香蕉片高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥特性與動(dòng)力學(xué)研究

王藝曼，劉 寅，孟照峰，杜晨陽(yáng)，胡汝生，崔祥娜，王 航

（中原工學(xué)院，能源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 451191）

香蕉中富含鉀、鎂、磷等微量元素以及各種維生素、酚類(lèi)物質(zhì)等[1?2]，香蕉除具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外[3]，還具有多種藥用特性，具有潤(rùn)腸通便、抗氧化、促進(jìn)心血管健康的功效[4?5]。但由于香蕉是呼吸躍變型果實(shí)，容易腐爛變質(zhì)，因此較難長(zhǎng)期保存[6]。我國(guó)食用香蕉的主要方法是新鮮食品，但已有通過(guò)干燥方法將香蕉烘干制成香蕉片和香蕉粉等[7]。利用干燥技術(shù)手段對(duì)香蕉進(jìn)行干制以延長(zhǎng)保存期限，具有廣闊的發(fā)展前景。

干燥是延長(zhǎng)果蔬保質(zhì)期的傳統(tǒng)技術(shù)之一[8]，熱泵干燥是隨著熱泵技術(shù)發(fā)展起來(lái)的[9]。蔣思杰等[10]對(duì)香蕉進(jìn)行了熱泵干燥參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，干燥溫度越高，香蕉片失水越快，但低溫可以使得香蕉片保持較好的色澤。楊婉茹等[11]研究探討了熱泵干燥溫度對(duì)柑橘皮干燥效果的影響，60 ℃時(shí)色澤較好，黃酮、精油含量最高且抗氧化性最強(qiáng)。淺川[12]于1976年發(fā)現(xiàn)了“淺川效應(yīng)”，即在高壓電場(chǎng)下，水的蒸發(fā)變的十分活躍，施加電壓后水的蒸發(fā)速度加快，并認(rèn)為電場(chǎng)消耗的能量很小。干燥原理是將被干燥物料放置在電場(chǎng)中，通過(guò)外加電場(chǎng)力的作用，使得物料中水分子的氫鍵斷開(kāi)從而實(shí)現(xiàn)脫水，目前已應(yīng)用于中藥飲片、生物材料、果蔬以及農(nóng)林產(chǎn)品等方面的干燥脫水[13]。楊嬌等[14]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析驗(yàn)證了高壓電場(chǎng)對(duì)馬鈴薯蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響小于熱風(fēng)干燥，減少營(yíng)養(yǎng)成分的流失。王進(jìn)康等[15]研究發(fā)現(xiàn)，高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)可以顯著提高玉米的干燥速率，不同的電場(chǎng)效應(yīng)會(huì)影響干燥玉米的完整率。白亞鄉(xiāng)等[16]設(shè)計(jì)了高壓電場(chǎng)-真空冷凍聯(lián)合干燥海參的試驗(yàn)，結(jié)果證明聯(lián)合干燥方式更加節(jié)能高效。Esehaghbeygi等[17]發(fā)現(xiàn)相較于微波干燥香蕉，采用高壓電場(chǎng)干燥的香蕉復(fù)水性更好，外觀(guān)品質(zhì)更為良好。白亞鄉(xiāng)等[18?19]設(shè)計(jì)了高壓電場(chǎng)熱風(fēng)組合干燥海米試驗(yàn)與高壓電場(chǎng)干燥斑鰶魚(yú)試驗(yàn)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與電場(chǎng)聯(lián)合干燥可降低熱風(fēng)溫度，電場(chǎng)與熱風(fēng)聯(lián)合干燥相較于熱風(fēng)干燥能夠縮短干燥時(shí)間、降低干燥能耗，提高干燥樣品表面品質(zhì)。

