王烽先,劉寅,2*,孟照峰*,于彰彧,王航,閆俊海
1(中原工學(xué)院,能源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州,451191)2(河南中瑞制冷科技有限公司,河南 鄭州,451191)
果蔬富含維生素、礦物質(zhì)、碳水化合物等多種保證們生活健康的營養(yǎng)成分。由于果蔬含水率高,導(dǎo)致果蔬在貯藏時容易變質(zhì)、腐爛,在我國因保存方式不當(dāng)導(dǎo)致水果的損失率高達(dá)20%~25%[1],蔬菜的損失率高達(dá)17%[2]。干燥可以通過將果蔬內(nèi)部的水分進(jìn)行去除,抑制微生物的生長,延長果蔬的保存時間,降低貯藏?fù)p失。
果蔬干燥的常見方法有自然曬干、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥等,真空冷凍干燥雖然干燥品質(zhì)極佳,但是干燥時間長,干燥速率低,成本高[3]。熱風(fēng)干燥作為干燥的一種方式,其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低[4-5],被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品等產(chǎn)業(yè)中,但是傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥存在著物料干燥不均勻、干燥后期效率低等缺點(diǎn)[6]。王會林等[7]對胡蘿卜進(jìn)行了熱風(fēng)干燥特性實(shí)驗(yàn),分析其干燥過程中的干燥速度,將整個干燥過程分為恒速干燥期、第一降速期和第二降速期。發(fā)現(xiàn)隨著干燥過程的推進(jìn),干燥速率在逐步降低。為了提高干燥速度可通過提高后期干燥溫度來加速干燥,李艷杰等[8]在對香菇進(jìn)行溫度影響實(shí)驗(yàn)時,發(fā)現(xiàn)初始干燥溫度采用80 ℃時,初始干燥速率達(dá)到0.2 g/min以上,但是在后期干燥速率會逐漸趨于平緩,雖然溫度在70 ℃以上仍然可以加速干燥的進(jìn)行,但是香菇的褐變嚴(yán)重。早在1976年淺川提出了“淺川效應(yīng)”[9],指出在高壓電場下水的蒸發(fā)速度加快。梁運(yùn)章,丁昌江等[10-11]表明,液體中的電荷在受到電場力的作用下而發(fā)生運(yùn)動,在運(yùn)動黏度的影響下,導(dǎo)致了水分的流動,并不產(chǎn)生熱量,因此提出了靜電干燥技術(shù)。王慶惠等[12]研究了高壓靜電場對杏子的影響,指出高壓電場可以加速干燥過程。
綜上所述,在干燥過程中添加電場裝置,能夠加速水分子遷移速率且不產(chǎn)生熱量[13],本實(shí)驗(yàn)通過對新鮮香蕉、胡蘿卜切片處理,通過添加靜電裝置,記錄香蕉片、胡蘿卜在不同干燥過程中的質(zhì)量變化,分析溫度、靜電裝置對香蕉片(高含糖量)、胡蘿卜片(高含水率)干燥速率、干燥品質(zhì)的影響,找出果蔬的干濕基變化規(guī)律,進(jìn)行了靜電裝置對香蕉片、胡蘿卜片熱風(fēng)干燥特性影響的研究。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備:電子式單相電能表(DDS161),上海人民高低壓成套設(shè)備有限公司;數(shù)據(jù)采集儀(34972A,Keysight),德科技(中國)有限公司;高精度風(fēng)速儀(Testo425,精度±0.03 m/s,德國儀器國際貿(mào)易(上海)有限公司);電子天平(UTP-313,精度0.01 g),上?;ǔ彪娖饔邢薰?;溫濕度傳感器(Ms-7310,溫度測量精度±0.5 ℃,濕度測量精度±4.5%RH);水分測定儀(梅特勒-托利多HE83,可讀精度0.01%),梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司;靜電發(fā)生器(DENBA-08S),廣州成云電霸保鮮科技有限公司;靜電放電板(DENBA S,DP-10S),廣州成云電霸保鮮科技有限公司。
干燥實(shí)驗(yàn)臺主要由加熱室、干燥室、物料支架、物料盤(650 mm×350 mm)、循環(huán)風(fēng)機(jī)(SF-150051,SMS)、溫濕度控制器(HS-668,民熔)、風(fēng)速控制器(KTS-A8,惠豐)等組成。實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。
1-控制終端;2-新風(fēng)入口;3-加熱室;4-干燥室;5-循環(huán)風(fēng)機(jī);6-物料支架;7-靜電板;8-物料盤;9-靜電發(fā)生器
1.2.1 干燥機(jī)理分析
