熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥對山藥片干燥特性的影響

孟照峰,崔祥娜,劉寅,王藝曼,胡汝生,杜晨陽,王順

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

山藥是常用的中藥材,被收錄于歷版《中國藥典》[1];它能夠供給人體大量的黏液蛋白[2];入藥能增強(qiáng)免疫力。而鮮山藥水分含量較高,不宜長時(shí)間運(yùn)輸與貯藏[3],否則就會出現(xiàn)霉變、腐爛等問題,造成了食物的浪費(fèi)與環(huán)境的污染,因此干燥處理必不可少。

國內(nèi)外諸多專家學(xué)者對山藥干燥進(jìn)行研究。山藥干燥主要以熱風(fēng)干燥和自然晾曬為主,這種方法雖簡單、節(jié)能,但干燥時(shí)間長,干燥品質(zhì)低。近年來,冷凍干燥[4]以及微波干燥[5]得到一定的推廣。微波干燥傳熱快,水分子吸收能量,使它們迅速蒸發(fā);此外,微波干燥可以防止食品原料的收縮[5],但產(chǎn)品干燥不均勻,會使局部產(chǎn)品過熱。冷凍干燥可以得到保持原有營養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品[6],但能源消耗比較高。隨著國家戰(zhàn)略規(guī)劃的推出,節(jié)能已經(jīng)成為一種重要社會意識。熱泵干燥[7]以它高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用,其中包括獼猴桃[8]、柿子[9]等。研究得出,相較于真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥、微波干燥,熱泵干燥是兼顧品質(zhì)與成本的一項(xiàng)干燥方式。

高壓電場干燥作為一種新興的干燥技術(shù),能耗低、干燥品質(zhì)好,具有巨大的前景。它主要依靠不均勻高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)對物料表面產(chǎn)生的沖擊作用和不均勻電場對水分子牽引力作用[10],這個(gè)過程擾亂了飽和的邊界層,加快水分子從食物中蒸發(fā)[11]。BAJGAI等[12]對菠菜研究結(jié)果表明,25 ℃高壓電場干燥下的失水率與60 ℃熱風(fēng)干燥相似,高壓電場干燥的菠菜葉顏色與原始綠色接近。丁昌江等[13]、邢茹等[14]對胡蘿卜等蔬菜進(jìn)行了高壓電場干燥實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,電場干燥(溫度36～42 ℃)比70 ℃干燥的時(shí)間分別縮短了43.3%、41.0%、28.6%、40.9%,同時(shí)干燥后果蔬的營養(yǎng)成分保留良好,這表明,高壓電場可加快干燥速率,降低干燥溫度。

在這種背景下,本文設(shè)計(jì)用熱泵代替熱風(fēng)為高壓電場干燥升溫,二者進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。既可進(jìn)一步節(jié)能,又可提升干燥品質(zhì)。因此,一種新型干燥系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,用熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥系統(tǒng)來干燥山藥片,并分析山藥片在聯(lián)合干燥下的干燥特性與營養(yǎng)成分變化,為客觀、準(zhǔn)確測定懷山藥片提供幫助,并為山藥片的貯藏、運(yùn)輸提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理圖如圖1所示。主要設(shè)備包括:壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、干燥室、高壓電場發(fā)生器等,主要設(shè)備及參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)物圖如圖2所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)Table 1 main experimental equipment and parameters

圖1 熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump-high voltage electric field combined drying system

圖2 實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖Fig.2 Experimental setup

熱泵系統(tǒng)包括2種模式:空氣源熱泵加熱除濕干燥循環(huán)和閉式干燥循環(huán)?？諝庠礋岜眉訜岢凉窀稍镅h(huán)一般用于干燥前升溫過程;干燥過程中采用閉式熱泵循環(huán)。熱風(fēng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動,進(jìn)入干燥室干燥物料,從干燥室出來后,經(jīng)過除濕蒸發(fā)器進(jìn)行除濕、冷凝器進(jìn)行加熱后進(jìn)入干燥室內(nèi)完成循環(huán)。高壓電場設(shè)置在干燥室內(nèi),與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合干燥物料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將新鮮、無損傷的山藥進(jìn)行干燥前預(yù)處理。首先進(jìn)行切片處理,均勻地切成3 mm厚的山藥薄片。然后使用鹵素水分檢測儀隨機(jī)檢測山藥片的初始含水率,取平均值,最終測得山藥片的初始含水率為(72.66±2.77)%。將山藥片放入干燥室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。初始固定質(zhì)量為(320±0.5) g,表面積為13.44 cm2。托盤尺寸為0.47 m×0.35 m。實(shí)驗(yàn)變量有溫度(50、55、60 ℃)、電壓(0、80、90、100 kV)和風(fēng)速(1、2、3 m/s)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。實(shí)驗(yàn)過程中每隔10 min記錄山藥片質(zhì)量,當(dāng)山藥片的濕基含水率達(dá)到安全含水率13%時(shí),即可停止干燥(Q/WHZY 0001S—2022《懷山藥片(粉)及其制品》)。

