飽和蒸汽加熱蘋果過程中的冷凝及孔隙率變化

童金華, 李 濤, 賴彩如, 安鳳平, 宋洪波

(1.國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

飽和蒸汽加熱蘋果過程中的冷凝及孔隙率變化

童金華1, 李 濤2, 賴彩如2, 安鳳平2, 宋洪波2

(1.國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

研究并建立了飽和蒸汽加熱球形物料過程中冷凝水質(zhì)量變化的通用模型，以蘋果為驗(yàn)證材料，研究了樣品初始含水率以及飽和蒸汽溫度對(duì)冷凝水質(zhì)量的影響.結(jié)果表明,預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度好(R2>0.97)，冷凝水主要產(chǎn)生于加熱初期的60 s內(nèi).采用390～430 K的飽和蒸汽加熱初始含水率為15%～55%的蘋果，其濕基含水率提高4.5%～8.5%,孔隙率下降2.6%～4.0%.

蘋果; 飽和蒸汽; 冷凝; 含水率; 孔隙率

膨化是一種重要的食品加工單元操作方法，可有效改善食品物料的形態(tài)、硬度、脆性等品質(zhì).蒸汽瞬時(shí)壓降膨化是將預(yù)脫水至一定含水率的農(nóng)產(chǎn)品物料置于高壓容器中，通入一定溫度的蒸汽并保持一定時(shí)間，瞬時(shí)釋放壓力使物料膨化[1-3].與傳統(tǒng)氣流膨化相比[4,5]，蒸汽瞬時(shí)壓降膨化具有效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn).研究表明，物料初始含水率的控制對(duì)膨化很重要，不同物料膨化的適宜初始含水率亦不同；膨化室中的蒸汽溫度、膨化壓力差以及加熱時(shí)間也是決定物料膨化程度的重要因素[6-9].蒸汽瞬時(shí)壓降膨化的動(dòng)力主要來自2個(gè)方面，即膨化過程中農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部水分的閃急蒸發(fā)[3,10]和內(nèi)部高壓氣體的“暴破”效應(yīng)[11-13].

膨化前，需要利用蒸汽加熱物料一段時(shí)間，以獲得蓄積膨化所需能量.加熱過程中蒸汽與物料之間熱交換產(chǎn)生的冷凝水被物料吸收，其含水率提高[11,12]，這也對(duì)農(nóng)產(chǎn)品物料的孔隙率產(chǎn)生影響[14,15]，而這些變化勢(shì)必影響膨化動(dòng)力并最終影響膨化度.目前關(guān)于蒸汽加熱物料過程中的冷凝以及物料含水率、孔隙率變化機(jī)理的研究尚未見報(bào)道.球形膨化食品均勻性好，較薄片、丁狀和條狀膨化食品具有更好的口感，因此成為近年來發(fā)展較快的膨化食品形態(tài).蒸汽膨化采用的蒸汽可分為飽和蒸汽和過熱蒸汽.本文探討了飽和蒸汽加熱球形物料過程中的冷凝以及物料含水率與孔隙率的變化規(guī)律，為飽和蒸汽膨化過程的控制和明確飽和蒸汽膨化動(dòng)力機(jī)理奠定基礎(chǔ)，亦為開發(fā)高品質(zhì)球形膨化食品提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品制備

國(guó)光蘋果購(gòu)于福州超市，貯藏于(4±1) ℃冷庫(kù)中備用.蘋果平均濕基含水率為84.6%，糖度為10.8°Brix.蘋果去皮后，切削成Φ15 mm球，浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的亞硫酸鈉溶液中護(hù)色20 min，瀝去表面液體[16].將護(hù)色的蘋果粒放在干燥箱中以(70±1 )℃的熱風(fēng)脫水至一定含水率，立即修整為Φ(10±1) mm的球，包裝于鋁箔袋中，于室溫冷卻2 h以上[17].

