紅棗超聲波-熱泵協(xié)同干燥動力學(xué)試驗研究

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710302)

常用的干燥方法主要有：熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空冷凍干燥和熱泵干燥等[1-4]。

超聲波是一種頻率高于20 kHz的機械波。超聲波作用于其他介質(zhì)時，能夠降低介質(zhì)內(nèi)部水分的附著力和減小介質(zhì)內(nèi)部水分的遷移阻力，從而增加了物料內(nèi)部的傳質(zhì)[5]。

超聲波可以通過影響加工過程中的動力特性來影響產(chǎn)品的品質(zhì)[6-10]。超聲波在食品中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在食品的破碎和成分提取強化方面，超聲波輔助技術(shù)應(yīng)用到干燥工藝在國內(nèi)外也有一些研究[11-15]。

本文將超聲波-熱泵協(xié)同技術(shù)引入到新鮮紅棗干燥過程，并對其干燥動力學(xué)特性進行了研究分析，目的在于豐富紅棗干燥基礎(chǔ)理論，探索高效節(jié)能的紅棗干燥新工藝。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 裝置

本研究所用的干燥裝置為結(jié)合超聲波裝置的閉式熱泵干燥系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲波裝置是由深圳科美達超聲設(shè)備有限公司生產(chǎn)的THD-M1系列超聲波發(fā)生裝置，工作參數(shù)如表1所示。該超聲波裝置主要由超聲換能器和超聲發(fā)生器組成，超聲波發(fā)生器調(diào)整公用電的頻率使其符合換能器的要求；從而使得換能器能將特定頻率的電能轉(zhuǎn)換成聲波能傳播出去形成超聲波。在正式試驗之前，應(yīng)進行阻抗和調(diào)諧匹配，盡量提高換能器性能，理論上換能器的能量轉(zhuǎn)換率可高達80%。

表1 THD-M1工作參數(shù)

圖1 超聲波-熱泵協(xié)同干燥裝置1-超聲波發(fā)生器;2-顯示面板;3-功率指示燈;4-開關(guān);5-啟動/停止按鍵;6-時間減小鍵;7-時間增加鍵;8-功率減小鍵;9-功率增加鍵;10-連接導(dǎo)線;11-物料盤;12-超聲波換能器;13-緊固螺栓;14-壓縮機;15-冷凝器;16-膨脹閥;17-蒸發(fā)器;18-干燥箱

1.2 試驗方法

取新鮮晾曬一段時間的紅棗(含核)，選取大小均勻色澤明亮的樣品密封存放在4℃環(huán)境中，試驗前1天將樣品取出置于室溫環(huán)境中。試驗方案如表2和表3所示，用于研究不同溫度條件下超聲波頻率及功率對紅棗干燥速率的影響。

表2 超聲波頻率對紅棗干燥速率的影響

試驗步驟：

(1)按試驗方案選擇對應(yīng)頻率的超聲波換能器，并與發(fā)生器連接。為減小阻抗，調(diào)節(jié)發(fā)生器輸出頻率和功率，使與換能器保持一致。

(2)設(shè)定干燥過程空氣參數(shù)：干燥溫度42 ℃或36 ℃，風(fēng)速0.8 m/s，啟動閉式熱泵干燥系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)運行一段時間后，干燥箱內(nèi)溫度達到設(shè)定要求值，將樣品紅棗放入干燥箱內(nèi)并啟動超聲波發(fā)生器，對樣品進行超聲波-熱泵聯(lián)合干燥。干燥過程中，定時進行測重計算當(dāng)前含水率。

(4)聯(lián)合干燥30 min后關(guān)閉超聲波發(fā)生裝置，只進行熱泵干燥。

(5)整體干燥18 h后，關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，測定最終樣品重量和含水率。

(6)每組試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗的測量值。

表3 超聲波功率對紅棗干燥速率的影響

2 結(jié)果討論

2.1 超聲波功率對干燥特性的影響

單次試驗取樣品紅棗500 g左右置于物料盤內(nèi)，采用頻率為28 kHz，功率分別為60 W、80 W和100 W的超聲波進行輔助處理，所得干燥曲線如圖2和圖3所示。當(dāng)干燥溫度為36 ℃時，附加超聲波，干燥18 h后紅棗的含水率分別比無超聲波輔助時額外下降了1.45%(60 W)、2.01%(80 W)和2.58%(100 W)。若以36 ℃時單一熱泵干燥達到的最終含水率(29.4%)為目標(biāo)含水率，則輔助超聲波后節(jié)約的時間分別為：14 000 s(60 W)、17 000 s(80 W)和20 000 s(100 W)。當(dāng)干燥溫度為42 ℃時，附加超聲波，干燥18 h后紅棗的含水率分別比無超聲波輔助時額外下降了1.08%(60 W)、1.34%(80 W)和1.68%(100 W)。同樣地，若以42℃時單一熱泵干燥達到的最終含水率(26.7%)為目標(biāo)含水率，則輔助超聲波后節(jié)約的時間分別為：14 400 s(60 W)、19 200 s(80 W)和21 600 s(100 W)。

