綠豆種子超聲波-熱泵聯(lián)合間歇干燥動力學(xué)研究

陶志超 楊昭 余飛 楊宗豫

摘要： 在連續(xù)干燥的基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波-熱泵聯(lián)合間歇干燥動力學(xué)試驗(yàn)，探究不同干燥溫度（28、33、38 ℃）、相同超聲波條件（功率100 W、頻率28 kHz）和不同間歇比（0、1/3、1/2）條件下綠豆種子的干燥動力學(xué)。結(jié)果表明，間歇干燥可以減少有效干燥時(shí)間，提高能量利用率;不同干燥溫度須采取合適的間歇比才能更有效地提升干燥效果，溫度較低時(shí)采用高間歇比，溫度較高時(shí)采取低間歇比;緩蘇期的存在確實(shí)能夠提升后續(xù)干燥階段的干燥速率，在干燥后期效果尤為明顯。

關(guān)鍵詞： 綠豆種子;超聲波-熱泵聯(lián)合;干燥動力學(xué);間歇干燥

中圖分類號： TS210.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）05-0193-05

綠豆是我國主要的食用豆類作物之一，其營養(yǎng)十分豐富，食用價(jià)值很高[1]，富含碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦質(zhì)元素、維生素等[2]，產(chǎn)量和出口量均位于世界前列，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占據(jù)重要位置。然而要保證綠豆來年的豐收需要大量的種子，而一般新收獲的種子水分含量高達(dá)25%～35%，高水分會加強(qiáng)種子呼吸作用，導(dǎo)致其發(fā)熱霉變[3]，所以必須及時(shí)干燥，把種子水分降到安全水平以保證種子活力和安全貯藏。

對于種子、果蔬等熱敏性物料，傳統(tǒng)對流干燥方式將不適用，因?yàn)檫@種干燥方式對物料長時(shí)間高溫干燥后，干燥產(chǎn)品的風(fēng)味、顏色和營養(yǎng)成分會受到嚴(yán)重?fù)p害，干燥產(chǎn)品的質(zhì)量降低[4]。熱泵干燥可以比較精確地控制干燥箱內(nèi)溫濕度條件，具有環(huán)境友好、干燥產(chǎn)品質(zhì)量較高的特點(diǎn)[5]，但其較低的干燥溫度會極大地延長干燥時(shí)間。超聲波作為一種機(jī)械振動波，在物料內(nèi)部會產(chǎn)生空化作用和機(jī)械效應(yīng)，從而可以提高水分的擴(kuò)散與遷移[6]。因此國內(nèi)外許多學(xué)者提出，將超聲波技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)干燥，降低水分?jǐn)U散阻力，加快物料的干燥速率[7-8]。

間歇干燥是一種在干燥過程中改變對物料供應(yīng)熱能大小的干燥方式，可以通過改變干燥空氣的流速、溫度、濕度或者壓力來實(shí)現(xiàn)，相比于連續(xù)干燥可以提高能源利用率和干燥質(zhì)量[9]。目前，這種干燥方式已經(jīng)應(yīng)用于多種熱敏性物料。Chin等研究了松杉靈芝的熱泵間歇干燥工藝，結(jié)果表明，在干燥溫度為40.6 ℃時(shí)，間歇比0.8的干燥方式相比于連續(xù)干燥，總色差減少了54.17%[10];馮云等探究不同間歇比和不同微波功率對肉雞翅根干燥動力學(xué)和干燥品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，間歇干燥相對于連續(xù)干燥能夠提高外觀完整性、減少能量消耗和降低收縮率等[11]。李天夏以枸杞為對象，研究微波間歇比、風(fēng)速和初始含水率對干燥速率、能耗和枸杞感官品質(zhì)的影響，獲得了其最佳工藝參數(shù)[12]。

間歇干燥方式大多用于單一干燥技術(shù)，對于在多種干燥技術(shù)聯(lián)合的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用間歇干燥方法的研究幾乎沒有。因此，本研究在超聲波-熱泵聯(lián)合干燥的基礎(chǔ)上進(jìn)行綠豆種子間歇干燥，比較不同間歇比下的干燥動力學(xué)，并與連續(xù)干燥作比較，優(yōu)化超聲波-熱泵聯(lián)合干燥工藝，從而提高綠豆種子的貯藏特性，保證播種品質(zhì)，并為超聲波-熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)在干燥行業(yè)的發(fā)展奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的綠豆種子為稻田綠豆，原產(chǎn)地為遼寧省朝陽市，購買于天津市某種子公司。試驗(yàn)前根據(jù)國標(biāo)GB/T 3543.6—1995《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程 水分測定》，采用低溫烘干法測定綠豆種子初始干基含水率為12%。通過人工配水至含水率30%，然后密封存放于（4±1） ℃的冰箱中。