1.3 檢測指標(biāo)

1.3.1 含水率的測定

山藥片的干、濕基含水率計(jì)算如公式(1)～公式(3)所示[15-16]:

m=m0×(1-w0)

(1)

(2)

(3)

式中:m為山藥片的絕干質(zhì)量,g;m0是初始時(shí)刻的質(zhì)量,g;w0是山藥片的初始含水率,%;wt是t時(shí)刻的干基含水率,%;mt是t時(shí)刻山藥片的質(zhì)量,g;wwt是t時(shí)刻的濕基含水率,%。

1.3.2 水分比的測定[15]

水分比測定的計(jì)算如公式(4)所示:

(4)

式中:MR為水分比,%;we為樣品平衡時(shí)的干基含水率,%;wt為t時(shí)刻樣品的干莖含水率,%;wt0為初始時(shí)刻樣品的干基含水率,%。

1.3.3 干燥速率的測定[15]

干燥速率的測定如公式(5)所示:

(5)

式中:DR為干燥速率,h-1;wt為t時(shí)刻干莖含水率,%;wt+Δt為t+Δt時(shí)刻的干基含水率,%;Δt為干燥間隔時(shí)間,s。

1.3.4 復(fù)水率的測定

干制品的復(fù)水率是檢驗(yàn)干制品品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[17]。將干燥后的山藥片放入25 ℃蒸餾水中保持4 h,而后快速擦干樣品表面水分,進(jìn)行稱量[18]。復(fù)水率的計(jì)算如公式(6)所示[17]:

(6)

式中:RR為復(fù)水率,%;ma為復(fù)水后的質(zhì)量,g;mb為復(fù)水前的質(zhì)量,g。

1.3.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)表示物料在干燥過程中水分的擴(kuò)散情況,反映物料在一定條件下的脫水能力,根據(jù)Fick第二定律可得其簡化后的計(jì)算方程如公式(7)所示[19]:

(7)

根據(jù)計(jì)算方程,繪制物料干燥過程中對的關(guān)系圖,進(jìn)行線性擬合得到直線斜率,從而得出Deff,如公式(8)所示:

(8)

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

1.3.6 活化能

活化能表示物料在干燥過程中脫去單位物質(zhì)的量的水分所需的能量,其大小表示干燥的難易程度?；罨茉酱?干燥所需的能量越多,物料就越難干燥[20]。根據(jù)Arrhenius方程,得出活化能Ea的計(jì)算方程如公式(9)所示:

Deff=D0exp[-Ea/R(T+273.15)]

(9)

對方程兩邊取對數(shù),得到公式(10):

(10)

由公式(10)可得,有效水分?jǐn)U散系數(shù)的對數(shù)lnDeff與1/(T+273.15)呈線性關(guān)系,進(jìn)行線性擬合得到直線斜率k2,從而得出Ea,計(jì)算方程如公式(11)所示:

(11)

式中:D0為物料中的擴(kuò)散基數(shù),m2/s;Ea為干燥活化能,kJ/mol;R為氣體摩爾常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為干燥溫度,℃。

1.3.7 成品評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考陳紅惠等[18]的方法,對山藥片評價(jià),檢驗(yàn)方法為:取適量試樣與潔凈的白瓷盤中,在自然光下觀察其色澤和狀態(tài),聞其氣味。評分采用百分制,見表3。

表3 感官要求Table 3 Sensory requirements

1.3.8 單位能耗的測定

單位能耗通過電參數(shù)測量儀測定,計(jì)算如公式(12)所示[21]:

(12)

