樂昌香芋熱風(fēng)干燥動力學(xué)及模型擬合

華軍利，梁錦霞，朱定和，何宇豪，李欣如，陳佩蕓

糧食加工

樂昌香芋熱風(fēng)干燥動力學(xué)及模型擬合

華軍利，梁錦霞，朱定和，何宇豪，李欣如，陳佩蕓

（韶關(guān)學(xué)院 英東食品學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

研究樂昌香芋在不同熱風(fēng)溫度（50、60、70、80、90 ℃），不同熱速率（1.5、2.0、2.5、3.0 m/s），不同切片厚度（2、3、4、5 mm）下干燥曲線和干燥速率曲線。利用干燥經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚅ogarithmic、Twoterm、Modified page、Henderson and Pabis、WeibullⅠ對干燥過程水分比與干燥時間關(guān)系進行模型擬合，以決定系數(shù)、殘差平方和與加權(quán)卡方檢驗系數(shù)判斷擬合結(jié)果優(yōu)劣。結(jié)果表明，水分比隨時間逐漸減少，變化逐漸變緩。香芋干燥過程以降速干燥為主，熱風(fēng)溫度70 ℃時干燥速率最快，干燥時間最短；熱風(fēng)速率2.0 m/s時干燥速率較快，有利于節(jié)能降耗；切片厚度3 mm時干燥速率較快，干燥時間較短。WeibullⅠ模型能很好地描述香芋熱風(fēng)干燥過程，擬合的決定系數(shù)均大于0.997 9，殘差平方和均小于0.002 88，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.69×10–4。

香芋；熱風(fēng)；干燥動力學(xué)；模型擬合

廣東韶關(guān)樂昌市所產(chǎn)香芋個大肉嫩，內(nèi)有檳榔花紋，營養(yǎng)豐富，但香芋還是以鮮食為主。香芋深加工不僅可以提高其經(jīng)濟價值，充分發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢，增加農(nóng)民收入，延長產(chǎn)業(yè)鏈條，而且對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)調(diào)整將起到積極促進作用，有利于當(dāng)?shù)叵阌螽a(chǎn)業(yè)化建設(shè)，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。

我國農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)多以中小型企業(yè)為主，大多果蔬原料又以熱風(fēng)干燥為主，這一加工方式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大，產(chǎn)生廢棄物少，操作方便。目前熱風(fēng)干燥應(yīng)用在香芋上的研究報道主要是通過對產(chǎn)品品質(zhì)的分析，提出最佳干燥工藝，如郭婷、童晶晶、杜弘坤[1-3]等，對于香芋熱風(fēng)干燥中的動力學(xué)機理研究報道較少，而熱風(fēng)干燥應(yīng)用在馬鈴薯[4]、胡蘿卜[5]、杏鮑菇[6]、白鬼 筆[7]等的干燥動力學(xué)研究都有報道。雖然熱風(fēng)干燥技術(shù)經(jīng)過了長時間的發(fā)展逐步成熟，但是對于不同的物料，干燥特性是不同的，即便是同一種物料，形狀大小發(fā)生了變化，干燥的特性也是不盡相同。本實驗研究粵北香芋在不同熱風(fēng)溫度、不同熱速率率、不同切片厚度條件下的干燥動力學(xué)特點，并對干燥過程進行模擬，為香芋干燥過程預(yù)測和控制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

香芋購自韶關(guān)市農(nóng)產(chǎn)品市場，新鮮，紡錘體狀，直徑約15 cm。

1.2 儀器與設(shè)備

JKHY-118洞道干燥設(shè)備：湘潭金凱化工裝備技術(shù)有限公司；DHG-9076電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海中光儀器公司。

1.3 實驗方法

新鮮香芋經(jīng)清洗去皮后，用切片機切成不同厚度薄片，于開水中熱燙20 s護色，放入洞道干燥設(shè)備干燥得成品。實驗方案見表1。實驗開始后，前2個小時內(nèi)每隔10 min稱取并記錄香芋片質(zhì)量，第3個小時每隔20 min稱取并記錄一次，3 h后每隔30 min稱取并記錄一次。每次實驗重