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9003A型熱風(fēng)干燥箱由上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供；DZF6050型真空干燥箱由上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供；BSA124S型分析天平由北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司提供；ET-320D密度儀由北京儀特諾電子科技有限公司提供；XF-ZMD01孔隙率測(cè)試儀由廈門雄發(fā)儀器儀表有限公司提供；DSC200F3型差示掃描量熱儀由德國(guó)耐馳公司提供；TC3010型熱導(dǎo)率儀由西安夏溪電子科技有限公司提供；VP-100型過熱蒸汽膨化機(jī)是福建農(nóng)林大學(xué)研制的[18].

蒸汽加熱與設(shè)備熱交換會(huì)產(chǎn)生冷凝水，因此在蒸汽膨化機(jī)的膨化室中安裝了錐桶導(dǎo)水裝置，避免物料吸收該部分冷凝水[18].

1.3 檢測(cè)指標(biāo)

1.3.1 含水率 采用真空干燥法測(cè)定樣品的含水率.將樣品置于真空干燥箱中，以70 ℃、133 Pa干燥至恒定質(zhì)量.干燥前后樣品質(zhì)量的差值與干燥前樣品質(zhì)量的百分比即為含水率[19].

1.3.2 密度 采用液體置換法測(cè)定密度，樣品質(zhì)量與體積的比值即為密度[20].

1.3.3 孔隙率 孔隙率為樣品中氣孔體積與樣品總體積的比值[15].

(1)

式中：ε表示孔隙率；V表示樣品體積/m3；Vp表示樣品去除氣孔的體積，即非氣孔體積/m3.

采用液體置換法測(cè)定樣品體積；采用孔隙率測(cè)試儀，運(yùn)用氣體轉(zhuǎn)換法測(cè)定非氣孔體積[20].

1.3.4 比熱容 采用藍(lán)寶石法測(cè)定.稱取8～15 mg樣品，三氧化二鋁(藍(lán)寶石)純度為99.9%[21].測(cè)試過程中采用N2作為保護(hù)氣體和吹掃氣體，流速分別為70和20 mL·min-1.測(cè)試溫度為25 ℃.控溫程序：初始溫度5 ℃,恒溫15 min；以5 ℃·min-1的速率升溫至25 ℃；在25 ℃恒溫5 min.分別測(cè)定空白曲線、藍(lán)寶石曲線和試樣的DSC曲線(藍(lán)寶石和試樣精確至0.1 mg)，計(jì)算試樣25 ℃的比熱容[22].

1.3.5 熱導(dǎo)率 采用熱導(dǎo)率儀檢測(cè)樣品的熱導(dǎo)率.環(huán)境溫度為(25±1) ℃，線熱源長(zhǎng)度為25 mm.將2片預(yù)脫水至一定含水率的蘋果(30 mm×20 mm×5 mm)夾住線熱源，加熱電壓為1.3 V，時(shí)間為5 s.

1.3.6 冷凝水質(zhì)量 將預(yù)脫水至含水率達(dá)15%、35%和55%，溫度為(25±1) ℃的15粒蘋果稱重后置于圓柱形膨化室的載料盤上(蘋果與膨化室的容積比約為1∶100)，將錐桶導(dǎo)水裝置安放于載料盤上方，抽真空后關(guān)閉膨化室蓋，通入370或430 K的飽和蒸汽加熱，加熱一定時(shí)間后取出樣品并稱重，加熱后與加熱前樣品的質(zhì)量差即為冷凝水質(zhì)量[18].

1.3.7 傳熱系數(shù) 樣品表面的飽和蒸汽傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下式[23]：

(2)

(3)

式中：hfg表示飽和蒸汽汽化潛熱/(kJ·kg-1)；cp,1表示飽和水定壓比熱容/(kJ·kg-1·K-1).

1.3.8 數(shù)據(jù)處理 采用DPS V15.10軟件分析蒸汽加熱物料過程中冷凝水質(zhì)量測(cè)試結(jié)果組間差異的顯著性.預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的符合程度用決定系數(shù)R2表示，由Microsoft Excel 2003軟件求得.

