基于Weibull函數(shù)的玉米冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究

張?zhí)鞚?劉建學(xué)

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南省食品原料工程技術(shù)研究中心,河南洛陽 471023)

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基于Weibull函數(shù)的玉米冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究

張?zhí)鞚?劉建學(xué)*

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南省食品原料工程技術(shù)研究中心,河南洛陽 471023)

實(shí)驗(yàn)以玉米為研究對象,對其進(jìn)行冷風(fēng)干燥處理,研究了不同干燥溫度和風(fēng)速對玉米干燥特性、裂紋率和膳食纖維性質(zhì)的影響,同時利用Weibull分布函數(shù)對干燥曲線進(jìn)行擬合并分析干燥過程。結(jié)果表明:Weibull分布函數(shù)決定系數(shù)R2和卡方檢驗(yàn)值χ2分別在0.984～0.997和6.22×10-4～9.43×10-4之間,其尺度參數(shù)隨溫度和進(jìn)口風(fēng)速的升高而降低,不同干燥條件下玉米冷風(fēng)干燥的形狀參數(shù)均小于1;冷風(fēng)干燥得到的玉米產(chǎn)品裂紋率及膳食纖維的破壞率均處于較低水平。因此,Weibull分布函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述不同干燥條件下玉米的冷風(fēng)干燥過程;冷風(fēng)干燥可以提升干燥玉米產(chǎn)品的品質(zhì)。

玉米,冷風(fēng)干燥,裂紋率,膳食纖維,Weibull分布函數(shù)

我國是玉米產(chǎn)出大國,但收獲后的玉米水分含量高,直接堆放入庫極易造成腐爛變質(zhì),影響玉米產(chǎn)后價值。因此,高水分玉米的干燥是玉米儲藏前的重要環(huán)節(jié)[1]。目前常用的干燥方法中熱風(fēng)干燥消耗的時間長,產(chǎn)品品質(zhì)低[2];冷凍干燥能夠得到顏色好、營養(yǎng)損失少的高質(zhì)量農(nóng)作物干制品,但是這種干燥方式需要的時間長、消耗的能量高[3]。

熱泵干燥是一種利用熱泵除濕原理來除去空氣中所含水分,調(diào)節(jié)空間溫度和濕度,從而干燥實(shí)驗(yàn)物料的節(jié)能干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)備。具有能耗小、可靠性高、操作簡便等特點(diǎn)。熱泵干燥溫度控制在5～40 ℃時的干燥方式稱為熱泵式冷風(fēng)干燥,簡稱冷風(fēng)干燥。由于物料干燥時環(huán)境溫度較低,這種干燥方式得到的產(chǎn)品品質(zhì)相對較好。目前還未見關(guān)于冷風(fēng)干燥在玉米干燥中應(yīng)用的報道。

物料干燥涉及質(zhì)熱傳遞、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗等重要指標(biāo)。對干燥過程進(jìn)行模擬預(yù)測具有重要的意義。一般線性函數(shù)很難準(zhǔn)確擬合出整個干燥過程,而傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌驕?zhǔn)確、簡單的模擬出物料的干燥過程,但缺乏物理意義[4]。Weibull分布函數(shù)具有適用性廣、覆蓋性強(qiáng)的特點(diǎn),通過分析Weibull分布函數(shù)中的尺度參數(shù)(α)和形狀參數(shù)(β),能夠掌握整個干燥過程中的水分?jǐn)U散機(jī)制。

本文采用冷風(fēng)干燥方式處理玉米,對不同干燥溫度、風(fēng)速下玉米的干燥特性、裂紋率和膳食纖維性質(zhì)進(jìn)行研究,同時利用 Weibull 分布函數(shù)對干燥曲線進(jìn)行擬合并分析干燥過程。以期為冷風(fēng)干燥在玉米干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

玉米購于河南洛陽當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場。采用105 ℃烘箱法[5]測得所購玉米初始濕基含水率為26.37%。

LFGZX-3型冷風(fēng)干燥機(jī)浙江省湖州歐勝電器有限公司;UV2600A型紫外可見分光光度計(jì)美國UNIC公司;102-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱北京科偉永興儀器有限公司;JA-2003N型電子天平上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將采購的玉米放入冷風(fēng)干燥箱物料盤內(nèi),每次實(shí)驗(yàn)放入2 kg。進(jìn)行以下干燥實(shí)驗(yàn):固定進(jìn)風(fēng)速度為1.5 m/s,改變干燥溫度為:10、20、30 ℃;固定干燥溫度為20 ℃,改變進(jìn)風(fēng)速度為:1、1.5、2 m/s。干燥過程中,每隔1 h將物料取出稱量,記錄數(shù)據(jù)后迅速放回繼續(xù)干燥,直至物料濕基含水率不變時,干燥結(jié)束。每個干燥組同時設(shè)置兩組平行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2樣品含水率測定樣品含水率采用GB/T 5009.3-2010中介紹的直接干燥法[5]。

