魔芋薄層變溫熱風干燥特性實驗研究

羅傳偉,彭桂蘭,邱兵濤,吳紹鋒,楊 玲

(西南大學工程技術學院,重慶 400715)

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魔芋薄層變溫熱風干燥特性實驗研究

羅傳偉,彭桂蘭*,邱兵濤,吳紹鋒,楊 玲

(西南大學工程技術學院,重慶 400715)

在風速0.75 m/s、厚度5、6及7 mm條件下,對魔芋進行溫度50→70 ℃和70→50 ℃的薄層變溫熱風干燥實驗,分析了變溫溫度(50→70 ℃和70→50 ℃)及芋片厚度(5、6和7 mm)對魔芋干燥速率的影響,用9個數(shù)學模型對魔芋變溫實驗數(shù)據(jù)進行擬合,計算魔芋的有效水分擴散系數(shù),并將魔芋薄層變溫干燥與恒溫干燥進行對比。結果表明:變溫條件相同時,魔芋的干燥時間隨著芋片厚度的增加而增加;最適合魔芋薄層變溫干燥特性的模型是Two-term模型;魔芋的有效水分擴散系數(shù)Deff隨著芋片厚度的增加而增大;在風速及厚度條件相同時,薄層變溫干燥的最大干燥速率比恒溫干燥的最大速率更高,且由低溫后高溫(50→70 ℃)的變溫方式效果更好。

魔芋,薄層變溫干燥,數(shù)學模型,有效水分擴散系數(shù)

魔芋別名磨芋、鬼芋,屬天南星科魔芋屬,是我國一種重要的植物資源,具有重要的藥用、食用及工業(yè)價值[1]。剛收獲的魔芋含水率較高,通常白魔芋含水率為80%～85%,花魔芋含水率可達90%[2],因此,鮮魔芋易變質、腐爛,不宜長期儲存。所以除少量鮮用外,大部分魔芋必須在短期內(nèi)進行干燥,將其含水率降低至安全水分含量15%以下。而干燥能大大減少農(nóng)產(chǎn)品的水分和微生物的活性,并最大限度地減少其在存儲期間的物理和化學變化,提高農(nóng)產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性[3]。因此,魔芋快速、高品質干燥的實驗研究對魔芋的儲藏、包裝和深加工具有重要意義。

變溫干燥是在不同的干燥階段設置不同的干燥環(huán)境溫度,通過調(diào)節(jié)物料干燥過程的溫濕度變化,達到同時提升物料干燥效率和品質的目的[4],目前在種子、果蔬等農(nóng)產(chǎn)品加工過程中得到較多研究和應用。Serghel Cernisev[5]在不同溫度下對番茄進行干燥,實驗表明,低溫條件下番茄干的感官比高溫條件下的好,但當溫度為50～90 ℃、含水率下降至55%(濕基)之前,番茄干制樣品的感官品質無顯著差異;Hakan Okyay Menges等[6]研究比較了溫度為4 ℃、相對濕度80%～90%儲存條件下和未經(jīng)冷藏處理的斯坦利李子,結果表明Midilli模型是描述李子薄層干燥特性的最好模型,經(jīng)冷藏的李子的有效擴散系數(shù)在1.197×10-7～4.551×10-7m2/s之間,未經(jīng)冷藏的李子的有效擴散系數(shù)在1.179×10-9～6.671×10-9m2/s之間;Marcio A Mazutti等[7]研究了發(fā)酵甘蔗渣和未發(fā)酵甘蔗渣的熱空氣對流干燥,實驗條件在不同的干燥溫度(30、35、40和45 ℃)和不同的空氣體積流速(2和3 m3/h)條件下進行,結果表明,在相同條件下發(fā)酵甘蔗渣的干燥速率比未發(fā)酵甘蔗渣的干燥速率快,且水分擴散系數(shù)是未發(fā)酵甘蔗渣的1.3倍;王慶惠等[8]采用分段式內(nèi)循環(huán)熱風干燥技術,利用4種干燥工藝,對圣女果在不同溫度(50、60、65和70 ℃)、不同濕度(70%、50%、30%和10%)以及不同切分方式下的干燥特性進行了研究,結果表明采用分段式內(nèi)循環(huán)熱風干燥圣女果沿軸向切分,干燥速率最快;陳凱樂等[9]采用靜態(tài)變溫干燥方式對油菜籽進行了干燥研究,實驗結果表明:油菜籽變溫干燥的前期溫度選取105 ℃較適宜,而后期溫度選65 ℃較適宜;孫傳祝等[10]按照“玉米穗干燥→脫?！衩鬃蚜８稍铩狈侄胃稍锕に囋O計了一種玉米穗紅外干燥實驗臺。實驗結果表明,采用變溫干燥時,宜選用“先低后高”的變溫方式,且在保證干玉米品質的前提下,應盡量選用較高的起始干燥溫度。