2 冷凝水質(zhì)量通用模型的建立

通常膨化物料前飽和蒸汽加熱物料的時(shí)間較短[6,9]，該過程屬于瞬態(tài)導(dǎo)熱.本研究物料形狀為球體，受熱時(shí)球內(nèi)發(fā)生徑向一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，即T=f(r,t).半徑為r0的球狀物料，初始溫度為Ts，將其置于溫度為Tsat的飽和蒸汽中加熱.傳熱過程中，任意時(shí)刻t的傳熱量為飽和蒸汽的凝結(jié)潛熱釋放量，其計(jì)算公式表示如下:

(4)

式中:Q表示任意時(shí)刻t的傳熱量/J；m表示任意時(shí)刻t的冷凝水質(zhì)量/kg.

根據(jù)能量守恒定律，在傳熱過程中任意時(shí)刻t的傳熱量為進(jìn)入物料的總熱量，計(jì)算公式[25]表示如下:

(5)

式中:ρ表示物料密度/(kg·m-3);c表示物料比熱容/(kJ·kg-1·K-1)；V表示物料體積/m3.

從初始時(shí)刻到物料與周圍介質(zhì)(飽和蒸汽)達(dá)到熱平衡時(shí)的最大傳熱量可表示為:

(6)

式中:Q0表示物料吸收的總熱量/J;V0表示物料初始體積/m3.

可得加熱一段時(shí)間的傳熱量為[25,26]:

(7)

式中:α表示熱擴(kuò)散率/(m2·s-1).

則利用飽和蒸汽加熱一顆球狀物料過程中冷凝水質(zhì)量與加熱時(shí)間的關(guān)系式表示如下：

(8)

1 kg物料中樣品個(gè)數(shù)為

(9)

飽和蒸汽加熱1 kg物料產(chǎn)生冷凝水質(zhì)量的普遍方程為：

(10)

3 結(jié)果與分析

3.1 冷凝水質(zhì)量的變化

3.1.1 蘋果的基本物理性質(zhì)及冷凝水質(zhì)量的求解 測(cè)定不同含水率蘋果的密度、比熱容和熱導(dǎo)率，并依據(jù)這些物性值求得熱擴(kuò)散率，結(jié)果如表1所示.

從表1可以看出，隨著樣品初始含水率的增大，其密度亦增大，不同含水率樣品的密度差異極顯著.蘋果的比熱容、熱導(dǎo)率均隨著含水率的增大而增大，不同初始含水率樣品之間的差異均極顯著，此趨勢(shì)和數(shù)值與Shafiur et al[27-29]報(bào)道的結(jié)果接近.食品中水分含量對(duì)比熱容的影響較其他成分大得多[30].食品比熱容主要取決于物料含水率，因此比熱隨著含水率的增大而增大[31].食品熱導(dǎo)率與組分構(gòu)成有關(guān)，與組分比例成正相關(guān)，因此與含水率成正相關(guān)[32,33].熱擴(kuò)散率與樣品初始含水率的關(guān)系表現(xiàn)為相反的趨勢(shì)，即隨著含水率的增大而下降，含水率對(duì)熱擴(kuò)散率的影響達(dá)到顯著水平.

表1 不同含水率蘋果的物性參數(shù)值1)

1)表中所示數(shù)值為3次試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

本試驗(yàn)中預(yù)脫水蘋果的半徑r0=0.005 m，初始溫度為室溫(即Ts=298 K).將飽和蒸汽及飽和水的相關(guān)參數(shù)[25]代入式(2)，求出本研究采用390～430 K的飽和蒸汽溫度所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)h為2 055～2 017 W·m-2·K-1.根據(jù)文獻(xiàn)[25]，對(duì)于圓球的一維瞬態(tài)導(dǎo)熱而言，如果ξ1=2.0 rad，則P1=1.464 5.

分別以390、430 K的飽和蒸汽加熱初始含水率為15%、35%和55%的蘋果，則相應(yīng)的冷凝水質(zhì)量模型見表2.

