香菇熱風(fēng)干燥品質(zhì)特性分析與工藝優(yōu)化

孫銅生，王金志，吳慧棟，凌峰

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖，241000)

香菇中的水分必須低于某一限定值時(shí)微生物的生長(zhǎng)和繁殖才能被抑制，因此，干燥可降低香菇中的水分含量，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保存[1]。香菇的干燥方法多種多樣，包括熱風(fēng)干燥、微波干燥及冷凍干燥等[2]。近年來(lái)，香菇干燥研究已得到廣泛開(kāi)展，張志勇等[3]研究香菇在不同微波強(qiáng)度下干燥時(shí)溫度與含水率的變化趨勢(shì)，提出的分段變功率微波干燥方法，使干燥均勻性與效率達(dá)到最佳水平。ARGYROPOULOS等[4]對(duì)比了熱風(fēng)干燥、熱風(fēng)和微波真空聯(lián)合干燥及冷凍干燥對(duì)蘑菇品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用熱風(fēng)和微波真空聯(lián)合干燥的產(chǎn)品色差小、孔隙率高、復(fù)水能力強(qiáng)。張海偉等[5]則研究了三段式微波真空冷凍干燥、冷凍干燥及熱風(fēng)干燥3種干燥方式對(duì)香菇品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明三段式微波真空冷凍干燥時(shí)長(zhǎng)最短，其香菇干制品的復(fù)水比達(dá)到7.1，顯著高于其他二者。

目前香菇熱風(fēng)干燥研究關(guān)注的重點(diǎn)是提高香菇干后的品質(zhì)，并且盡可能提高單位能耗的產(chǎn)出[6]，為此需要對(duì)干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化。在本研究中，將熱處理工藝中的基本方法(退火、淬火)引入熱風(fēng)干燥中，產(chǎn)生2種新型熱風(fēng)干燥工藝，稱之為變溫干燥(開(kāi)始時(shí)以較高的熱風(fēng)溫度干燥一定時(shí)間后，熱風(fēng)溫度隨即下降到指定溫度，且干燥相同時(shí)間，此為一個(gè)干燥周期，如此循環(huán)往復(fù))、間歇干燥(開(kāi)始時(shí)熱風(fēng)溫度較高，保持一定時(shí)間后停止干燥，間歇時(shí)間與干燥時(shí)間相同，緊接著又以相同溫度的熱風(fēng)干燥，而后再次停止，如此循環(huán)往復(fù))。恒溫干燥工藝則以較高溫度的熱風(fēng)不停歇地進(jìn)行干燥。干燥樣品的很多評(píng)價(jià)參數(shù)往往很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)量得到其在任意時(shí)刻的數(shù)值，近年來(lái)，對(duì)產(chǎn)物性能評(píng)估的數(shù)值模擬方法得到了巨大的發(fā)展[7]，可以精確得到任意時(shí)刻參數(shù)值的大小?；诖耍疚睦肅OMSOL Multiphysics 5.5軟件模擬恒溫干燥過(guò)程中樣品的溫度變化。以實(shí)驗(yàn)為主模擬為輔，從溫度變化、色澤參數(shù)、含水率、能耗、復(fù)水率等指標(biāo)上對(duì)變溫、間歇及恒溫干燥后的樣品進(jìn)行綜合評(píng)估與對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)樣品為本地市場(chǎng)購(gòu)買的新鮮香菇，個(gè)體之間的差異較小，有利于減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程的初始誤差，用清水沖洗干凈，放在陰涼通風(fēng)處?kù)o置24 h，以除去其表面多余的水分[8]，經(jīng)處理好后的香菇樣品如圖1所示，樣品的初始含水率(干基)為880%。

圖1 新鮮香菇樣品Fig.1 Fresh Lentinus edodes samples

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9023A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DS100PE型號(hào)電子鹵素水分測(cè)定儀，武漢捷寶生物科技有限公司；WR-10基礎(chǔ)款色差儀，深圳市威福光電科技有限公司；實(shí)驗(yàn)室用高精度電子天平，上?；ǔ睂?shí)業(yè)有限公司；BK-033電力監(jiān)控儀，慈溪科沃德電子有限公司；紅外熱成像儀，美國(guó)Fluke公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)，首先確定3種工藝的具體參數(shù)。變溫、間歇干燥的初始熱風(fēng)溫度為60 ℃，此溫度下維持時(shí)間為30 min，隨即變溫干燥的熱風(fēng)溫度降低為40 ℃，保持時(shí)間也為30 min，間歇干燥的停止干燥時(shí)間也為30 min，2種工藝以1 h為最小干燥周期，循環(huán)往復(fù)。恒溫干燥則一直以60 ℃的熱風(fēng)持續(xù)進(jìn)行干燥。