但是,國內(nèi)外對魔芋變溫干燥工藝的研究并不多,本文將變溫熱風干燥技術應用于魔芋的干燥,研究不同變溫方式對魔芋干燥特性影響,將魔芋變溫干燥與恒溫干燥進行對比,并利用經(jīng)典數(shù)學模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,確定較優(yōu)的工藝參數(shù),得出最適合描述魔芋干燥特性變溫干燥方程,并計算魔芋的有效水分擴散系數(shù),為魔芋干燥的新技術與新工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白魔芋 購于四川宜賓市;BC-2型薄層干燥實驗臺(圖1) 長春吉大科學儀器設備有限公司。

圖1 薄層干燥實驗臺示意圖Fig.1 The test bench of thin-layer drying注:1-控制箱,2-干燥盤,3-測溫點,4-測風點,5-加熱器,6-風量調(diào)節(jié)板,7-風機。

JA5002電子精密天平(測量精度為10 mg) 上海精天電子儀器有限公司;風速測量儀(測量精度為0.01 m/s) 上海華梟儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 魔芋片的加工工藝流程:鮮芋→清洗→去皮→清理→切片→干燥。

1.2.2 實驗方案 魔芋干燥的實驗方案如表1所示,分別對魔芋進行溫度50→70 ℃和70→50 ℃的薄層變溫熱風干燥實驗,和50、70 ℃的恒溫干燥實驗,分析了變溫溫度(50→70 ℃和70→50 ℃)和恒溫(50、70 ℃)及芋片厚度(5、6和7 mm)對魔芋干燥速率的影響。

表1 魔芋薄層干燥實驗方案表

式(1)

式(2)

式中:Me:試樣平衡含水率(干基);me:試樣平衡質量;M0:試樣初始含水率(干基);m0:試樣初始質量;Mt:試樣在t時刻的含水率(干基);mt:試樣在t時刻的質量;md:絕干物質質量;Mt+Δt:試樣在t+Δt時刻的含水率(干基);Δt:時間差值。

1.3 魔芋變溫干燥數(shù)學模型

1.3.1 數(shù)學模型 目前魔芋變溫干燥尚沒有統(tǒng)一的干燥模型,因此本研究采用薄層干燥的數(shù)學模型,選取常用的8個經(jīng)典數(shù)學模型[13-14]以及根據(jù)曲線估計得到的三次多項式模型,如表2所示。

表2 薄層干燥的數(shù)學模型

注：式中,t:干燥時間/h;a、b、c、d、k、g、h、n:待定系數(shù)。1.3.2 評價指標 本實驗采用平均相對誤差E、決定系數(shù)R2、卡方χ2及均方根誤差RMSE 4個參數(shù)來衡量模型擬合效果的好壞,平均相對誤差在研究中被廣泛的應用,E值低于10%說明擬合度比較好[15];R2越大說明模型與等溫線的擬合效果越好[16];χ2和RMSE越小則模型擬合度越高[17]。

平均相對誤差與決定系數(shù)分別為:

式(12)

式(13)

式(14)

式(15)

1.4 魔芋的有效水分擴散系數(shù)

在降速干燥階段,生物制品的干燥特性可以用Fick擴散方程來描述[18],方程的解法由 Crank 提出,果蔬歸類為多孔介質,其孔道尺寸大小符合Fick擴散的規(guī)律[19]。假設所有的魔芋樣品都有相同的初始含水率,則魔芋的有效水分擴散系數(shù)可用式(17)來計算:

式(16)

式中,Deff為有效水分擴散系數(shù);L0為魔芋片厚度的一半。

通過繪制lnMR相對于干燥時間t的曲線,將曲線進行線性擬合,則通過此直線的斜率k可計算出魔芋的有效水分系數(shù)Deff[20]。

式(17)