表2 飽和蒸汽加熱蘋果的冷凝水質(zhì)量模型

從表2可以看出，經(jīng)過飽和蒸汽加熱，蘋果可達(dá)到的最大冷凝水質(zhì)量(模型中的第1個(gè)常數(shù)項(xiàng))與樣品初始含水率有關(guān)，也與飽和蒸汽溫度有關(guān).初始含水率越大或飽和蒸汽溫度越高，可達(dá)到的最大冷凝水質(zhì)量值亦越大.產(chǎn)生冷凝水的速率只與飽和蒸汽溫度有關(guān)，與樣品的初始含水率無關(guān)，飽和蒸汽溫度越高，指數(shù)函數(shù)模型中指數(shù)的絕對(duì)值則越大，表明產(chǎn)生冷凝水的速度越快.

3.1.2 初始含水率及飽和蒸汽溫度對(duì)冷凝水質(zhì)量的影響 分別以390、430 K飽和蒸汽加熱初始含水率為15%、35%和55%的蘋果，根據(jù)表2模型所得的冷凝水質(zhì)量預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化的曲線如圖1所示.

圖1 飽和蒸汽加熱蘋果過程中冷凝水質(zhì)量的變化

從圖1可以看出，冷凝水質(zhì)量的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合度高，決定系數(shù)R2達(dá)到0.97以上(表2)，表明建立的冷凝水質(zhì)量模型能夠反映實(shí)際情況.在加熱過程中，飽和蒸汽與蘋果之間熱交換產(chǎn)生冷凝水的質(zhì)量先快速增大，之后緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定；冷凝水主要產(chǎn)生于加熱過程的初期，當(dāng)加熱至60 s時(shí)冷凝水質(zhì)量已達(dá)到最大冷凝水質(zhì)量的75%以上.

當(dāng)飽和蒸汽溫度一定時(shí)，初始含水率越高，蘋果產(chǎn)生的冷凝水也越多.研究[33,34]表明，過熱蒸汽流干燥稻谷和豬肉片的過程中，物料含水率的變化均表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢(shì)；在初始階段，蒸汽將熱量傳遞給物料并使其升溫，蒸汽冷凝使物料含水率升高，當(dāng)物料溫度達(dá)到蒸汽溫度時(shí)蒸汽不再凝結(jié)；此后則進(jìn)入干燥階段，物料含水率逐漸下降.本研究是采用飽和蒸汽在密閉容器內(nèi)加熱蘋果，冷凝水的產(chǎn)生與過熱蒸汽干燥的初始階段具有相似性.當(dāng)加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，樣品的溫度均趨于飽和蒸汽溫度，傳熱動(dòng)力喪失，因此冷凝水質(zhì)量趨于定值；另一方面，蘋果的初始含水率越高，其比熱容亦越大(表1)，達(dá)到相同蒸汽溫度所需的熱量亦越大，消耗的蒸汽量越大，因此產(chǎn)生的冷凝水量亦越多.

當(dāng)蘋果的初始含水量一定時(shí)，飽和蒸汽溫度越高，產(chǎn)生的冷凝水質(zhì)量越大.Bj?rk et al[35]研究蒸汽干燥木材得出相似的結(jié)果，即蒸汽溫度越高，木材的平衡含水率亦越大.從式(9)可以看出，冷凝水質(zhì)量與飽和蒸汽溫度成正相關(guān)；由于溫度高的飽和蒸汽具有更大的密度[25]，因此可產(chǎn)生更多的冷凝水.

3.2 樣品含水率和孔隙率的變化

在飽和蒸汽加熱蘋果過程中產(chǎn)生的冷凝水被蘋果吸收，從而使蘋果的含水率升高；另一方面，由于樣品含水率升高，水分占據(jù)蘋果內(nèi)部更多的空間，使得孔隙率下降.

濕基含水率是表示物料含水率最常用的一種方法.通過試驗(yàn)測(cè)定加熱過程中的冷凝水質(zhì)量(圖1)，可以求出對(duì)應(yīng)樣品的濕基含水率.不同加熱條件下蘋果濕基含水率以及測(cè)定的孔隙率變化曲線分別如圖2、3所示.