新鮮樣品的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)在前述的電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行[9]，溫度分辨率為0.1 ℃，恒溫波動(dòng)度為±1 ℃，風(fēng)速保持恒定。為了排除環(huán)境條件的影響，每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，干燥機(jī)均運(yùn)行和預(yù)熱15 min[10]。待鼓風(fēng)干燥機(jī)內(nèi)部達(dá)到平衡溫度后，放入圖1所示的3組香菇樣品(每組樣品12個(gè))，分別使用變溫、間歇和恒溫3種工藝進(jìn)行干燥，每組時(shí)長(zhǎng)共計(jì)10 h。以1 h 為最小干燥周期，每隔1 h取出相同位置處的5個(gè)樣品(四周及中間各取出1個(gè))，測(cè)量其各項(xiàng)參數(shù)，測(cè)量完成后將樣品按原位置放回干燥箱中繼續(xù)干燥，干燥結(jié)束后再測(cè)定樣品的復(fù)水能力。樣品恒溫干燥的數(shù)值模擬是在COMSOL Multiphysics 5.5軟件中進(jìn)行的，為了盡可能地減少仿真誤差，依據(jù)鼓風(fēng)干燥箱尺寸與樣品尺寸，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)干燥模型Fig.2 Hot air drying model

數(shù)值模擬中涉及到流-固耦合傳熱，系統(tǒng)自動(dòng)將二者耦合起來(lái)，并添加非等溫流多物理場(chǎng)接口，在軟件中定義香菇的熱物理特性參數(shù)，熱物理特性參數(shù)見(jiàn)表1[3]。

表1 香菇的熱物理特性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of Lentinus edodes

實(shí)際的干燥過(guò)程牽涉到一系列復(fù)雜且不可控的因素，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，減少數(shù)值模擬的計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間，對(duì)熱風(fēng)干燥模型作如下假設(shè)[3]：(1)香菇初始溫度、含水率均勻分布，不考慮熱物理特性參數(shù)隨溫度和含水率的變化，均為常數(shù)；(2)不考慮干燥過(guò)程中水分發(fā)生的相變；(3)鼓風(fēng)干燥機(jī)與外界絕熱。

4.4.1 問(wèn)題：和平路路段路燈上線率只有20%，對(duì)燕子超市7號(hào)小區(qū)的話統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，終端行為趨于規(guī)律性，在每天固定的時(shí)間集中做業(yè)務(wù)。相應(yīng)的上下行子載波利用率占有率高，下行最高93%，上行最高62%，而最大成功接入用戶數(shù)不超過(guò)50。如下圖所示：

1.4 分析方法

1.4.1 樣品溫度變化特性

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品的溫度分布可以利用紅外熱像儀獲得(變溫、間歇干燥過(guò)程中樣品的溫度分布為紅外熱像儀實(shí)拍)，也可以借助COMSOL軟件可視化，且可以得到任意時(shí)刻樣品的溫度分布情況。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_性，選取遠(yuǎn)離鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口且同一位置處的樣品進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)比分析了恒溫干燥的樣品在1、2、3 h的紅外實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度，如圖3所示，圖3-a為紅外實(shí)測(cè)溫度，圖3-b為模擬溫度。由圖3結(jié)果可知二者之間的最大誤差均在8%以內(nèi)，這說(shuō)明仿真模型可以用于預(yù)測(cè)樣品的溫度分布規(guī)律?？紤]恒溫干燥樣品的理化性質(zhì)變化較為劇烈，因此借助COMSOL軟件重點(diǎn)研究前1 h內(nèi)此工藝樣品的升溫情況。

1.4.2 樣品色澤變化

樣品的色澤參數(shù)使用WR-10基礎(chǔ)款色差儀測(cè)量，色澤參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有4個(gè)，分別為紅綠度a*、黃藍(lán)度b*、亮度L*、色差度ΔE。其中紅綠度a*、黃藍(lán)度b*、亮度L*可以直接從色差儀中讀取得到，而色差度ΔE的計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：t為某一時(shí)刻干燥樣品的顏色參數(shù)，下標(biāo)0表示原樣品。

a-紅外實(shí)測(cè)溫度；b-模擬溫度圖3 恒溫干燥時(shí)樣品的紅外實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度Fig.3 Infrared measured temperature and simulated temperature of samples during constant temperature drying

