冬棗片氣體射流沖擊干燥特性與模型分析

魏事宇,王 高,曹玉雪,張湘楠,劉旭東 ,姚雪東

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院，合肥 230030；3. 中國人民解放軍第五七二一工廠， 石家莊 050200)

0 引言

冬棗又稱凍棗，皮薄肉脆，營養(yǎng)豐富，含有人體所需的18種氨基酸和多種維生素，被譽為“活維生素丸”，是晚熟的鮮食優(yōu)良品種[1]。

棗片制干不受棗等級限制，有小面積缺陷的鮮棗也可以加工成棗片，實現(xiàn)棗資源的最大化利用。對于有關(guān)棗片的干燥研究，魯墨森等[2]采用不同溫度段分部烘干棗片的方法，雖然做了加工過程的工藝研究，但對棗片干燥過程的動態(tài)變化沒做出相應(yīng)的分析。郭秉印等[3]采用傳統(tǒng)熱風(fēng)技術(shù)干燥冬棗片，建立了簡單的干燥動力學(xué)模型。納文娟等[4]為了保證烘箱干燥冬棗片色澤、風(fēng)味及質(zhì)地等品質(zhì)，得出了冬棗片干燥最優(yōu)的實驗前處理方式。Gao Q H等[5]對棗片干燥的研究涉及到干燥前后的品質(zhì)對比分析，但是缺乏對棗片干燥后特性細致研究。

脈動式氣體射流沖擊干燥技術(shù)是一種間歇干燥技術(shù)，由于氣流速度高、流程短，氣流與物料表面之間具有非常薄的邊界層，與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)相比具有較高的對流換熱系數(shù)和干燥速度[6]，該技術(shù)現(xiàn)已被成功應(yīng)用于紙張和紡織物等的干燥中。在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域，氣體射流沖擊干燥技術(shù)已經(jīng)被用于胡蘿卜[7]、葡萄[8]、種子[9]、杏子[10]和哈密瓜[11]等物料的干燥，取得了十分顯著的效果。

本文將脈動式氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于冬棗片的干燥，通過干燥曲線和5種經(jīng)典干燥模型的擬合，來研究不同干燥溫度對冬棗片干燥特性的影響，為棗片干燥行業(yè)提供有價值的技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設(shè)備

脈動式氣體射流沖擊干燥裝置，由石河子大學(xué)干燥技術(shù)與裝備實驗室研究制作；電子秤，JY/YP30002，上海越平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗材料

新鮮冬棗，購于石河子綜合批發(fā)市場，挑選成熟度一致的冬棗作為實驗材料。冬棗表面擦凈，放入恒濕、恒溫冰柜內(nèi)冷藏24h，使冬棗內(nèi)部水分趨于一致[12]。

1.3 實驗方法

將新鮮冬棗從兩側(cè)面切下厚度約為7mm的棗片，將棗片單層平鋪在料盤上，保證料盤中鮮棗片質(zhì)量在100g以上。設(shè)置干燥參數(shù)后把干燥機預(yù)熱，將棗片和料盤一同放在干燥室物料架上，開始干燥實驗；每隔1 h快速測定料盤總質(zhì)量，稱重后立刻放回干燥室內(nèi)繼續(xù)干燥，每次稱重操作時間不超過20s；記錄實驗數(shù)據(jù)，直至冬棗片干基含水率小于12%，停止試驗，然后進行下一組實驗，每組實驗重復(fù)3次。

1.4 紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥特性

1.4.1 干燥特性

冬棗片干燥過程的水分比MR(moisture ratio)和干燥速率(drying rate)分別為

(1)

(2)

其中，Mt為t時刻的干基含水量(g/g)；Me為平衡時的干基含水量(g/g)；M0為初始時刻的干基含水量(g/g)；Mt1為t1時刻的干基含水量(g/g)；Mt2為t2時刻的干基含水量(g/g)。

干基含水量Mt為

(3)

其中，Wt為在t時刻的質(zhì)量(g)；G為干物質(zhì)質(zhì)量(g)。

1.4.2 數(shù)學(xué)模型

為了研究冬棗片干燥過程動態(tài)變化模型，本研究分別用5種常用的果蔬薄層經(jīng)典干燥數(shù)學(xué)模型[13-14]描述棗片干燥過程的干燥特性曲線。表1為幾種常見的薄層干燥MR的模型方程。

表1 果蔬薄層干燥的數(shù)學(xué)模型

a、b、k為待定系數(shù)。

用MatLab軟件利用高斯-牛頓算法，進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)學(xué)模型方程與干燥過程進行非線性最小二乘數(shù)據(jù)擬合求解，確定干燥系數(shù)。數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度可由決定系數(shù)R2、均方誤差的根RMSE與誤差平方和SSE來表示，分別為

