江寧　李麗娟　李大婧　等

摘要：為研究蓮藕片熱風(fēng)干燥特性，探討了不同裝載量和熱風(fēng)溫度對(duì)蓮藕片薄層熱風(fēng)干燥過(guò)程的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了蓮藕片熱風(fēng)干燥水分比與干燥時(shí)間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行擬合，最后計(jì)算了蓮藕片熱風(fēng)干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程符合Page模型，經(jīng)驗(yàn)證，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合良好；蓮藕片熱風(fēng)干燥有效擴(kuò)散系數(shù)在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s范圍內(nèi)。Page模型適用于描述蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程。

關(guān)鍵詞：蓮藕；熱風(fēng)；干燥特性；動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)： TS255.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0247-04

收稿日期：2014-03-21

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（13）3082]。

作者簡(jiǎn)介：江寧（1983—），男，江蘇南京人，碩士，助研，從事農(nóng)產(chǎn)品精深加工研究。Tel：（025）84391570；E-mail：jn19831109@163.com。

通信作者：劉春泉，碩士，研究員，從事農(nóng)產(chǎn)品精深加工及產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)研究。Tel：（025）84390188；E-mail：liuchunquan2009@163.com。蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn），別稱(chēng)荷藕、蓮菜等，為睡蓮科蓮屬多年生大型宿根水生草本植物[1]，原產(chǎn)中國(guó)和印度，歷史悠久，種質(zhì)資源豐富，以肥嫩根狀莖供食用，是我國(guó)極重要的水生蔬菜。蓮藕含有淀粉、膳食纖維、氨基酸、維生素等多種營(yíng)養(yǎng)成分，營(yíng)養(yǎng)豐富，同時(shí)又含有少量生物堿、黃酮類(lèi)、鞣質(zhì)等功能性成分，具有清熱涼血、生津止渴、健脾開(kāi)胃等藥用價(jià)值，廣受消費(fèi)者喜愛(ài)[2-3]。蓮藕采收后，易氧化褐變、失水干縮以及腐爛變質(zhì)，不耐貯運(yùn)，干制可有效延長(zhǎng)其貯藏期限，且便于運(yùn)輸。

我國(guó)每年有大量的脫水藕片出口日本、韓國(guó)、新加坡、菲律賓、美國(guó)等國(guó)家，而脫水藕片所采用的干燥技術(shù)即為熱風(fēng)干燥。熱風(fēng)干燥技術(shù)操作簡(jiǎn)便、成本低廉，國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道也較多，段振華等建立了羅非魚(yú)片熱風(fēng)干燥水分比與干燥時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[4]；諸愛(ài)士等分析了瓠瓜的熱風(fēng)干燥特性，并在此基礎(chǔ)上建立其干燥動(dòng)力學(xué)模型[5]；劉坤等研究了紅棗的熱風(fēng)干燥特性，并建立了薄層干燥數(shù)學(xué)模型[6]；Kaleta等對(duì)蘋(píng)果的熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)的干燥模型[7]；Doymaz建立了獼猴桃熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型，并研究其有效擴(kuò)散系數(shù)[8]；Kaleemullah等研究了紅辣椒的薄層熱風(fēng)干燥模型，并計(jì)算了有效擴(kuò)散系數(shù)[9]。

本試驗(yàn)研究了熱風(fēng)干燥對(duì)蓮藕片干燥特性的影響，并建立了蓮藕片熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型，用以描述蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程中的水分變化，以期為蓮藕熱風(fēng)干燥工藝的研究和生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

“美人紅”蓮藕：于2012年5月由江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣天禾食品有限公司特供。蓮藕肉質(zhì)肥嫩，色澤潔白，無(wú)明顯機(jī)械傷。

1.2儀器與設(shè)備

DHG-9073B5-Ⅲ型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司）；FA2104電子分析天平（北京賽多利斯科學(xué)儀器公司）。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1原料預(yù)處理將蓮藕洗凈、去皮后，用不銹鋼刀切分成5～6 mm厚的薄片，立即浸于0.2%檸檬酸和1%氯化鈉組成的護(hù)色劑中護(hù)色，0.5 h后取出，于沸水中燙漂3 min，流動(dòng)水冷卻至常溫后，置于2%的麥芽糊精溶液中浸漬1 h，取出瀝干，置于-18 ℃左右的冰箱中，凍藏備用。

