百合熱風(fēng)干制動(dòng)力學(xué)的研究

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(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾 161006)

百合熱風(fēng)干制動(dòng)力學(xué)的研究

王存堂,張譯心,李夢

(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾161006)

為了探討熱風(fēng)溫度對百合熱風(fēng)干制動(dòng)力學(xué)的影響,分別將百合鱗片和百合切絲置于65～85 ℃ 的熱風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干制處理,并采用5種常見食品薄層干燥模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,通過比較評價(jià)決定系數(shù)(R2)、卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定百合薄層熱風(fēng)干燥過程的最優(yōu)模型。結(jié)果表明:百合薄層熱風(fēng)干燥是內(nèi)部水分?jǐn)U散控制的降速干燥過程。Page 模型是描述百合薄層熱風(fēng)干燥過程的最優(yōu)模型。不同干燥條件下有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff和活化能Ea的求解結(jié)果表明,有效水分?jǐn)U散系數(shù) Deff隨熱風(fēng)溫度升高而增加,在干制溫度范圍內(nèi),百合切絲有效擴(kuò)散系數(shù)的值在7.73～14.12×10-9m2/s之間變化,而百合鱗片有效擴(kuò)散系數(shù)的值在4.12～9.49×10-9m2/s之間變化。對于百合切絲和百合鱗片,活化能Ea分別為30.37和42.42 kJ/mol。百合切絲干制能縮短干制時(shí)間,減少能量消耗。

百合,熱風(fēng)干燥特性,薄層干燥模型,有效水分?jǐn)U散系數(shù),活化能

Abstract:In this study,lily was dried as thin-layers in the ranges of 65～85 ℃ of drying temperature in a hot-air dryer. The effect of drying hot-air temperature on the drying kinetics was analyzed. Five different dynamic models were fitted nonlinearly by using the drying test data of lily and the best suitable model was selected by comparing the values of the correlation coefficient(R2),the reduced chi-square(χ2)and the root mean square error(RMSE).The results showed that drying process of lily scales and sliced lily occurred in the falling rate period,and the moisture transfer was controlled by internal diffusion. The Page model was the best suitable to descript the relationship of lily moisture and drying time by hot-air drying.The effective moisture diffusion coefficient(Deff)and the activation energy(Ea)were also obtained by experiments under different conditions,the values of Deffwould increase with the addition of drying temperature,Deffvalues changed from 7.73 to 14.12×10-9m2/s for shred lily,while Deffvalues changed from 4.12 to 9.49×10-9m2/s for lily scales within the given temperature range. An Arrhenius relation with Eavalues of 42.42 and 30.37 kJ/mol for lily scales and shredded lily expressed the effect of shred on the diffusivity. Shredded lily could short drying time and reduce energy consumption.

Keywords:lily;hot-air drying characteristics;thin layer drying model;effective moisture diffusion coefficient(deff);activation energy(ea)

百合是百合科百合屬種和品種的統(tǒng)稱,是重要的食用、藥用和觀賞植物[1]。百合是多年生宿根草本植物,其食用部分由100多片肉質(zhì)鱗片包合,有“百片合成”之意而得名。百合在中國栽培歷史悠久,目前規(guī)模栽培的食用百合主要有蘭州百合、卷丹百合和川百合[2]?，F(xiàn)代分析表明,百合主要含秋水仙堿等多種生物堿和蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、鈣、磷、鐵及VC、VB1、VB2、β-胡蘿卜素等營養(yǎng)物質(zhì),具有良好的藥理功效[3]。中醫(yī)認(rèn)為,百合味甘微苦,性平,入心,肺經(jīng),有潤肺止咳,清心安神之功,可用于熱病后余熱未清,虛煩驚悸,神志恍惚和肺癆久咳、咳血,肺膿瘍等[4]。

