，過熱蒸汽與物料間的濕度差降低，故干燥速率變化不明顯.因?yàn)橄到y(tǒng)密封性存在不可避免的一定弊端，當(dāng)流速過大時(shí)，反而會造成熱量的部分損耗，使得干燥速率降低;此外還可能因?yàn)轱L(fēng)速越大，物料干燥越快，就越容易出現(xiàn)表面結(jié)殼現(xiàn)象，從而影響了水分的蒸發(fā)，使得干燥速率降低.從圖中還可以得出，干燥分為三個(gè)階段，快速干燥、恒速干燥和降速干燥階段，恒速干燥時(shí)間維持較長.

2.2.4 初始干燥含水率對紫菜干燥特性的影響 當(dāng)蒸汽溫度為115℃，蒸汽流速為1.2 m·s－1，鋪設(shè)厚度為5 mm時(shí)，分別選取紫菜初始含水率為566%、466%、366%時(shí)進(jìn)行干燥，其溫度曲線、干燥曲線和干燥速率變化曲線分別如圖10、圖11、圖12所示.

圖9 不同蒸汽流速下的紫菜干燥速率曲線Fig.9 Drying rate curves of Porphyra haitanensis at different steam flow velocity

圖10 不同初始含水率下的紫菜干燥溫度曲線Fig.10 Temperature curves of Porphyra haitanensis at different initialmoisture contents

圖11 不同初始含水率下的紫菜干燥曲線Fig.11 Drying curves of Porphyra haitanensis at different initialmoisture contents

由圖10和圖11可知，在蒸汽溫度，物料厚度和蒸汽流速相等的條件下，物料初始含水率越小，所需要蒸發(fā)的水分就越少，干燥到安全水分所用時(shí)間就越短.紫菜初始含水率為566%、466%、366%時(shí)，其對應(yīng)的干燥時(shí)間分別為45、30和25 min.物料初始干基含水率較大時(shí)，其干燥曲線變化比較明顯，干燥速率較大.這是因?yàn)槌跏己试龃螅锪蟽?nèi)部自由水較多，擴(kuò)散阻力較小，水分蒸發(fā)比較容易因而速率較快.而當(dāng)初始含水率降低時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對緊密一些，水分?jǐn)U散受阻.對于過熱蒸汽干燥，由于可以實(shí)現(xiàn)尾氣的回流利用，具有巨大的節(jié)能優(yōu)勢，因此故物料初始含水率越大越好.初始含水率越大，恒速干燥階段持續(xù)時(shí)間越長.

圖12 不同初始含水率下的紫菜干燥速率曲線Fig.12 Drying rate curves of Porphyra haitanensis at different initialmoisture contents

2.3 紫菜過熱蒸汽干燥動力學(xué)模型的研究

2.3.1 干燥動力學(xué)模型的擬合 過熱蒸汽干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，物料內(nèi)部水分的傳遞特性是干燥過程中的重要參數(shù)，受到干燥介質(zhì)及物料本身性質(zhì)［8－9］的影響.建立干燥動力學(xué)模型可很好地預(yù)測干燥過程中物料水分的變化趨勢，在實(shí)際生產(chǎn)中可解決在線檢測困難的問題，因此具有重要意義.但是過熱蒸汽干燥初期高溫蒸汽遇到低溫物料會產(chǎn)生冷凝水，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，為更好地構(gòu)建動力干燥模型，需要滿足過熱蒸汽干燥模型構(gòu)建的三點(diǎn)假設(shè)［10］.目前，用來描述薄層干燥過程的常見模型有三種［11］:

式中MR=（Mt－Me）/（Mo－Me）MR—水分比;t—干燥時(shí)間;Mt—t時(shí)刻的物料含水率（干基）;Mo—物料初始含水率（干基）;Me—平衡含水率（干基）;A、r、N系數(shù)待定.

為方便計(jì)算，把水分比MR簡化為:MR=Mt/Mo，并將上述模型取對數(shù)化為線性模型如下:

由上可以看出，只要研究－lnMR—t和ln（－lnMR）—lnt的線性關(guān)系，對離散度進(jìn)行進(jìn)行比較，離散度越小，則越說明該動力學(xué)模型能很好的模擬物料干燥過程.