1.2 儀器設(shè)備

超聲波與熱泵聯(lián)合干燥設(shè)備由天津大學(xué)先進(jìn)制冷與熱泵實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，具體結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[13]。電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津科學(xué)儀器設(shè)備有限公司），F(xiàn)Z-102微型植物粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器有限公司），JA5003電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司），THD-M1系列超聲波裝置（深圳科美達(dá)超聲波有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

在干燥試驗(yàn)之前12 h從冰箱中取出綠豆種子，放置于室溫環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)將種子以單層均勻的形式平鋪在物料托盤中。本試驗(yàn)的干燥條件如表1所示，為了與連續(xù)干燥進(jìn)行對比，干燥溫度設(shè)置為28、33、38 ℃，超聲波條件設(shè)置為功率100 W、頻率 28 kHz，其中包括3種干燥模式，每個(gè)模式的干燥時(shí)間均為12 h，連續(xù)干燥過程持續(xù)通入干燥空氣，緩蘇過程停止通氣，具體如下：

干燥模式1：以1 h為1個(gè)干燥階段，在每個(gè)干燥階段先連續(xù)干燥40 min，后緩蘇20 min，間歇比為α=1/3;干燥模式2：以1 h為1個(gè)干燥階段，在每個(gè)干燥階段先連續(xù)干燥30 min，后緩蘇30 min，間歇比為α=1/2;干燥模式3：連續(xù)干燥，間歇比為0。

1.4 干燥參數(shù)計(jì)算

本試驗(yàn)采用含水率隨時(shí)間的變化曲線來描述綠豆種子的干燥過程，不同干燥時(shí)間種子的水分比由式（1）計(jì)算得到：

MR=Mt-Me M0-Me。（1）

式中：Mt為物料在任意時(shí)間t的含水率（干基），g/g;M0為初始含水率（干基），g/g;Me為平衡含水率（干基），g/g。

綠豆種子干燥速率DR的計(jì)算采用以下公式：

DR=Mt1-Mt2 t2-t1。（2）

式中：DR為干燥時(shí)間t1和t2之間種子的干燥速率，g/（g·h）;Mt1和Mt2為干燥時(shí)間t1和t2物料的含水率（干基），g/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間歇比的干燥曲線分析

從圖1、圖2和圖3中可以看出，間歇干燥的確可以減少有效干燥時(shí)間（有效干燥時(shí)間為除去緩蘇期的干燥時(shí)間）。以18.00%為目標(biāo)含水率，當(dāng)溫度分別為28、33、38 ℃時(shí)，連續(xù)干燥（α=0）的總干燥時(shí)間分別為246、172、128 min，有效干燥時(shí)間分別為246、172、128 min，則單位時(shí)間內(nèi)含水率分別降低了0.048 8、 0.069 8、0.093 8 g/（g·min）;間歇比α=1/3的間歇干燥的總干燥時(shí)間分別為296、243、125 min，有效干燥時(shí)間分別為200、163、85 min，則單位時(shí)間內(nèi)含水率分別降低了0.060 0、0.073 6、0.141 2 g/（g·min）;間歇比α=1/2的間歇干燥的總干燥時(shí)間分別為346、271、180 min，有效干燥時(shí)間為180、150、90 min，則單位時(shí)間內(nèi)含水率分別降低了0.066 7、0.080 0、0.133 3 g/（g·min）。雖然不同間歇比的間歇干燥相對于連續(xù)干燥總干燥時(shí)間較長，但單位時(shí)間內(nèi)減少的含水率增加，從而使有效干燥時(shí)間減少。