熱泵干燥相比于傳統(tǒng)干燥技術(shù)節(jié)能降耗，干燥品質(zhì)好，污染小，但其受溫度限制較大[20]。本論文提出高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)香蕉片高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥進(jìn)行研究，分析不同干燥因素對(duì)干燥效果的影響，探究高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥特性，為高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)相關(guān)研究提供參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)裝置為自主設(shè)計(jì)并搭建的高壓電場(chǎng)熱泵聯(lián)合干燥試驗(yàn)臺(tái)，原理圖如圖1。高壓電場(chǎng)熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)、高壓電場(chǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要設(shè)備有：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液罐、板式換熱器、質(zhì)量流量計(jì)、干燥室、風(fēng)機(jī)、電子天平、溫濕度傳感器、物料支架、風(fēng)速控制器、止回閥、電磁閥等。系統(tǒng)主要設(shè)備以及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2～圖3所示。該試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)閉式熱泵干燥和除熱除濕干燥，本試驗(yàn)主要采取閉式熱泵干燥循環(huán)，熱泵系統(tǒng)采用R134a制冷劑，在熱泵干燥工程中，將高壓電場(chǎng)裝置引入干燥室，形成熱泵-高壓電場(chǎng)聯(lián)合干燥。

表1 試驗(yàn)設(shè)備名稱(chēng)及參數(shù)Table 1 Name and parameters of test equipments

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of the test device

圖3 高壓電場(chǎng)電極示意圖Fig.3 High-voltage electric field electrode diagram

1.2 材料與儀器

香蕉 市面所售普通香蕉（海南香蕉），購(gòu)于學(xué)校水果超市，選用無(wú)病蟲(chóng)害且外觀(guān)良好的新鮮香蕉；亞硫酸氫鈉（NaHSO3） 天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)；氯化鈉（NaCl） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O） 天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

PM9833A三相電參數(shù)測(cè)量?jī)x 東莞納普電子科技有限公司；34972A數(shù)據(jù)采集儀 Keysight是德科技（中國(guó)）有限公司；Testo425高精度風(fēng)速儀 精度±0.03 m/s，德國(guó)儀器國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；HE83水分測(cè)定儀 精度0.01%，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；UTP-313電子天平 精度 0.01 g，上?；ǔ彪娖饔邢薰荆籞A-120K高壓靜電發(fā)生器精度1kV，肇慶市精誠(chéng)電子商務(wù)有限公司；果蔬切片機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

購(gòu)買(mǎi)的新鮮香蕉經(jīng)護(hù)色劑（亞硫酸氫鈉0.5 g/L+氯化鈉1.0 g/L+檸檬酸2.0 g/L）預(yù)處理，以減少香蕉褐變[21]，根據(jù)試驗(yàn)厚度要求使用果蔬切割機(jī)處理制備，將厚度均勻的香蕉片，平鋪于物料盤(pán)上，放入干燥室。電極數(shù)目設(shè)置為3根，干燥至物料狀態(tài)接近絕干狀態(tài)。

采取單因素實(shí)驗(yàn)方法，以溫度、厚度及電場(chǎng)強(qiáng)度為單一變量分析其對(duì)干燥結(jié)果的影響。熱泵溫度過(guò)高時(shí)，干燥產(chǎn)品品質(zhì)較低，熱泵溫度過(guò)低時(shí)，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此熱泵干燥溫度條件選取50、55、60 ℃；綜合考慮干燥品質(zhì)與干燥時(shí)間[22?23]厚度變量選取1、3、5 mm；通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)選取電場(chǎng)強(qiáng)度為50、75、100 kV。以溫度為變量時(shí)，香蕉切片厚度為3 mm、電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV；以切片厚度為變量時(shí)，干燥溫度為55 ℃、電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV；以電場(chǎng)強(qiáng)度為變量時(shí)，干燥溫度為55 ℃、切片厚度為3 mm。同時(shí)選取熱泵干燥溫度為60 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV試驗(yàn)條件進(jìn)行單一熱泵干燥與高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥對(duì)比分析，厚度均為3 mm。通過(guò)有效水分?jǐn)U散系數(shù)分析不同干燥因素對(duì)于被干燥物料脫水能力的影響；通過(guò)對(duì)不同的干燥模型進(jìn)行擬合，找到最佳干燥模型。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法

