李葉貝 - 任廣躍,2 -,2 屈展平 - 李露露 - 段 續(xù),2 ,2 張樂道,2 -,2

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2. 食品加工與安全國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 洛陽 471023)

2015年，中國啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食是馬鈴薯主糧化的重要途徑。將馬鈴薯添加到面條中，能增加面條膳食纖維和維生素含量[1]、降低面條熱量，滿足消費(fèi)者對低熱量、高膳食纖維主食的需求。燕麥屬于八大糧食作物[2]，歷史悠久，營養(yǎng)價(jià)值高[3-5]，且具有醫(yī)療保健效果[6]，是一種兼具食藥功能的谷物。將燕麥和馬鈴薯加工成面條，實(shí)現(xiàn)了燕麥和馬鈴薯從副食到主食類型的轉(zhuǎn)變。但鮮面條不利于保存，通常進(jìn)行干燥，以便于運(yùn)輸銷售。

熱風(fēng)干燥是以熱空氣作為干燥介質(zhì)的一種干燥方法，熱空氣通過對流循環(huán)的方式對物質(zhì)進(jìn)行干燥，把熱量傳遞給物料，同時(shí)帶走物料的水分，是農(nóng)產(chǎn)品干燥的常用方法之一[7]。與其他干燥方法比較，熱風(fēng)干燥的優(yōu)勢在于成本低、溫度高、速度快。目前熱風(fēng)干燥普遍用于果蔬、糧食等領(lǐng)域[8-10]，然而熱風(fēng)干燥面條的研究既不系統(tǒng)也不深入。國外已有一些對于烏冬面、意大利面的干燥動力學(xué)研究[11-12]，提出了干燥模型，但大多停留在工藝研究方面[13-14]。本試驗(yàn)擬用燕麥、馬鈴薯粉為原料，以溫度、風(fēng)速和面條厚度為因素，對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥特性進(jìn)行研究，采用常用的12種薄層干燥模型進(jìn)行選擇性擬合驗(yàn)證，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而預(yù)測不同干燥條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的水分變化特性，以期為面條熱風(fēng)干燥的工廠化提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

馬鈴薯：購于河南洛陽大張超市，干燥后粉碎，備用；

燕麥粉：購于河北張家口壩上燕麥主產(chǎn)區(qū)；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理 復(fù)合面條原料由50%燕麥粉、50%馬鈴薯全粉和主料總量8%的谷朊粉、0.3%的魔芋粉、0.15%的聚丙烯酸鈉、1%食鹽所組成。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取熱風(fēng)干燥溫度、風(fēng)速、面條厚度為研究參數(shù)，對干燥特性的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

(1) 干燥溫度：設(shè)定風(fēng)速為1.5 m/s，面條厚度為1.5 mm為恒定條件，選取熱風(fēng)干燥溫度為50，60，70，80，90 ℃，對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥特性進(jìn)行研究。

(2) 干燥風(fēng)速：設(shè)定溫度為70 ℃，面條厚度為1.5 mm為恒定條件，選取風(fēng)速為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m/s，對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥特性進(jìn)行研究。

(3) 面條厚度：設(shè)定溫度為70 ℃，風(fēng)速為1.5 m/s為恒定條件，面條厚度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm，對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥特性進(jìn)行研究。

1.2.3 指標(biāo)測定

(1) 干基含水率和干燥速率：根據(jù)文獻(xiàn)[15]。

(2) 水分比：根據(jù)文獻(xiàn)[16]。

(3) 有效水分?jǐn)U散系數(shù)：根據(jù)文獻(xiàn)[17]。

(4) 活化能：根據(jù)文獻(xiàn)[18]。

1.2.4 薄層干燥模型 薄層干燥模型一般是針對厚度在20 mm 以下的物料完全暴露在干燥環(huán)境中的干燥模型，是用于反應(yīng)干燥過程中水分隨時(shí)間變化的方程，經(jīng)過前人的苦心研究，總結(jié)了多個(gè)理論、半理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚19-20]。本試驗(yàn)選取其中12種薄層干燥模型進(jìn)行分析，見表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Oringn 8.5和DPS 7.0進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖1(a)可知，在風(fēng)速為1.5 m/s，面條厚度為1.5 mm，溫度為50，60，70，80，90 ℃的條件下，復(fù)合面條干燥至終點(diǎn)所用時(shí)間分別為210，180，150，120，90 min。溫度為90 ℃所需干燥時(shí)間比50 ℃縮短了57.14%。溫度越高，干基含水率變化越大，達(dá)到干燥終點(diǎn)時(shí)所用時(shí)間越短。由圖1(b)可知，復(fù)合面條的干燥過程只有降速階段，屬于內(nèi)部擴(kuò)散控制。溫度為90 ℃時(shí)，干燥速率最大，兩者呈正相關(guān)趨勢。干燥前期，干燥速率相差較大，干燥中后期，干燥速率差異明顯減小，后期基本相同。物料的干燥屬于一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。在干燥初期，面條中液相水含量較高，且處于連續(xù)狀態(tài)，水分的傳輸主要依賴于液態(tài)擴(kuò)散、熱流動和毛細(xì)管流動，復(fù)合面條表層的水分會首先蒸發(fā)，表層的水分與內(nèi)部形成一定的壓力梯度，隨著熱風(fēng)溫度的升高，此傳質(zhì)推動力也越大，干燥速度也越快。復(fù)合面條內(nèi)外溫差不同時(shí)，會造成水的化學(xué)勢差，即熱流動，這種化學(xué)勢差會推動水從內(nèi)部向外流動，溫差越大，推動力越大。同時(shí)熱風(fēng)溫度的升高，使面條內(nèi)部溫度上升，水分表面張力減小，促使毛細(xì)管流動加劇，傳質(zhì)速度增快，干燥速率提高。在干燥中后期，面條中水分含量明顯降低，此時(shí)主要是氣態(tài)擴(kuò)散主導(dǎo)傳質(zhì)的進(jìn)行，溫度對此影響不顯著，中后期的速率基本不變。因此，熱風(fēng)干燥溫度對于燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥特性有著顯著的影響，提高溫度可以明顯縮短干燥時(shí)間。

