王 杰 張影全 劉 銳 張 波 魏益民

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所／農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

掛面干燥工藝對(duì)掛面質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要影響。在線監(jiān)測(cè)烘房的掛面干燥工藝參數(shù)，測(cè)定產(chǎn)品質(zhì)量，分析掛面干燥工藝及參數(shù)對(duì)掛面質(zhì)量的影響，確定干燥工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定和提升掛面產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)效率有重要意義。

掛面干燥一般采用對(duì)流熱力干燥法，即利用熱源加熱干燥室的空氣，并借助風(fēng)力使熱空氣產(chǎn)生對(duì)流，用以加熱濕面條，同時(shí)帶走濕面條中蒸發(fā)出來的水分，其中包含著復(fù)雜的能量傳遞和質(zhì)量變化過程［1］。根據(jù)掛面的干燥特性，掛面干燥工藝通常分為3個(gè)階段，即預(yù)干燥階段、主干燥階段和最后干燥階段［2-3］。也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出4階段或5階段干燥的概念或方案。各階段掛面干燥介質(zhì)（空氣）的濕熱狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)掛面產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗具有重要的影響，特別是干燥介質(zhì)的溫度和相對(duì)濕度對(duì)掛面干燥速率和干燥質(zhì)量的影響較大。大量研究表明［4-10］，面條屬于內(nèi)部擴(kuò)散控制性物料，當(dāng)干燥介質(zhì)的溫度和濕度控制不當(dāng)，就會(huì)使面條表面的水分迅速蒸發(fā)，從而使面條表面和內(nèi)部的水分梯度增大；同時(shí)，由于面條表面失水過多而結(jié)膜，且易收縮，使面條內(nèi)部受壓、外表緊繃，會(huì)產(chǎn)生變形、酥條、抗彎強(qiáng)度差等不良后果。因此，掛面干燥工藝的關(guān)鍵是要控制干燥過程溫度和相對(duì)濕度，使面條表面水分的蒸發(fā)速度與內(nèi)部水分?jǐn)U散速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

目前，掛面加工企業(yè)對(duì)于掛面干燥還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的工藝參數(shù)和設(shè)備模型，而是根據(jù)廠房建設(shè)需要，以及憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整和控制。掛面干燥工藝參數(shù)控制不當(dāng)，或者關(guān)鍵控制點(diǎn)不明確時(shí)，容易導(dǎo)致掛面產(chǎn)品出現(xiàn)水分含量超標(biāo)、酥面、劈條、條型不直、色澤不均勻、抗彎強(qiáng)度差等問題，給企業(yè)造成較大的損失。本研究通過在線監(jiān)測(cè)烘房掛面的干燥溫度和相對(duì)濕度，同時(shí)測(cè)定掛面產(chǎn)品的水分含量、色澤和抗彎強(qiáng)度；通過相關(guān)性和逐步回歸分析，明確干燥工藝參數(shù)與掛面質(zhì)量的關(guān)系，確定掛面干燥工藝參數(shù)和關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 時(shí)間和地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年5月7日至10日在大型掛面生產(chǎn)企業(yè)索道式烘房實(shí)施。

索道式烘房也叫單排回行式烘房，即單排掛面在烘房中往復(fù)運(yùn)行，依次經(jīng)過由隔墻劃分的若干（3～4）區(qū)域進(jìn)行分段熱力干燥（圖1）。

圖1 烘房平面及取樣位置示意圖

1.2 儀器和設(shè)備

179A -TH智能溫度濕度記錄儀：美國(guó)Apresys精密光電有限公司；BSA323S-CW電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DHG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；DA7200近紅外分析儀：瑞典Perten公司；CR-400彩色色差計(jì)：日本柯尼卡美能達(dá)公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 掛面干燥工藝參數(shù)在線監(jiān)測(cè)