本文主要研究?jī)?nèi)容為探究高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥特性影響，以分析高壓電場(chǎng)熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)可行性，因此選用干燥速率、水分比、干燥能耗和有效水分?jǐn)U散系數(shù)等指標(biāo)分析對(duì)干燥特性的影響。干燥速率表示單位時(shí)間內(nèi)降低的含水率值，分析香蕉片干燥趨勢(shì)特性與不同干燥時(shí)期的快慢影響；水分比用以分析不同干燥因素對(duì)于被干燥物料不同干燥條件下同一時(shí)刻的含水率對(duì)比，也可以反映脫水干燥速率的快慢程度；干燥能耗為分析不同干燥因素節(jié)能降耗效果的重要指標(biāo)；有效水分?jǐn)U散系數(shù)反映不同干燥因素對(duì)于被干燥物料脫水能力的影響。

1.4.1 初始含水量的測(cè)定 在進(jìn)行干燥試驗(yàn)時(shí)，從放入干燥室干燥的同一批香蕉中挑選兩片放入水分測(cè)定儀中，按照GB/T 2009.3-2016進(jìn)行水分含量測(cè)定，在105 ℃條件下烘至絕干，測(cè)定初始含水率。

1.4.2 干基濕含量 在試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，每隔20 min進(jìn)行一次稱(chēng)重，干燥過(guò)程當(dāng)中的干基濕含量計(jì)算方法基于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》（GB/T2009.3-2016）中的直接干燥法，香蕉片的干基濕含量計(jì)算公式為[24]：

式中：M表示t時(shí)刻干燥樣品的干基濕含量，g/g；mt表示t時(shí)刻干燥香蕉片的質(zhì)量，g；md表示絕干物料的質(zhì)量，g。

1.4.3 干燥速率 干燥速率為單位時(shí)間內(nèi)每單位面積濕物料汽化的水分質(zhì)量 ，計(jì)算公式為：

式中：W為干燥速率，g/（g·h）；M1為香蕉片干燥至t1時(shí)刻的干基濕含量，g/g；M2為香蕉片干燥至t2時(shí)刻的干基濕含量，g/g。

1.4.4 水分比 水分比表示一定干燥條件下被干燥物料當(dāng)中未除去水分所占比例，反映物料的干燥速率，水分比計(jì)算公式為[25]：

式中：mt為t時(shí)刻干燥香蕉片的重量，g；m0為香蕉片干燥初始時(shí)刻的重量，g；md為絕干物料的質(zhì)量，g。

1.4.5 能耗計(jì)算 干燥能耗的計(jì)算如下[26?27]：

式中：E為單位能耗，kJ/g；Q為干燥過(guò)程中耗費(fèi)的總電能，kW·h；M為干燥的香蕉片總質(zhì)量，g。

1.4.6 有效水分?jǐn)U散系數(shù) 有效水分?jǐn)U散系數(shù)是表示干燥過(guò)程當(dāng)中水分在被干燥物料中擴(kuò)散情況的重要參數(shù)，反映被干燥物料在一定干燥條件下的脫水能力[28]。有效水分?jǐn)U散系數(shù)越大，表示物料內(nèi)部當(dāng)中的水分越容易遷移擴(kuò)散。根據(jù)菲克第二定律，得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)計(jì)算方程，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)形式[29]：

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L0為干燥物料的厚度，m；L表示干燥物料厚度的一半，m；t為物料干燥時(shí)間，s。

1.4.7 感官評(píng)價(jià) 如表2，感官評(píng)價(jià)方面由10位與試驗(yàn)無(wú)關(guān)聯(lián)人員（男女各5名，年齡在20～30歲）組成[30]，結(jié)果取其平均值。每位成員的味覺(jué)嗅覺(jué)感官等均正常，且對(duì)香蕉無(wú)明顯喜惡。以《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 香蕉脆片》（NY/T 948-2006）為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)挑選出的評(píng)價(jià)人員進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn)，從而對(duì)于干燥樣品的評(píng)價(jià)更為專(zhuān)業(yè)客觀(guān)。

表2 干燥香蕉片感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standard for dry banana chips

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行處理，均以平均值表示；采用Origin 9.4進(jìn)行繪圖與干燥模型擬合；顯著性分析采用SPSS 26進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱泵干燥溫度對(duì)香蕉干燥特性的影響