式中:Es為單位能耗,kJ/g;Et為干燥過程中的總能耗,kW/h;M為樣品質(zhì)量,g。

1.3.9 總酚含量的測定

測定方法為福林酚比色法。參考李藝[22]的方法測定,將干燥后的山藥粉碎,并取5 g粉末與和25 mL 75%乙醇研磨成勻漿,將混合物以100 W超聲波下提取1 h,以6 000 r/min、4 ℃離心15 min。然后將1 mL上清液、6 mL蒸餾水、0.5 mL 1.0 mol/L的福林酚試劑混合靜置3 min后加入1.5 mL 20%的Na2CO3溶液充分混合,靜置2 h后在765 nm下測定吸光度。通過每克樣品中所含的沒食子酸濃度,再通過換算得出最終樣品的多酚含量,通過每克樣品中所含的沒食子酸濃度,再通過換算計(jì)算出最終樣品的多酚含量,換算公式如公式(13)所示:

(13)

式中:W為樣品中多酚含量,mg GAE/g DM;C為沒食子酸質(zhì)量濃度,g/mL;V為測量時(shí)樣品溶液定容的體積,mL;N為樣品提取液定容的體積,mL;M為樣品質(zhì)量,g。

1.3.10 干燥模型與統(tǒng)計(jì)參數(shù)的評價(jià)

通過大量模型進(jìn)行擬合,選取Newton、Page和Henderson and Pabis 3種模型。表4為3種模型用于描述山藥片薄層物料干燥動力學(xué)。非線性擬合分析用于求出每個(gè)模型的常數(shù)和參數(shù),統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括卡方檢驗(yàn)值χ2、均方根誤差(root mean square error,RMSE)以及決定系數(shù)R2。這3個(gè)參數(shù)可以選取到最適合描述干燥動力學(xué)的參考標(biāo)準(zhǔn)。R2的值越大,RMSE和χ2的值越小時(shí),數(shù)學(xué)模型的擬合程度越好[23]。參數(shù)計(jì)算方法分別如公式(14)～公式(16)所示:

表4 薄層干燥數(shù)學(xué)模型[15]Table 4 Mathematical model of thin layer drying

(14)

(15)

(16)

式中:MRexp,i為水分比的實(shí)驗(yàn)值,%;MRpre,i為水分比的預(yù)測值,%;MRpre為水分比預(yù)測值的平均值,%;Z為觀測次數(shù);z為回歸模型中常數(shù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單熱泵與聯(lián)合干燥對比分析

圖3為單熱泵干燥與聯(lián)合干燥在不同溫度下山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖3-a可知,同溫度下聯(lián)合干燥的干燥速率較單熱泵有明顯提升;說明附加電壓對干燥速率的提升有較大作用。60 ℃單熱泵與55 ℃聯(lián)合干燥速率趨勢相似,這說明附加電壓可減小單熱泵溫度5 ℃左右,對一些熱敏性物料有潛在優(yōu)勢。由圖3-b可知,單熱泵干燥在干燥溫度為50、55以及60 ℃時(shí)的干燥時(shí)間分別為110、90、70 min。聯(lián)合干燥在干燥溫度50、55、60 ℃時(shí)的干燥時(shí)間分別為90、70、60 min。同一溫度下,聯(lián)合干燥所需的干燥時(shí)間較單熱泵縮短14%～22%。單熱泵55、60 ℃分別與聯(lián)合干燥50、55 ℃干燥時(shí)間相同,這是因?yàn)楦邏弘妶霎a(chǎn)生的離子風(fēng)加快山藥片內(nèi)部水分遷移至表層的速率,增加水分的遷移速度,這進(jìn)一步證明聯(lián)合干燥有利于減低干燥溫度。

a-單熱泵干燥下山藥片的干燥曲線;b-聯(lián)合干燥下山藥片的干燥曲線圖3 單熱泵與聯(lián)合干燥下山藥片的干燥曲線Fig.3 Drying curve of yam slices dried by single heat pump and combined drying

2.2 不同電壓對山藥片干燥性能的影響

圖4為不同電壓下山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖4-a可知,聯(lián)合干燥下山藥片的干燥速率較0 kV(單熱泵)有明顯提升,并且隨著電壓的增加干燥速率也隨之增加,但增幅較小。另外,干燥速率隨干基含水率的減小而下降。由圖4-b可以看出,隨著電壓的提升,干燥時(shí)間分別為90、70、60、50 min。聯(lián)合干燥下山藥片的水分比比單熱泵要快,聯(lián)合干燥間的水分比曲線較為相似。這可以看出,在聯(lián)合干燥下,山藥片的水分蒸發(fā)比單熱泵更快,并且電壓越高水分蒸發(fā)越快,表明附加電壓可以縮短干燥時(shí)間,提升干燥速率。高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)[11]加快山藥片內(nèi)部水分遷移至表層的速率,電場強(qiáng)度越大,水分子所受到的離子風(fēng)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,進(jìn)一步驗(yàn)證高壓電場可以加快水分的蒸發(fā)。這與香蕉片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[24]。

a-干燥速率;b-水分比圖4 不同電壓下山藥片的干燥曲線Fig.4 Drying curve of mountain slices under different voltages