圖2 36 ℃不同超聲波功率時紅棗的干燥速率

圖3 42 ℃不同超聲波功率時紅棗的干燥速率

分析可知，輔助接觸式超聲后紅棗熱泵干燥過程得到了顯著的強化，且隨著超聲功率的增加，這種強化效果更加明顯。究其原因在于，熱泵干燥過程中，超聲波能量的傳入，會使紅棗內(nèi)部產(chǎn)生“海綿效應(yīng)”和“空化作用”。固體架構(gòu)因“海綿效應(yīng)”產(chǎn)生的作用力大于物料內(nèi)部毛細管內(nèi)水分的表面附著力時，水分子開始脫離固體架構(gòu)，減小了水分子遷移過程需要克服的阻力。另外，紅棗內(nèi)部存在的液態(tài)水在超聲波作用下，會產(chǎn)生一系列生成氣泡到氣泡破裂的現(xiàn)象，稱為空化現(xiàn)象，該現(xiàn)象引起紅棗內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化及微通道的產(chǎn)生，提供了更多的水分子遷移通道。同時超聲功率增加，紅棗內(nèi)部接受的能量更多，振動也更加強烈，加劇了空化效應(yīng)和海綿效應(yīng)等，從而更快更容易破壞水分子與管壁之間的結(jié)合關(guān)系，并形成更多的微通道，進一步強化了物料表面與內(nèi)部傳質(zhì)，從而表現(xiàn)為干燥速率升高。例如，西北農(nóng)林科技大學(xué)的陳文敏等對經(jīng)超聲波處理后的紅棗進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)其表面產(chǎn)生大量細微的裂紋，這些新的裂紋為水分子擴散提供了渠道[16]。

2.2 超聲波頻率對干燥特性的影響

為研究不同超聲波頻率對紅棗干燥速率的影響，取樣品紅棗500 g左右置于物料盤內(nèi)，采用功率為60 W、頻率分別為20 kHz、28 kHz和33 kHz的超聲波進行處理，所得干燥曲線如圖4和圖5所示。當(dāng)干燥溫度為33 ℃時，附加超聲波，干燥18 h后紅棗的含水率分別下降了1.02%(60 W)、2.91%(80 W)和3.50%(100 W)。以36 ℃時單一熱泵干燥達到的最終含水率(28.4%)為干燥目標(biāo)含水率，則輔助超聲波后節(jié)約的時間分別為：9 600 s(20 kHz)、16 800 s(28 kHz)和20 400 s(33 kHz)。而當(dāng)干燥溫度為42 ℃時，附加超聲波，干燥18 h后紅棗的含水率分別下降了0.92%(60 W)、2.16%(80 W)和3.02%(100 W)。以42℃時單一熱泵干燥達到的最終含水率(26.7%)為干燥目標(biāo)含水率，則輔助超聲波后節(jié)約的時間分別為：7 200 s(20 kHz)、19 200 s(28 kHz)和21 600 s(33 kHz)。

圖4 36 ℃不同超聲波頻率時紅棗的干燥速率

圖5 42 ℃不同超聲波頻率時紅棗的干燥速率

由圖4和圖5可見，保持超聲波功率不變的情況下，單一地增加頻率也有力于提高干燥速率，縮短干燥時間。超聲波頻率增加，單位時間紅棗受到的作用次數(shù)增加，會使海綿效應(yīng)和空化作用強度增大，生成更多的空化泡并導(dǎo)致更密集的沖擊波，從而在物料內(nèi)部形成更多微通道。另外，功率保持不變的情況下，提高超聲波頻率可使紅棗內(nèi)部因空化生成的氣泡變小，其破裂瞬間釋放的能量相應(yīng)減少，這樣有效地減小了對物料微觀結(jié)構(gòu)的損傷。高頻有助于減小紅棗和干燥空氣之間的粘滯邊界層，降低傳質(zhì)阻力，從而更利于水分子從紅棗表皮擴散至空氣。

