王存堂　高傲寒　王偉

摘要：研究油豆角在不同干制溫度（60、70、80、90 ℃）下的薄層熱風(fēng)干制特性及干制過程數(shù)學(xué)模型的建立，分析熱風(fēng)干制溫度對(duì)熱燙油豆角干制特性的影響。結(jié)果表明，油豆角熱風(fēng)干制的過程以降速干燥為主。采用Page等5種經(jīng)典數(shù)學(xué)模型對(duì)干制過程進(jìn)行擬合，計(jì)算結(jié)果顯示，Page方程模型的r2最大，χ2、RMSE最小，擬合度較高，能很好地描述油豆角干燥時(shí)的水分蒸發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：油豆角；干制特性；薄層干制模型

中圖分類號(hào)： TS2051文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0168-02

收稿日期：2015-08-03

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：C2015050）；齊齊哈爾大學(xué)青年教師科研啟動(dòng)支持計(jì)劃（編號(hào)：2014K-M25）。

作者簡介：王存堂（1980—），男，甘肅高臺(tái)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏與加工。E-mail：robbertwang@163com。

油豆角是黑龍江省特有的優(yōu)質(zhì)菜豆品種，以其色澤嫩綠、味道鮮美、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn)而深受人們的喜愛。油豆角生育期短且生長迅速，成熟后豆莢纖維化快，在室溫貯藏易失水萎蔫、褪色、腐爛，所以油豆角的供應(yīng)具有極強(qiáng)的季節(jié)性和區(qū)域性。為了更好地滿足廣大消費(fèi)者的需要，減少生產(chǎn)者的損失，可將新鮮油豆角進(jìn)行干燥加工，使其水量含量降低，從而在不影響油豆角的口感和營養(yǎng)組成的前提下延長其貯藏期，并可高效解決季節(jié)性供銷的難題。

通常果蔬干制有多種方式，如曬干、烘干、減壓干制以及冷凍干制等，然而曬干過程容易被微生物污染，產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量差，質(zhì)量不均一，且烘干、冷凍干燥耗時(shí)耗能[3]。為了有效殺死原料表面的微生物，破壞或鈍化果蔬中能催化產(chǎn)生不良反應(yīng)的氧化酶，防止色澤劣變，減少某些原料的不良風(fēng)味，并加快干制時(shí)間，果蔬經(jīng)過熱燙處理后再干制被廣泛應(yīng)用在果蔬的脫水干制加工中[4]。果蔬干制過程中水分變化對(duì)于干燥過程意義重大，會(huì)直接影響產(chǎn)品品質(zhì)。然而限于現(xiàn)代干燥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物料在干燥過程中在線檢測水分仍是個(gè)難題，所以對(duì)干燥過程中水分的變化規(guī)律進(jìn)行研究將為實(shí)際脫水蔬菜的生產(chǎn)提供更多的數(shù)據(jù)支持。目前，已有學(xué)者對(duì)辣椒[3]、番茄[5]、蘋果渣等物料的干燥特性、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，然而關(guān)于油豆角熱風(fēng)薄層干制數(shù)學(xué)模型方面的研究鮮見報(bào)道。因此，在本試驗(yàn)中將油豆角進(jìn)行熱風(fēng)干制，考察熱風(fēng)干制溫度對(duì)熱燙油豆角干制特性的影響并建立干制過程的數(shù)學(xué)模型，以期為生產(chǎn)加工實(shí)踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

11試驗(yàn)材料

油豆角購自齊齊哈爾市建華區(qū)蔬菜市場，要求新鮮，成熟度（豆粒未膨大）和大小一致，無機(jī)械損傷和病蟲害。

12主要儀器設(shè)備

數(shù)顯101A-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司；BS222S電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司。

13試驗(yàn)方法

將新鮮油豆角在沸水中熱燙5 min，立即放在鐵架上自然冷卻瀝干表面水分，然后進(jìn)行干燥。干燥試驗(yàn)是在4個(gè)溫度（60、70、80、90 ℃）下進(jìn)行的。在干燥試驗(yàn)開始之前2 h，將熱風(fēng)干燥箱開機(jī)并選定溫度；然后，將油豆角單層平鋪置于鐵絲網(wǎng)上，置于干燥箱腔內(nèi)干燥，樣品質(zhì)量保持在（500±100）g。干制開始后，每隔30 min記錄1次質(zhì)量變化，精確至001 g，每次稱質(zhì)量不超過20 s，直至連續(xù)3次質(zhì)量不再變化為止。所有的干制試驗(yàn)重復(fù)3次。

14熱風(fēng)干制特性

141數(shù)學(xué)模型油豆角薄層干制試驗(yàn)的水分比（moisture ratio，簡稱MR）和干制速率（drying rate，簡稱DR）分別采用式（1）、式（2）計(jì)算：

[JZ（]MR=[SX（]M-MeM0-Me[SX）]；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]DR=[SX（]Mt+dt-Mtdt[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：M為任意時(shí)刻的水分含量，g/g；M0為初始水分含量，g/g；Me為平衡水分含量，g/g；Mt為t時(shí)刻的水分含量，g/g；Mt+dt為t+dt時(shí)刻的水分含量，kg/kg；t為干制某一時(shí)刻，min。