鮮百合含水率高一般為70%～80%,貯藏保鮮難度大,脫水干制是百合加工貯藏的一個(gè)重要方法。但干燥過程中物料的物理化學(xué)變化特別是褐變直接影響到產(chǎn)品的最終品質(zhì)[5]。百合的傳統(tǒng)干燥方法是利用日曬或炭火烘烤,其中炭火烘烤只適宜分散小批量烘烤,且火候難控制,耗時(shí)長,費(fèi)工多,易烤焦。而近年來采用的烘干房雖克服了傳統(tǒng)烘烤的缺點(diǎn),但占地面積大,建造要求高且干燥時(shí)間長,在百合采收旺季,其加工量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場的需求[6]。為了縮短干制時(shí)間,提高產(chǎn)品質(zhì)量的均一性,物料切片后再經(jīng)熱風(fēng)干制被廣泛應(yīng)用在果蔬的脫水干制加工中。干制過程的數(shù)學(xué)模型的研究可以用來設(shè)計(jì)新的或者改進(jìn)現(xiàn)有的干制體系,進(jìn)而能夠控制干制過程。目前,已有國內(nèi)外學(xué)者利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛烁鞣N果蔬的干制數(shù)學(xué)模型,如荔枝[7]、綠豌豆[8]、蘋果片[9]等。然而關(guān)于百合熱風(fēng)薄層干制數(shù)學(xué)模型方面的研究鮮見報(bào)道。因此,在本實(shí)驗(yàn)中將百合進(jìn)行熱風(fēng)干制,考察熱風(fēng)干燥溫度和切絲處理對百合干燥過程的影響,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合,比較和篩選常見的5種薄層干燥模型,建立百合鱗片和切絲薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算不同干燥條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff和活化能 Ea,以期能較準(zhǔn)確地預(yù)測百合熱風(fēng)干燥過程中水分變化規(guī)律和干燥速率,為百合干燥加工提供理論指導(dǎo)。

表1 百合干制使用的經(jīng)典薄層干制數(shù)學(xué)模型Table 1 Thin-layer drying models used for mathematical of drying of lily

注:k,n,a,b均為待定系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百合 采購于齊齊哈爾市建華區(qū)農(nóng)貿(mào)市場,選擇新鮮、大小均勻,色澤潔白,無機(jī)械傷和病蟲害的樣品。

數(shù)顯101A-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司;BS222S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理 預(yù)先將百合鱗片剝離,清洗,瀝干后,分為兩部分分別用以整片干制和于切絲干制(寬度3 mm)。將樣品進(jìn)行燙漂(100 ℃,2 min),后取出瀝干水分,備用[8]。

1.2.2 薄層干制 實(shí)驗(yàn)采用薄層干制的方法,將瀝干后的百合鱗片和百合切絲分別在三個(gè)溫度65、75和85 ℃下進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。熱風(fēng)干燥箱預(yù)先升溫至設(shè)定溫度后,將100 g 樣品單層平鋪置于鐵絲網(wǎng)上,置于干燥箱內(nèi)干制。每隔10 min 記錄一次重量變化(水分損失情況),精確至0.01 g,每次稱重不超過20 s,直至前后2次重量差小于2 mg。此時(shí)切片水分含量為平衡水分含量(Me)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,并計(jì)算平均值[9]。

1.2.3 指標(biāo)測定

1.2.3.1 含水率的測定 105 ℃恒溫干燥法[10]。

1.2.3.2 水分比率計(jì)算(Moisture Ratio,MR)[7]

式(1)

式中,M是任意時(shí)刻的水分含量(g water/g dry matter);M0是初始水分含量(g water/g dry matter);Me是平衡水分含量(g water/g dry matter);

當(dāng)干制時(shí)間較長時(shí),與M或M0相比,Me的值比較小,可以忽略不計(jì)。故式(1)可以簡化為M/M0。

1.2.3.3 干燥速率計(jì)算(Drying Rate,DR)[7]

式(2)

式中,Mt+dt:t+dt 時(shí)刻的水分含量(kg water/kg dry matter);t:干燥某一時(shí)刻 t(min);Mt:t時(shí)刻的水分含量。

1.2.3.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)計(jì)算 生化產(chǎn)品干制特征水分下降速率通常采用Fick擴(kuò)散方程來描述。在實(shí)際計(jì)算中,對于長時(shí)間的干制過程,Fick擴(kuò)散方程的解可以簡化為公式(3)[10]:

式(3)

式中,Deff是水分有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);L0是切片厚度的二分之一(m)。以ln(MR)為縱坐標(biāo),干燥時(shí)間t為橫坐標(biāo)做直線方程,根據(jù)直線方程的斜率可計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù)。

1.2.3.5 活化能(Ea)的計(jì)算 水分?jǐn)U散系數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以用簡化的阿倫尼烏斯方程來表示,其方程如下[10]:

式(4)

