低壓過熱蒸汽干燥青蘿卜片的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度研究

李占勇，劉建波，徐 慶，史亞彭

（天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引 言

新鮮蔬菜和果品中含有大量的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，容易造成微生物與細(xì)菌的滋長(zhǎng)，使果蔬發(fā)生腐爛變質(zhì)[1]。對(duì)果蔬進(jìn)行干燥處理是延長(zhǎng)其貯藏期的重要方式之一[2]。在干燥過程中應(yīng)盡量保證新鮮果蔬原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，色澤及良好的復(fù)水性能等。低壓過熱蒸汽干燥是在低壓條件下，利用過熱蒸汽直接與被干燥物料接觸而除去水分的一種干燥方式[3]。低壓過熱蒸汽干燥（low pressure superheated steam dring, LPSSD）溫度較低，而且干燥過程中無氧氣存在，可以有效避免營(yíng)養(yǎng)成分在干燥過程中的熱力降解及氧化損失，因此低壓過熱蒸汽干燥可以很好的保留食品類物料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。Kongsoontornkijkul等[4]研究發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥的印度醋栗茶中維生素C的保留率要高于真空干燥（vacuum drying，VD）與熱風(fēng)干燥（hot air drying，HAD）的印度醋栗茶中維生素C的保留率。Husen等[5]甚至發(fā)現(xiàn)常壓過熱蒸汽干燥的鱷梨果醬中酚類物質(zhì)與黃酮類物質(zhì)的保留率要高于冷凍干燥。此外，低壓過熱蒸汽干燥的產(chǎn)品具有良好的色澤與復(fù)水性。Phungamngoen等[6]比較了熱風(fēng)、真空干燥和低壓過熱蒸汽干燥對(duì)洋白菜表面顏色的影響，研究結(jié)果表明低壓過熱蒸汽干燥的洋白菜總色差值變化最小。Devahastin等[7]等也發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥的胡蘿卜塊色澤與復(fù)水性要優(yōu)于真空干燥。Jamradloedluk等[8]的研究也表明過熱蒸汽干燥的榴蓮片復(fù)水性要好于熱風(fēng)干燥，因此低壓過熱蒸汽干燥非常適用于果蔬等食品類物料的干燥。

雖然低壓過熱蒸汽干燥的果蔬品質(zhì)要優(yōu)于熱風(fēng)或真空干燥，但在干燥溫度較低時(shí)低壓過熱蒸汽干燥時(shí)間較長(zhǎng)。Leeratanarak等[9]在研究土豆條低壓過熱蒸汽干燥與熱風(fēng)干燥特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干燥溫度在80 ℃以下時(shí)土豆條低壓過熱蒸汽干燥時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)干燥溫度升高至80 ℃以上時(shí)，低壓過熱蒸汽干燥時(shí)間要少于熱風(fēng)干燥時(shí)間。Devahastin等[7]和 Panyawong等[10]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)干燥溫度在70-90 ℃時(shí)，低壓過熱蒸汽干燥時(shí)間要長(zhǎng)于真空干燥時(shí)間；隨干燥溫度的升高，低壓過熱蒸汽干燥時(shí)間與真空干燥時(shí)間之差逐漸減少。利用過熱蒸汽進(jìn)行干燥時(shí)，存在某一溫度使得水在干空氣中的蒸發(fā)速度與在過熱蒸汽中的蒸發(fā)速度相同，在此溫度以上，水在過熱蒸汽中的蒸發(fā)速度較大；反之，則相反，該溫度稱為逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度[11]。對(duì)于低壓過熱蒸汽干燥，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度需通過比較物料在低壓過熱蒸汽與真空中的干燥速率。嚴(yán)格定義上，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度是基于恒速干燥速率計(jì)算。文獻(xiàn)研究中也有作者基于整個(gè)干燥階段和降速干燥階段的干燥速率來求解逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。Suvarnakuta等[12]比較了分子篩基于恒速干燥階段與整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的不同，研究表明：若以恒速干燥階段計(jì)算則存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，若以整個(gè)干燥階段計(jì)算，則在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)不存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。Messai等[13]則以煤炭顆粒作為多孔性試驗(yàn)物料，研究了其在低壓過熱蒸汽干燥過程中的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，研究結(jié)果表明：以恒速干燥階段和降速干燥階段平均干燥速率計(jì)算，都存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。

