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(1.江西農(nóng)業(yè)大學工學院,江西南昌 330045;2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,江西南昌 330045)

甜葉菊別名甜草、甜菊和甜茶等,含有14種微量元素和32種營養(yǎng)成分,是優(yōu)質(zhì)糖源的原料[1]。其甜味活性物質(zhì)是甜菊糖,主要成分為甜菊糖苷和萊鮑迪苷,甜度是蔗糖的300倍,熱量僅為蔗糖的1/300,具有良好的熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性與非發(fā)酵性,被譽為最有發(fā)展前途的新糖源[2-5]。甜葉菊經(jīng)濟價值高,1 hm2甜葉菊產(chǎn)糖量相當于甘蔗6～7 hm2、甜菜11～12 hm2,莖稈還可用于藥品、肥料及飼料等[6-7]。甜葉菊干燥是甜菊糖生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),含水量降低至10%時可延長保質(zhì)期[6-7]。國內(nèi)甜葉菊干燥主要采用陽光晾曬和烘干房干燥2種方式,南方以陽光晾曬為主,受7～9月雨季影響,晾曬時間長,易氧化變質(zhì);北方以烘干房干燥為主,因烘干不均勻易導致甜葉菊氧化變黑,且干燥效率較低。因此,亟需開展甜葉菊的干燥特性的研究,以獲取高效干燥的工藝方法。

紅外輻射干燥主要是依靠介于可見光與微波之間的電磁波輻射傳遞能量的干燥技術(shù),波長為0.76～1000 μm。紅外加熱輻射能穿透物料表層,直接加熱內(nèi)部,具有高效、節(jié)能、環(huán)保、干燥品質(zhì)優(yōu)等特點,廣泛應用于烘干、燒烤和干燥食品原料[11-13]。已有研究結(jié)果表明,紅外與熱風聯(lián)合干燥具有良好的協(xié)同性。謝小雷等[14]采用紅外-熱風聯(lián)合干燥制作牛肉干,比單獨采用紅外的干燥時長降低30%,能耗降低10%;羅劍毅[15]應用遠紅外與熱風組合干燥稻谷,發(fā)現(xiàn)組合干燥能夠顯著縮短干燥時長并提高稻谷品質(zhì);汪喜波[16]對紅外輻射與對流聯(lián)合干燥進行理論分析及試驗研究,證明在對流干燥的基礎(chǔ)上加入紅外輻射,有利于提高物料內(nèi)部溫度,提升干燥效率。目前,暫未見紅外-熱風聯(lián)合干燥方法應用在甜葉菊干燥上的相關(guān)研究報道。

本文在研制的甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置基礎(chǔ)上,提出將紅外-熱風聯(lián)合干燥應用于甜葉菊干燥,采用單因素實驗研究熱風溫度、輻射距離、排濕速率對甜葉菊干燥特性的影響;根據(jù)單因素實驗結(jié)果,設(shè)計正交試驗,以干燥時長和能耗為試驗指標,對工藝條件進行優(yōu)化,為研發(fā)甜葉菊干燥方法和技術(shù)裝備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜葉菊 守田3號,來自江西吉安。

紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置 實驗室自制;MS-100型鹵素燈水分測定儀 哈爾濱宇達電子科技有限公司;JYC-412型人工氣候箱 上海佳語科學儀器有限公司;AntarisII傅里葉近紅外光譜分析儀 賽默飛世爾;WT20002型方特電子天平 深圳市艾柯特電子有限公司;AW550型手持式紅外測溫儀 東莞萬創(chuàng)電子制品有限公司;KWD-T10型電力監(jiān)測儀 慈溪科沃德電子有限公司。