2.3 不同風(fēng)速下山藥片的干燥性能

圖5為不同風(fēng)速山藥干燥的干燥速率曲線和水分比曲線。由圖5-a可知,干燥速率隨干燥風(fēng)速的增加而增加,即3 m/s具有較高的干燥速率。這是因?yàn)檩^大的干燥風(fēng)速對山藥片表面水分汽化速率較大。干燥初期,干基含水率較高,干燥風(fēng)速提升,水分蒸發(fā)速度快,導(dǎo)致干燥速率較大,干燥速率迅速提升至最大值后持續(xù)降速,直至到達(dá)干燥終點(diǎn)。低風(fēng)速的干燥速率較高風(fēng)速的干燥趨勢平緩。在干燥后期,不同風(fēng)速間干燥速率變化不大,故可通過降低風(fēng)速的方式,降低能耗、節(jié)約成本。由圖5-b可知,當(dāng)風(fēng)速分別為1、2、3 m/s時(shí),樣品到達(dá)平衡時(shí)的時(shí)間分別為110、80、70 min,可以看出山藥到達(dá)干燥終點(diǎn)的時(shí)間隨風(fēng)速的升高而縮短。干燥風(fēng)速升高時(shí),物料表面熱風(fēng)流動較快,致使水分蒸發(fā)速率變快,水分比降低。

a-干燥速率;b-水分比圖5 不同風(fēng)速下山藥片的干燥曲線Fig.5 Drying curve of slices under different wind speeds

2.4 復(fù)水率

復(fù)水率是指新鮮水果和蔬菜在干燥后吸收水分并恢復(fù)其原始新鮮度的能力。一般來說,干燥產(chǎn)品恢復(fù)新鮮狀態(tài)的程度越高,干燥產(chǎn)品的質(zhì)量越好。圖6為干燥溫度、風(fēng)速以及電壓下山藥片的復(fù)水率。單因素方差分析表明,風(fēng)速變化以及附加電壓對山藥的復(fù)水能力都有顯著影響(P<0.05)。由圖6-a中可以看出,同一溫度下,聯(lián)合干燥較單熱泵提升6.3%～15.4%。55 ℃干燥的山藥片復(fù)水率較高,說明其吸水能力較好。這與ZZAMAN等[25]的研究一致。由圖6-b中看出,對照組(0 kV)時(shí)的復(fù)水率最低為1.89,在電壓80、90、100 kV的復(fù)水率分別較對照組增加6.3%,9.0%,3.8%。丁昌江等[15]研究了不同高壓電場強(qiáng)度下的干燥特性,發(fā)現(xiàn)復(fù)水率隨著高壓電場強(qiáng)度的升高而升高,他們認(rèn)為在高壓電場的作用下,離子風(fēng)沖擊樣品表面會使樣品形成多孔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)會使樣品復(fù)水過程中吸收更多水的能力,從而增加山藥片的復(fù)水率。由圖6-c可知,復(fù)水率隨著風(fēng)速的增加而逐漸降低,1 m/s時(shí)復(fù)水率最大,2、3 m/s較1 m/s分別減少3.9%、8.1%。這可能是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加,與離子風(fēng)之間產(chǎn)生相互影響導(dǎo)致復(fù)水率的下降。

a-不同溫度干燥條件下的復(fù)水率;b-不同電壓干燥條件下的復(fù)水率;c-不同風(fēng)速干燥條件下的復(fù)水率圖6 不同干燥條件下的復(fù)水率Fig.6 Rehydration rate under different drying conditions