果蔬類物料在低壓過熱蒸汽干燥過程中一般無恒速干燥階段，是否存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度還未見有報(bào)道。與真空干燥相比，研究果蔬類物料低壓過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度對(duì)于提高干燥過程效率具有重要意義。此外，物料的干燥品質(zhì)是評(píng)價(jià)干燥方式與干燥條件的重要指標(biāo)，在獲得較高干燥速率的同時(shí)應(yīng)盡量保證物料中的營(yíng)養(yǎng)成分。

青蘿卜中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)同時(shí)兼具藥用價(jià)值，其干制品被廣泛的應(yīng)用于制作醬菜，調(diào)料以及配菜等。同時(shí)，青蘿卜含水率較高，其干燥過程具有代表性，本文選取青蘿卜作為代表性果蔬物料，研究其在低壓過熱蒸汽干燥過程中是否存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。同時(shí)，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥的優(yōu)劣，本文分別比較了在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度之上與之下對(duì)青蘿卜片進(jìn)行干燥時(shí)，2種干燥方式干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率。此外，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度通常較高，在獲得較高干燥速率的同時(shí)會(huì)加劇物料中營(yíng)養(yǎng)成分的損失。通過分析青蘿卜片逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的影響因素，可選擇適宜的溫度，減少高溫干燥對(duì)物料品質(zhì)的破壞。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用青蘿卜（十字花科，蘿卜屬，品種為衛(wèi)青蘿卜），購(gòu)自天津當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。青蘿卜片的尺寸按照均勻性設(shè)計(jì)方案的尺寸準(zhǔn)備，物料直徑的誤差為±0.3 mm，厚度的誤差為±0.1 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

低壓過熱蒸汽干燥試驗(yàn)裝置如圖 1所示，主要有蒸汽發(fā)生器，蒸汽過熱器，干燥箱（由 DHG-9920型真空干燥箱改制，浙江力辰儀器科學(xué)有限公司），冷凝器，真空泵以及在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。用于含水量測(cè)定的儀器設(shè)備為：101-00S型熱風(fēng)干燥箱（浙江力辰儀器科學(xué)有限公司）；TD12001型電子天平（奧豪斯儀器上海有限公司）。青蘿卜片中維生素C的檢測(cè)采用Agilent1200型液相色譜儀（美國(guó)安捷倫科技公司）。電熱恒溫水槽 CU-420（上海精密儀器儀表有限公司）用于青蘿卜片復(fù)水比的測(cè)定。青蘿卜片干燥過程中水分類型的檢測(cè)采用MicroMR-25型低場(chǎng)核磁共振分析儀（蘇州紐邁電子科技有限公司）。青蘿卜切片機(jī)，自行設(shè)計(jì)制造。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 均勻性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布，挑選試驗(yàn)代表點(diǎn)的出發(fā)點(diǎn)是“均勻分散”，而不考慮“整齊可比”，可使每個(gè)因素的每個(gè)水平做1次且僅做1次試驗(yàn)，任2個(gè)因素的試驗(yàn)點(diǎn)在平面的格子點(diǎn)上，每行每列有且僅有1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。本文采用均勻性試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)所用蒸汽流量為300 mg/h，干燥壓力為0.009 5～0.020 0 MPa（文中的干燥壓力為絕對(duì)壓力），干燥溫度為75～90℃，物料直徑為28～53 mm，物料厚度為2～5 mm，將試驗(yàn)條件分為4因素4水平，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1所示。

圖1 低壓過熱蒸汽干燥系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the low pressure superheated steam drying system

表1 青蘿卜片第一降速干燥階段與整個(gè)干燥階段參數(shù)Table 1 Green turnip slice parameters obtained from first falling rate drying period and whole drying period