1.2.3干燥過程中物料濕基含水率測定干燥過程中物料濕基含水率按式(1)計(jì)算:

式(1)

式中,ωt,ω0分別為在任意干燥t時刻物料濕基含水率和物料的初始濕基含水率,%;mt,m0分別為在任意干燥t時刻的質(zhì)量和物料初始質(zhì)量,g。

1.2.4有效水分?jǐn)U散系數(shù)測定水分比(moistureratio,MR)按式(2)計(jì)算[6]:

式(2)

式中,M0,Me,Mt分別為初始干基含水率、干燥到平衡時的干基含水率、在任意干燥 t 時刻干基含水率,g/g。Me相對于M0和Mt來說很小可近似為0。因此式(2)可以改寫為:

式(3)

實(shí)驗(yàn)所用物料的厚度遠(yuǎn)小于其直徑,所以能夠把物料看做平板,其水分?jǐn)U散特性為一維軸向擴(kuò)散。因此,根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律精簡式得[7]:

式(4)

式中,Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m2/s;L為物料厚度的一半(約為0.0035 m),m;t為時間,s;M0為初始干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥t時刻的干基含水率,g/g。

(4)式兩端取自然對數(shù)得:

式(5)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)可由其斜率求出[8]。

干基含水率與濕基含水率按式(6)轉(zhuǎn)換:

式(6)

式中,M和ω分別表示物料干基含水率,g/g,和濕基含水率,%。

1.2.5物料膳食纖維制備采用酶化學(xué)法制備高品質(zhì)膳食纖維,參照萬萍等[9]的方法。

1.2.6膳食纖維理化特性分析方法持水力和膨脹力的測定參照李麗[10]等的方法,吸附不飽和脂肪(花生油)脂肪能力的測定參照Sangnark[11]的方法。不同干燥條件下產(chǎn)品膳食纖維的特性按其保留率計(jì)算(干燥產(chǎn)品相應(yīng)指標(biāo)值與原始物料相應(yīng)指標(biāo)值的比值)。

1.2.7裂紋率測定從經(jīng)過冷風(fēng)干燥處理的玉米籽粒中隨機(jī)取出50粒,挑出有裂紋的粒數(shù),即為玉米的裂紋率(%)(每個樣品做3次實(shí)驗(yàn),結(jié)果取平均值)。

1.2.8Weibull函數(shù)模型參數(shù)計(jì)算方法干燥過程中MR變化動力學(xué)模型用威布爾分布函數(shù)表示[12]:

式(7)

式中,MR為水分比;α為尺度參數(shù)(h);β為形狀參數(shù);t為干燥時間(h)。擬合精度驗(yàn)證采用決定系數(shù)R2和卡方檢驗(yàn)值(χ2)來表示。R2值越大,χ2值越小表示擬合越好。

式(8)

式(9)

式中:N為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù);MRi為實(shí)測水分比;MRpi為預(yù)測水分比。在Weibull分布函數(shù)中α為尺度參數(shù),表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料脫去 63%水分所需要的時間;β為形狀參數(shù),其值與干燥過程開始時的干燥速率有關(guān),當(dāng)β>1 時,干燥速率會先升高后降低;當(dāng) 0.3<β<1 時,為降速干燥,干燥過程由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制[4]。

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

Weibull模型擬合采用Datafit 9.0軟件的自定義非線性函數(shù)擬合功能擬合,數(shù)據(jù)分析與畫圖采用Origin 8.5軟件。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同干燥條件對玉米干燥特性的影響