(4)

(5)

(6)

其中，MRexp,i為實測水分比；MRpre,i為預(yù)測水分比；N為實驗測得數(shù)據(jù)的組數(shù)；n為常數(shù)的個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件下的冬棗片干燥特性曲線

干燥特性曲線是指MR與干燥時間之間的關(guān)系曲線，反映的是物料干基含水率跟干燥時間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。冬棗片不同干燥條件下的干燥特性曲線如圖1～圖3所示。

圖1 冬棗片在不同干燥溫度下的干燥曲線

圖2 不同干燥風(fēng)速下冬棗片的干燥曲線

圖3 不同轉(zhuǎn)速下冬棗片的干燥曲線

由圖1～圖3可知：冬棗片的整個干燥過程屬于降速干燥，主要是因為在干燥過程中，棗片表面的水分擴散率大于棗片內(nèi)部的水分遷移率，這與巨浩羽[15]等利用中短波紅外干燥蘋果片及張茜[16]等預(yù)處理對線辣椒氣體射流沖擊干燥特性和色澤的影響得出的結(jié)果相一致。

2.2 方差分析

分別對干燥溫度、風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的干燥實驗進行單因素方差分析，從方差分析表2～表4中看出：p溫度<0.05，而p風(fēng)速>0.05和p轉(zhuǎn)速>0.05，所以干燥溫度對干燥速率的影響顯著，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對干燥速率的影響不顯著。

表2 不同干燥溫度的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(5,11)=3.20。

表3 不同風(fēng)速的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(4,10)=3.48。

表4 不同轉(zhuǎn)速的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(2,4)=6.94。

2.3 干燥數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

2.3.1 干燥模型的確定

干燥試驗的干基含水率可以作為模型擬合的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)表1的經(jīng)典薄層干燥模型擬合，從而選擇合適的棗片干燥模型。根據(jù)不同模型的統(tǒng)計結(jié)果以及R2、RMSE和SSE的值，得出擬合度較高的數(shù)學(xué)模型，如表5所示。評價標準如下：R2越大，RMSE和SSE值越小，則擬合優(yōu)度越好。

由表5可知：與其他模型相比，Modified Page模型和Two term模型的決定系數(shù)R2較大，且RMSE和SSE較小。由于Two term有較多的參數(shù)，所以選擇Modified Page 模型更適合用于描述冬棗片的氣體射流沖擊干燥。運用SPSS軟件對模型中的干燥常數(shù)k和n對干燥溫度進行多元線性回歸分析，回歸方程建立如下，即

k=-1.119+0.021T+0.034V

(7)

n=-0.363+0.118R+0.011T

(8)

其中，T為干燥風(fēng)溫(℃)；V為干燥風(fēng)速(m/s)；R為轉(zhuǎn)速(r/min)。

表5 冬棗片薄層干燥模型參數(shù)值及R2、RMSE和SSE值

續(xù)表5

對模型系數(shù)k和n回歸方程進行方差分析，從表6和表7中可以看出兩個方差分析的p<0.05，因此回歸方程是有效的。

表6 回歸模型系數(shù)k的方差分析

表7 回歸模型系數(shù)n的方差分析

2.3.2模型的驗證

在風(fēng)溫為70℃、風(fēng)速為10m/s、轉(zhuǎn)速7r/min條件下的干燥曲線實測值和Modified Page 模型方程模型值，如圖4所示。趨勢線為y=a·x。其中，a的95%的置信區(qū)間為(0.891 1，1.041)，a=1在置信區(qū)間內(nèi)，此時R2=0.987 6。模型預(yù)測值能很好地表現(xiàn)水分比的變化規(guī)律和參數(shù)的影響。因此，冬棗片在脈動式氣體射流沖擊干燥實驗過程中的規(guī)律用Modified Page模型方程更適合。

圖4 冬棗片干燥溫度在70℃下的干燥曲線

3 結(jié)論

1)冬棗片的脈動式體射流沖擊干燥過程屬于降速干燥，冬棗片的干燥速率受干燥溫度影響比較大，但風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對干燥速率的影響不顯著。

2)把干燥實驗得出的數(shù)據(jù)與5種薄層干燥模型進行數(shù)學(xué)擬合，再將模型預(yù)測值和實驗所得值進行比較，計算結(jié)果表明：Modified Page模型能更好地描述和表達冬棗片氣體射流沖擊干燥過程的水分比的變化規(guī)律。