蓮藕片熱風干燥特性及動力學模型

江寧　李麗娟　李大婧　等

摘要：為研究蓮藕片熱風干燥特性，探討了不同裝載量和熱風溫度對蓮藕片薄層熱風干燥過程的影響。根據試驗數據建立了蓮藕片熱風干燥水分比與干燥時間關系的動力學模型，并對模型進行擬合，最后計算了蓮藕片熱風干燥條件下的有效擴散系數。結果表明，蓮藕片熱風干燥過程符合Page模型，經驗證，模型預測值與試驗值擬合良好；蓮藕片熱風干燥有效擴散系數在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s范圍內。Page模型適用于描述蓮藕片熱風干燥過程。

關鍵詞：蓮藕；熱風；干燥特性；動力學模型

中圖分類號： TS255.36文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0247-04

收稿日期：2014-03-21

基金項目：江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（13）3082]。

作者簡介：江寧（1983—），男，江蘇南京人，碩士，助研，從事農產品精深加工研究。Tel：（025）84391570；E-mail：jn19831109@163.com。

通信作者：劉春泉，碩士，研究員，從事農產品精深加工及產業(yè)化開發(fā)研究。Tel：（025）84390188；E-mail：liuchunquan2009@163.com。蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn），別稱荷藕、蓮菜等，為睡蓮科蓮屬多年生大型宿根水生草本植物[1]，原產中國和印度，歷史悠久，種質資源豐富，以肥嫩根狀莖供食用，是我國極重要的水生蔬菜。蓮藕含有淀粉、膳食纖維、氨基酸、維生素等多種營養(yǎng)成分，營養(yǎng)豐富，同時又含有少量生物堿、黃酮類、鞣質等功能性成分，具有清熱涼血、生津止渴、健脾開胃等藥用價值，廣受消費者喜愛[2-3]。蓮藕采收后，易氧化褐變、失水干縮以及腐爛變質，不耐貯運，干制可有效延長其貯藏期限，且便于運輸。

我國每年有大量的脫水藕片出口日本、韓國、新加坡、菲律賓、美國等國家，而脫水藕片所采用的干燥技術即為熱風干燥。熱風干燥技術操作簡便、成本低廉，國內外的研究報道也較多，段振華等建立了羅非魚片熱風干燥水分比與干燥時間關系的數學模型[4]；諸愛士等分析了瓠瓜的熱風干燥特性，并在此基礎上建立其干燥動力學模型[5]；劉坤等研究了紅棗的熱風干燥特性，并建立了薄層干燥數學模型[6]；Kaleta等對蘋果的熱風干燥特性進行了研究，并建立了相應的干燥模型[7]；Doymaz建立了獼猴桃熱風干燥數學模型，并研究其有效擴散系數[8]；Kaleemullah等研究了紅辣椒的薄層熱風干燥模型，并計算了有效擴散系數[9]。

本試驗研究了熱風干燥對蓮藕片干燥特性的影響，并建立了蓮藕片熱風干燥動力學模型，用以描述蓮藕片熱風干燥過程中的水分變化，以期為蓮藕熱風干燥工藝的研究和生產控制提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

“美人紅”蓮藕：于2012年5月由江蘇省揚州市寶應縣天禾食品有限公司特供。蓮藕肉質肥嫩，色澤潔白，無明顯機械傷。

1.2儀器與設備

DHG-9073B5-Ⅲ型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司）；FA2104電子分析天平（北京賽多利斯科學儀器公司）。

1.3試驗方法

1.3.1原料預處理將蓮藕洗凈、去皮后，用不銹鋼刀切分成5～6 mm厚的薄片，立即浸于0.2%檸檬酸和1%氯化鈉組成的護色劑中護色，0.5 h后取出，于沸水中燙漂3 min，流動水冷卻至常溫后，置于2%的麥芽糊精溶液中浸漬1 h，取出瀝干，置于-18 ℃左右的冰箱中，凍藏備用。

1.3.2熱風干燥打開鼓風干燥箱，將試驗溫度分別調至50、60、70 ℃，待溫度穩(wěn)定10 min后，將解凍后的蓮藕片50、100、200 g均勻鋪成薄層，放入干燥箱內。干燥開始一段時間內蓮藕片水分變化較大，在0～1 h，每隔10 min測定1次水分含量；1～2 h，每隔20 min測定1次水分含量；2 h之后水分變化量較小，每隔30 min測定1次水分含量。換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.4薄層干燥數學模型