2.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)可以表現(xiàn)出干燥物料在干燥過程中水分遷移速度的快慢程度。表5顯示不同條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。隨著溫度的提升,單熱泵干燥與聯(lián)合干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)均呈現(xiàn)處上升的趨勢,這說明溫度對水分的遷移有促進(jìn)作用。同時(shí),可以看出單熱泵55 ℃和聯(lián)合干燥50 ℃以及單熱泵60 ℃和聯(lián)合干燥55 ℃時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)相近,這印證了上文聯(lián)合干燥可降低干燥溫度5 ℃左右。隨著電場的增加,有效水分?jǐn)U散系數(shù)也隨之增加,100 kV 時(shí)的有效擴(kuò)散系數(shù)約為對照組的1.4倍,可以看出聯(lián)合干燥可有效提升有效水分?jǐn)U散系數(shù)。隨著風(fēng)速的增加,有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨之增大,但增速減小。

表5 不同條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)與活化能Table 5 Effective diffusion coefficient and activation energy under different conditions

2.6 活化能

干燥活化能是衡量干燥進(jìn)程難易的重要指標(biāo),其值越小,表明干燥越易進(jìn)行。表5為單熱泵與聯(lián)合干燥的活化能。計(jì)算得到單熱泵與聯(lián)合干燥的活化能分別為39.89、34.77 kJ/mol,聯(lián)合干燥的活化能較單熱泵減少約13%。這表明聯(lián)合干燥可降低干燥難度,使干燥更易進(jìn)行。

2.7 單位能耗

由表6可以看出不同干燥條件下單位能耗的變化。由表6可知,溫度、電壓與風(fēng)速對干燥能耗有不同程度的影響。山藥片的單位能耗在聯(lián)合干燥60 ℃條件下的能耗最低為18.38 kJ/g,單熱泵50 ℃時(shí)的單位能耗最高為26.95 kJ/g。同溫度下,聯(lián)合干燥的單位能耗較單熱泵可降低6%～19%。55 ℃單熱泵和50 ℃聯(lián)合干燥以及60 ℃單熱泵和55 ℃聯(lián)合干燥間的單位能耗相似,這又印證了上文所說聯(lián)合干燥可降低溫度5 ℃左右的說法。不同電壓下干燥山藥片的單位能耗隨著電壓的增大而逐漸減小,單熱泵與聯(lián)合干燥間的單位能耗存在較大差異,這說明附加電壓可有效降低單位能耗。不同風(fēng)速下,干燥山藥片的單位能耗隨著風(fēng)速的升高逐漸減小,熱風(fēng)風(fēng)速的增加導(dǎo)致物料表面水分蒸發(fā)速率變快,導(dǎo)致干燥時(shí)間縮短,從而影響干燥能耗。

表6 不同干燥條件下山藥片的單位能耗、感官評分以及總酚含量Table 6 Unit energy consumption, sensory score and total phenol content of yam slices under different drying conditions

2.8 山藥片的感官品質(zhì)

表6顯示了不同干燥條件下山藥片的感官評分。由表6看出,溫度、電壓與風(fēng)速對山藥片的感官評分都有不同程度的影響。隨著溫度的上升,單熱泵干燥與聯(lián)合干燥的感官評分為下降趨勢,但聯(lián)合干燥整體感官評分較單熱泵干燥要高10%～28%,一是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致物料表面收縮卷曲,致使物料斷裂明顯;二是說明聯(lián)合干燥可以提升山藥片的感官評分。隨著電壓的升高,山藥片的感官評分呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,55 ℃-80 kV時(shí)的評分最高為78.33。隨著風(fēng)速的增加,山藥片的感官評分也隨之上升,3 m/s較1 m/s的感官特性提升21%。這是因?yàn)轱L(fēng)速較低時(shí),干燥速率較慢、干燥時(shí)間較長、形狀收縮較為嚴(yán)重,造成感官評分下降。

2.9 總酚含量

由表6可以看出不同干燥條件下總酚含量的變化。由表6可知,溫度與電壓對山藥片的總酚含量有不同程度的影響。單熱泵干燥時(shí)的總酚含量隨著溫度的升高而減小,50 ℃時(shí)的總酚含量約為55 ℃和60 ℃時(shí)的9%。這是因?yàn)闇囟鹊纳仙?總酚的穩(wěn)定性變差,更易分解。這與盛金鳳等[26]的研究結(jié)果相似。聯(lián)合干燥時(shí)的總酚含量整體上較單熱泵干燥時(shí)要高,60 ℃時(shí)的聯(lián)合干燥較單熱泵干燥提升了13%,這說明附加電壓能有效緩解高溫對總酚的負(fù)面影響。這在LAMMERSKITTEN等[27]的研究中也觀察到在電場的作用下總酚含量增加的結(jié)果。他們認(rèn)為在電場干燥情況下,發(fā)生了某種生化反應(yīng),導(dǎo)致新化合物的生成。另外,也有人認(rèn)為,是因?yàn)殡妶鰧?dǎo)致多酚氧化酶和過氧化氫酶等失活,使能較好的保存酚類化合物[28]。不同電壓下的總酚含量隨著電壓的升高而增大,80、90、100 kV分別較單熱泵提升0.5%、19.6%、12.3%,說明電壓90 kV以上的聯(lián)合干燥可有效提升山藥片中的總酚含量。不同風(fēng)速下的總酚含量無明顯變化。