1.2 甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置由紅外系統(tǒng)、熱風系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,如圖1所示。干燥箱內(nèi)設(shè)有碳纖維紅外加熱板,其通過螺栓固定安裝在干燥箱內(nèi)的兩根輥軸上,加熱板厚度為2～3 mm,導電紙通電(220 V)后激發(fā)紅外電磁波,紅外波長為1～30 μm,集中在5～15 μm,表面溫度為0～120 ℃,溫差在10 ℃以內(nèi),輻射功率為1.1 kW/m2;紅外加熱板與物料盤之間的距離可通過棘輪升降機構(gòu)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為140～170 mm。工作時,外界空氣自鼓風機進入電加熱器內(nèi),電加熱器出口處設(shè)有一溫度傳感器,加熱至設(shè)定溫度后,由熱風管經(jīng)法蘭導入干燥箱內(nèi),碳纖維紅外加熱板和熱風共同加熱物料盤上的甜葉菊;稱重傳感器安裝在物料盤正下方,實時監(jiān)測加熱過程中甜葉菊的重量變化;加熱后的高溫高濕廢氣通過熱風出口排出,出口處裝有板翅式熱交換器,通過高溫離心風機達到排濕的效果,同時將廢氣通入板翅式熱交換器內(nèi),與新鮮空氣進行熱交換,用于余熱回收。

圖1 紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared-hotair combined drying device注:1.廢氣出口;2.棘輪升降機構(gòu);3.碳纖維紅外加熱板;4.法蘭;5.高溫離心風機;6.板翅式熱交換器;7.電加熱器;8.鼓風機;9.電控箱;10.干燥室溫度傳感器;11.稱重傳感器;12.物料盤。

1.3 紅外輻射-對流復合換熱理論

描述紅外輻射-對流復合換熱中,在對流能量方程中添加一個輻射源項[16],以二維為例,復合換熱連續(xù)性方程為:

式(1)

動量方程為:

式(2)

式(3)

能量方程為:

式(4)

式中:μ為流體的粘滯系數(shù),Pa·s;p為壓力,Pa;ux、uy分別為x、y方向的流體速度,m/s;cp為流體的定壓比熱容,kJ/(kg·K);λ為流體的導熱系數(shù),W/(m·K);qrx、qry分別為x、y方向上的輻射熱流密度,J/(m2·s);φ為流體的粘性耗散函數(shù)。

當紅外輻射-對流換熱為平板層流邊界層時,根據(jù)邊界層理論[18-20],忽略體積力、粘性耗散,簡化動量方程為:

式(5)

能量方程為:

式(6)

式中:v為運動粘度,m2·s;;qr為輻射流密度,J/(m2·s);T為輻射溫度,K;

由紅外輻射-對流組合換熱控制方程可知,流體速度u、流體的導熱系數(shù)λ、輻射溫度T、輻射流密度qr為組合換熱的主要影響因素。

1.4 實驗方法

1.4.1 單因素實驗 從人工氣候箱內(nèi)取出甜葉菊,挑選品相好、無腐爛的甜葉菊葉片,依據(jù)GB5009.3-2016規(guī)定的食品中水分的測定方法[17],測定其初始干基含水率為2.195 g/g(濕基含水率68.7%),將其均勻平鋪于物料盤中。由于試驗影響因子較多,參考薄層類物料干燥常用熱風風速,選取固定風速0.5 m/s;本研究中紅外輻射熱源為碳纖維紅外板,紅外輻射功率為1.1 kW/m2;將物料平鋪于物料盤上,測得載料量50 g,平鋪厚度為40 mm。根據(jù)甜葉菊實際生產(chǎn)需要,試驗分別以熱風溫度、排濕功率和輻射距離為變量因素,以甜葉菊干基含水率達到0.111 g/g(濕基含水率10%),所用干燥時長和能耗為試驗指標進行干燥試驗[8,21],數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔2 s讀取1次重量數(shù)據(jù),直至干燥恒重(重量數(shù)據(jù)曲線趨于平直),每組試驗重復3次,取平均值。單因素實驗設(shè)計如表1所示。

表1 單因素實驗設(shè)計表Table 1 Design table of single factor experimental tests

1.4.2 正交試驗設(shè)計 根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選取熱風溫度(100、110、120 ℃)、排濕功率(140、240、340 W)和輻射距離(140、150、160 mm)的三個較優(yōu)水平,以干燥時長和能耗為試驗指標,進行三因素三水平正交試驗,以確定最佳干燥條件。選擇L9(34)正交表,各因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平設(shè)計Table 2 Orthogonal test factor level design

1.5 測試指標及計算方法

1.5.1 干基含水率 干基含水率[23-24]按如下公式計算:

式(7)