根據(jù)掛面在面桿上的懸掛長(zhǎng)度，制作長(zhǎng)1.30 m、寬0.05 m的不銹鋼鉤條。將智能溫度濕度記錄儀分別固定在不銹鋼鉤條的上、中、下，即三等分位置；掛面切條上架后，將溫度濕度記錄儀懸掛于烘房掛面的傳送裝置上；溫度濕度記錄儀跟隨掛面的鏈條傳送裝置一起運(yùn)行，動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)烘房上、中、下位置掛面干燥過程的溫度和相對(duì)濕度。被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品為2 mm精粉掛面。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2 干燥曲線的計(jì)算方法

干燥曲線為掛面水分含量隨干燥時(shí)間變化的曲線。掛面干燥過程的取樣位置如圖1圓點(diǎn)所示。根據(jù)掛面的上、中、下位置分別取樣。水分含量測(cè)定參照GB／T 5009.3—2010，重復(fù)3次。掛面樣品的水分含量（Wt）計(jì)算如下式所示：

式中：mt為掛面在任意干燥t時(shí)間的總質(zhì)量／g；m為掛面的干物質(zhì)質(zhì)量／g。

1.3.3 掛面產(chǎn)品質(zhì)量性狀測(cè)定

被監(jiān)測(cè)的掛面運(yùn)行至烘房末端時(shí)，將溫度濕度記錄儀的前、后兩桿掛面取下，在上、中、下位置取樣；每個(gè)位置取樣500 g，截取的掛面長(zhǎng)度不得小于20 cm；密封包裝，室溫存放24 h，測(cè)定其產(chǎn)品質(zhì)量。

水分含量測(cè)定：采用近紅外分析儀測(cè)定，每份樣品重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

色澤測(cè)定：將掛面均勻擺放在長(zhǎng)方形的平底托盤里，用遮光布將彩色色差計(jì)的探頭和掛面罩住測(cè)量，每份樣品重復(fù)測(cè)量5次，取平均值。

抗彎強(qiáng)度測(cè)定［11-12］：截取長(zhǎng)度為20 cm的掛面，用自制的測(cè)量?jī)x將掛面左端固定于零刻線位置，右端以恒定速度沿刻度尺的水平方向緩慢向左移動(dòng)；記錄掛面斷裂時(shí)的軸向壓縮距離；該距離的大小則表示掛面的抗彎強(qiáng)度。軸向壓縮量越大則掛面抗彎強(qiáng)度越大；反之，則掛面抗彎強(qiáng)度越小。每份樣品重復(fù)測(cè)量10次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS18.0和Excel 2007處理數(shù)據(jù)，做統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 掛面干燥溫度曲線及特征

圖2為烘房某一班次掛面干燥溫度曲線。干燥溫度曲線呈現(xiàn)近似拋物線形狀。初始干燥溫度為28℃，此后逐漸上升；上升過程的烘房上、中、下溫度差異較為明顯。40 min時(shí)，烘房溫度上升到40℃，掛面進(jìn)入主干燥區(qū)（二區(qū)和三區(qū)）；主干燥區(qū)的烘房溫度保持在（45±2）℃。80 min和160min時(shí)段出現(xiàn)的“U”型波動(dòng)是由于掛面在回行轉(zhuǎn)彎時(shí)，烘房的保溫性較差導(dǎo)致。188 min時(shí)，掛面進(jìn)入烘房四區(qū)，其溫度不但沒有下降，反而有所升高，在205 min達(dá)到最高的52.83℃后溫度開始降低，降溫速率小于0.5℃／min，末尾干燥溫度為38℃。

圖2 掛面干燥過程溫度曲線

烘房4個(gè)區(qū)域的上、中、下位置溫度參數(shù)如表1所示。烘房一區(qū)溫度平均值較低，變幅較大，其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均大于其他3個(gè)區(qū)域；烘房二、三、四區(qū)溫度平均值較為接近；但烘房二區(qū)溫度的變幅、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均小于三區(qū)和四區(qū)。另外，對(duì)烘房4個(gè)區(qū)域上、中、下位置的溫度值進(jìn)行配對(duì)方差分析認(rèn)為，上、中、下位置間的溫度均存在顯著差異，其基本規(guī)律為從上到下溫度逐漸降低。