2 結果與討論

2.1 魔芋變溫干燥特性曲線

圖3 溫度為70→50 ℃,風速為0.75 m/s,不同厚度下的魔芋干燥特性曲線Fig.3 Temperature 70→50 ℃,wind speed 0.75 m/s,drying characteristic curve in different thickness

圖2、圖3分別為溫度為50→70 ℃和70→50 ℃,風速為0.75 m/s,不同厚度下的魔芋干燥特性曲線。由圖2a、3a可知,芋片越薄,魔芋達到安全含水率的時間就越短,溫度50→70 ℃條件下時7 mm的干燥時間約是5 mm的1.56倍,而溫度70→50 ℃條件下7 mm的干燥時間約是5 mm條件下的1.36倍,這是由于物料越薄,熱量向芋片中心傳遞和水分從物料中心向外移動的距離就越小,所以達到安全含水率的時間就越短;由圖2b、3b可知,在變溫條件為50→70 ℃時,干燥至2 h時干燥條件由50 ℃升至70 ℃,所以干燥速率突然增大;魔芋變溫干燥主要為降速及恒速干燥階段,在干燥前期的2 h內(nèi)魔芋的干燥速率明顯比后半段的干燥速率要快,經(jīng)計算,干燥的前2 h內(nèi),溫度50→70 ℃在不同厚度5、6及7 mm所干燥的水分分別占總水分的57.14%、45.97% 及42.35%,而溫度70→50 ℃在不同厚度5、6及7 mm所干燥的水分分別占總水分的69.90%、65.80% 及59.42%;且溫度越高干燥速率越快,在干燥前期,溫度70→50 ℃條件下不同厚度所干燥的水分總量分別是溫度50→70 ℃的1.21(5 mm)、1.43(6 mm)及1.41(7 mm)倍。這是因為在干燥初期,魔芋含有較多的游離水,在魔芋球莖組織中呈游離狀態(tài),流動性大,內(nèi)部水分向表面移動能力強,易從表面蒸發(fā),溫度越高,水分子的運動越劇烈,能量越高,從而有更多的水分子從魔芋內(nèi)部脫離所以在干燥前期,70→50 ℃階段時干燥速率比50→70 ℃階段的要快;而到了干燥后期,不同變溫條件下、不同厚度的魔芋干燥速率曲線幾乎重合在一起,由于溫度的不同而顯示出的干燥速率差值并不明顯,

表3 數(shù)學模型的相關參數(shù)及評價指標

續(xù)表

這是因為魔芋的大部分自由水已經(jīng)被干燥脫除,剩余膠體結合水及化合水存在于魔芋球莖的化學物質中,是以化合物的形式與魔芋球莖物質分子相結合,性質很穩(wěn)定,干燥時一般不易脫除,只有少部分吸附于魔芋球莖組織內(nèi)親水膠體表面的結合水能被脫除,因此,在干燥后期溫度不再是影響魔芋干燥速率的主要因素。

2.2 魔芋薄層干燥模型的建立

運用9種不同模型對兩種魔芋變溫干燥實驗數(shù)據(jù)進行擬合,計算模型的參數(shù)、及平均相對誤差E、決定系數(shù)R2、卡方x2及均方根誤差RSME,如表3所示。

由于決定系數(shù)R2越大,說明模型與等溫線的擬合效果越好,平均相對誤差E值、卡方x2和均方根誤差RMSE越小則模型擬合度越高。綜合分析表3中各個模型的R2、E、x2和RMSE值,在變溫50→70 ℃的條件下,三項多項式模型和Two-term模型的各項評價指標為最優(yōu),三次多項式模型的R2值均達到了0.997以上,Two-term模型R2值為0.996以上;三次多項式模型的x2值最低,分別為0.05%、0.04%及0.06%,Two-term卡方x2值均在0.11%以下;三次多項式模型的均方根誤差RMSE值最低分別為1.67%、0.16%及1.84%,Two-term模型的RMSE值在2.54%以下;三次多項式模型和Two-term和模型的平均相對誤差為所有模型中最低。

在變溫70→50 ℃的條件下,最優(yōu)模型為Two-term模型,其R2值均達到0.998以上,x2值最低,RMSE值最小,分別為1.01%、1.60%及1.63%,平均相對誤差最低,分別為14.52%、18.73%和18.80%。