式中，D是阿倫尼烏斯方程中的實(shí)驗(yàn)因數(shù)(m2/s);Ea是活化能(kJ/mol);R是氣體常數(shù)(8.314 kJ/mol·K);T是絕對溫度(K)。

活化能計(jì)算是將Deff的自然對數(shù)與干燥絕對溫度的倒數(shù)做一條直線,根據(jù)此直線的斜率,然后計(jì)算就可得到活化能,計(jì)算公式如下[10]:

式(5)

1.2.4 數(shù)學(xué)模型擬合 為了選擇合適的數(shù)學(xué)模型描述百合的干燥過程,本實(shí)驗(yàn)利用常見的5個(gè)經(jīng)驗(yàn)薄層干燥模型方程分別描述百合的干燥曲線。表1所示為經(jīng)驗(yàn)薄層干燥的MR模型方程。

利用OriginPro 8.5軟件進(jìn)行模型的非線性回歸,使用下述統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)來評價(jià)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的擬合程度,并給出決定系數(shù)R2。其中最好的描述物料薄層干燥模型的統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)是決定系數(shù)R2最大,且卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)最小。其中χ2和 RMSE 根據(jù)以下方程計(jì)算[10]:

式(6)

式(7)

在上述方程中,MRexp,i和 MRpre,i分別為實(shí)驗(yàn)的MR和預(yù)測的MR,N為觀測點(diǎn)的數(shù)量,z 為干制數(shù)學(xué)模型中常數(shù)的數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 百合熱風(fēng)干制特性曲線

干制特性曲線是MR與干制時(shí)間之間的關(guān)系曲線,它表明了物料水分含量隨干制時(shí)間的延長而下降的過程[13]。百合切絲與鱗片在不同干制溫度下的MR與干制時(shí)間的干制特性曲線如圖1所示，百合干制的MR隨時(shí)間增加而逐漸下降。熱風(fēng)溫度對整片與切絲百合的MR影響顯著。在干制溫度分別為 65、75、85 ℃干制條件下,百合切絲達(dá)到平衡水分的時(shí)間分別為320、250、180 min,而百合鱗片獲得平衡水分的時(shí)間分別為510、320、270 min。在選定的干制溫度下(65～85 ℃),增加熱風(fēng)溫度及切絲處理均可縮短干制時(shí)間。熱風(fēng)干制溫度的升高可以顯著而降低物料干制時(shí)間,如白蘿卜片[11]、茄子片[15]、蘋果渣[16]、南瓜片[17]等干制。

圖1 百合在不同干制溫度和切片厚度下的薄層干制曲線Fig.1 Thin-layar drying curves of lily at different temperature and slice thickness of lily注:A:切絲;B:鱗片;圖2～圖4同。

百合切絲后干制,與65 ℃相比,75 ℃和85 ℃分別縮短時(shí)間28%和77.78%。百合鱗片干制時(shí),與65 ℃相比,75 ℃和85 ℃分別縮短時(shí)間37.25%和47.06%。在干制溫度分別為65、75、85 ℃時(shí),百合切絲與鱗片干制相比,分別縮短了時(shí)間59.37%、28%、50%,即切絲處理縮短干制時(shí)間,這是因?yàn)榍衅穸刃?水分轉(zhuǎn)移距離縮短,并且樣品蒸發(fā)表面積增加。相似的結(jié)果在蘋果切片[12]和茄子片干制[15]的研究中也被報(bào)道。

2.2 干制溫度和切絲處理對百合干制速率的影響

百合熱風(fēng)干制速率根據(jù)式(2)計(jì)算。對于百合整鱗片和切絲,其干制速率隨水分含量的變化見圖2。

圖2 百合在不同干制溫度和切片厚度下的干制速率曲線Fig.2 The dry rate curves of different dry temperature and slice thickness of lily

在干制初期,干制速率迅速到達(dá)最高點(diǎn),然后開始持續(xù)下降,并直至達(dá)到平衡水分,百合干制并沒有出現(xiàn)恒速干燥階段,經(jīng)歷短暫的升速期以后即進(jìn)入降速干燥階段。這主要是因?yàn)榘俸显诟芍七^程中,表面的水分?jǐn)U散速率大于物料內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移速率,水分?jǐn)U散過程很快,是以擴(kuò)散為主要的水分蒸發(fā)過程,這與許多果蔬物料干制過程相似,如梨切片[10]、荔枝[13]、豇豆[18]等。當(dāng)干制百合切絲時(shí),在70 min的干制時(shí)間以內(nèi),溫度越高,干制速率越大,在70 min以后的干制時(shí)間里,溫度越高,干制速率越小;當(dāng)干制百合鱗片時(shí),在100 min的干制時(shí)間以內(nèi),溫度越高,干制速率越大,在100 min以后的干制時(shí)間里,溫度越高,干制速率越小。這主要是因?yàn)樵诟芍坪笃?水分含量越低時(shí),干制的速率越小,結(jié)合水分越難以除去。在干制后期,采用其他干制方式如微波干制處理,加快后期水分蒸發(fā)的速率,從而縮短干制的時(shí)間。