2.3.2 干燥動力學(xué)模型分析 根據(jù)干燥特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制不同蒸汽溫度、蒸汽流速及不同鋪設(shè)厚度下的－lnMR—t曲線和ln（－lnMR）—lnt曲線，結(jié)果如圖13－圖18所示.

利用Excel軟件計(jì)算出圖13、圖14在不同溫度下的－lnMR—t與ln（－lnMR）—lnt的回歸方程，并得出R2，如表2所示.

圖13 不同溫度下的－ln MR與t的關(guān)系Fig.13 Relationship between －ln MR and t at different temperature

圖14 不同溫度下的ln（－ln MR）與ln t的關(guān)系Fig.14 Relationship between ln（－ ln MR）and ln t at different temperature

圖15 不同厚度下的ln（－ln MR）與ln t的關(guān)系Fig.15 Relationship between ln（－ ln MR）and ln t at different thickness

圖16 不同厚度下的－ln MR與t的關(guān)系Fig.16 Relationship between －ln MR and t at different thickness

圖17 不同蒸汽流速下的－ln MR與t的關(guān)系Fig.17 Relationship between －ln MR and t atdifferent steam flow velocity

圖18 不同蒸汽流速下的ln（－ln MR）與ln t的關(guān)系Fig.18 Relationship between ln（－ ln MR）and ln t at different steam flow velocity

表2 不同蒸汽溫度的線性方程及R2Table 2 Linear equation and R2 at different steam temperature

由表2可以看出，不同蒸汽溫度下的－lnMR－t曲線與ln（－lnMR）—lnt曲線的線性方程R2值均接近于1，故可以說明擬合的趨勢線較可靠，但是對比發(fā)現(xiàn)ln（－lnMR）—lnt曲線方程的R2值更接近于1，說明以蒸汽溫度為基準(zhǔn)，Page方程能更好的模型物料的干燥過程.

利用Excel軟件計(jì)算出圖15和圖16在不同鋪設(shè)厚度下的－lnMR－t與ln（－lnMR）—lnt的回歸方程，并得出R2，如表3所示.

表3 不同鋪設(shè)厚度下的線性方程及R2Table3 Linear equation and R2 at different thickness

由表3可以看出，不同鋪設(shè)厚度下的－lnMR－t曲線與ln（－lnMR）—lnt曲線的線性方程R2值均接近于1，故可以說明擬合的趨勢線較可靠，但是對比發(fā)現(xiàn)ln（－lnMR）—lnt曲線方程的R2值更接近于1，說明以鋪設(shè)厚度為基準(zhǔn)，Page方程能更好的模型物料的干燥過程.由表還可以看出，當(dāng)鋪設(shè)厚度較小時(shí)，兩種線性方程的R2均非常接近1，這是因?yàn)槲锪陷^薄時(shí)，傳質(zhì)阻力小，傳熱及水分蒸發(fā)比較均勻，相同溫度下，干燥時(shí)間短，物料較厚時(shí)，由于蒸汽冷凝明顯，對試驗(yàn)結(jié)果影響較大.

利用Excel軟件計(jì)算出圖17和圖18在不同蒸汽流速下的－lnMR－t與ln（－lnMR）—lnt的回歸方程，并得出R2，如表4所示.

表4 不同鋪設(shè)厚度的線性方程及R2Table 4 Linear equation and R2 at different thickness

由表4可以看出，不同蒸汽溫度下的－lnMR－t曲線與ln（－lnMR）—lnt曲線的線性方程R2值均接近于1，故可以說明回歸方程擬合較好，但是對比發(fā)現(xiàn)ln（－lnMR）—lnt曲線方程的R2值更接近于1，說明以蒸汽流速為基準(zhǔn)，Page方程能更好的模型物料的干燥過程.

由表2－表4可以看出，紫菜過熱蒸汽干燥滿足Page方程，并且蒸汽溫度、蒸汽流速和鋪設(shè)厚度對干燥過程都有影響，因此過熱蒸汽干燥模型是一個(gè)與溫度，流速和鋪設(shè)厚度相關(guān)的函數(shù).

式中:X1—蒸汽溫度（℃），X2—蒸汽流速（m·s－1），X3—鋪設(shè)厚度（mm）.