1.3.2 干燥方法

本文低壓過熱蒸汽干燥試驗(yàn)與真空干燥試驗(yàn)按照均勻性試驗(yàn)設(shè)計(jì)表依次進(jìn)行干燥，真空干燥試驗(yàn)與低壓過熱蒸汽干燥試驗(yàn)為同一干燥裝置，但不通入過熱蒸汽。當(dāng)青蘿卜片的干基含水率降至約0.087 g/g時(shí)停止干燥[14]。

1.3.3 物料含水率與干燥速率表示方法

將青蘿卜樣品放置于 105 ℃的熱風(fēng)干燥箱中，當(dāng)物料的質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)認(rèn)為青蘿卜片中水分完全去除，青蘿卜片干基含水率的計(jì)算方法如下：

式中M為青蘿卜片的干基含水率，g/g；mi為青蘿卜片在i時(shí)刻的質(zhì)量，g；m為青蘿卜片完全干燥后的質(zhì)量，g；青蘿卜片的初始干基含水率為12.81±1.44 g/g。

干燥速率計(jì)算公式如下：

式中r為青蘿卜片干燥速率，%/min；ΔM為t時(shí)間內(nèi)青蘿卜片的干基含水率變化，g/g；t為干燥時(shí)間，min。

1.3.4 青蘿卜片復(fù)水比測(cè)定方法

青蘿卜片的復(fù)水性能與其在干燥過程中的組織結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。在復(fù)水比測(cè)定中，首先往250 mL的燒杯中裝入約150 mL的蒸餾水，然后將燒杯置于60 ℃的電熱恒溫水槽中，當(dāng)燒杯內(nèi)蒸餾水溫度達(dá)到并穩(wěn)定于60 ℃時(shí)將干燥后的青蘿卜片放于燒杯中并開始計(jì)時(shí)。復(fù)水15 min后將青蘿卜片取出，放置于鐵絲網(wǎng)上瀝干5 min，稱量并記錄青蘿卜片的質(zhì)量，重復(fù)多次直到前后 2次青蘿卜的質(zhì)量不再變化時(shí)停止復(fù)水。每組試驗(yàn)選取 3片蘿卜片進(jìn)行復(fù)水，取平均值。在本文中青蘿卜的復(fù)水能力采用復(fù)水比來表示，復(fù)水比（Rr）的計(jì)算公式如下：

式中rG、dG分別表示復(fù)水后和復(fù)水前青蘿卜片質(zhì)量，g。

1.3.5 維生素C的檢測(cè)

青蘿卜片中維生素 C的檢測(cè)采用高效液相色譜法（HPLC）[15]，干燥過程青蘿卜片中維生素C的含量用保留率表示，計(jì)算方法如下：

式中，R：青蘿卜片中維生素C的保留率，%；C：青蘿卜干片中維生素C的含量，mg/g；Co：青蘿卜鮮樣中維生素C的含量，mg/g。

1.3.6 低場(chǎng)核磁共振分析

低場(chǎng)核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術(shù)作為一種無損檢測(cè)技術(shù)能對(duì)質(zhì)子躍遷的信號(hào)進(jìn)行捕捉分析，從而可以定量的表示物料中的水分類型與含量。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)已被應(yīng)用胡蘿卜[16,17]、蓮子[18]和蘋果片[19,20]等物料干燥過程水分類型的分析。文中青蘿卜樣品中的水分類型采用紐邁 MicroMR-25型核磁共振成像分析儀進(jìn)行檢測(cè)，橫向弛豫時(shí)間T2采用CPMG脈沖序列，橫向弛豫時(shí)間T2的主要操作參數(shù)為等待時(shí)間TW= 3 000 ms，回波時(shí)間TE=0.5 ms，回聲數(shù)NECH=6 000，重復(fù)次數(shù)NS=32。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

均勻性設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Minitab 17軟件進(jìn)行處理，平均干燥速率計(jì)算值的準(zhǔn)確性采用實(shí)際值與計(jì)算值之的相對(duì)誤差δ與決定系數(shù)R2表示，相對(duì)誤差δ與決定系數(shù)R2的計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 平均干燥速率