1.3.2熱風(fēng)干燥打開(kāi)鼓風(fēng)干燥箱，將試驗(yàn)溫度分別調(diào)至50、60、70 ℃，待溫度穩(wěn)定10 min后，將解凍后的蓮藕片50、100、200 g均勻鋪成薄層，放入干燥箱內(nèi)。干燥開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)蓮藕片水分變化較大，在0～1 h，每隔10 min測(cè)定1次水分含量；1～2 h，每隔20 min測(cè)定1次水分含量；2 h之后水分變化量較小，每隔30 min測(cè)定1次水分含量。換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.4薄層干燥數(shù)學(xué)模型

果蔬干燥常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型如表1所示。

表1應(yīng)用于干燥曲線(xiàn)的薄層干燥數(shù)學(xué)模型

模型名稱(chēng)方程表達(dá)式線(xiàn)型表達(dá)式指數(shù)模型MR=exp（-kt）ln（MR）=-kt單項(xiàng)擴(kuò)散模型MR=Aexp（-kt）ln（MR）=lnA-ktPage 方程MR=exp（-ktN）ln[-ln（MR）]=lnk+Nlnt注：水分比MR=（Mt-Me）/（M0-Me）；t表示干燥時(shí)間，min；Mt表示t時(shí)刻物料含水率（干基），%；Me表示平衡含水率（干基），%；M0表示初始含水率（干基），%；A、k、N表示待定系數(shù)。

由于平衡含濕量Me資料很少，并且相對(duì)于Mt和M0較小，因此把上述的水分比MR簡(jiǎn)化為MR=Mt/M0。

1.5試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算

1.5.1水分含量采用GB 5009.3—2010食品中水分的測(cè)定方法[10]，各時(shí)期水分含量通過(guò)定時(shí)取樣、迅速稱(chēng)重后烘干，并計(jì)算濕基和干基含水率。濕基含水率（%）=（mt-ms）/mt×100%；干基含水率（%）=（mt-ms）/ms×100%。式中：mt表示物料t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，g；ms表示絕干物料質(zhì)量，g。

1.5.2干燥速率干燥速率（g/min）=Δm/Δt，式中：Δm表示失水質(zhì)量，g；Δt表示相鄰2次測(cè)量的時(shí)間間隔，min。

1.5.3有效擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，因?yàn)榻邓俑稍镞^(guò)程受內(nèi)部擴(kuò)散的控制，所以物料的內(nèi)部水分?jǐn)U散系數(shù)是果蔬干燥過(guò)程數(shù)學(xué)模型中的主要參數(shù)。Fick擴(kuò)散方程經(jīng)常用來(lái)描述生物產(chǎn)品降速階段的干燥特性。本試驗(yàn)采用下式計(jì)算蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)。

ln（MR）=ln8π2-π2Defft4L2；

斜率=-π2Deff4L2。

式中：Deff是有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；L為物料層厚度的一半，m。

1.6統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0分析軟件對(duì)表1中各干燥方程的參數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，顯著性水平為P≤0.05。

2結(jié)果與分析

2.1蓮藕片薄層熱風(fēng)干燥特性分析

2.1.1裝載量對(duì)蓮藕片熱風(fēng)干燥特性的影響由圖1可知，在熱風(fēng)溫度恒定在60 ℃的條件下，隨著裝載量的降低，干燥時(shí)間縮短。在裝載量為50 g時(shí)，干燥180 min，蓮藕片水分含量就已經(jīng)降到13%（干基）以下；而裝載量為200 g時(shí)，水分含量降到13%以下，需要干燥300 min以上。這可能是由于裝載量越低，單位質(zhì)量水分所吸收的熱能越高，汽化所需時(shí)間縮短，達(dá)到目標(biāo)含水率所需的時(shí)間也隨之縮短。