圖2 飽和蒸汽加熱過程中蘋果含水率的變化

圖3 飽和蒸汽加熱過程中蘋果孔隙率的變化

從圖2可以看出，當(dāng)初始含水率一定時(shí)，飽和蒸汽溫度越高，樣品含水率的增幅也越大.采用390和430 K飽和蒸汽加熱初始含水率為15%的樣品時(shí)，含水率可分別提高6.2%和8.5%；而對(duì)于初始含水率為55%的樣品，含水率可分別提高4.5%和6.0%.由此可見，較低初始含水率樣品的濕基含水率增幅大于較高初始含水率樣品，然而前者在相同條件下所產(chǎn)生的冷凝水質(zhì)量小于后者(圖1).由于較高濕基含水率樣品中的水分在整個(gè)樣品中所占權(quán)重更大，即產(chǎn)生并吸收的冷凝水量更大，以濕基含水率表示時(shí)增幅顯得較小.表明蒸汽膨化時(shí)，初始含水率較大物料的膨化對(duì)溫度更加敏感.研究[3,13]表明，樣品初始含水率為3%～5%時(shí)，可對(duì)膨化度產(chǎn)生足夠大的影響.由圖2可知，加熱過程中樣品含水率的增大程度足以對(duì)膨化度產(chǎn)生較大的影響.

從圖3可以看出，初始含水率越低蘋果的孔隙率越大.這是因?yàn)楹试降?，水分占?jù)的空間越小，氣體(空氣)占有的體積越大，因此孔隙率亦就越大[14].加熱過程中不同初始含水率樣品的孔隙率均逐漸下降，并趨于穩(wěn)定；對(duì)于初始含水率為15%～55%的蘋果，經(jīng)390～430 K飽和蒸汽加熱后，孔隙率下降2.6%～4.0%.樣品孔隙率的變化與冷凝水質(zhì)量(樣品含水率)變化成負(fù)相關(guān)，因此初始含水率越大或蒸汽溫度越高，樣品孔隙率下降的幅度也越大.由于冷凝水主要產(chǎn)生于加熱過程的前段，因此在此階段蘋果孔隙率下降很快.

4 小結(jié)

(1)建立了飽和蒸汽加熱物料過程中冷凝水質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)普通方程，結(jié)果表明冷凝水質(zhì)量變化與物料的熱物性、飽和蒸汽熱特性等有關(guān).

(2)以蘋果為驗(yàn)證材料，研究初始含水率以及飽和蒸汽溫度對(duì)冷凝水質(zhì)量變化的影響，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度好(R2>0.97).蘋果初始含水率越大則比熱越大，飽和蒸汽溫度越高則其濕分含量越大，導(dǎo)致初始含水率較高的樣品產(chǎn)生更多冷凝水.隨著加熱過程的進(jìn)行，冷凝水質(zhì)量快速增大，之后增速逐漸變慢，最終趨于穩(wěn)定，冷凝水主要產(chǎn)生于加熱初期的60 s內(nèi).

(3)物料初始含水率以及飽和蒸汽溫度對(duì)加熱過程中的冷凝均有重要影響.加熱過程中產(chǎn)生的冷凝水被物料吸收，使物料含水率升高，同時(shí)使得孔隙率相應(yīng)下降.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Condensation and porosity changes of apple when heating with saturated steam

TONG Jinhua1, LI Tao2, LAI Cairu2, AN Fengping2, SONG Hongbo2

(1.China National Engineering Research Center of JUNCAO Technology, Fuzhou, Fujian 350002, China; 2.College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To investigate model on depicting quantity changes of condensate water when heating spherical material with saturated steam, initial moisture content of apple and how condensate water quantity response to steam temperature were recorded. Results showed that values predicted by the proposed model were highly correlated with true values (R2>0.97). Condensate water mainly generated within the first 60 s when heating started. Moisture content of apple, with initial moisture content being 15%-55%, could be increased by 4.5%-8.5%. And porosity was decreased by 2.6%-4.0% when heated with saturated steam at 390-430 K.

apple; saturated steam; condensation; moisture content; porosity

2016-08-16

2016-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31271913).

童金華(1970-)，女，工程師，碩士.研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及質(zhì)量安全控制技術(shù).Email：jidi725t@126.com.通訊作者宋洪波(1966-)，男，教授.研究方向：食品科學(xué)與工程.Email：sghgbode@163.com.

TS255.36

A

1671-5470(2017)02-0234-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.02.018