綜合比較兩種變溫條件下模型的決定系數(shù)、卡方、均方根誤差及平均相對誤差,可以得出最適合魔芋變溫干燥特性的模型是Two-term模型,其平均相對誤差、決定系數(shù)、卡方及均方根誤差的平均值均為所有模型中的最優(yōu)值,分別為22.26%、0.997、0.06%及1.84%。

2.3 魔芋薄層干燥模型的擬合檢驗

表4 魔芋的有效水分擴散系數(shù)

圖4 Two-term模型實測-擬合值比較Fig.4 Comparing measured value with estimate value of Two-term model

2.4 魔芋變溫干燥的有效水分擴散系數(shù)

圖5 不同干燥條件下的有效水分擴散系數(shù)Fig.5 Effective moisture diffusivity of konjac under different drying conditions

根據(jù)式(16)對魔芋變溫干燥實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到擬合方程的斜率k,根據(jù)式(17)計算魔芋的有效水分擴散系數(shù)Deff,不同干燥條件下魔芋的有效水分擴散系數(shù)如表4所示。由圖5可知,在溫度、風速相同的條件下,魔芋的有效水分擴散系數(shù)隨著魔芋片厚度的增加而增大,這與式(17)所體現(xiàn)出的規(guī)律相同,即魔芋的有效水分擴散系數(shù)與魔芋厚度的厚度成正比,在厚度、風速相同的情況下,變溫50→70 ℃條件下的魔芋有效水分擴散系數(shù)比變溫70→50 ℃條件下的要大,這是因為在干燥前期魔芋內(nèi)部的自由水較多,水分易蒸發(fā),而且熱空氣溫度越高,在相同濕含量的情況下,熱空氣的相對濕度就越低,它在飽和前所能容納的蒸汽量也就越大,熱空氣干燥能力就越強,因此在干燥前期變溫溫度50→70 ℃的有效水分擴散系數(shù)比變溫溫度70→50 ℃條件下的大;而到了干燥后期,魔芋的含水率越少,水分擴散系數(shù)則越大,當含水率下降到了一定程度時,魔芋內(nèi)部剩余膠體結合水及化合水,性質很穩(wěn)定,干燥時一般不能脫除,只有少部分吸附于魔芋球莖組織內(nèi)親水膠體表面的結合水能被脫除,所以50 ℃和70 ℃條件下的蒸發(fā)速率相差不大,因此綜合變溫干燥的整個過程,在其它條件相同的情況下,變溫50→70 ℃條件下魔芋的有效水分擴散系數(shù)比變溫70→50 ℃條件下的要大。

圖6 厚度5 mm,風速0.75 m/s,恒溫50、70 ℃與變溫50→70、70→50 ℃的干燥特性曲線Fig.6 Thickness 5 mm,wind speed 0.75 m/s,drying characteristic curve in constant temperature 50、70 ℃ and variable temperature 50→70,70→50 ℃

2.5 魔芋變溫干燥與恒溫干燥的對比研究

圖7 厚度6 mm,風速0.75 m/s,恒溫50、70 ℃與變溫50→70、70→50 ℃的干燥特性曲線Fig.7 Thickness 6 mm,wind speed 0.75 m/s,drying characteristic curve in constant temperature 50、70 ℃ and variable temperature 50→70,70→50 ℃

圖8 厚度7 mm,風速0.75 m/s,恒溫50、70 ℃與變溫50→70、70→50 ℃的干燥特性曲線Fig.8 Thickness 7 mm,wind speed 0.75 m/s,drying characteristic curve in constant temperature 50、70 ℃ and variable temperature 50→70,70→50 ℃