由圖2可以看出，熱風(fēng)溫度設(shè)定為60 ℃，在裝載量為200 g時(shí)，蓮藕片的熱風(fēng)干燥過(guò)程分為加速、恒速、降速3個(gè)階段，基本符合傳統(tǒng)的干燥速率曲線(xiàn)變化規(guī)律，但加速階段與恒速階段均較短，干燥的大部分時(shí)間在恒速階段；裝載量為50 g和100 g時(shí)，蓮藕片的熱風(fēng)干燥過(guò)程只分為加速和降速2個(gè)階段。裝載量越高，相同干基含水率所對(duì)應(yīng)的干燥速率越大。

2.1.2干燥溫度對(duì)蓮藕片熱風(fēng)干燥特性的影響由圖3可知，在裝載量為100 g時(shí)，熱風(fēng)溫度越高，干燥相同時(shí)間物料的含水率就越低。當(dāng)熱風(fēng)溫度為70 ℃時(shí)，干基含水率降至13%以下需150 min，而當(dāng)熱風(fēng)溫度為50 ℃時(shí)，則需300 min以上。這是由于熱風(fēng)溫度越高，傳熱動(dòng)力越大，蒸發(fā)速率快，要達(dá)到一定含水率所需的時(shí)間就越短。

由圖4可以看出，當(dāng)裝載量為100 g時(shí)，在熱風(fēng)溫度50、60、70 ℃的條件下，蓮藕片的干燥過(guò)程在升速階段后均不經(jīng)恒速階段直接進(jìn)入降速階段。熱風(fēng)溫度越高，相同干基含水率所對(duì)應(yīng)干燥速率越大。這與張建軍等對(duì)不同熱風(fēng)溫度下辣椒的干燥特性進(jìn)行研究后所得結(jié)論[11]一致。

2.2蓮藕片熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)

2.2.1蓮藕片熱風(fēng)干燥模型的選擇根據(jù)干燥特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制不同裝載量和熱風(fēng)溫度下的-ln（MR）-t曲線(xiàn)和ln[-ln（MR）]-lnt曲線(xiàn)，如圖5至圖8所示。從圖5和圖7中明顯可以看出，-ln（MR）與t呈非線(xiàn)性，從圖6和圖8中可以看出，ln[-ln（MR）]與lnt呈線(xiàn)性，由此可見(jiàn)蓮藕片的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型滿(mǎn)足Page方程，可以選擇 Page 模型作為蓮藕片熱風(fēng)干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

2.2.2蓮藕片熱風(fēng)干燥方程擬合采用SPSS 20.0分析軟件對(duì)不同裝載量和熱風(fēng)溫度下對(duì)應(yīng)的ln[-ln（MR）]與lnt值進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸分析，得出干燥常數(shù)lnk和N值，相關(guān)系數(shù)R均在0.95以上，表明方程與實(shí)際操作參數(shù)擬合度良好。令：

lnk=a+bX1+cX2；

N=d+eX1+fX2。

式中：X1表示裝載量，g；X2表示熱風(fēng)溫度，℃；a、b、c、d、e、f表示待定系數(shù)。

利用SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸擬合，求得方程各待定系數(shù)，即可得出lnk和N的回歸方程為：

lnk=-3.969-0.0041 8X1+0.019 3X2；

N=0.764-0.000 126X1+0.002 55X2。

2個(gè)方程的P值分別為0.001和0.000，均小于0.05，故可認(rèn)為干燥lnk和N與變量裝載量及熱風(fēng)溫度的線(xiàn)性關(guān)系成立。因此，蓮藕片熱風(fēng)干燥方程為MR=exp（-ktN），式中，k=exp（-3.969-0.0041 8X1+0.019 3X2），N=0.764-0000 126X1+0.0025 5X2。

2.2.3蓮藕片熱風(fēng)干燥模型方程驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證蓮藕片熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，選取試驗(yàn)中的1組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)條件為：熱風(fēng)溫度70 ℃，裝載量200 g。將該組試驗(yàn)值與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，Page方程預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與實(shí)際值擬合良好，表明Page方程能較準(zhǔn)確地描述蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程。

2.3蓮藕片熱風(fēng)干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)