式中:Mt-試樣干燥至t時刻的干基含水率,g/g;mt-試樣干燥至t時刻的質(zhì)量,g;mg-試樣干燥至恒重時的質(zhì)量,g。

1.5.2 干燥速率 干燥速率[25-26]按如下公式計算:

式(8)

式中:Dr-干燥速率,g/(g·min);Mt+Δt-試樣干燥至t+Δt時刻的干基含水率,g/g;Δt-干燥時間間隔,min。

1.5.3 能耗測定 能耗由熱風及排濕系統(tǒng)能耗與碳纖維紅外板能耗組成,其中熱風及排濕系統(tǒng)能耗由三相電表測定,碳纖維紅外板能耗由電力監(jiān)測儀測定[27-29]。

W=wr+wh

式(9)

式中:W-總能耗,kW·h;wr-熱風及排濕系統(tǒng)能耗,kW·h;wh-碳纖維紅外板能耗,kW·h。

1.5.4 綜合評價 根據(jù)甜葉菊的生產(chǎn)綜合經(jīng)濟效益,以干燥時長與能耗按權(quán)重比作為甜葉菊干燥效益的綜合評價指標[22],干燥時長(T)占比約為60%,總能耗(W)占比約為40%,綜合評價得分(K)的計算公式如下:

K=100-(0.6×T+0.4×W)

綜合評價得分越高,則干燥效果越好。

1.6 數(shù)據(jù)處理

每組干燥試驗重復3次,作圖及數(shù)據(jù)分析均采用平均值,采用MATLAB 2014a和OriginPro9進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

采用OriginPro9和MATLAB進行試驗數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜葉菊紅外-熱風干燥特性

2.1.1 熱風溫度對甜葉菊干燥特性的影響 如圖2a可知,在排濕功率240 W和輻射距離150 mm條件下,熱風溫度在120、110、100、90 ℃溫度下甜葉菊干基含水率達到0.111 g/g所用干燥時長分別為11.2、12.9、15.4、16.0 min,干燥時長隨著熱風溫度升高而減小,熱風溫度120 ℃甜葉菊干燥時長比熱風90 ℃縮短了30%。此外,在干燥前期(0～2 min),不同熱風溫度下干燥曲線基本一致;在干燥中期(2～10 min),熱風溫度越高,含水率下降越明顯,主要由于前期甜葉菊葉片中水分處于加熱階段,水分揮發(fā)較少,隨著干燥時間推移,溫度越高,熱擴散速度越快,曲線出現(xiàn)差異。因此,適當提高熱風溫度能有效縮短甜葉菊干燥時長。

由圖2b可知,不同熱風溫度下甜葉菊曲線差異較大,在干燥時長4 min內(nèi),差異尤為明顯。主要由于前期甜葉菊表面水分需加熱至沸點,熱風溫度對干燥速率影響較大。在整體上,存在一段短暫恒速干燥階段,主要由于前期水分處于加熱階段,升溫較慢,當表面水分至沸點時,干燥速率達到最快,干燥速度保持一段時間,表面液膜向甜葉菊內(nèi)部移動,不僅與水分揮發(fā)速度有關(guān),還取決于水分子自內(nèi)部向外部的遷移速度,從而轉(zhuǎn)為降速干燥階段。因此,在不同熱風溫度條件下甜葉菊干燥過程包括加速干燥、短暫恒速干燥和降速干燥三個階段;熱風溫度越高,整體干燥速率越快。

圖2 不同熱風溫度下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.2 Drying characteristic curve of Steviarebaudiana under different hot air temperatures

2.1.2 排濕功率對甜葉菊干燥特性的影響 如圖3a可知,在熱風溫度100 ℃和輻射距離150 mm條件下,排濕功率為340、240、140、0 W所需干燥時長分別為16.6、14.6、14.7、18.8 min。相較于不排濕處理(即排濕功率為0 W),排濕功率為340、240、140 W干燥時長分別縮短了11.7%、22.3%、21.8%。這是因為干燥箱內(nèi)空氣中水汽快達到飽和時,排濕風機的作用加快了干燥箱內(nèi)空氣與外界空氣互換,降低了干燥介質(zhì)的濕度,有利于干燥過程進行[30];當排濕功率較大時,干燥介質(zhì)溫度降低,干燥速率隨之下降?？梢?排濕功率可以縮短甜葉菊干燥時長,且合理的排濕功率水平能取得更好的綜合效果。