食品類物料在低壓過熱蒸汽干燥過程中無恒速干燥階段，有 2個(gè)降速干燥階段，因此本文選取第一降速干燥階段與整個(gè)干燥階段的平均干燥速率來求解逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。整個(gè)干燥階段是指青蘿卜片從初始干基含水率降至約0.087 g/g的過程。經(jīng)過計(jì)算，低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片第一降速干燥階段的含水率區(qū)間為（12.17± 0.82～1.70±1.63） g/g，真空干燥的青蘿卜片第一降速干燥階段的干基含水率為（11.25±1.71～2.53±0.68） g/g。低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片的活化能為32.25 kJ/mol，真空干燥的青蘿卜片的活化能為36.15 kJ/mol。由多孔介質(zhì)結(jié)合水的物理吸附熱范圍為20～40 kJ/mol可知[21]，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥過程中除去的水分主以物理吸附為主。

2.1.1 平均干燥速率擬合公式

表 1所示為青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥和真空干燥在整個(gè)干燥階段的平均干燥速率1?r和2?r，在第一降速干燥階段的平均干燥速率r1和r2，以及2種干燥方式所用干燥時(shí)間t1和t2的數(shù)值。

本文在均勻性試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上采用Minitab 17軟件分別對(duì)基于整個(gè)干燥階段和第一降速干燥階段的低壓過熱蒸汽和真空干燥平均干燥速率進(jìn)行了擬合，公式（7）～（10）分別為基于整個(gè)干燥階段和第一降速干燥階段擬合的低壓過熱蒸汽干燥和真空干燥平均干燥速率與干燥條件（壓力P和干燥溫度T）及青蘿卜片尺寸（直徑D和厚度H）之間的關(guān)系方程。

2.1.2 平均干燥速率擬合公式驗(yàn)證

為了驗(yàn)證擬合公式（7）～（10）所計(jì)算干燥速率的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。表 2所示為隨機(jī)干燥條件下青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥平均干燥速率實(shí)際值與計(jì)算值的相對(duì)誤差δ與決定系數(shù)R2。δk與Rk2分別表示青蘿卜片基于整個(gè)干燥階段平均干燥速率實(shí)際值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差與決定系數(shù)；δr與Rr2分別表示青蘿卜片基于第一降速干燥階段平均干燥速率實(shí)際值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差與決定系數(shù)。

表2 青蘿卜片平均干燥速率計(jì)算值與實(shí)際值相對(duì)誤差δ與決定系數(shù)R2Table 2 The relative error δ and determination coefficient R2 of average drying rate of green turnip slice

從表 2可以看出青蘿卜片基于整個(gè)干燥階段獲得的低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥平均干燥速率實(shí)際值與計(jì)算值之間的決定系數(shù)分別為0.94和0.95，最大相對(duì)誤差分別為9.45%和9.20%；基于第一降速干燥階段獲得的低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥平均干燥速率實(shí)際值與計(jì)算值之間的決定系數(shù)分別為0.89和0.91，最大相對(duì)誤差分別為9.23%和10%，試驗(yàn)誤差在所接受的試驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，這說明可以由公式（7）～（10）對(duì)其它干燥條件下的平均干燥速率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度求解

圖2所示為在干燥壓力0.009 5 MPa，青蘿卜片厚度為3 mm，直徑為48 mm條件下分別基于整個(gè)干燥階段及第一降速干燥階段平均干燥速率求解的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，圖2中，WDP（whole drying period）和 FRP（first falling drying period）分別代表基于整個(gè)干燥階段和第一降速干燥階段。