在不同的熱風(fēng)干燥條件下所得的-ln（MR）-t的關(guān)系圖中，采用Excel軟件對(duì)干燥曲線(xiàn)添加線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)，從趨勢(shì)線(xiàn)方程中即可讀出其斜率。由下式：

斜率=π2Deff4L2

即可求出不同干燥條件下蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff值（表2）。

表2熱風(fēng)干燥條件下蓮藕片有效擴(kuò)散系數(shù)值的比較

裝載量

（g）熱風(fēng)溫度

（℃）擴(kuò)散系數(shù)Deff

（×10-7 m2/s）50501.90550602.34150703.516100501.297100601.915100702.766200500.831200601.287200701.712

由公式計(jì)算得出蓮藕片分別在裝載量50、100、200 g，熱風(fēng)溫度50、60、70 ℃的條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff值，如表2所示。蓮藕片熱風(fēng)干燥條件下的擴(kuò)散系數(shù)大約在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s的范圍內(nèi)。由表2可以看出，隨著裝載量的降低和熱風(fēng)溫度的升高，有效擴(kuò)散系數(shù)增大。這可能是由于裝載量越低，鼓風(fēng)干燥箱體中水分含量越低，單位水分含量吸取的熱能升高，從而增加了傳質(zhì)推動(dòng)力，擴(kuò)散速率加快[9]；而溫度升高，物料內(nèi)部水分子運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散速率隨之加快[12]。由干燥速率曲線(xiàn)圖可以看出，蓮藕片的熱風(fēng)干燥過(guò)程幾乎不存在恒速干燥階段，而在降速干燥階段，蓮藕片表面的水分汽化速率高于內(nèi)部的水分?jǐn)U散速率，故干燥速率下降，這說(shuō)明內(nèi)部水分?jǐn)U散為干燥速率的主要控制因素[13]。果蔬的有效擴(kuò)散系數(shù)大小不僅與果蔬本身的組織結(jié)構(gòu)、品種、形狀有關(guān)，也與干燥方式及其操作條件聯(lián)系緊密。孟岳成等計(jì)算得到了不同熱風(fēng)溫度、風(fēng)速及物料厚度條件下熟化紅薯的有效擴(kuò)散系數(shù)，研究表明：隨熱風(fēng)溫度、風(fēng)速和紅薯厚度的增大，有效擴(kuò)散系數(shù)增大，其范圍在5.18×10-10 ～ 2.11×10-9 m2/s之間[14]；Simal等發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥獼猴桃時(shí)，隨著溫度的升高，物料的有效擴(kuò)散系數(shù)增大，熱風(fēng)溫度由30 ℃增加到90 ℃時(shí)，獼猴桃的有效擴(kuò)散系數(shù)值由3.0×10-10 m2/s增加到17.2×10-10 m2/s[15]；Doymaz等得出玉米粒在55～75 ℃熱風(fēng)范圍內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)值為9.488×10-11～2.716×10-10 m2/s[16]；胡慶國(guó)在不同的熱風(fēng)溫度和風(fēng)速條件下，得到毛豆的有效擴(kuò)散系數(shù)在0.703×10-9～1.299×10-9 m2/s范圍內(nèi)[17]。本試驗(yàn)中蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)明顯大于上述各例，這可能是由于蓮藕片經(jīng)冷藏、解凍后內(nèi)部多孔，結(jié)構(gòu)疏松，有利于水分?jǐn)U散。

3結(jié)論

（1）蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程在升速階段后不經(jīng)恒速階段直接進(jìn)入降速階段。

（2）蓮藕片熱風(fēng)干燥過(guò)程符合Page模型，模型方程為MR=exp（-ktN），其中，k=exp（-3.969-0.004 18X1+0019 3X2），N=0.764-0.000 126X1+0.002 55X2；R值均大于0.95，P值均小于0.05，說(shuō)明擬合顯著。經(jīng)驗(yàn)證，模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合良好。

（3）蓮藕片熱風(fēng)干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)隨裝載量的降低和熱風(fēng)溫度的升高而增大，范圍在0.831×10-7 ～3.516×10-7 m2/s之間。

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