2.10 山藥片的數(shù)學(xué)干燥模型

2.10.1 干燥數(shù)學(xué)模型的建立

采用所選取的3個(gè)薄層干燥數(shù)學(xué)模型對不同干燥條件下的山藥片的水分比隨時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到各模型的待定常數(shù),擬合結(jié)果見表7。

表7 山藥片薄層干燥模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 Statistical results of thin layer drying model parameters of yam slices

由表7可以看出,干燥曲線數(shù)據(jù)與干燥模型方程擬合的R2處于0.99之上,這說明這3個(gè)數(shù)學(xué)模型均能很好地描述山藥片干燥過程中的水分變化規(guī)律。其中,Page模型具有最高的R2、以及最低的χ2和RMSE,說明Page模型是描述山藥片聯(lián)合干燥的最佳模型。

2.10.2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的擬合效果,選取最適合的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,對實(shí)驗(yàn)值和模型的預(yù)測值進(jìn)行比較。在干燥溫度55 ℃、干燥風(fēng)速3 m/s、電壓為80 kV的實(shí)驗(yàn)條件下驗(yàn)證的結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,實(shí)驗(yàn)值和模型預(yù)測值的擬合度較高,可以很好的用來描述山藥片熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥下的水分變化規(guī)律。

圖7 Page模型的驗(yàn)證Fig.7 Verification of page model

3 結(jié)論

為研究山藥片的熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥特性,對山藥片在溫度50～60 ℃、電壓80～100 kV和風(fēng)速1～3 m/s下進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。將山藥干片的復(fù)水率、水分?jǐn)U散系數(shù)、活化能和干燥后山藥片中總酚含量等與單熱泵干燥(對照)進(jìn)行了比較。采用3個(gè)常用干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了模擬和分析。結(jié)果表明,山藥片的熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥是一個(gè)降速干燥過程,提高干燥溫度可加快干燥速率。與單熱泵干燥相比,聯(lián)合干燥能有效降低干燥溫度5 ℃左右。隨著溫度的上升,單熱泵干燥與聯(lián)合干燥的感官評分都為下降趨勢,但聯(lián)合干燥整體感官評分較單熱泵干燥要高10%～28%。同一溫度下,聯(lián)合干燥的單位能耗較單熱泵最高可降低19%。55 ℃單熱泵和50 ℃聯(lián)合干燥以及60 ℃單熱泵和55 ℃聯(lián)合干燥間的單位能耗相似。聯(lián)合干燥的活化能較單熱泵減少約13%。聯(lián)合干燥時(shí)的總酚含量整體上較單熱泵干燥時(shí)要高,60 ℃時(shí)的聯(lián)合干燥較單熱泵干燥提升了13%。隨著電場的增強(qiáng),有效水分?jǐn)U散系數(shù)也隨之增加,100 kV時(shí)的有效擴(kuò)散系數(shù)約為單熱泵的1.4倍。單因素方差分析表明,90 kV聯(lián)合干燥的復(fù)水率最高,較單熱泵干燥提升9.0%。電壓90 kV以上的聯(lián)合干燥可有效提升山藥片中的總酚含量。干燥風(fēng)速升高時(shí),物料表面熱風(fēng)流動較快,致使水分蒸發(fā)速率變快。隨著風(fēng)速的增加,有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨之增大,但增速減小;山藥片的感官評分也隨之上升,3 m/s較1 m/s的感官特性提升21%;單位能耗逐漸減小。通過對模型參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),Page模型更符合干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,并且模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的擬合較優(yōu),可以很好地描述水分比的變化規(guī)律。本研究為優(yōu)化熱泵-高壓電場干燥山藥片工藝,提高干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)提供了實(shí)踐指導(dǎo)。