當(dāng)干制時(shí)間較長時(shí)，與M或M0相比，Me的值比較小，可以忽略不計(jì)，所以MR=M/M0。

142相關(guān)系數(shù)和誤差分析為了選擇合適的數(shù)學(xué)模型描述油豆角的干制過程，本研究利用理論模型-擴(kuò)散模型和常見的5個(gè)經(jīng)驗(yàn)薄層干制模型方程來分別描述油豆角的干制曲線，表1為經(jīng)驗(yàn)薄層干制的MR模型方程。采用Origin Pro 85數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件分析線性和非線性回歸方程，并給出各統(tǒng)計(jì)參數(shù)如決定系數(shù)（r2）、卡方（χ2）和均方根誤差（RMSE）。最好的描述物料薄層干制模型的統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)特征是r2最大，并且χ2、RMSE最小。χ2、RMSE分別根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：MRexp，i、MRpre，i分別為試驗(yàn)的MR、預(yù)測的MR；N為觀測點(diǎn)的數(shù)量；z為干制數(shù)學(xué)模型中常數(shù)的數(shù)量。

2結(jié)果與分析

21干制特性曲線

干制特性曲線是MR與干制時(shí)間之間的關(guān)系曲線，它反映物料水分含量（即水分比）隨干制時(shí)間的延長而下降的過程。油豆角被單層平鋪在熱風(fēng)干制箱內(nèi)干制，溫度分別設(shè)為60、70、80、90 ℃。由圖1可以看出，在同一溫度下，油豆角MR隨時(shí)間逐漸下降；熱風(fēng)溫度對(duì)MR下降過程的影響是明顯的；在干制溫度分別為60、70、80、90 ℃的條件下，干制獲得平衡水分的時(shí)間分別為840、660、480、330 min。由此可見，熱風(fēng)溫度的增加加速了干制的過程，縮短了干制的時(shí)間。

22干制速率

油豆角熱風(fēng)干制速率根據(jù)式（2）計(jì)算。油豆角在不同溫度下其干燥速率隨干制時(shí)間的變化情況見圖2。油豆角干制過程只有極短時(shí)間的加速干燥階段，然后進(jìn)入減速干燥階段，干制過程中并沒有出現(xiàn)恒速干燥階段。這主要是因?yàn)樵诟芍七^程中，油豆角表面的水分?jǐn)U散速率大于內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移速率，水分?jǐn)U散過程很快，是以擴(kuò)散為主的水分蒸發(fā)過程。相似的結(jié)果也在紅辣椒、茄子切片、蘋果渣等物料干制時(shí)被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)油豆角干制速率>0017 g/min時(shí)，干制溫度越高，干制速率越大；而當(dāng)干制速率小于0017 g/min時(shí)，干制溫度越高，干制速率越?。▓D2）。這說明在干制后期，物料內(nèi)部水分含量越低時(shí)，干制的速率就越小，水分也越難以除去。

23油豆角熱風(fēng)干制模型

干制試驗(yàn)的水分含量數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為含水率，根據(jù)式（1）計(jì)算MR，作為模型擬合的原始數(shù)據(jù)。然后根據(jù)表1的經(jīng)

驗(yàn)薄層干制方程模型擬合，從而選擇合適的油豆角干制模型。根據(jù)不同模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及r2、χ2、RMSE的值，得出擬合度較高的數(shù)學(xué)模型（表2）。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：最好的薄層干制模型要求最高的r2，最低的χ2、RMSE的值。對(duì)于所有的干制試驗(yàn)，其r2、χ2、RMSE值的變化范圍分別為0971 8～0998 5、0001 4×10-4～0003 1、0000 3～0053 3。

由表2可以看出，從Page方程模型計(jì)算得到的r2最大，χ2、RMSE最小，擬合度較高，能很好地描述油豆角的薄層干制過程。圖3對(duì)比了油豆角在干制溫度為60、70、80、90 ℃時(shí)，由Page方程預(yù)測和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的MR，可以看出， 預(yù)測

的MR曲線和試驗(yàn)的MR之間是非常吻合的。其他物料如番茄切片[5]、蘋果渣、茄子切片[8]等干制過程也與Page方程擬合度很高。

3結(jié)論

熱風(fēng)溫度對(duì)熱燙油豆角薄層熱風(fēng)干燥特性的影響是顯著的。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，溫度越高、油豆角的干燥速率越快，干燥時(shí)間越短。油豆角薄層熱風(fēng)干燥過程以降速干燥為主，沒有發(fā)現(xiàn)恒速干燥階段。5種經(jīng)驗(yàn)薄層干制數(shù)學(xué)模型的擬和結(jié)果表明，由Page模型擬和所得r2最高，χ2、RMSE最小，是模擬油豆角薄層熱風(fēng)干燥過程最適合的數(shù)學(xué)模型。

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