表1 烘房空間位置的溫度特征及差異分析

2.2 掛面干燥濕度曲線及特征

圖3為與溫度曲線相對(duì)應(yīng)的掛面干燥濕度曲線。從圖3中可以看出，掛面干燥的起始濕度為70%；20 min后，烘房中、上位置的相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，而烘房下位置的相對(duì)濕度達(dá)到了100%（飽和狀態(tài)）。在主干燥階段，烘房相對(duì)濕度保持在（90±5）%。80 min和160 min時(shí)段出現(xiàn)的“V”型波動(dòng)與溫度參數(shù)的波動(dòng)原因相同；但與溫度相比，相對(duì)濕度的波動(dòng)幅度更大。195 min烘房濕度開始下降，下降速率約每分鐘1%；烘房末尾的相對(duì)濕度與車間內(nèi)的相對(duì)濕度接近，為（40±5）%。

圖3 掛面干燥過程濕度曲線

烘房4個(gè)區(qū)域的上、中、下位置濕度參數(shù)如表2所示。烘房一、二、三區(qū)的濕度平均值較高，在80%～95%之間，其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均小于烘房四區(qū)。烘房四區(qū)濕度的平均值較低，變幅、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)較大。另外，對(duì)烘房4個(gè)區(qū)域上、中、下位置的濕度值進(jìn)行配對(duì)方差分析認(rèn)為，烘房下位置的濕度均顯著高于上、中位置；烘房三區(qū)上、中位置間的相對(duì)濕度無顯著差異。

2.3 掛面干燥脫水曲線及特征

在線監(jiān)測(cè)掛面干燥溫度和相對(duì)濕度的同時(shí)，測(cè)定掛面干燥過程脫水曲線（圖4）。

圖4 掛面干燥脫水曲線

由圖4和表3可知，掛面干燥的初始水分含量為（28.34±0.91）%，變異系數(shù)僅為3.21%。隨著掛面在烘房的運(yùn)行，相同位置掛面水分含量表現(xiàn)出較大差異，標(biāo)準(zhǔn)差范圍在±1.39%～±3.49%，變異系數(shù)均大于10%。其中，烘房上、中、下位置掛面的干燥速率存在規(guī)律性差異，表現(xiàn)為上＞中＞下；不同生產(chǎn)班次（1、2、3）掛面的干燥速率也存在較大差異。

表3 掛面干燥過程的水分含量特征

2.4 掛面產(chǎn)品的質(zhì)量性狀

對(duì)3個(gè)班次生產(chǎn)的9份掛面樣品進(jìn)行質(zhì)量性狀測(cè)定，結(jié)果如表4所示。掛面產(chǎn)品的水分含量、色澤a*值和抗彎強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，色澤L*值和色澤b*值的變異系數(shù)較小。

表4 掛面產(chǎn)品的質(zhì)量性狀

2.5 掛面干燥工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系

2.5.1 產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)的相關(guān)性

由相關(guān)分析可知（表5），掛面產(chǎn)品的水分含量、色澤a*值和抗彎強(qiáng)度與掛面干燥工藝參數(shù)關(guān)系最為密切。其中，水分含量與烘房的一區(qū)溫度極顯著負(fù)相關(guān)，與三、四區(qū)濕度極顯著正相關(guān)；色澤a*值與烘房的三、四區(qū)濕度極顯著負(fù)相關(guān)；抗彎強(qiáng)度與烘房一、二、三區(qū)的溫度極顯著正相關(guān)，而與一、二、三區(qū)的濕度顯著負(fù)相關(guān)。