1.4.3 樣品含水率變化

干燥的目的就是將香菇的含水率降低到安全范圍內(nèi)[12]。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)出樣品的初始含水率，實(shí)驗(yàn)中每隔一個(gè)最小干燥周期便取出樣品，使用水分測(cè)量?jī)x測(cè)定其含水率，為了排除測(cè)量過(guò)程中的偶然性，5個(gè)樣品均需測(cè)量，最終結(jié)果取5個(gè)樣品的平均值。

1.4.4 單位時(shí)間能耗

3種干燥工藝的能耗情況是通過(guò)電力監(jiān)控儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將電力監(jiān)控儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)清零，開(kāi)始后以1 h的最小干燥周期為時(shí)間單位，每個(gè)周期結(jié)束后讀取并記錄各工藝的能耗情況[13]。

1.4.5 樣品復(fù)水能力

干燥過(guò)程中樣品的含水量逐漸降低，但若將其置于清水中，樣品又會(huì)再次吸收水分，含水量增加，這即為樣品的復(fù)水特性。復(fù)水特性可用復(fù)水率定量描述，吸水量除以干樣品重量為復(fù)水率[14]。樣品復(fù)水率的測(cè)定在干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行，將干燥后的樣品浸泡在溫度為 20 ℃ 的蒸餾水中足夠長(zhǎng)時(shí)間，然后取出樣品，用紙巾擦干，并定期稱重，直至重量不再發(fā)生變化，計(jì)算復(fù)水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的溫度變化

干燥過(guò)程中樣品的溫度變化越平緩，各處的溫差越小，熱損失越小，產(chǎn)物的品質(zhì)就會(huì)越高，因此干燥時(shí)盡可能地使樣品各處的溫度緩慢而均勻地升高。為此，研究了3種干燥工藝對(duì)樣品表面溫度的影響，采用變溫、間歇干燥的樣品表面溫度分布是利用紅外熱成像儀在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)拍，分別如圖4和圖5所示，采用恒溫干燥的樣品表面溫度則借助COMSOL軟件可視化，對(duì)于恒溫干燥而言，大部分的熱損傷都發(fā)生在干燥初期，因此數(shù)值模擬只需研究前1 h內(nèi)樣品的溫度變化規(guī)律。

由圖4可知，在1～6 h內(nèi)，每個(gè)最小干燥周期結(jié)束時(shí)，采用變溫工藝干燥的樣品最高溫度都基本控制在40 ℃以內(nèi)；超過(guò)6 h后，樣品局部溫度略高于40 ℃。這是由于干燥后期，樣品內(nèi)水分因遷移而減少，所需要消耗的能量減少，從而導(dǎo)致樣品在此期間的溫度值下降緩慢或無(wú)法下降。9個(gè)干燥周期結(jié)束時(shí)最高溫度與最低溫度差值分別為4.4、5.5、5.6、7.0、7.2、8.3、7.7、11.0、9.4 ℃。樣品溫度的平均值都能維持在低于40 ℃的水平，在36.9～38.8 ℃變化，幅度不大?？傮w來(lái)說(shuō)，整個(gè)干燥期間溫度分布較均勻。

圖5結(jié)果表明，采用間歇工藝干燥的樣品，在整個(gè)干燥期間，樣品的平均溫度在38.0～46.3 ℃變化，變化幅度高于變溫工藝；9個(gè)干燥周期結(jié)束時(shí)最高溫度與最低溫度差值分別為9.1、9.5、10.9、13.8、7.3、13.0、11.6、7.2、13.1 ℃，差值變化波動(dòng)明顯，且數(shù)值上均比變溫工藝大得多。整體來(lái)看，雖然間歇工藝干燥后溫度場(chǎng)分布具有一定的均勻性，但整體上不如變溫工藝。