當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速固定為1.5 m/s,調(diào)節(jié)干燥溫度為10,20,30 ℃,不同溫度下玉米干燥曲線如圖1A所示。由圖1可知干燥溫度為10,20,30 ℃時玉米冷風(fēng)干燥的平均時間分別為14,11,10 h。與干燥溫度為10 ℃對比,干燥溫度為20、30 ℃時玉米冷風(fēng)干燥時間顯著降低(p<0.05),且分別減少了21.43%和28.57%,這表明提升干燥溫度能夠加快玉米冷風(fēng)干燥速率,從而減少干燥消耗的時間。當(dāng)干燥溫度固定為20 ℃,調(diào)節(jié)進(jìn)口風(fēng)速為1,1.5,2 m/s,不同風(fēng)速下玉米干燥曲線如圖1B所示,進(jìn)口風(fēng)速為1,1.5,2 m/s時玉米冷風(fēng)干燥的平均時間分別為12,11,10 h。與風(fēng)速為1 m/s對比,進(jìn)口風(fēng)速為1.5,2 m/s時玉米冷風(fēng)干燥時間顯著降低(p<0.05),且分別縮短了8.33%和16.67%。說明加快進(jìn)口風(fēng)速能夠提升干燥速率。從圖1中可以看出增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速對玉米冷風(fēng)干燥的中期階段(2～5 h)影響較大,這是因?yàn)?在干燥初始階段,物料處于預(yù)熱狀態(tài),水分主要是由物料內(nèi)部擴(kuò)散至物料表面,由于干燥時間短,此時溫度在物料內(nèi)部遞減衰弱傳遞,因此該階段受環(huán)境影響較小;之后物料內(nèi)部溫度積累到一定程度,干燥過程為由外部水分?jǐn)U散控制因此該階段受外部環(huán)境影響較大;最后的干燥過程為內(nèi)部水分?jǐn)U散控制的降速階段。對比圖1A和圖1B能夠發(fā)現(xiàn),溫度對玉米干燥時間的影響要比風(fēng)速更為顯著。觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)無論增加干燥溫度還是增大進(jìn)口風(fēng)速,玉米冷風(fēng)干燥曲線均呈現(xiàn)出兩個明顯的階段:開始的下降階段及干燥后期的平穩(wěn)階段。本實(shí)驗(yàn)得到的低溫條件下的干燥溫度與進(jìn)口風(fēng)速對玉米干燥速率的影響規(guī)律同很多文獻(xiàn)結(jié)果一致[13-14]。

圖1　不同干燥溫度和風(fēng)速下玉米冷風(fēng)干燥曲線Fig.1　The drying curves of corn under different drying conditions

為了進(jìn)一步探究玉米冷風(fēng)干燥行為,采用Weibull分布函數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。圖2給出了不同干燥條件下玉米水分比與時間之間的關(guān)系圖。由圖2能夠看出,不同干燥條件下玉米冷風(fēng)干燥的中期階段水分比變化有著明顯的差異,該結(jié)論進(jìn)一步證明了干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速對玉米冷風(fēng)干燥的中期階段(2～5 h)影響較大。表1顯示了Weibull分布函數(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況。由決定系數(shù)R2和卡方檢驗(yàn)值χ2可知,Weibull 函數(shù)可準(zhǔn)確描述不同干燥條件下玉米的冷風(fēng)干燥過程。由表1可知,當(dāng)固定進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s,調(diào)節(jié)干燥溫度為10、20、30 ℃,不同溫度下尺度參數(shù)α值分別為:1.979,1.571、1.358 h。α值越大,則干燥時間越長,此結(jié)論與張衛(wèi)鵬等[8]、Uribe等[15]的研究結(jié)果相一致。相對于干燥溫度為10 ℃,干燥溫度為20、30 ℃時α值分別減少了20.61%和31.37%;α值隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加而減少,與風(fēng)速為1 m/s對比,進(jìn)口風(fēng)速為1.5,2 m/s時α值分別減少了9.5%和19.30%。由以上結(jié)果同樣能夠看出溫度對玉米冷風(fēng)干燥速率的影響較風(fēng)速對其的影響大。形狀參數(shù)β能夠解釋干燥過程中物料水分的遷徙機(jī)理,由表1中的,β值均小于1,這說明,玉米冷風(fēng)干燥過程為降速干燥,主要由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制。不同溫度及不同風(fēng)速下β值差別較小,表明溫度和風(fēng)速對玉米冷風(fēng)干燥中的水分?jǐn)U散機(jī)制有著相同的影響。

圖2　不同干燥溫度和風(fēng)速下玉米水分比曲線Fig.2　The MR curves of corn under different drying conditions

干燥條件αβR2χ2(×10-4)10℃,1.5m/s1.9790.8810.9918.5720℃,1.5m/s1.5710.8020.9979.4330℃,1.5m/s1.3580.8900.9977.2120℃,1m/s1.7360.8620.9866.2220℃,2m/s1.4010.8610.9848.71

結(jié)合圖3和圖4可知,玉米冷風(fēng)干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)為:5.5676×10-10～7.1059×10-10m2/s,在10-12～10-9m2/s的食品通常有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍之內(nèi)[16]。有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著溫度的升高而增加,隨著風(fēng)速的加大而略微上升,說明風(fēng)速對玉米冷風(fēng)干燥影響較小。這同劉云宏等[16]對金銀花熱泵氣調(diào)干燥和巨浩羽等[4]對胡蘿卜片降濕熱風(fēng)干燥的結(jié)果一致。

圖3　不同干燥溫度和風(fēng)速下ln MR與時間的關(guān)系圖Fig.3　The relationship curves of ln MR vs drying time under different drying conditions

圖4　不同干燥溫度(A)和風(fēng)速(B)下玉米有效水分?jǐn)U散系數(shù)值Fig.4　The Deff values of corn under different drying conditions