果蔬干燥常用的薄層干燥數學模型如表1所示。

表1應用于干燥曲線的薄層干燥數學模型

模型名稱方程表達式線型表達式指數模型MR=exp（-kt）ln（MR）=-kt單項擴散模型MR=Aexp（-kt）ln（MR）=lnA-ktPage 方程MR=exp（-ktN）ln[-ln（MR）]=lnk+Nlnt注：水分比MR=（Mt-Me）/（M0-Me）；t表示干燥時間，min；Mt表示t時刻物料含水率（干基），%；Me表示平衡含水率（干基），%；M0表示初始含水率（干基），%；A、k、N表示待定系數。

由于平衡含濕量Me資料很少，并且相對于Mt和M0較小，因此把上述的水分比MR簡化為MR=Mt/M0。

1.5試驗指標計算

1.5.1水分含量采用GB 5009.3—2010食品中水分的測定方法[10]，各時期水分含量通過定時取樣、迅速稱重后烘干，并計算濕基和干基含水率。濕基含水率（%）=（mt-ms）/mt×100%；干基含水率（%）=（mt-ms）/ms×100%。式中：mt表示物料t時刻對應的質量，g；ms表示絕干物料質量，g。

1.5.2干燥速率干燥速率（g/min）=Δm/Δt，式中：Δm表示失水質量，g；Δt表示相鄰2次測量的時間間隔，min。

1.5.3有效擴散系數擴散系數反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，因為降速干燥過程受內部擴散的控制，所以物料的內部水分擴散系數是果蔬干燥過程數學模型中的主要參數。Fick擴散方程經常用來描述生物產品降速階段的干燥特性。本試驗采用下式計算蓮藕片的有效擴散系數。

ln（MR）=ln8π2-π2Defft4L2；

斜率=-π2Deff4L2。

式中：Deff是有效擴散系數，m2/s；L為物料層厚度的一半，m。

1.6統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0分析軟件對表1中各干燥方程的參數進行線性回歸分析，顯著性水平為P≤0.05。

2結果與分析

2.1蓮藕片薄層熱風干燥特性分析

2.1.1裝載量對蓮藕片熱風干燥特性的影響由圖1可知，在熱風溫度恒定在60 ℃的條件下，隨著裝載量的降低，干燥時間縮短。在裝載量為50 g時，干燥180 min，蓮藕片水分含量就已經降到13%（干基）以下；而裝載量為200 g時，水分含量降到13%以下，需要干燥300 min以上。這可能是由于裝載量越低，單位質量水分所吸收的熱能越高，汽化所需時間縮短，達到目標含水率所需的時間也隨之縮短。

由圖2可以看出，熱風溫度設定為60 ℃，在裝載量為200 g時，蓮藕片的熱風干燥過程分為加速、恒速、降速3個階段，基本符合傳統(tǒng)的干燥速率曲線變化規(guī)律，但加速階段與恒速階段均較短，干燥的大部分時間在恒速階段；裝載量為50 g和100 g時，蓮藕片的熱風干燥過程只分為加速和降速2個階段。裝載量越高，相同干基含水率所對應的干燥速率越大。

2.1.2干燥溫度對蓮藕片熱風干燥特性的影響由圖3可知，在裝載量為100 g時，熱風溫度越高，干燥相同時間物料的含水率就越低。當熱風溫度為70 ℃時，干基含水率降至13%以下需150 min，而當熱風溫度為50 ℃時，則需300 min以上。這是由于熱風溫度越高，傳熱動力越大，蒸發(fā)速率快，要達到一定含水率所需的時間就越短。

由圖4可以看出，當裝載量為100 g時，在熱風溫度50、60、70 ℃的條件下，蓮藕片的干燥過程在升速階段后均不經恒速階段直接進入降速階段。熱風溫度越高，相同干基含水率所對應干燥速率越大。這與張建軍等對不同熱風溫度下辣椒的干燥特性進行研究后所得結論[11]一致。

2.2蓮藕片熱風干燥動力學

2.2.1蓮藕片熱風干燥模型的選擇根據干燥特性試驗數據，分別繪制不同裝載量和熱風溫度下的-ln（MR）-t曲線和ln[-ln（MR）]-lnt曲線，如圖5至圖8所示。從圖5和圖7中明顯可以看出，-ln（MR）與t呈非線性，從圖6和圖8中可以看出，ln[-ln（MR）]與lnt呈線性，由此可見蓮藕片的熱風干燥動力學模型滿足Page方程，可以選擇 Page 模型作為蓮藕片熱風干燥的動力學模型。