利用DPS軟件對數(shù)據(jù)采用逐步回歸法進(jìn)行多元線性回歸，得方程線性擬合各待定系數(shù)結(jié)果見表5.

由表5可知，擬合方程P=0.0257＜0.05，說明所求回歸方程顯著，R2=0.9657，說明擬合程度較好，該回歸方程可以作為紫菜過熱蒸汽干燥的水分比與時(shí)間的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，剔除不顯著因素后得方程:

表5 紫菜過熱蒸汽干燥動力學(xué)模型Table 5 Kineticmodel of superheated steam drying in Porphyra haitanensis

2.3.3 干燥模型驗(yàn)證 為檢驗(yàn)回歸模型的準(zhǔn)確度，選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的一組進(jìn)行驗(yàn)證.本試驗(yàn)中選取蒸汽溫度115℃，鋪設(shè)厚度5 mm，蒸汽流速0.9 m·s－1，其預(yù)測值與實(shí)際值對比關(guān)系如圖19所示.

從圖19可以看出，Page方程的預(yù)測值與試驗(yàn)值擬合良好，說明利用Page方程能比較好的反應(yīng)物料過熱蒸汽干燥過程中水分比與時(shí)間的關(guān)系，可以用來描述紫菜過熱蒸汽干燥水分變化規(guī)律.

圖19 相同條件下試驗(yàn)值與預(yù)測值對比Fig.19 Comparison between experimental and predicted values under the same conditions

3 結(jié)論

本文將過熱蒸汽干燥技術(shù)運(yùn)用于紫菜干燥加工中.通過確定紫菜燙漂護(hù)色的時(shí)間和溫度探討不同物料鋪設(shè)厚度、蒸汽溫度、蒸汽流速及初始干基含水率對干燥過程中物料溫度及干燥速率的影響，并逐步回歸法推算出紫菜過熱蒸汽干燥動力學(xué)模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過燙漂后進(jìn)行過熱蒸汽干燥，可以提高干燥速率，改善其外觀品質(zhì)和復(fù)水性，紫菜最佳燙漂溫度為85℃，時(shí)間為30 s.蒸汽溫度越高，干燥時(shí)間越短，蒸汽溫度對干燥時(shí)間影響較為顯著;物料鋪設(shè)厚度增大，干燥時(shí)間延長，且干燥速率較高;蒸汽流速增大，干燥時(shí)間會縮短，但是較蒸汽溫度和物料鋪設(shè)厚度比變化不明顯.并且蒸汽流速增大，物料表面會出現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象，硬度會增加.本研究解決了物料在干燥過程中水分含量在線檢測困難的問題，為進(jìn)一步研究過熱蒸汽干燥對紫菜品質(zhì)的影響及工藝參數(shù)優(yōu)化提供必要的試驗(yàn)依據(jù).

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（責(zé)任編輯:吳顯達(dá)）

Study on the superheated steam drying characteristics of Porphyra haitanensis

LU Ye，REN Yan-lian，F(xiàn)ANG Ting，CHEN Jin-quan
（College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China）

Superheated steam drying technology was applied to dryPorphyra haitanensis.First，the time and temperature ofPorphyra haitanensiscolor retention wasmeasured.Based on superheated steam drying technology，Porphyra haitanensisdrying characteristics were tested to explore the effects of different thickness，steam temperature，steam flow rate and initial dry basismoisture content on the drying characteristics.According to stepwise regression，water inPorphyra haitanensisdrying process and time variation，the superheated steam drying dynamicsmathematicalmodel ofPorphyra haitanensiswas established.The experimental results showed that the best temperature and time of blanchingwas85℃ and 30 s，which conformed to the general characteristics of the dryingmatter.The thickness，steam temperature，steam flow rate and initial dry basismoisture content had significant effects on drying.Superheated steam drying wasmatched to Pagemodel.The predicted values had good fitting degree with the actual values.

Porphyra haitanensis;superheated steam drying;drying characteristics

TS254.4

A

1671-5470（2015）03-0320-09

10.13323/j.cnki.j.fafu（nat.sci.）.2015.03.018

2014－07－03

2014－08－28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31401597;31101327）.

盧燁（1990－），男，碩士研究生.研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程.Email:a11214490@qq.com.通訊作者陳錦權(quán)（1954－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向:食品非熱力加工.Email:chenjq@163.com.