利用青蘿卜片干燥速率擬合公式（7）～（10）計(jì)算得出，基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度T1=86.1℃（見圖 2），即在第一降速干燥階段，當(dāng)干燥溫度低于86.1 ℃時(shí)，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽中的干燥速率要低于在真空干燥中的速率；當(dāng)干燥溫度高于86.1 ℃時(shí)，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽中的干燥速率要高于在真空中的干燥速率。基于整個(gè)干燥過程計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度T2=92.7℃（見圖2），即對(duì)于整個(gè)干燥過程，當(dāng)干燥溫度低于92.7℃時(shí)，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽中的干燥速率要低于在真空中的干燥速率；當(dāng)干燥溫度高于92.7 ℃時(shí)，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽中的干燥速率要高于在真空中的干燥速率。為體現(xiàn)過熱蒸汽的干燥速率優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上對(duì)物料進(jìn)行干燥。顯然，基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度要高于基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，這說明低壓過熱蒸汽干燥在青蘿卜片干燥的前期要比在干燥后期更具有干燥動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。Devahastin等[7]在研究胡蘿卜塊干燥特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)干燥溫度對(duì)低壓過熱蒸汽干燥速率的影響要顯著高于對(duì)真空干燥的影響，Devahastin認(rèn)為這是由于干燥溫度對(duì)過熱蒸汽熱力性質(zhì)的影響要高于對(duì)熱空氣熱力性質(zhì)的影響。由《國(guó)際單位制的水和水蒸汽性質(zhì)》[22]可得，在本文中，當(dāng)干燥壓力為0.009 5 MPa，干燥溫度為75 ℃～100 ℃的范圍內(nèi)過熱蒸汽的定壓比熱容變化幅度小于0.041%，導(dǎo)熱系數(shù)升高了約5.17%，過熱蒸汽熱力性質(zhì)變化不是影響干燥速率的主要因素。

圖2 基于整個(gè)干燥階段與第一降速干燥階段平均干燥速率計(jì)算的青蘿卜片逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度Fig.2 Green turnip slice inversion temperature calculated from average drying rate of whole drying period and first falling rate drying period

對(duì)于低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥，物料中的水分在內(nèi)部汽化，水分以汽態(tài)的形式傳遞到物料表面[7]，水蒸汽在物料表面的蒸發(fā)速率受傳遞熱量[23]和干燥介質(zhì)流速的影響。本文中干燥介質(zhì)的流速相同，忽略干燥介質(zhì)流速對(duì)物料表面水分蒸發(fā)速率的影響。由圖 3可以看出在低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥的前期物料表面溫度波動(dòng)較小，近似認(rèn)為溫度恒定。低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片表面恒溫階段在第一降速干燥階段結(jié)束時(shí)停止[7]。本文低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥的第一降速干燥階段物料表面溫度處于恒定階段。由圖 3可以看出在相同干燥壓力下，隨干燥溫度的升高，低壓過熱蒸汽干燥的物料表面溫度在此階段近似相等（理論上等于水的沸點(diǎn)溫度，在本文中物料表面溫度略高于水的沸點(diǎn)溫度）；而真空干燥的物料表面溫度（等于濕球溫度），隨干燥溫度的升高而升高。由圖 3可知，升高相同的溫度，低壓過熱蒸汽干燥的物料表面與干燥介質(zhì)之間的溫差變化幅度大于真空干燥，低壓過熱蒸汽干燥傳遞給物料更多的熱量，使干燥速率變化更為顯著。此外，Prothon等[24]研究發(fā)現(xiàn)生物基材料在熱風(fēng)干燥過程中自由水的遷移對(duì)食品物料孔結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)合水的遷移導(dǎo)致細(xì)胞收縮、孔隙形成以及細(xì)胞和孔隙結(jié)構(gòu)的崩潰，從而對(duì)食品物料孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。圖 4所示為利用核磁共振分析儀得到的青蘿卜干燥過程中各類型水分含量的變化。比較圖 3與圖 4可得，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽干燥第一降速干燥階段去除的水分主要為自由水。由Prothon等[24]的研究可知，自由水的去除對(duì)物料的結(jié)構(gòu)影響較小，可認(rèn)為在第一降速干燥階段青蘿卜片的結(jié)構(gòu)無顯著變化，即不考慮第一降速干燥階段孔結(jié)構(gòu)變化對(duì)干燥速率的影響。綜上，影響基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的主要因素為物料表面溫度與干燥介質(zhì)之間的溫差。

圖3 青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥過程表面溫度變化Fig.3 Surface temperature variation curve of green turnip slice during low pressure superheated steam drying and vacuum drying

圖4 青蘿卜低壓過熱蒸汽干燥過程中各類型水分峰值面積變化Fig.4 Peak area variation of various types of water in green turnip during low pressure superheated steam drying