采用恒溫工藝干燥的樣品在前一小時(shí)內(nèi)的仿真溫度分布如圖6所示。最高溫度與最低溫度差值分別為28.9、27.7、25.2、22.3、19.6、17.2、14.7、12.9、11.0 ℃，香菇的溫度分布不均勻程度十分明顯。同時(shí)，各樣品之間的溫差較大，靠近進(jìn)風(fēng)口處樣品的溫度升高最快，等到其他樣品干燥完成后，靠近進(jìn)風(fēng)口處的樣品可能會(huì)由于過(guò)度干燥而出現(xiàn)熱損傷。

a-1 h；b-2 h；c-3 h；d-4 h；e-5 h；f-6 h；g-7 h；h-8 h；i-9 h圖4 變溫干燥時(shí)不同時(shí)刻樣品的紅外溫度分布Fig.4 Infrared temperature distribution of samples at different times during variable temperature drying

a-1 h；b-2 h；c-3 h；d-4 h；e-5 h；f-6 h；g-7 h；h-8 h；i-9 h圖5 間歇干燥時(shí)不同時(shí)刻樣品的紅外溫度分布Fig.5 Infrared temperature distribution of samples at different times during intermittent drying

a-0.1 h；b-0.2 h；c-0.3 h；d-0.4 h；e-0.5 h；f-0.6 h；g-0.7 h；h-0.8 h；i-0.9 h圖6 恒溫干燥時(shí)不同時(shí)刻樣品的仿真溫度分布Fig.6 Simulated temperature distribution of samples at different times during constant temperature drying

2.2 樣品色澤變化

色澤是消費(fèi)者對(duì)一種產(chǎn)品最直觀的感受，也是消費(fèi)者能否接受該產(chǎn)品的第一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]。香菇作為一種食物，需要盡可能保持其色澤的一致性，才能保證內(nèi)在的營(yíng)養(yǎng)成分不被破壞，同時(shí)也不會(huì)影響人們的消費(fèi)心理。干燥過(guò)程中樣品的色澤參數(shù)值變化情況見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)刻下樣品的色澤參數(shù)值Table 2 Color parameter values of samples at different times

將表2中的數(shù)據(jù)繪制成圖，3種工藝下樣品的L*、a*、b*、ΔE的變化趨勢(shì)分別如圖7～圖10所示。

由圖7可知，3種工藝干燥過(guò)程中香菇亮度值均呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，總體都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但采用變溫、間歇工藝干燥的樣品L*下降速度較緩慢，數(shù)值減少幅度不大，而采用恒溫工藝的樣品在干燥后期L*下降的速度較快，干燥后L*要明顯低于初始值，這說(shuō)明恒溫干燥工藝會(huì)明顯降低產(chǎn)物的亮度值。

圖7 不同干燥工藝下樣品的L*隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 Variation of brightness value of samples with time under different drying processes

圖8 不同干燥工藝下樣品的a*隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 Variation of red-green value of samples with time under different drying processes

由圖8可以看出，采用變溫、間歇工藝干燥的樣品a*只在干燥初期略微減小，此后都基本保持穩(wěn)定不變，干燥結(jié)束后a*略低于初始值；而采用恒溫工藝干燥的樣品a*在整個(gè)階段呈下降趨勢(shì)，干燥結(jié)束后a*比初始值低很多。

3組樣品的b*變化趨勢(shì)如圖9所示，3種工藝干燥過(guò)程中b*呈波動(dòng)狀態(tài)，干燥結(jié)束時(shí)數(shù)值低于初始時(shí)數(shù)值。但采用變溫、間歇工藝干燥的樣品b*僅在干燥初期略微減小，此后都基本保持穩(wěn)定不變；而采用恒溫工藝干燥的樣品b*在后期波動(dòng)明顯，干燥結(jié)束時(shí)其數(shù)值比初始值顯著下降。

圖9 不同干燥工藝下樣品的b*隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.9 Variation of yellow-blue value of samples with time under different drying processes

圖10結(jié)果表明，采用變溫、間歇工藝的樣品在干燥過(guò)程中整體色澤變化較小，干燥初期色差出現(xiàn)最大值，分別為7.42和7.87，之后色差呈現(xiàn)先減小后緩慢增加的趨勢(shì)，干燥結(jié)束時(shí)色差低于最大值，數(shù)值分別為6.63和5.99，與初始值相比，ΔE增加不明顯；而采用恒溫工藝的樣品，其ΔE在干燥過(guò)程中整體上呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)，最大值達(dá)22.38，干燥結(jié)束時(shí)ΔE為21.97。由此可見(jiàn)，變溫、間歇工藝要優(yōu)于恒溫工藝，可以最大限度地保留原樣品的色澤。

圖10 不同干燥工藝下樣品的ΔE隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.10 Variation of color difference value of samples with time under different drying processes