2.3 溫度對聯(lián)合干燥過程干燥特性的影響

為了分析超聲波-熱泵聯(lián)合干燥過程溫度對干燥速率的影響，將超聲波處理相同，而干燥溫度不同的紅棗干燥試驗數(shù)據(jù)進行比較，如圖6所示。相同超聲波處理條件下，干燥溫度的升高導(dǎo)致更快的干燥速率，其原理與常規(guī)熱風(fēng)干燥相同。但隨著超聲波功率的增加，溫度對干燥速率的影響有降低趨勢。干燥過程中，超聲對干燥速率的強化效應(yīng)主要由其產(chǎn)生的空化效應(yīng)及機械效應(yīng)的強度決定。在不同溫度下，相同功率的超聲所提供的聲強與超聲能量衰減規(guī)律基本相同，用于強化水分擴散的有效超聲能量以及超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機械效應(yīng)并不隨溫度的改變而顯著變化；而溫度升高雖然會提高供給物料的熱流密度，用于水分擴散與蒸發(fā)的熱量隨之增加，但由于受到紅棗內(nèi)部水分擴散速率的限制，其整體表現(xiàn)速率增長幅度會有所下降。因此，在溫度變化情況相同的情況下，提高超聲波的作用功率會使得單純因熱效應(yīng)而擴散的水分量有所下降，超聲空化效應(yīng)及機械效應(yīng)對物料內(nèi)部水分遷徙的影響所占比重逐漸升高，表現(xiàn)為溫度對干燥的強化效果隨超聲波功率的升高而趨于減弱。

圖6 溫度對相同超聲波處理條件下紅棗干燥速率的影響

3 結(jié)論

與單獨的熱泵干燥相比，超聲波-熱泵聯(lián)合干燥可以加快紅棗干燥速率，且在所研究的范圍內(nèi)，隨著超聲波功率的增大(60～100 W)和頻率的升高(20～33 kHz)，紅棗內(nèi)部的空化效應(yīng)和海綿效應(yīng)增強，從而對干燥的促進效果也更加顯著。試驗結(jié)果表明，超聲波強化效果也會受到溫度的影響，溫度升高超聲波的強化效果會相對有所下降。

[1]何正斌.木材超聲波—真空協(xié)同干燥熱質(zhì)傳遞規(guī)律研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2014.

[2]Michael B,Timo K,Trygve M E.Model and process simulation of microwave assisted convective drying of clipfish[J].Applied Thermal Engineering,2013(59):675:682.

[3]Jangam S V L C L,Mujumdar a S.Drying of Foods,Vegetables and Fruits[M].Singapore: National University of Singapore Press,2010.

[4]Patel K K,Kar A.Heat pump assisted drying of agricultural produce-an overview[J].Journal Of Food Science And Technology-Mysore,2012,49(2):142-160.

[5]趙芳,陳振乾,施明恒.胡蘿卜超聲波預(yù)干燥熱濕耦合遷移過程的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010，26(11):349-354.

[6]Fernandes F a N,Rodrigues S.Ultrasound as pre-treatment for drying of fruits:Dehydration of banana[J].Journal Of Food Engineering,2007,82(2):261-268.

[7]Oliveira F I P,Gallao M I,Rodrigues S,et al.Dehydration of Malay Apple (Syzygium malaccense L.) Using Ultrasound as Pre-treatment [J]. Food And Bioprocess Technology,2011,4(4):610-615.

[8]Fernandes F a N, Oliveira F I P, Rodrigues S. Use of Ultrasound for Dehydration of Papayas[J].Food And Bioprocess Technology,2008,1(4):339-345.

[9]Carel J A,Garcia-Perez J V,Benedito J,et al.Food process innovation through new technologies: Use of ultrasound[J].Journal Of Food Engineering,2012,110(2):200-207.

[10]Gamboa-Santos J, Montilla A, Carcel J A, et al. Air-borne ultrasound application in the convective drying of strawberry[J].Journal Of Food Engineering,2014(128):132-141.

[11]SchosslerK,Jager H,Knorr D.Effect of continuous and intermittent ultrasound on drying time and effective diffusivity dryingconvective drying of apple and red bell pepper[J]．Journal of Food Engineering，2012,108(1):103-110．

[12]Romero J C A,Yepez V B D.Ultrasound as pretreatment to convective drying of Andean blackberry(Rubus glaucus Benth)[J].Ultrasonic Sonochemistry,2015(22):205-210．

[13] Gamboa S J,Montilla A,Carcel J A,et al.Air-borne ultrasound application in the convective drying of strawberry[J].Journal of Food Engineering,2014(128):132-139．

[14]Gallego-Juarez J A,Riera E,Fuente-Blanco S D L,et al.Application of high-power ultrasound for dehydration of vegetables:processes and devices[J].Drying Technology,2007,25(11):1893-1901．

[15]張利芳,張名位,黃文,等.纖維素酶協(xié)同超聲波輔助提取苦瓜多糖工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(11):142-147．

[16]陳文敏，彭星星，馬婷,等.超聲波處理對中短波紅外干燥紅棗時間及品質(zhì)的影響[J].食品科學(xué), 2015,36(8):74-80.