基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，除干燥溫度會(huì)對(duì)干燥速率產(chǎn)生影響外，物料本身的變化也會(huì)對(duì)干燥速率產(chǎn)生影響。Moardder等[25]的研究表明生物基材料在干燥過程中的多孔結(jié)構(gòu)變化會(huì)顯著影響物料的傳輸特性，如熱擴(kuò)散率，水分?jǐn)U散率和介電特性等。Guillard等[26]也指出對(duì)于具有多孔結(jié)構(gòu)的生物基材料，隨著材料孔隙率的增加有效水分?jǐn)U散系數(shù)會(huì)增加。Prakotmak等[27]和Chen等[28]將有效水分?jǐn)U散系數(shù)表達(dá)為孔隙率的函數(shù)，如下所示：

式中DA為二元分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；ε為樣品的孔隙率；τ為物料的曲折度；Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s。

從式（11）可以看出有效水分?jǐn)U散系數(shù)與物料孔隙率成正比關(guān)系。Marabi等[29]利用熱風(fēng)干燥，冷凍干燥以及兩種干燥方法結(jié)合的方式得到不同孔隙率的胡蘿卜干，研究發(fā)現(xiàn)胡蘿卜干復(fù)水比隨著孔隙率的增加而增加。Mcminn等[30]在研究熱風(fēng)干燥的土豆片復(fù)水性時(shí)也發(fā)現(xiàn)具有較低孔隙率的土豆片復(fù)水性較差，因此物料的孔隙率可以用復(fù)水比表征。本文利用青蘿卜片的復(fù)水比來表征物料的孔隙率特點(diǎn)，若干燥條件對(duì)青蘿卜片復(fù)水比的影響作用較大則認(rèn)為干燥條件對(duì)青蘿卜片的孔隙結(jié)構(gòu)影響作用較大，即對(duì)物料干燥過程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)有較大的影響。由圖 4可得在干燥的后期青蘿卜中去除的水分主要為中度結(jié)合水（moderately bound water），中度結(jié)合水的去除會(huì)顯著影響物料的孔隙結(jié)構(gòu)。圖 5所示為干燥條件對(duì)青蘿卜片復(fù)水比的影響。從圖 5中可以看出當(dāng)干燥溫度由75℃升高至90℃時(shí)，低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥的青蘿卜片復(fù)水比分別增加了4.2%和6.3%。如前所述，復(fù)水比的增加說明物料具有較高的空隙率，實(shí)際干燥過程物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加，從而可加快干燥速率。低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片復(fù)水比隨干燥溫度的變化較小，說明隨干燥溫度的升高，低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片孔隙率增加量小于真空干燥。在干燥后期，低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加量小于真空干燥，因此基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度要高于基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。在本文中 2種干燥方式干燥的青蘿卜片復(fù)水比隨干燥溫度的變化差異較小，物料表面與干燥介質(zhì)之間的溫差是逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度存在的主要原因。

對(duì)于食品類物料干燥，在獲得較高干燥速率的同時(shí)往往會(huì)降低物料的品質(zhì)，本文分別研究了低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥，在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度前后干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率。當(dāng)干燥壓力為0.009 5 MPa，低壓過熱蒸汽與真空干燥在85 ℃干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率分別為46.22%和42.74%；在92.7 ℃（逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度）干燥的青蘿卜片中維生素 C的保留率分別為 40.68%和38.02%；在100 ℃干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率分別為35.13%和33.29%。在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上與以下，低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率都要高于真空干燥，這說明在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上，低壓過熱蒸汽干燥速率不僅高于真空干燥速率，而且干燥的物料中維生素C的保留率要高于真空干燥。

圖5 干燥條件對(duì)青蘿卜片復(fù)水比的影響Fig.5 Effect of drying condition on rehydration ratio of dried green turnip slice

2.3 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度影響因素分析

2.3.1 干燥壓力對(duì)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的影響

圖6所示直徑為48 mm，厚度為3 mm的青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨干燥壓力的變化。

圖6 青蘿卜片逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨干燥壓力的變化Fig.6 Variation of green turnip slice inversion temperature with drying pressure