表1 實驗方案

復(fù)3次，結(jié)果取平均值。實驗數(shù)據(jù)采用OriginPro9.1繪圖，采用spss18.0進行擬合。

1.4 指標測定與方法

1.4.1 含水率的測定

為計算香芋干燥的水分比，需要測定香芋絕干物質(zhì)質(zhì)量。含水率采用GB5009.3—2016方法進行測定[8]。

1.4.2 干基含水率

不同干燥時間的香芋干基含水率按公式（1）計算

式中，t為干燥至t時刻香芋質(zhì)量，g；g為香芋干物質(zhì)質(zhì)量，g；0為開始干燥時香芋質(zhì)量，g。0為香芋干基率，g干物質(zhì)/g香芋。

1.4.3 水分比R

水分比R用來表示在一定干燥條件下未被除去水分的比例，可以用來反應(yīng)物料干燥速率的快慢。干燥至?xí)r刻物料水分比R計算如公式（2）：

式中，e為香芋平衡時干基含水量，g水/g絕干料；M為干燥至?xí)r刻干基含水量，g水/g絕干料；0為香芋初始時干基含水量，g水/g絕干料。

1.4.4 干燥速率R

干燥速率能反應(yīng)出干燥時間與物料水分含量之間的關(guān)系，是干燥進行快慢的表征，是研究物料干燥特性的重要參數(shù)。R可按公式（3）計算：

式中，M1、M2分別為1、2時刻的干基含水量，g水/g絕干料。

1.5 模型擬合

采用表2中5種常見數(shù)學(xué)模型對實驗所得的干燥曲線進行曲線擬合，利用擬合的決定系數(shù)2（coefficient of determination）、殘差平方和（residual sum of squares，RSS）和加權(quán)卡方檢驗系數(shù)（reduced Chi-square）得出擬合結(jié)果優(yōu)劣。

表2 數(shù)學(xué)模型

2 結(jié)果與分析

2.1 香芋干燥動力學(xué)

2.1.1 熱風(fēng)溫度對香芋干燥動力學(xué)的影響

圖1是熱風(fēng)速率為2.0 m/s，切片厚度為5 mm，不同溫度下的干燥曲線。從圖可以看出，物料的水分比隨著干燥時間逐漸減少，水分比變化逐漸變緩。在干燥初期，香芋含水量較高，物料表面和干燥介質(zhì)之間存在較大的水蒸氣分壓壓差，干燥推動力大，水分比變化較大。隨著干燥進行，水分蒸發(fā)面開始向物料內(nèi)部轉(zhuǎn)移，水分遷移路徑加長，水分遷移阻力增大，水分比變化逐漸變緩。

圖1 不同熱風(fēng)溫度下香芋干燥曲線

結(jié)合圖2干燥速率曲線，可以看出，香芋干燥過程并沒有經(jīng)歷恒速干燥階段直接進入降速干燥階段，干燥速率逐步下降，可見香芋干燥受物料內(nèi)部水分擴散控制。熱風(fēng)溫度從50 ℃升高到70 ℃，空氣熱量的加大，使得物料表面水分蒸發(fā)加快，干燥速率增大，水分比變化較大。但當(dāng)干燥介質(zhì)溫度提高到80 ℃，開始半小時內(nèi)干燥速率比70 ℃的干燥速率要大，半小時后均比70 ℃干燥速率小。熱風(fēng)溫度90 ℃的干燥速率也比70 ℃的干燥速率小。這可能是因為干燥初期表面水分蒸發(fā)過快，物料表面易形成一層硬殼，阻礙內(nèi)部水分向表面擴散，延緩了干燥速率，因此熱風(fēng)溫度為80 ℃和90 ℃時，香芋干燥速率反而比70 ℃時的干燥速率要低，水分比的變化也較為緩慢。