2.3 熱風(fēng)干燥模型

干燥實(shí)驗(yàn)的水分含量數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為MR,然后根據(jù)式(1)計(jì)算MR,作為模型擬合的原始數(shù)據(jù)。然后根據(jù)表1的經(jīng)驗(yàn)薄層干燥模型擬合,從而選擇合適的百合熱風(fēng)干燥模型。根據(jù)不同模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及R2、χ2和RMSE的值,得出擬合度較高的數(shù)學(xué)模型(表2)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:最優(yōu)的薄層干燥模型要求最高的R2,最低的χ2和RMSE的值[9]。對于所有的干燥實(shí)驗(yàn),其擬合參數(shù)R2,χ2和RMSE的值變化范圍分別為0.9961～0.9999,0.62×10-5～32.99×10-5,2.03×10-3～18.16×10-3。

表2 不同薄層干制模型所模擬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results obtained from various thin-layer drying models

從表2可知,從Page方程模型計(jì)算得到的R2最大,χ2和RMSE最小,擬合度較高,能很好地描述百合的薄層干制過程。

圖3對比了百合切絲和百合鱗片干制溫度為65、75、85 ℃時(shí),由Page方程預(yù)測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的MR,可以看出預(yù)測的MR曲線和實(shí)驗(yàn)的MR之間是非常吻合的。

圖3 利用Page模型擬合的MR值和實(shí)驗(yàn)MR值Fig.3 Experimental and predicted moisture ratio obtained using the Page model

2.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

不同物料狀態(tài)的百合干制時(shí)的有效擴(kuò)散系數(shù)通過對公式(3)的斜率計(jì)算,如表3所示。

表3 百合在不同干制溫度和切片厚度下的有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)Table 3 Values of effective diffusivity attained at various air temperatures on hot-air drying of lily(m2/s)

百合切絲在不同溫度下的干制過程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)時(shí)的范圍為7.73～14.12×10-9(m2/s),百合鱗片干制時(shí)水分有效擴(kuò)散系數(shù)為4.12～9.49×10-9(m2/s)。水分有效擴(kuò)散系數(shù)的值隨干制溫度的增加而增加(p<0.05)。而當(dāng)將百合切絲處理后時(shí),其有效擴(kuò)散系數(shù)也顯著增加(p<0.05)。其他的研究也證實(shí)了此結(jié)果,如蘋果切片[9]、蘋果渣[16]、南瓜切片[17]和大蒜切片[19]。食品物料的有效擴(kuò)散系數(shù)一般均在10-11～10-9的范圍之內(nèi)[11]。

2.5 活化能計(jì)算

活化能是非活化分子轉(zhuǎn)化為活化分子所需吸收的能量,計(jì)算可用阿倫尼烏斯方程求解。阿倫尼烏斯方程反應(yīng)出化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)K隨溫度變化的關(guān)系?；罨苡?jì)算是將Deff的自然對數(shù)與干制絕對溫度的倒數(shù)(1/T)做一條直線,由此直線的斜率計(jì)算出活化能,如圖4所示。

圖4 有效擴(kuò)散系數(shù)與干制絕對溫度的Arrhenius-type線性關(guān)系Fig.4 Arrhenius-type relationship between the effective diffusivity and absolute temperature

經(jīng)計(jì)算得出,百合切絲和百合鱗片干制時(shí)的活化能分別為30.37和42.42 kJ/mol。食品物料在干制時(shí)的活化能一般在15～50 kJ/mol[22]。百合的熱風(fēng)干制活化能與其他文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)比較接近,如綠豌豆(35.43 kJ/mol)[8]、梨切片(44.78 kJ/mol)[10]和棗切片(36.76 kJ/mol)[14],比蘋果切片(19.96～22.62 kJ/mol)[9]、紅薯切片[20](22.7～23.2 kJ/mol)的高,但是明顯低于南瓜切片(78.93 kJ/mol)[17]。