圖6～圖8分別為風速0.75 m/s,厚度5、6、7 mm,恒溫50、70 ℃和變溫50→70、70→50 ℃的含水率比曲線及干燥速率曲線對比圖。由圖6a、7a及8a可以看出,在干燥前期,變溫50→70、70→50 ℃分別與恒溫50、70 ℃的含水率比曲線重合,而干燥速率曲線則幾乎重合在一起,而在干燥后期,變溫50→70 ℃的干燥速率迅速上升,變溫70→50 ℃干燥速率相比原來的速率明顯降緩,而恒溫50、70 ℃則繼續(xù)下降,當干燥時間達到3 h時,不同溫度條件下的干燥曲線幾乎重合在一起,這是因為魔芋自由水干燥蒸發(fā)完畢,魔芋表現(xiàn)為表面硬化,由于魔芋表面的干燥過于劇烈,水分汽化很快,內(nèi)部水分不能及時遷移到表面上來,而使魔芋表面迅速形成一層干硬膜,表面硬化后,其表皮透氣性很差,影響內(nèi)部水分的向外移動,以致將大部分殘留水分封閉在物料內(nèi)部,再者此時魔芋的水分為膠體結合水及化合水,化合水本身就不易干燥,因此干燥速率迅速下降。由圖6b、7b及8b可以看出,恒溫70 ℃條件下魔芋的干燥速率最快,其次是變溫50→70 ℃和70→50 ℃,最后是恒溫50 ℃,變溫50→70 ℃條件下所需的干燥時間分別比恒溫50 ℃條件下節(jié)約時間47.59%(5 mm)、36.84%(6 mm)及33.33%(7 mm),魔芋厚度越小,則變溫50→70 ℃的干燥時間越短;而比恒溫70 ℃條件下分別多出時間12.50%(5 mm)、0(6 mm)及17.65%(7 mm),雖然變溫50→70 ℃所需干燥時間比恒溫70 ℃條件下的要多,但是由實驗結果可知,50 ℃溫度下魔芋的色澤、形狀等品質比70 ℃溫度下的品質要好,所以變溫50→70 ℃條件下魔芋的品質要比變溫70→50 ℃條件下的好。因此,在厚度、風速相同的條件下,變溫比恒溫的干燥速率更高,且變溫50→70 ℃先低溫后高溫的變溫方式效果更好。

3 結論

3.1 干燥實驗結果表明,魔芋薄層變溫熱風干燥過程主要發(fā)生在降速和恒速階段,無明顯增速階段。干燥過程中魔芋的含水率比下降速率和干燥速率隨熱風溫度的升高和切片厚度的減小而增大。且當變溫條件為50→70 ℃時干燥所用時間少于變溫條件為70→50 ℃時的干燥用時間。

3.2 運用9個經(jīng)典數(shù)學干燥模型及三項多項式模型對魔芋變溫干燥實驗數(shù)據(jù)進行擬合,結果表明,最適合魔芋變溫干燥特性的模型是Two-term模型,其平均相對誤差、決定系數(shù)、卡方及均方根誤差的平均值均為所有模型中的最優(yōu)值,分別為22.26%、0.997、0.06%及1.84%;在干燥過程中魔芋的有效水分擴散系數(shù)隨著芋片厚度的增加而增大。

3.3 將魔芋變溫干燥與恒溫干燥實驗進行對比,結果表明,在風速及厚度條件相同情況下,變溫干燥的干燥速率更高,且變溫50→70 ℃先低溫后高溫的變溫方式效果更好。

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Experimental study on thin layer variable temperature hot air drying of konjac

LUO Chuan-wei,PENG Gui-lan*,QIU Bing-tao,WU Shao-feng,YANG Ling

(College of Engineering and Technology,Southwest University,Chongqing 400715,China)

This paper discussed the effects of variable temperature(50→70 ℃ and 70→50 ℃)and different thickness of konjac pieces(5,6 and 7 mm)on the drying rate of konjac,nine mathematical models were selected to fit the experimental data,the effective moisture diffusion coefficient of konjac was calculated,and the experiments of thin layer variable temperature drying and constant temperature drying were compared. The thin layer variable temperature drying experiments of konjac were conducted through the air velocities(0.75 m/s)and the thickness of pieces(5,6 and 7 mm)and air temperature(50→70 ℃ and 70→50 ℃). The results showed that drying time increased with the addition of the thickness of konjac slices while the other drying conditions were same. And the two-term model was much more adequate for describing the thin layer variable temperature drying of konjac. The values of Deffincreased with the addition of the thickness of konjac slices. Under the same condition of the air velocities and thickness,the thin layer variable temperature drying rate was higher than the rate of constant temperature drying,and the results showed that the low-to-high mode(50→70 ℃)of variable temperature was better.

konjac;the thin layer variable tempureture drying;mathematical model;the effective moisture diffusion coefficient

2016-04-29

羅傳偉(1992-),男,碩士,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工與品質檢測,E-mail:m18306039499@163.com。

*通訊作者:彭桂蘭(1966-),女,博士,教授,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工與品質檢測,E-mail:pgl602@163.com。

國家自然科學基金項目(31301575)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)22-0137-08

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.019