表1 薄層干燥模型[19]Table 1 Thin layer drying model

圖1 不同溫度下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥曲線及干燥速率曲線Figure 1 Drying curves and drying rate curves of the oat potato compound noodles at different temperatures

2.2 風(fēng)速對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖2(a)可知，在溫度為70 ℃，面條厚度為1.5 mm，風(fēng)速為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m/s的條件下，面條干燥至終點(diǎn)所用時(shí)間分別為165，150，135，120，105 min。風(fēng)速為2.5 m/s所需干燥時(shí)間比0.5 m/s縮短了36.36%。由圖2(b)可知，燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥速率隨著風(fēng)速的增大而有所提高。在熱風(fēng)干燥過程中，熱空氣既可作為載熱體傳輸熱量，又可作為載濕體帶走物料的水分。面條作為固相物料，孔隙率較低，風(fēng)速不能進(jìn)入到面條內(nèi)部，所以當(dāng)其作為載熱體的時(shí)候，主要通過對流的方式把熱量傳輸給物料，只作用于物料的表面，熱風(fēng)風(fēng)速的變化對于物料內(nèi)部的空隙和固體骨架間的傳熱作用并不大；當(dāng)其作為載濕體時(shí)，也主要通過對流方式把物料蒸發(fā)的水分帶走，熱風(fēng)風(fēng)速并不能帶走面條內(nèi)部的水分，對于傳質(zhì)的效果也不理想。另外，隨著風(fēng)速的提高，造成物料表層的氣流湍動變大，物料表層邊界層變薄，擴(kuò)散阻力變小，質(zhì)熱傳遞加快，干燥速率提高。但是風(fēng)速的變化只能改變復(fù)合面條表面水分的干燥速率，對于其內(nèi)部的水分影響不大。面條作為一種內(nèi)部擴(kuò)散控制的物料，其內(nèi)部擴(kuò)散阻力要遠(yuǎn)大于表面蒸發(fā)阻力，因此風(fēng)速對干燥速率的影響沒有溫度大。

2.3 面條厚度對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖3(a)可知，在溫度為70 ℃，風(fēng)速為1.5 m/s，面條厚度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm的條件下，面條干燥至終點(diǎn)所用時(shí)間分別為90，105，135，165，195 min。面條厚度為0.5 mm所需干燥時(shí)間比2.5 mm縮短了53.85%。面條厚度越小，干基含水率變化越大，達(dá)到干燥終點(diǎn)時(shí)所用時(shí)間越短。由圖3(b)可知，面條厚度為0.5 mm時(shí)，干燥速率最高，復(fù)合面條厚度增加，干燥速率降低。在干燥過程中，傳質(zhì)傳熱的速率也極大地受到路徑的控制，面條厚度就是改變水分傳輸?shù)穆窂?。在面條厚度較小時(shí)，熱空氣帶來的熱量進(jìn)入到物料內(nèi)部需要較短的路徑，同樣，物料內(nèi)部的水分遷移出來的距離也會縮短，干燥時(shí)間就短。在面條較厚時(shí)，熱量不易進(jìn)入物料內(nèi)部，水分蒸發(fā)出來的路徑也變長，而且內(nèi)部擴(kuò)散阻力也會變大，干燥時(shí)間變長。

圖2 不同風(fēng)速下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥曲線及干燥速率曲線Figure 2 Drying curves and drying rate curves of the oat potato compound noodles at different air velocity

圖3 不同面條厚度下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的干燥曲線及干燥速率曲線Figure 3 Drying curves and drying rate curves of the oat potato compound noodles at different noodle thickness

2.4 熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的建立

2.4.1 干燥模型的選擇 本試驗(yàn)選取其中12種薄層干燥模型在溫度為70 ℃、風(fēng)速為1.5 m/s、面條厚度為1.5 mm條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，相應(yīng)的參數(shù)值R2、χ2和RMSE，見表2。由表2可知，Midilli模型R2值最大為0.999 9，χ2和RMSE最小，分別為8.498 4×10-6和0.001 2，擬合程度最高，因此選擇此模型，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 不同干燥模型的干燥參數(shù)及模型系數(shù)Table 2 Drying parameters and model coefficients of different drying models