從圖 6可以看出，基于整個(gè)干燥階段與第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度都隨干燥壓力的升高（真空度的下降）而升高。Suvarnakuta等[12]在研究多孔介質(zhì)分子篩珠在低壓過熱蒸汽干燥中的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度時(shí),也發(fā)現(xiàn)干燥壓力的升高會(huì)使逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度升高，原因在于隨干燥壓力的升高，低壓過熱蒸汽干燥的分子篩表面溫度與干燥介質(zhì)之間的溫差下降幅度大于真空干燥，使傳熱速率顯著降低。由圖 3可以看出，在低壓過熱蒸汽干燥的前期，物料表面溫度等于該操作壓力下水的沸點(diǎn)溫度，當(dāng)干燥壓力升高時(shí)，由于水的沸點(diǎn)溫度升高，物料表面溫度隨之升高；而對(duì)于真空干燥，當(dāng)干燥壓力升高時(shí)，在干燥的前期物料表面溫度基本不變，這與Messai等[13]的研究結(jié)果一致。隨干燥壓力的升高，低壓過熱蒸汽干燥的物料表面溫度與干燥介質(zhì)之間的溫差下降，傳遞給物料的熱量降低，使干燥速率降低，因此隨干燥壓力的升高逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度升高。由圖 5可得，低壓過熱蒸汽干燥的物料與真空干燥的物料復(fù)水比分別降低了 6.5%和12.2%，說明在干燥的后期，真空干燥的物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)顯著降低，因此基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，隨干燥壓力的變化大于基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度變化。

2.3.2 物料厚度對(duì)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的影響

圖7所示為在干燥壓力為0.0095MPa，直徑為48mm的青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥過程逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨物料厚度的變化。

圖7 青蘿卜片逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨物料厚度的變化Fig.7 Variation of green turnip slice inversion temperature with material thickness

從圖 7可以看出，隨物料厚度的增加，基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度升高，基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度變化幅度較低，可忽略。在第一降速干燥階段，改變青蘿卜片厚度不會(huì)影響干燥介質(zhì)與物料表面之間的熱量傳遞。青蘿卜片在第一降速干燥階段的干燥速率無明顯變化，因此基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨物料厚度無明顯變化。從圖5可以看出，隨物料厚度的增加，低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥的青蘿卜片復(fù)水比分別減少了8%和3.4%，這表明在干燥的后期，隨青蘿卜片厚度的增加，低壓過熱蒸汽干燥的青蘿卜片孔隙率減少量要大于真空干燥，青蘿卜片有效水分?jǐn)U散系數(shù)減小幅度要大于真空干燥，干燥速率下降更為顯著，使基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨物料厚度的增加而升高。此外，本文研究發(fā)現(xiàn)物料直徑對(duì) 2種方式計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度沒有影響。

3 結(jié) 論

本文通過比較青蘿卜片低壓過熱蒸汽干燥與真空干燥過程，并通過計(jì)算整個(gè)干燥階段和第一降速干燥階段的平均干燥速率，得出以下結(jié)論：

1）在干燥壓力為0.009 5 MPa時(shí)，基于整個(gè)干燥階段與第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度分別為92.7 ℃和86.1 ℃?；谡麄€(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度高于基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。

2）基于整個(gè)干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨干燥壓力的升高而升高，隨物料厚度的增加而增加。基于第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨干燥壓力的升高而升高，物料厚度對(duì)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度無影響。在設(shè)備與物料容許的范圍內(nèi)，降低干燥壓力與物料厚度可獲得較低的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。

3）低壓過熱蒸汽與真空干燥在 85 ℃（逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以下）干燥的青蘿卜片中維生素 C的保留率分別為46.22%和42.74%；在100 ℃（逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上）干燥的青蘿卜片中維生素C的保留率分別為35.13%和33.29%。在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上，低壓過熱蒸汽干燥速率不僅高于真空干燥速率，而且干燥的物料中維生素C的保留率要高于真空干燥。為體現(xiàn)低壓過熱蒸汽的干燥速率優(yōu)勢(shì)，可在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上對(duì)物料進(jìn)行干燥。

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