表5 產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)的相關(guān)性分析

2.5.2 掛面干燥工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的回歸分析

以掛面干燥工藝參數(shù)（一區(qū)溫度X1、二區(qū)溫度X2、三區(qū)溫度X3、四區(qū)溫度 X4、一區(qū)濕度 X5、二區(qū)濕度X6、三區(qū)濕度X7、四區(qū)濕度X8）為自變量，對(duì)掛面產(chǎn)品的質(zhì)量（水分含量Y1、色澤a*值Y2、抗彎強(qiáng)度Y3）分別進(jìn)行逐步回歸分析，得到多元線性回歸方程（表6）。

表6 工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的逐步回歸分析

上述回歸分析表明，烘房的四區(qū)相對(duì)濕度是影響掛面產(chǎn)品水分含量和色澤a*值的重要因素；四區(qū)平均相對(duì)濕度越高，則掛面產(chǎn)品的水分含量越高、色澤a*值越小。另外，烘房的一區(qū)溫度與掛面產(chǎn)品抗彎強(qiáng)度關(guān)系密切，一區(qū)平均溫度越高，則掛面產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度越大。因此，將烘房的一區(qū)溫度和四區(qū)相對(duì)濕度作為掛面干燥工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

3 討論

3.1 掛面干燥工藝及其研究方向

通過對(duì)索道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)（溫度、相對(duì)濕度、干燥時(shí)間等）在線監(jiān)測(cè)顯示，掛面干燥過程的溫度為“升高、保持、降低”的近似拋物線形式；而相對(duì)濕度則整體呈現(xiàn)為“從高到低”的下降趨勢(shì)；不同之處在于其下降的時(shí)間點(diǎn)和速率大小不同。干燥過程所用的時(shí)間為240～250 min。以上是烘房掛面干燥工藝的基本特征和規(guī)律。

控制和掌握掛面的干燥脫水速率是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。然而，掛面干燥時(shí)的水分?jǐn)U散是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括分子擴(kuò)散、毛細(xì)管流、Knudsen（努森）流、吸水動(dòng)力學(xué)流和表面擴(kuò)散等現(xiàn)象［13］。此外，掛面的干燥脫水速率會(huì)隨著掛面含水量以及干燥介質(zhì)溫度和相對(duì)濕度的變化而變化。目前，干燥研究中常提及的測(cè)量物料水分有效擴(kuò)散系數(shù)和物料剖面水分分布的方法包括吸附動(dòng)力學(xué)法、干燥法、Regular regime法、數(shù)值解法—回歸分析法、放射性示蹤法、核磁共振法（NMR）和順磁共振法（ESR）等［14］。采用上述方法來研究掛面在不同條件或階段下的干燥脫水速率，以及掛面在干燥過程中的水分遷移、擴(kuò)散和排除機(jī)理是今后確定掛面最佳干燥工藝及參數(shù)的有效技術(shù)方法。

3.2 關(guān)鍵控制點(diǎn)分析與確定

關(guān)鍵控制點(diǎn)（critical control point，CCP）是指能夠控制并使某一危害因素得到預(yù)防、消除或降低到可以接受的水平的某一點(diǎn)、某一步驟或程序［15］。本研究在確定掛面干燥工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)時(shí)，選擇掛面產(chǎn)品水分含量、色澤和抗彎強(qiáng)度作為質(zhì)量控制指標(biāo)，以掛面干燥4個(gè)階段（烘房4個(gè)區(qū)域）的溫度和相對(duì)濕度作為影響因素進(jìn)行分析和探討。結(jié)果表明，干燥產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)主要來源于烘房一區(qū)溫度和四區(qū)相對(duì)濕度的波動(dòng)。