2.3 樣品的含水率變化

熱風(fēng)干燥時(shí)在保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)其含水率盡可能快地降低，可以提高效率[16]，但同時(shí)過(guò)快的干燥速度會(huì)破壞物料的品質(zhì)。干燥過(guò)程中樣品含水率的變化曲線如圖11所示。變溫、間歇工藝的含水率變化規(guī)律基本保持一致，且接近于直線，即恒速干燥；而恒溫工藝干燥的樣品，其含水率先快速下降之后放緩，即降速干燥，干燥結(jié)束時(shí)，樣品的含水率低于變溫、間歇工藝。這是由于在干燥過(guò)程中持續(xù)不斷地輸入高溫?zé)犸L(fēng)[17-18]，也正因?yàn)榇?，?dǎo)致了香菇干制品出現(xiàn)較大的色差[19]。

圖11 不同干燥工藝下樣品的含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11 Variation of moisture content of samples with time under different drying processes

2.4 單位時(shí)間的能耗

能耗情況是目前考察干燥方式與干燥工藝的重要指標(biāo)之一，低能耗意味著生產(chǎn)過(guò)程中較低的成本[20]。使用電力監(jiān)控儀定量分析3種干燥工藝在不同時(shí)間段內(nèi)的能耗情況，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3中數(shù)據(jù)顯示間歇工藝的單位時(shí)間能耗基本上維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，沒(méi)有太大的波動(dòng)，單位時(shí)間的平均能耗值為0.056 kW·h，為3種工藝最低值；恒溫工藝的單位時(shí)間能耗值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，最后1 h的能耗為第1 h的85%，平均能耗值為0.105 kW·h，為3種工藝最高值；變溫工藝的單位時(shí)間平均能耗值為0.083 kW·h，介于間歇、恒溫工藝之間，且后9個(gè)干燥周期的能耗值均大于第1周期，這是由于通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到鼓風(fēng)干燥箱的溫度控制具有一定的滯后性與波動(dòng)性，在從第1個(gè)周期結(jié)束開(kāi)始、每個(gè)周期結(jié)束后，鼓風(fēng)干燥箱都有1次由低溫升到高溫的切換，電阻絲會(huì)在一小段時(shí)間內(nèi)以高于熱風(fēng)溫度所需的功率運(yùn)行，之后恢復(fù)穩(wěn)定。

表3 不同時(shí)間段內(nèi)的能耗情況 單位：kW·h

2.5 樣品的復(fù)水能力

復(fù)水能力的強(qiáng)弱在一定程度上反映干燥過(guò)程中香菇保持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的能力。一般情況下，干燥后香菇的復(fù)水能力越強(qiáng)，則表示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的越少。3種干燥工藝下樣品復(fù)水前后的外觀如圖12和圖13所示。

a-變溫干燥；b-間歇干燥；c-恒溫干燥圖12 復(fù)水前樣品外觀Fig.12 Appearance of samples before rehydration

a-變溫干燥;b-間歇干燥;c-恒溫干燥圖13 復(fù)水后樣品外觀Fig.13 Appearance of samples after rehydration

采用復(fù)水率來(lái)定量描述干燥后樣品復(fù)水能力的強(qiáng)弱，不同干燥工藝下樣品的復(fù)水率見(jiàn)表4。采用變溫干燥的樣品的復(fù)水率為143.65%，復(fù)水能力最強(qiáng)，說(shuō)明變溫干燥有利于保持香菇內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。而采用恒溫干燥的樣品的復(fù)水率為92.59%，復(fù)水能力最差，可能原因是由于持續(xù)不間斷的干燥會(huì)使香菇內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度與濕度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力與濕應(yīng)力[21]，從而破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用間歇干燥的樣品的復(fù)水率為111.63%，介于變溫、恒溫干燥之間，說(shuō)明間歇干燥對(duì)改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定作用。

表4 不同干燥工藝下產(chǎn)物的復(fù)水率Table 4 Rehydration rate of products under different drying processes

3 結(jié)論

本文研究了3種熱風(fēng)干燥工藝即變溫干燥、間歇干燥及恒溫干燥對(duì)香菇品質(zhì)特性的影響，研究表明,在干燥后溫度分布上，采用變溫干燥的香菇溫度分布更均勻，變化較平緩；在樣品顏色色澤上，采用變溫干燥、間歇干燥的香菇色澤參數(shù)值的變化均遠(yuǎn)小于恒溫干燥；恒溫干燥工藝的含水率下降速度最快，但這也是造成香菇品質(zhì)下降的原因；在能耗方面，間歇干燥工藝最節(jié)省能源；在復(fù)水性能方面，變溫干燥的香菇復(fù)水率最高。綜上說(shuō)明在提高香菇干后品質(zhì)方面，變溫干燥最佳，恒溫干燥最差，間歇干燥介于兩者之間。