圖2 不同熱風(fēng)溫度下香芋干燥速率曲線

在該條件下，熱風(fēng)溫度分別為50、60、70、80、90 ℃時，將香芋干燥到平衡含水量所需時間分別為420、360、330、360、390 min。干燥速率越大，干燥時間越短。所以，在香芋干燥過程中，不能盲目提高干燥介質(zhì)溫度，以免延長所需干燥時間，既消耗更多能量，也影響產(chǎn)品質(zhì)量。香芋干燥可采取變溫干燥方式，前期適當(dāng)提高干燥 介質(zhì)溫度，后期要降低介質(zhì)溫度以降低干燥的副作用。

2.1.2 熱風(fēng)速率對香芋干燥動力學(xué)的影響

圖3為熱風(fēng)溫度為70 ℃，切片厚度為4 mm時，不同熱風(fēng)速率下香芋干燥過程水分比隨干燥時間變化曲線。由圖可見，物料的水分比隨著干燥時間逐漸減少，水分比變化逐漸變緩。熱風(fēng)速率增大，水分比下降越快。熱風(fēng)速率從1.5 m/s提高到2.0 m/s，水分比下降程度有明顯變化。熱風(fēng)速率增大至2.5 m/s和3.0 m/s，水分比下降幅度變化不大。

圖3 不同熱風(fēng)速率下香芋干燥曲線

對比圖4不同熱風(fēng)速率下干燥速率曲線圖，熱風(fēng)速率從1.5 m/s提高到2.0 m/s，干燥速率有明顯提高。這是由于速率的增大，空氣流動加快，能迅速帶走表面汽化的水分，有利于降低干燥過程中介質(zhì)的相對濕度，使得物料表面和干燥介質(zhì)之間的水蒸氣分壓壓差增大，傳質(zhì)推動力增強，水分比變化加大。

圖4 不同熱風(fēng)速率下香芋干燥速率曲線

熱風(fēng)速率為1.5 m/s時，將香芋干燥到平衡水量所需時間為390 min。熱風(fēng)速率分別為2.0、2.5、3.0 m/s時所需干燥時間相差不大，約300 min。因此在香芋干燥過程熱可選擇2.0 m/s熱風(fēng)速率，避免增加能耗。

2.1.3 切片厚度對香芋干燥動力學(xué)的影響

圖5為熱風(fēng)溫度為70 ℃，熱風(fēng)速率為2.0 m/s，不同切片厚度的香芋干燥曲線。對同一厚度的香芋，物料水分比在干燥初期迅速下降，后期變化較慢直至趨于水平。干燥初期物料含水分多，表面濕潤，物料干燥的傳質(zhì)推動力較大，因此水分比下降迅速。從圖6干燥速率曲線也可以看出，干燥初期干燥速率最大，物料表面水分迅速蒸發(fā)。隨著物料表面濕潤部分消失，水分蒸發(fā)面開始向物料內(nèi)部遷移，水分擴散阻力增大，干燥速率大大降低，物料水分比隨干燥時間的變化也趨于平緩。

物料切片越厚，水分比隨時間的變化越慢，干燥速率也越小。這是由于香芋干燥過程基本處在降速干燥階段，受物料水分內(nèi)部擴散控制。物料厚度越大，水分擴散阻力越大，干燥速率就越小。

圖5 不同切片厚度下香芋干燥曲線

圖6 不同切片厚度下香芋干燥速率曲線

在熱風(fēng)溫度為70 ℃，熱風(fēng)速率為2.0 m/s干燥條件下，香芋切片厚度2、3、4、5 mm干燥時間分別為210、240、300、330 min。香芋切片厚度從2 mm增加到5 mm，干燥時間增加近60%。因此香芋干燥過程中物料厚度不能太厚，以免延長干燥時間，影響產(chǎn)品質(zhì)量。但物料厚度亦不宜太薄，切片越薄，單位質(zhì)量物料切分就越多，堆積密度越大，同樣會使得水分擴散速率降低，甚至消耗更多能量。