以溫度為變量，在香蕉切片厚度為3 mm、電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV的條件下進(jìn)行干燥試驗(yàn)。圖4顯示了香蕉片在不同溫度下的干燥速率曲線(xiàn)，三條曲線(xiàn)呈現(xiàn)的干燥速率整體處于下降狀態(tài)[31]，且與熱泵干燥溫度成正比。120 min前60℃干燥速率為2.75～0.98 g/（g·h），55 ℃干燥速率為2.37～0.89 g/（g·h），50 ℃干燥速率1.97～0.70 g/（g·h）。在干燥前期，香蕉片含水率較高，干燥溫度越高，香蕉片失水越快，其干燥速率越快，60 ℃干燥速率最高，55 ℃干燥速率大于50 ℃；而干燥后期，隨著水分蒸發(fā)，含水率降低，香蕉片當(dāng)中含有的糖類(lèi)、芳香烴等物質(zhì)比例增大，水分從內(nèi)部遷移到表面的速率變慢，干燥速率降低，因此后期干燥溫度高的干燥速率要相對(duì)較慢。

圖4 不同溫度條件下干燥速率曲線(xiàn)Fig.4 Drying rate curve under different temperature conditions

圖5為香蕉片在不同溫度下的水分比變化曲線(xiàn)，60 ℃的水分比最低，50 ℃的水分比始終最高；50 ℃條件下達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為360 min，60 ℃條件下達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為240 min，相對(duì)縮短了120 min。在干燥過(guò)程中，干燥溫度越高，前期干燥速率越快，香蕉片快速失水，濕基含水率相對(duì)越低，故而越有利于水分蒸發(fā)，加快香蕉的干燥速度。這與艾爾米塞維萊通等[32]對(duì)香蕉進(jìn)行熱泵干燥的研究結(jié)果趨勢(shì)相符。

圖5 不同溫度條件下香蕉片水分比變化曲線(xiàn)Fig.5 Water ratio change curve of banana slices under different temperature conditions

2.2 切片厚度對(duì)香蕉干燥特性的影響

以切片厚度為變量，在干燥溫度55 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度75 kV條件下進(jìn)行干燥試驗(yàn)。圖6為香蕉片在不同切片厚度下的干燥速率曲線(xiàn)，3條曲線(xiàn)整體為降速，與切片厚度成反比，香蕉片越薄其干燥速率降低的越快。在干燥前期，香蕉片越厚，其干燥速率越慢；干燥后期，厚度越厚其干燥速率反而越高。整體香蕉片厚度越厚其干燥時(shí)間越久，5 mm香蕉片達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為400 min，是1 mm香蕉片達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間的兩倍。在干燥前期，香蕉片內(nèi)部水分主要以非結(jié)合水形式存在，香蕉片越薄，水分向外遷移的距離較短，因此水分散失相對(duì)較快，干燥后期隨著香蕉片水分含量的降低，結(jié)合水比例增大，其水分傳質(zhì)阻力逐漸增大，故而較薄的香蕉片干燥速率反而相對(duì)較低，這與孫傳祝關(guān)于單片厚度對(duì)于胡蘿卜水分遷移影響的研究結(jié)論相一致[33]。

圖6 不同厚度條件下干燥速率曲線(xiàn)Fig.6 Drying rate curve under different thickness conditions

由圖7可見(jiàn)，1 mm香蕉片的水分比遠(yuǎn)低于3和5 mm香蕉片，3 mm香蕉片的水分比低于5 mm香蕉片。厚度為5 mm時(shí)達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為400 min，厚度為1 mm時(shí)達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為200 min，相對(duì)5 mm時(shí)縮短了200 min。在其他條件相同時(shí)，香蕉片越厚，與空氣接觸的相對(duì)表面積越小，升溫越慢，且內(nèi)部水分向表面遷移的距離就越遠(yuǎn)，因此干燥速率越慢，干燥所需時(shí)間越長(zhǎng)。

圖7 不同厚度條件下香蕉片水分比變化曲線(xiàn)Fig.7 Water ratio change curve of banana slices under different thickness conditions