2.2不同干燥條件對玉米干裂紋率和膳食纖維性質(zhì)的影響

裂紋率是評價糧食干燥品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)[17],由圖5能夠看出干燥溫度分別為10、20、30 ℃時玉米裂紋率分別為:29.37%、32.31%、35.33%;進(jìn)口風(fēng)速為1,1.5,2 m/s時,玉米裂紋率分別為:31.31%,32.31%,35.55%。對比溫度與進(jìn)口風(fēng)速對玉米裂紋率的影響發(fā)現(xiàn),溫度對其影響顯著(p<0.05)。實(shí)驗(yàn)所有干燥條件下玉米冷風(fēng)干燥裂紋率均保持在32%左右,降低干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速能夠降低裂紋率。

圖5　不同干燥溫度和風(fēng)速下玉米裂紋率對比圖Fig. 5　The cracking rate of corn under different drying conditions

圖6　不同干燥溫度和風(fēng)速下玉米膳食纖維性質(zhì)對比圖Fig.6　The characters of dietary fiber of corn under different drying conditions

不同干燥溫度和風(fēng)速下玉米膳食纖維持水力、膨脹力、吸附不飽和脂肪酸能力保存率由圖6所示。綜合比較可知,冷風(fēng)干燥對玉米膳食纖維有一定的破壞作用,其破壞程度隨著干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速的增加而增大。通過對比能夠發(fā)現(xiàn),冷風(fēng)干燥對玉米膳食纖維膨脹力影響最小,這是因?yàn)榕蛎浟Φ母淖兣c物料干燥過程中收縮程度有關(guān),冷風(fēng)干燥環(huán)境溫度低,干燥時間長,干燥過程緩慢,導(dǎo)致干燥過程中水分應(yīng)力較小,其對玉米結(jié)構(gòu)破壞較小,玉米收縮不顯著、堆積密度變化不大,從而纖維素膨脹力變化不明顯[13]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與李麗等[13]的研究結(jié)果吻合。通過對玉米冷風(fēng)干燥過程中裂紋率和膳食纖維性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),較高溫度的冷風(fēng)干燥還是會造成干燥產(chǎn)品質(zhì)量下降,從而影響玉米在市場上的銷售及玉米干燥加工后的食用。張玉榮等[17]研究熱風(fēng)和真空干燥玉米的品質(zhì)評價與指標(biāo)篩選時發(fā)現(xiàn)采用熱風(fēng)和真空干燥的玉米裂紋率在35%～40%之間,其結(jié)果略高于本文結(jié)論,這說明冷風(fēng)干燥能夠降低玉米干燥過程中裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。

3　結(jié)論

通過玉米冷風(fēng)干燥特性研究可知,增加干燥溫度與進(jìn)口風(fēng)速能夠提升干燥效率,從而降低干燥時間,但溫度的影響更為顯著(p<0.05)。Weibull分布函數(shù)能夠準(zhǔn)確的描述不同干燥條件下玉米的冷風(fēng)干燥過程,通過對α值 和β值分析發(fā)現(xiàn)玉米冷風(fēng)干燥過程為降速干燥,主要由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制,且溫度和風(fēng)速對玉米冷風(fēng)干燥中的水分?jǐn)U散機(jī)制有著相同的影響。冷風(fēng)干燥能夠很好的降低玉米的裂紋率及膳食纖維的破壞率。

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Study on cold air drying of corn based on Weibull distribution function

ZHANG Tian-ze,LIU Jian-xue*

(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology, Henan Engineering Research Center of Food Material,Luoyang 471023,China)

In this study,corn was used as experimental material,the drying characteristics,crack rate and properties of dietary fiber of corn which dried under different drying conditions of cold air drying were investigated. Meanwhile,the Weibull distribution function was used to fit the drying curves and to analyze the drying process. The results showed that the ranges of coefficient of determination(R2)and chi-square(χ2)were between 0.984 to 0.997 and between 6.22×10-4to 9.43×10-4,respectively. The scale parameter were decreased significantly with the increasing of drying temperature and inlet velocity. The shape parameters were all less than 1. Cold air drying could be used to reduce the crack rate and the damage rate of corn dietary fiber. Therefore,the Weibull distribution function could describe the cold air drying process of corn under different drying conditions,and cold air drying method could improve the quality of dried corn product quality efficiently.

corn;cold air drying;crack rate;dietary fiber;Weibull distribution function

2016-02-26

張?zhí)鞚?1992-)，男，碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品高值化利用，E-mail：ztz670676329@163.com。

劉建學(xué)(1964-)，男，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品高值化利用及質(zhì)量檢測技術(shù)，E-mail：jx_liu@163.com。

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102310262)“農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的高效增值和循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究”。

TS201.1

A

1002-0306(2016)17-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.011