由圖3b可知,不同排濕功率下甜葉菊的干燥曲線均包含加速干燥和降速干燥兩個階段。在排濕功率340、240、140 W條件下3條干燥特性曲線趨勢基本一致,明顯不同于不排濕處理的干燥曲線。主要由于隨著干燥時長增加,甜葉菊的水分逐漸揮發(fā)出來,干燥箱內(nèi)空氣含水率明顯增加,濕度接近飽和,導致干燥速率下降;當風機開始排濕作業(yè)時,干燥箱內(nèi)空氣與外界空氣的交換速度加快,降低了箱內(nèi)空氣含水率。此外,在加速干燥階段甜葉菊的排濕遠大于不排濕;進入降速干燥階段時,受物料水分擴散速度的影響,明顯下降,不排濕的下降更平緩。因此,采用排濕處理可加快空氣循環(huán),從而提高干燥效率。

圖3 不同排濕速率下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristic curve ofStevia rebaudiana under different drainage rates

圖4 不同輻射距離下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.4 Drying characteristic curve ofStevia rebaudiana under different radiation distances

2.1.3 輻射距離對甜葉菊干燥特性的影響 如圖4a可知,在熱風溫度100 ℃和排濕功率240 W的條件下,甜葉菊干基含水率達到0.111 g/g所需干燥時長隨著輻射距離減小而縮短。輻射距離為140、150、160、170 mm所需干燥時長分別為11.6、12.4、14.2、15.2 min。相較于輻射距離170 mm,輻射距離140 mm所需干燥時長縮短了23.7%。因此,干燥時間有隨著輻射距離減小而縮短的趨勢。

表3 正交試驗設(shè)計和結(jié)果Table 3 Orthogonal test factor level design

由圖4b可知,輻射距離越小,越快,加速干燥階段越明顯,主要由于物料所吸收的紅外輻射能量與輻射間距呈逆二次方關(guān)系[31-32],輻射距離越小,甜葉菊內(nèi)部溫度越高,干燥效率越高。此外,在干燥前期輻射距離越小,加速階段持續(xù)時間越長,主要由于物料內(nèi)部溫度越高,內(nèi)部水分擴散至表面越容易,液膜向內(nèi)部移動速度越慢,從而加速階段維持的時間越長。因此,輻射距離越小,更有利于甜葉菊干燥。

2.2 正交試驗結(jié)果分析

如表3所示,最佳水平組合為A3B2C1,即在熱風溫度為120 ℃、排濕功率240 W、輻射距離為140 mm工藝參數(shù)下,甜葉菊干燥時長為6.57 min,能耗為1.25 kW·h;如表4所示,影響甜葉菊干燥的因素順序為:熱風溫度>輻射距離>排濕功率,熱風溫度為主要影響因素。

表4 正交試驗極差分析Table 4 Orthogonal test range analysis

3 結(jié)論

在恒定條件下,通過對甜葉菊不同熱風溫度、排濕功率和輻射距離的試驗研究,建立了含水率、干燥速率與時間關(guān)系的曲線,并研究不同水平下甜葉菊干燥時長和能耗的變化規(guī)律,獲取了甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥特性曲線及試驗條件下最佳工藝參數(shù)。發(fā)現(xiàn)提高熱風溫度與減小輻射距離,能有效的縮短干燥時長,合理的排濕功率有利于干燥過程進行;甜葉菊干燥過程包括預熱加速干燥階段和降速干燥階段;且甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥最佳工藝參數(shù),即熱風溫度120 ℃,排濕功率240 W、輻射距離140 mm時,甜葉菊干燥時長為6.57 min,能耗為1.25 kW·h;影響因素順序為:熱風溫度>輻射距離>排濕功率。

紅外-熱風聯(lián)合干燥對甜葉菊干燥效果明顯,具有能耗低、效率高、成本低等特點。但本文暫未開展風速、載料量、紅外輻射強度等變化對干燥效果的影響研究,后續(xù)需進一步優(yōu)化甜葉菊紅外-熱風聯(lián)合干燥工藝。