2.3 高壓電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)香蕉干燥特性的影響

圖8為電場(chǎng)強(qiáng)度50、75、100 kV，厚度3 mm，溫度55 ℃條件下的干燥曲線(xiàn)。由圖8可知，75、100 kV與50 kV相比干燥速率有明顯提高，而100與75 kV相比干燥速率有提升但沒(méi)有75與50 kV相比提升明顯，說(shuō)明當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，提高電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于干燥速率的提升效果的明顯降低。香蕉片在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度下的干燥速率曲線(xiàn)整體呈下降趨勢(shì)，干燥速率整體與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。125 min前電場(chǎng)強(qiáng)度高的干燥曲線(xiàn)略高于電場(chǎng)強(qiáng)度低的，后期電場(chǎng)強(qiáng)度高的干燥速率略低于電場(chǎng)強(qiáng)度低的。干燥前期100 kV干燥速率最高，50 kV下干燥速率最低，分析因?yàn)楦邏弘妶?chǎng)加快水分蒸發(fā)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，離子風(fēng)加強(qiáng)，對(duì)物料表面水分的吹動(dòng)加劇，加速水分子脫去，電場(chǎng)強(qiáng)度越大香蕉片內(nèi)水分子所受電場(chǎng)力就越大，使得水分子當(dāng)中的氫鍵斷裂，加快水分脫離物料；而后期干燥速率下降原因是因?yàn)楦稍锖笃陔S著物料水分含量的降低，水分子從內(nèi)部遷移到表面的擴(kuò)散速率變慢，因此干燥速率隨之降低，50 kV下干燥速率反而最高。

圖8 不同電壓條件下干燥速率曲線(xiàn)Fig.8 Drying rate curve under different voltage conditions

圖9為三種電場(chǎng)強(qiáng)度下的水分比變化曲線(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度為100 kV的香蕉片水分比始終低于場(chǎng)強(qiáng)度為50與75 kV的香蕉片水分比，電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV的香蕉片水分比始終低于50 kV的香蕉片水分比，說(shuō)明在干燥過(guò)程當(dāng)中，水分子不僅僅吸收熱量蒸發(fā)，還受到電場(chǎng)力的作用。電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV時(shí)達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為340 min，100 kV時(shí)達(dá)到干燥終點(diǎn)所需時(shí)間為260 min，相較于50 kV時(shí)縮短80 min，非均勻電場(chǎng)對(duì)香蕉片內(nèi)部水分施加電場(chǎng)力，電場(chǎng)力促使香蕉片內(nèi)部水分向外遷移至表面，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，水分子所受到的電場(chǎng)力越大，水分子的運(yùn)輸速率隨之加快，擴(kuò)散速率以及蒸發(fā)速率變大，因此電場(chǎng)強(qiáng)度越大，越快到達(dá)干燥終點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證高壓電場(chǎng)可以加快水分蒸發(fā)高壓[34]。

圖9 不同電壓條件下香蕉片水分比變化曲線(xiàn)Fig.9 Water ratio change curve of banana slices under different voltage conditions

2.4 不同干燥方式能耗對(duì)比

如表3所示，通過(guò)對(duì)比分析不同干燥條件下的干燥能耗，發(fā)現(xiàn)熱泵溫度為55 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度75 kV、香蕉片厚度5 mm時(shí)的干燥能耗最大為47.24 kJ/g，熱泵溫度為60 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度75 kV、厚度3 mm時(shí)的干燥能耗最小為22.06 kJ/g。在60℃、3 mm試驗(yàn)條件下，75 kV高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥與單熱泵對(duì)比，能耗降低7.61 kJ/g。切片厚度為3 mm、電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV條件下，溫度從50 ℃提高至55 ℃時(shí)，能耗相對(duì)降低8.81 kJ/g，50 ℃時(shí)的干燥能耗是60 ℃時(shí)的1.79倍；溫度55 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度75 kV試驗(yàn)條件下，切片厚度為5 mm時(shí)的能耗是1 mm的2.08倍，是3 mm的1.54倍；厚度3 mm，溫度55 ℃條件下，100 kV高壓電場(chǎng)干燥能耗相較于50 kV降低14.73 kJ/g，高壓電場(chǎng)電壓從75 kV提高至100 kV時(shí)，能耗相對(duì)降低6.42 kJ/g。綜上所述，高壓電場(chǎng)熱泵聯(lián)合干燥相較于單一熱泵干燥能夠提高干燥速率，縮減干燥時(shí)間，降低干燥能耗；高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥能耗隨著干燥溫度的升高而降低，隨切片厚度的增加而增加，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，干燥能耗越低。