另外，隨著溫度的變化，間歇比也會對干燥曲線產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)所有干燥方式的干燥時(shí)間都為12 h時(shí)，溫度28 ℃的最終含水率從高到底的間歇比順序?yàn)?/3、1/2、0;溫度為33 ℃的最終含水率從高到底的間歇比順序?yàn)?/2、1/3、0;溫度為 38 ℃ 的最終含水率從高到底的間歇比順序?yàn)?/2、1/3、0。這可能是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，干燥速率較低，所以緩蘇時(shí)間長有助于提高干燥速率，導(dǎo)致最終的含水率降低。但當(dāng)溫度較高時(shí)，干燥期的干燥速率較高，緩蘇期過長反而會降低整個(gè)過程的含水率下降趨勢，導(dǎo)致最終的含水率上升。所以不同溫度下需采取合適的間歇比才能達(dá)到最佳的效果。

2.2 不同間歇比的干燥速率曲線分析

從圖4、圖5和圖6中可知，隨著干燥的進(jìn)行，連續(xù)干燥的干燥速率不斷下降，直至后期干燥速率幾乎為0;而間歇干燥中，當(dāng)干燥進(jìn)入緩蘇期時(shí)，干燥速率很低，但緩蘇期后的干燥期的干燥速率會得到明顯的提升，即使到干燥后期干燥速率很低，緩蘇期的存在仍能提高一定的干燥速率，從而加快干燥。種子的內(nèi)部水分在緩蘇期通過自由擴(kuò)散的方式到達(dá)種子表面，從而使接下來的干燥階段的干燥速率增大。

2.3 干燥能耗除濕量分析

對于本系統(tǒng)，主要利用單位能耗除濕比（SMER）評價(jià)3種干燥模式的能量利用率，計(jì)算公式如下：

SMER=me W1+W2。（3）

式中：me為總的除濕量，g;W1為熱泵系統(tǒng)的總耗功，kW·h;W2為超聲波系統(tǒng)的總耗功，kW·h。

本熱泵系統(tǒng)的輸入功率為2.3 kW，而超聲波系統(tǒng)的功率為0.1 kW，則超聲波-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的總輸入功率為2.4 kW。根據(jù)公式（3）對不同溫度下3種干燥模式的單位能耗除濕量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，隨著干燥溫度的增加，SMER也增加。間歇干燥的SMER明顯高于連續(xù)干燥，且SMER會隨著間歇比的增大而增加。這說明間歇干燥可以明顯提高能量利用率，而且間歇比越大，能量利用率越高。

除了能夠減少有效干燥時(shí)間、提高干燥速率和能量利用率外，相關(guān)研究也證明間歇干燥可提高不同物料的干燥品質(zhì)。Chua等利用變溫式的間歇干燥方法處理香蕉片，發(fā)現(xiàn)香蕉片顏色劣變的情況得到有效改善[14];馬薦等采取緩蘇干燥的方法對熱敏性物料稻谷進(jìn)行干燥，得出緩蘇干燥能夠明顯降低爆腰率的增值的結(jié)論[15];Cnossen等也對稻谷的干燥進(jìn)行研究，認(rèn)為間歇干燥可以有效提高稻谷的整米率[16]。

3 結(jié)論

在超聲波-熱泵聯(lián)合連續(xù)干燥動力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對種子進(jìn)行超聲波-熱泵聯(lián)合間歇干燥動力學(xué)試驗(yàn)，分析結(jié)果后得到以下主要結(jié)論：（1）間歇干燥雖然增加了總干燥時(shí)間，但減少了有效干燥時(shí)間。（2）不同干燥溫度下間歇比對干燥過程會產(chǎn)生不同的影響，溫度較低時(shí)較高的間歇比有助于加快干燥過程，溫度較高時(shí)間歇比較低對干燥過程的促進(jìn)作用更強(qiáng)，所以不同的干燥溫度須采用合適的間歇比才能更有效地提升干燥效果。（3）緩蘇期的存在的確能夠提升后續(xù)干燥階段的干燥速率，即使在后期干燥速率很低的情況下緩蘇期仍然有一定的作用。（4）間歇干燥可以明顯提高能量利用率，且能量利用率隨著間歇比的增加而增大。

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收 稿日期：2019-03-07

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：16JCZDJC33900）。

作者簡介：陶志超（1993—），男，湖北云夢人，碩士，主要從事熱泵技術(shù)研究。E-mail：916485490@qq.com。

通信作者：楊 昭，博士，教授，主要從事制冷與熱泵技術(shù)研究。E-mail：zhaoyang@tju.edu.cn。