3 結(jié)論

在百合干制過程中,提高熱風(fēng)溫度、切絲處理均可促使干制速率加快,干制時(shí)間縮短。在干制溫度(65～85 ℃)的范圍內(nèi),產(chǎn)品色澤均發(fā)生輕微褐變,并且褐變程度相近,因此干制時(shí)可選擇85 ℃的高溫處理,縮短干制的時(shí)間。百合熱風(fēng)干燥沒有恒速干燥階段,在經(jīng)過短暫的加速期后即進(jìn)入減速干燥階段。干制后期水分蒸發(fā)量減小,干制速率減慢,需經(jīng)過“緩蘇”一段時(shí)間后進(jìn)行干制,從而減少能量消耗。從百合干制過程中活化能數(shù)據(jù)來看,為了減少能耗,加快干制速率,適應(yīng)不同的食用要求,在生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)可采用較高的熱風(fēng)溫度和切絲處理,進(jìn)行干制?？衫脭M合所得的Page模型的常數(shù)參數(shù),進(jìn)行預(yù)測干制過程中水分蒸發(fā)的情況,為生產(chǎn)實(shí)踐提供數(shù)據(jù)支撐。

[1]李玉帆,明軍,王良桂,等. 百合基本營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)研究進(jìn)展[J].中國蔬菜,2012(24):7-13.

[2]楊云光,鄧成忠. 食用百合品種介紹[J]. 中國果菜,2002(5):32.

[3]李玉萍,龔妍春. 百合屬植物資源的分布利用價(jià)值及其開發(fā)前景展望[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(7):3395-3399.

[4]盧美嬌. 藥用百合與食用百合的區(qū)別[J]. 時(shí)針國醫(yī)國藥,2001,18(9):806.

[5]華平,鄭藝梅,劉海波. 不同干燥方法對百合品質(zhì)的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,32(2):312-313.

[6]馬蘭特,翟香葳. 百合熱風(fēng)干燥過程的無硫防褐變研究[J]. 甘肅科技,2015,31(12):132-135.

[7]關(guān)志強(qiáng),王秀芝,李敏,等. 荔枝果肉熱風(fēng)干燥薄層模型[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(2):152-158.

[9]Sacilik K,Elicin AK. The thin layer drying characteristics of organic apple slices[J]. Journal of Food Engineering,2008(73):281-289.

[11]Lee JH,Kim HJ. Vacuum drying kinetics of Asian white radish(RaphanussativusL.)slices[J]. LWT-Food Science and Technology,2009,42:180-186.

[12]Menges HO,Can Ertekin C. Mathematical modeling of thin layer drying of Golden apples[J]. Journal of Food Engineering,2006,77:119-125.

[13]Janjai S,Precoppe M,Lamlert N,et al. Thin-layer drying of litchi(LitchichinensisSonn.)[J]. Food Bioproduct and Processing,2011,89:194-201.

[14]Lee JH,Zuo L. Mathematical modeling on vacuum drying ofZizyphusjujubeMiller slices[J]. Journal of Food Science and Technology,2013,50:115-121.

[15]Ertekin C,Yaldiz O. Drying of eggplant and selection of a suitable thin layer drying model[J]. Journal of Food Engineering,2004,63(3):349-359.

[16]Wang ZF,Sun J,Liao XJ,et al. Mathematical modeling on hot air drying of thin layer apple pomace[J]. Food Research International,2007,40:39-46.

[17]Doymaz I. The kinetics of forced convective air-drying of pumpkin slices[J]. Journal of Food Engineering,2007,79:243-248.

[18]師建芳,吳輝煌,婁正,等. 豇豆隧道式熱風(fēng)干燥特性和模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(11):232-240.

[19]Demiray E,Tulek Y. Drying characteristics of garlic(AlliumsativumL)slices in a convective hot air dryer[J]. Heat and Mass Transfer,2014(50):779-786.

Hot-airdryingkineticsoflily

WANGCun-tang,ZHANGYi-xin,LIMeng

(College of Food and Biological Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

TS255.1

A

1002-0306(2017)18-0074-06

2017-02-07

王存堂(1980-),男,博士,副教授,主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏方面的研究,E-mail:robbertwang@163.com。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.015