表3 干燥能耗對(duì)比Table 3 Comparison of drying energy consumption

2.5 單熱泵與高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥對(duì)比分析

為驗(yàn)證高壓電場(chǎng)的干燥效果，對(duì)單獨(dú)熱泵干燥與高壓電場(chǎng)熱泵聯(lián)合干燥進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證高壓電場(chǎng)與熱泵聯(lián)合干燥相較于熱泵單一干燥具有一系列優(yōu)勢(shì)。如圖10～圖11和表4所示，熱泵溫度越高，香蕉片褐變?cè)綖閲?yán)重，因此加入高壓電場(chǎng)聯(lián)合干燥后外觀(guān)品質(zhì)對(duì)比更為明顯；且對(duì)于不同電場(chǎng)強(qiáng)度，在所研究的變量當(dāng)中75 kV為節(jié)點(diǎn)，與50 kV時(shí)干燥速率有了較為明顯的提高，而100與75 kV相比干燥速率也有提高，但沒(méi)有75與50 kV相比明顯；能耗方面，熱泵溫度為60 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度75 kV、厚度3 mm時(shí)的干燥能耗最低。因此，在所研究的試驗(yàn)變量當(dāng)中從干燥品質(zhì)、干燥速率、干燥能耗三方面綜合考慮選取最為合適的干燥參數(shù)組合，選取熱泵干燥溫度為60 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度為75 kV試驗(yàn)條件進(jìn)行單熱泵與高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥對(duì)比，厚度均為3 mm。

圖10 單一熱泵與高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥速率變化曲線(xiàn)Fig.10 Drying rate curve of single heat pump and electrohydrodynamics-heat pump

圖11 單一熱泵與高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥外觀(guān)品質(zhì)對(duì)比Fig.11 Comparison of appearance quality of single heat pump and electrohydrodynamics-heat pump combined drying

表4 干燥香蕉片感官評(píng)分Table 4 Sensory evaluation standard for dry banana chips

高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥相較于熱泵單一干燥，前期干燥速率明顯加快，且整體干燥時(shí)間縮短。外觀(guān)品質(zhì)方面，60 ℃+75 kV與60 ℃+0 kV干燥條件下的香蕉片相比，褐變程度有所減輕，外觀(guān)色澤更為明亮，無(wú)明顯異味，邊緣收縮程度較輕，更為完整。高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥相較于熱泵單一干燥，縮短干燥時(shí)間，且外觀(guān)品質(zhì)更為良好，褐變程度較低。

2.6 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水量、溫度以及物料結(jié)構(gòu)變化而變化[35]。不同干燥條件下的香蕉有效水分?jǐn)U散系數(shù)如圖12所示，在不同溫度條件下有效水分?jǐn)U散系數(shù)的范圍為1.56735×10?10～2.83093×10?10m2/s；在不同厚度條件下，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的范圍為1.8269×10?11～3.658×10?10m2/s；在不同電場(chǎng)強(qiáng)度條件下，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的范圍為1.94096×10?10～2.79991×10?10m2/s。

圖12 不同干燥條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig.12 Effective moisture diffusion coefficient under different dry conditions

有效水分?jǐn)U散系數(shù)越大，表示物料內(nèi)部當(dāng)中的水分越容易遷移擴(kuò)散。香蕉片高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨厚度的增大而減小，隨溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。

2.7 數(shù)學(xué)模型建立

物料的干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜且非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)進(jìn)行不同物料的干燥試驗(yàn)研究，總結(jié)并建立了多個(gè)理論、半理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋鑫锪细稍镞^(guò)程中水分比隨著時(shí)間的變化規(guī)律[36]。如表5所示，采用Newton模型、Henderson and Pabis模型、Page模型3個(gè)模型[37?39]擬合：