烘房一區(qū)屬于掛面的預(yù)干燥階段。預(yù)干燥階段的主要目的是蒸發(fā)面條表面水分，固定面條組織，防止掛面由自身重力而導(dǎo)致面條拉長(zhǎng)或斷裂［13，16］。由掛面干燥脫水曲線（圖4）可知，掛面在烘房一區(qū)的干燥脫水范圍為（22.91±2.76）%～（28.34±0.91）%。陸啟玉［13］認(rèn)為，引起面條干燥龜裂和斷條的極限含水量為（25.5±0.5）%。該極限含水量正好介于烘房一區(qū)的掛面干燥脫水范圍。因此，控制烘房一區(qū)的溫度和相對(duì)濕度，特別是掛面在極限含水量時(shí)的干燥溫度不能過高，相對(duì)濕度不能過低，否則由于面條表面水分梯度過大而產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，使面條發(fā)生龜裂（劈條）和斷條。另外，烘房一區(qū)的入口與外界相通，烘房溫度和相對(duì)濕度容易受到季節(jié)和天氣變化的影響而產(chǎn)生波動(dòng)，使得掛面在起始時(shí)的干燥速率不能夠保持一致，從而擾亂了后續(xù)階段的掛面干燥脫水速率，增加了對(duì)后續(xù)工藝參數(shù)的調(diào)整難度。密切監(jiān)測(cè)烘房一區(qū)的溫度、相對(duì)濕度以及掛面的干燥脫水速率是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提。

由烘房的掛面干燥溫度和濕度曲線（圖2、圖3）可知，主干燥階段（二區(qū)和三區(qū)）的干燥溫度和相對(duì)濕度除了在回行轉(zhuǎn)彎時(shí)受到一定的影響和波動(dòng)外，其余時(shí)刻基本穩(wěn)定在了較高的水平，分別為（45±2）℃和（90±5）%。因此，主干燥階段的掛面干燥完全滿足“保濕烘干”的工藝?yán)碚摵图夹g(shù)要求，而且掛面在高溫、高濕的環(huán)境下干燥，既減少了由于排濕而耗費(fèi)的能量，同時(shí)又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在此過程中，由于面條表面水分的汽化速度小于或等于內(nèi)部水分向表面的遷移速度，從而使面條表層的水分不斷積聚。當(dāng)掛面進(jìn)入烘房四區(qū)時(shí)，必須進(jìn)一步升溫，并且逐步降低烘房的相對(duì)濕度，使面條水分在高溫低濕條件下全面及時(shí)地蒸發(fā)。否則，由于濕傳導(dǎo)作用，使得面條“回濕”。此階段雖然是面條脫水的高峰區(qū)，但由于面條自身溫度較高，表層水分的汽化速度較快，而內(nèi)部水分因濕傳導(dǎo)和溫濕傳導(dǎo)作用并沒有徹底遷往表層，仍有“結(jié)膜”的可能，使得面條“外干內(nèi)濕”。因此控制該過程的排濕量，不能使烘房的相對(duì)濕度下降過快和過低。另外，在干燥末尾時(shí)，還需要對(duì)掛面進(jìn)行降溫和緩蘇來平衡面條內(nèi)外部的水分和溫度。綜合分析認(rèn)為，烘房的一區(qū)和四區(qū)是掛面干燥過程的關(guān)鍵控制區(qū)域；一區(qū)溫度和四區(qū)相對(duì)濕度是掛面干燥過程的關(guān)鍵控制參數(shù)。

4 結(jié)論

4.1 采用智能溫度濕度記錄儀在線監(jiān)測(cè)烘房的掛面干燥溫度和相對(duì)濕度，得到掛面干燥溫度和相對(duì)濕度的變化曲線及分布特征，為研究掛面干燥工藝參數(shù)及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響提供了方法和依據(jù)。

4.2 掛面產(chǎn)品的質(zhì)量性狀中，水分含量、色澤a*值和抗彎強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，且與烘房干燥溫度和相對(duì)濕度關(guān)系最為密切。因此，將掛面水分含量、色澤a*值和抗彎強(qiáng)度作為質(zhì)量控制指標(biāo)來研究掛面干燥工藝及其關(guān)鍵控制點(diǎn)。

4.3 通過分析烘房的掛面干燥工藝及參數(shù)特征，采用逐步回歸分析方法建立掛面干燥工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量性狀之間的關(guān)系認(rèn)為，烘房的一區(qū)溫度和四區(qū)相對(duì)濕度是掛面干燥工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

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