2.2 干燥過程模型擬合

從表3不同熱風(fēng)溫度下香芋干燥實驗數(shù)據(jù)與五種模型擬合結(jié)果來看，WeibullⅠ模型的決定系數(shù)均大于0.997 9，殘差平方和均小于0.002 88，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.69×10–4。

從表4不同熱風(fēng)速率下香芋干燥實驗數(shù)據(jù)與五種模型擬合結(jié)果來看，WeibullⅠ模型的決定系數(shù)均大于0.997 9，殘差平方和均小于0.002 47，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.65×10–4。

從表5不同切片厚度下香芋干燥實驗數(shù)據(jù)與五種模型擬合結(jié)果來看，WeibullⅠ模型的決定系數(shù)均大于0.998 8，殘差平方和均小于0.002 00，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.11×10–4。

表3 不同熱風(fēng)溫度下干燥過程擬合結(jié)果

表4 不同熱風(fēng)速率下干燥擬合結(jié)果

表5 不同切片厚度下干燥過程擬合結(jié)果

綜合不同模型對熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)速率和切片厚度的香芋干燥過程擬合結(jié)果，WeibullⅠ模型的決定系數(shù)均大于0.997 9，殘差平方和均小于0.002 88，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.69×10–4，是所考察模型中擬合結(jié)果最好的模型。

3 結(jié)論

實驗主要研究了樂昌香芋熱風(fēng)干燥動力學(xué)特性和常用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）不同熱風(fēng)溫度，不同熱風(fēng)速率，不同切片厚度下水分比隨時間逐漸減少，在干燥前期水分比下降加快，后期水分比下降速率逐漸變緩。

（2）香芋干燥過程以降速干燥為主，受水分內(nèi)部擴散控制。干燥速率隨熱風(fēng)溫度增大先增大后減小，隨熱風(fēng)速率增大先增大后稍有減小，隨切片厚度增大而減小。香芋干燥過程中可以采用變溫干燥方式。

（3）WeibullⅠ模型能很好描述香芋熱風(fēng)干燥過程，擬合的決定系數(shù)均大于0.997 9，殘差平方和均小于0.002 88，加權(quán)卡方檢驗系數(shù)均小于1.69×10–4。

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備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/ index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。

Drying kinetics and model fitting of Lechang taro during hot-air drying process

HUA Jun-li, LIANG Jin-xia, ZHU Ding-he, HE Yu-hao, LI Xin-ru, CHEN Pei-yun

(Yingdong Food College, Shaoguan University, Shaoguan, Guangdong 512005, China)

The drying and drying rate curves of Lechang taro were studied under different hot air temperatures (50, 60, 70, 80, 90 ℃), different hot air rate (1.5, 2.0, 2.5, 3.0 m/s) and different slice thickness (2, 3, 4, 5 mm). The relationship between water ratio and drying time in the drying process was fitted by the empirical models such as : Logarithmic, Twoterm, Modified page, Henderson and Pabis, WeibullⅠ. The fitting results were judged by the coefficient of determination, residual Sum of squares and reduced Chi-square. The results showed that the moisture ratio (MR) decreasing with drying time and the water ratio changes gradually. The hot-air drying of Lechang taro was mainly in slow-down drying stage. When the hot air temperature was 70 ℃, the drying rate was the fastest and the drying time was the shortest. The drying rate was faster when the hot air rate was 2.0 m/s, which was beneficial to saving energy and reducing consumption. When the slice thickness was 3 mm, the drying rate was faster and the drying time was shorter. WeibullⅠ model could describe the hot-air drying process of taro very well. The coefficients of determination were more than 0.997 91. The residual Sums of squares were less than 0.002 88. The reduced Chi-squares were less than 1.69×10–4.

taro; hot-air; drying kinetics; model fitting

TS205.1

A

1007-7561(2020)03-0085-06

10.16210/j.cnki.1007-7561.2020.03.013

2020-01-02

省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S201910576030）

華軍利，1983年出生，女，講師，研究方向為食品精深加工.