表5 干燥數(shù)學(xué)模型Table 5 Mathematical models of drying

如表6所示，Newton模型R2取值范圍為0.9935～0.9990，χ2取值范圍為0.00011～0.00066，RSS取值范圍為0.0011～0.0080；Henderson and Pabis模型R2取值范圍0.9933～0.9989，χ2取值范圍0.00011～0.00069，RSS取值范圍0.0010～0.0076；Page模型R2取值范圍0.9965～0.9996，χ2取值范圍0.0004～0.00035，RSS取值范圍0.0004～0.0039。通常，R2越大、而χ2和RSS越小則表明干燥模型擬合效果越好[40]。綜上所述，Page模型能夠更好地反映香蕉片高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥過(guò)程中的水分變化規(guī)律，是描述其干燥過(guò)程的最佳模型。

表6 干燥模型數(shù)值分析Table 6 Statistical analysis of drying models

對(duì)Page模型進(jìn)行驗(yàn)證，選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)條件為：干燥溫度為55 ℃，電壓為75 kV，厚度為1 mm。香蕉片Page干燥模型擬合驗(yàn)證結(jié)果如圖13所示，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合程度較高，說(shuō)明Page模型能夠較好的反映香蕉片干燥過(guò)程中的水分變化。

圖13 Page模型驗(yàn)證Fig.13 Page model validation

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，熱泵干燥引入高壓電場(chǎng)能夠提高香蕉片干燥速率，且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度提高而提高，并且能夠提升干燥品質(zhì)。60 ℃、75 kV與單熱泵60 ℃相比干燥速率有了較為明顯的提高，且能耗降低，外觀(guān)品質(zhì)更優(yōu)。對(duì)所研究的高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥變量范圍內(nèi)，研究分析了熱泵溫度、厚度以及電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)香蕉片干燥特性的影響。熱泵溫度越高，前期干燥速率越高，能夠縮短干燥時(shí)間，降低干燥能耗，但是熱泵溫度過(guò)高時(shí)，容易導(dǎo)致香蕉片褐變嚴(yán)重，品質(zhì)降低；香蕉片越厚，干燥速率越低，干燥時(shí)間隨之增加，能耗較大，品質(zhì)下降；對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，前期干燥速率越快，干燥時(shí)間縮短，在所研究的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)外觀(guān)品質(zhì)影響差異較小，品質(zhì)較為接近。本文驗(yàn)證了高壓電場(chǎng)有較好的干燥效果，而不同的干燥條件對(duì)香蕉片的干燥速率、干燥能耗以及品質(zhì)有不同的影響，而其最佳干燥條件組合以及更多的因素影響差異性仍然需要進(jìn)一步研究分析，如針對(duì)不同的針電極數(shù)目以及針間距等試驗(yàn)變量進(jìn)行研究探討，同時(shí)對(duì)被干燥物料的有效成分進(jìn)行對(duì)比分析研究等，以進(jìn)一步分析不同干燥因素對(duì)于干燥效果的影響，以得出最佳干燥工藝。

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，研究切片厚度、熱泵干燥溫度和高壓電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)香蕉干燥特性的影響。香蕉片的干燥過(guò)程整體呈現(xiàn)降速干燥的趨勢(shì)，干燥速率與熱泵干燥溫度、高壓電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與切片厚度成反比；干燥能耗與切片厚度成正比，與熱泵干燥溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度成反比；香蕉片在聯(lián)合干燥下干燥速率更高，能耗更低且具有更優(yōu)的干燥品質(zhì)。香蕉片有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨厚度的增大而減小，隨熱泵干燥溫度與電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。干燥模型擬合結(jié)果表明Page模型的擬合效果最佳，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合程度較高，可以較好的描述香蕉片干燥過(guò)程當(dāng)中的水分變化規(guī)律。高壓電場(chǎng)-熱泵聯(lián)合干燥有助于加快干燥速率，降低干燥能耗，提高干燥品質(zhì)，更為節(jié)能，具有研究推廣意義。