2.4.2 干燥模型的驗(yàn)證 為了保證選擇模型的準(zhǔn)確性，選取模型以外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見圖4～6。從圖4～6中可以看出建模以外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型預(yù)測值基本一致，說明此模型擬合程度較高，可以用Midilli模型對燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥進(jìn)行預(yù)估。通過模型可以看出干燥時(shí)間和水分比的關(guān)系，為燕麥馬鈴薯復(fù)合面條干燥工藝和過程控制優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，避免造成不必要的能耗浪費(fèi)。

圖4 不同溫度條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥 Midilli模型的驗(yàn)證

Figure 4 Verification of Midilli model of hot-air drying of oat potato compound noodles under different temperature conditions

2.5 燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能

根據(jù)式(8)將lnMR和干燥時(shí)間T進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff，見表3～5。由表3～5可知，Deff范圍為2.535 2×10-10～7.269 9×10-10m2/s。溫度由50 ℃升高到90 ℃，Deff增加了1.50倍；面條厚度由2.5 mm減小到0.5 mm，Deff增加了1.87倍；風(fēng)速由0.5 m/s增長到2.5 m/s，Deff增加了0.84倍。說明增大干燥溫度、風(fēng)速、減小面條厚度，可以強(qiáng)化燕麥馬鈴薯復(fù)合面條在熱風(fēng)干燥中的質(zhì)熱傳遞行為，從而增大復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，但是在熱風(fēng)干燥的3個(gè)影響因素中，溫度和面條厚度的影響較為顯著，風(fēng)速的影響比較小。

圖5 不同風(fēng)速條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥 Midilli模型的驗(yàn)證

Figure 5 Verification of Midilli model of hot-air drying of oat potato compound noodles under different air velocity conditions

圖6 不同面條厚度條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條熱風(fēng)干燥 Midilli模型的驗(yàn)證

Figure 6 Verification of Midilli model of hot-air drying of oat potato compound noodles under different noodle thickness conditions

表3不同溫度條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)?

Table 3 Effective moisture diffusion coefficients of oat potato compound noodles under different temperature conditions

熱風(fēng)干燥溫度/℃有效水分?jǐn)U散系數(shù)/(m2·s-1)502.7827×10-10603.1898×10-10704.1812×10-10805.3016×10-10906.9659×10-10

? 風(fēng)速1.5 m/s，面條厚度1.5 mm。

表4不同風(fēng)速條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)?

Table 4 Effective moisture diffusion coefficients of oat potato compound noodles under different air velocity conditions

熱風(fēng)干燥風(fēng)速/(m·s-1)有效水分?jǐn)U散系數(shù)/(m2·s-1)0.53.1276×10-101.03.9309×10-101.54.1834×10-102.04.7263×10-102.55.7549×10-10

? 溫度70 ℃，面條厚度1.5 mm。

表5不同面條厚度條件下燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)?

Table 5 Effective moisture diffusion coefficients of oat potato compound noodles under different noodle thickness conditions

面條厚度/mm有效水分?jǐn)U散系數(shù)/(m2·s-1)0.57.2699×10-101.05.6989×10-101.54.6654×10-102.03.3796×10-102.52.5352×10-10

? 溫度70 ℃，風(fēng)速1.5 m/s。

根據(jù)式(10)，將lnDeff和1/T曲線進(jìn)行線性擬合，通過擬合直線的斜率，計(jì)算出燕麥馬鈴薯復(fù)合面條干燥的活化能，Ea為43.15 kJ/mol (R2=0.976)。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明熱風(fēng)干燥的溫度和面條厚度對干燥影響較為顯著，而風(fēng)速影響較小。當(dāng)熱風(fēng)溫度為90 ℃，面條厚度為0.5 mm時(shí)，干燥速率明顯增大，而溫度過高可能會造成營養(yǎng)物質(zhì)的破壞，面條過薄易造成斷條率上升，因此可以選擇干燥溫度為70 ℃，面條厚度為1.0 mm作為干燥條件。風(fēng)速對面條干燥影響不是太大，考慮到能量消耗，選取1.0 m/s作為風(fēng)速的最佳條件。

對選取的12種干燥模型進(jìn)行方程的擬合，確定了Midilli模型為燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的熱風(fēng)干燥模型；燕麥馬鈴薯復(fù)合面條的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff隨著干燥溫度和風(fēng)速的升高、面條厚度的降低而增加；試驗(yàn)計(jì)算獲得的燕麥馬鈴薯復(fù)合面條干燥活化能Ea為43.15 kJ/mol。

本試驗(yàn)研究了燕麥馬鈴薯復(fù)合面條在熱風(fēng)中的干燥特性，為其工廠化的干燥控制提供了一些理論依據(jù)，但僅對復(fù)合面條熱風(fēng)這一干燥形式進(jìn)行了研究，以后將對其他干燥方式進(jìn)行更為深入的研究。

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