2.2.2蓮藕片熱風干燥方程擬合采用SPSS 20.0分析軟件對不同裝載量和熱風溫度下對應的ln[-ln（MR）]與lnt值進行一元線性回歸分析，得出干燥常數lnk和N值，相關系數R均在0.95以上，表明方程與實際操作參數擬合度良好。令：

lnk=a+bX1+cX2；

N=d+eX1+fX2。

式中：X1表示裝載量，g；X2表示熱風溫度，℃；a、b、c、d、e、f表示待定系數。

利用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行多元線性回歸擬合，求得方程各待定系數，即可得出lnk和N的回歸方程為：

lnk=-3.969-0.0041 8X1+0.019 3X2；

N=0.764-0.000 126X1+0.002 55X2。

2個方程的P值分別為0.001和0.000，均小于0.05，故可認為干燥lnk和N與變量裝載量及熱風溫度的線性關系成立。因此，蓮藕片熱風干燥方程為MR=exp（-ktN），式中，k=exp（-3.969-0.0041 8X1+0.019 3X2），N=0.764-0000 126X1+0.0025 5X2。

2.2.3蓮藕片熱風干燥模型方程驗證為進一步驗證蓮藕片熱風干燥動力學模型的準確性，選取試驗中的1組數據進行驗證。試驗條件為：熱風溫度70 ℃，裝載量200 g。將該組試驗值與模型的預測值進行比較，結果見圖9。從圖9可以看出，Page方程預測曲線與實際值擬合良好，表明Page方程能較準確地描述蓮藕片熱風干燥過程。

2.3蓮藕片熱風干燥條件下的有效擴散系數

在不同的熱風干燥條件下所得的-ln（MR）-t的關系圖中，采用Excel軟件對干燥曲線添加線性趨勢線，從趨勢線方程中即可讀出其斜率。由下式：

斜率=π2Deff4L2

即可求出不同干燥條件下蓮藕片的有效擴散系數Deff值（表2）。

表2熱風干燥條件下蓮藕片有效擴散系數值的比較

裝載量

（g）熱風溫度

（℃）擴散系數Deff

（×10-7 m2/s）50501.90550602.34150703.516100501.297100601.915100702.766200500.831200601.287200701.712

由公式計算得出蓮藕片分別在裝載量50、100、200 g，熱風溫度50、60、70 ℃的條件下的有效擴散系數Deff值，如表2所示。蓮藕片熱風干燥條件下的擴散系數大約在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s的范圍內。由表2可以看出，隨著裝載量的降低和熱風溫度的升高，有效擴散系數增大。這可能是由于裝載量越低，鼓風干燥箱體中水分含量越低，單位水分含量吸取的熱能升高，從而增加了傳質推動力，擴散速率加快[9]；而溫度升高，物料內部水分子運動加劇，擴散速率隨之加快[12]。由干燥速率曲線圖可以看出，蓮藕片的熱風干燥過程幾乎不存在恒速干燥階段，而在降速干燥階段，蓮藕片表面的水分汽化速率高于內部的水分擴散速率，故干燥速率下降，這說明內部水分擴散為干燥速率的主要控制因素[13]。果蔬的有效擴散系數大小不僅與果蔬本身的組織結構、品種、形狀有關，也與干燥方式及其操作條件聯系緊密。孟岳成等計算得到了不同熱風溫度、風速及物料厚度條件下熟化紅薯的有效擴散系數，研究表明：隨熱風溫度、風速和紅薯厚度的增大，有效擴散系數增大，其范圍在5.18×10-10 ～ 2.11×10-9 m2/s之間[14]；Simal等發(fā)現熱風干燥獼猴桃時，隨著溫度的升高，物料的有效擴散系數增大，熱風溫度由30 ℃增加到90 ℃時，獼猴桃的有效擴散系數值由3.0×10-10 m2/s增加到17.2×10-10 m2/s[15]；Doymaz等得出玉米粒在55～75 ℃熱風范圍內有效擴散系數值為9.488×10-11～2.716×10-10 m2/s[16]；胡慶國在不同的熱風溫度和風速條件下，得到毛豆的有效擴散系數在0.703×10-9～1.299×10-9 m2/s范圍內[17]。本試驗中蓮藕片的有效擴散系數明顯大于上述各例，這可能是由于蓮藕片經冷藏、解凍后內部多孔，結構疏松，有利于水分擴散。

3結論

（1）蓮藕片熱風干燥過程在升速階段后不經恒速階段直接進入降速階段。

（2）蓮藕片熱風干燥過程符合Page模型，模型方程為MR=exp（-ktN），其中，k=exp（-3.969-0.004 18X1+0019 3X2），N=0.764-0.000 126X1+0.002 55X2；R值均大于0.95，P值均小于0.05，說明擬合顯著。經驗證，模型的預測值與試驗值擬合良好。

（3）蓮藕片熱風干燥條件下的有效擴散系數隨裝載量的降低和熱風溫度的升高而增大，范圍在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s之間。

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