物料干燥的主要過程是水分子向外遷移,通過給水分子提供能量使水分子之間的氫鍵斷開[14],水分從物料內(nèi)部擴(kuò)散到表面后蒸發(fā)。傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥是通過升高溫度來給內(nèi)部水分子提高能量,提高物料水分子向外遷移的速率。在給物料添加靜電裝置后,水分子獲得電場力所提供的能量但不提升溫度,也提高了水分子的遷移速率,上述過程符合電流體動力學(xué)基本方程[15],方程(1~5)如下:
(1)
E=-▽φ
(2)
(3)
▽ν=0
(4)
(5)
式中:E為電場強(qiáng)度,Q是電荷密度,ε為介質(zhì)電常數(shù),φ為電壓,J為電流密度,t為時間,ν為介質(zhì)速度,ρ為介質(zhì)密度,p為壓力,μ為黏性系數(shù),f為電場力。其中電流密度J滿足公式(6):
J=KQE-DQ▽Q+Qν
(6)
式中:K為離子遷移率,DQ為分子擴(kuò)散系數(shù),Q為電荷密度,E為電場強(qiáng)度。由以上公式分析可得當(dāng)外部電場提供的分子運(yùn)動能量大于分子熱運(yùn)動的能量時,水分子自身的擴(kuò)散可以忽略。當(dāng)水分子擴(kuò)散被外界附加的能量來主導(dǎo)時,由于水分子是極性分子,在受到電場力作用后會使加速度增大,獲得更多的能量,會加速氫鍵斷開,在此過程中溫度也提供了一定的能量,在電場和溫度都提供能量時,使得物料內(nèi)部的勢能增加,將物料內(nèi)部水平衡打破,在物料內(nèi)部存在的水分子會向表面移動。
1.2.2 方法
實(shí)驗(yàn)選取果蔬為胡蘿卜、香蕉,樣品要求新鮮無傷損。實(shí)驗(yàn)前將樣品清洗干凈,晾干表面水分。分別做切片處理,取最佳厚度5 mm[16-17],隨機(jī)取10組,采用鹵素水分檢測儀測定初始含水率。將10組檢測數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值,測定胡蘿卜初始含水率為(90±0.5)%、香蕉初始含水率為(76±0.5)%。
將洗凈并晾干的胡蘿卜、去皮香蕉分別切片分成相同質(zhì)量的6份進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每份分別進(jìn)行編號,利用護(hù)色劑(亞硫酸鈉0.5 g/L+NaCl 1.0 g/L+檸檬酸2.0 g/L)對香蕉片進(jìn)行預(yù)處理來減少香蕉褐變[18]。實(shí)驗(yàn)采用單因素分析法,將是否使用靜電裝置作為唯一變量,共分為6組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)1為55 ℃[19]胡蘿卜單一熱風(fēng)干燥,實(shí)驗(yàn)2為55 ℃胡蘿卜添加靜電裝置的聯(lián)合熱風(fēng)干燥,實(shí)驗(yàn)3為55 ℃下前期添加靜電裝置的對胡蘿卜片進(jìn)行熱風(fēng)干燥,實(shí)驗(yàn)4為55 ℃[20]香蕉片單一熱風(fēng)干燥,實(shí)驗(yàn)5為55 ℃香蕉片添加靜電裝置的聯(lián)合熱風(fēng)干燥,實(shí)驗(yàn)6為55 ℃香蕉片前期添加靜電裝置的熱風(fēng)干燥。實(shí)驗(yàn)時先開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱完畢后將干燥物料均勻的平鋪在物料盤中,并隨機(jī)標(biāo)記樣本,風(fēng)速設(shè)定為1.2 m/s,每隔30 min將樣本取出,放置在電子天平上記錄質(zhì)量并計算濕基含水率,直到胡蘿卜濕基含水率到13%[21],香蕉濕基含水率5%[22]時停止干燥。
(1)干燥時間:物料在6組不同的實(shí)驗(yàn)中達(dá)到干燥目標(biāo)所花費(fèi)的時間。
(2)能耗對比:物料在6組不同的實(shí)驗(yàn)中達(dá)到干燥目標(biāo)的功耗與脫水質(zhì)量的比值。
(3)復(fù)水率對比:物料在添加靜電裝置前后的復(fù)水能力。
(4)感官評價:感官評價采用計分方式對產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行評估[20-23],如表1、表2所示。
表1 干燥的胡蘿卜片感官評分標(biāo)準(zhǔn)
表2 干燥的香蕉片感官評分標(biāo)準(zhǔn)
(5)Weibull函數(shù)[24]擬合,干燥模型-Weilbull分布函數(shù)如公式(7):
(7)
式中:α表示尺度參數(shù),是速率常數(shù),其值約為去除胡蘿卜內(nèi)部63%水分,香蕉內(nèi)部63%水分所需的時間,min;β表示形狀參數(shù),β與干燥物料的干燥速率和水分子擴(kuò)散有關(guān),其值越小說明擬合越好;t表示干燥時間,min。
按照Weibull分布函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合,其中可參照決定系數(shù)R2、和方差SSE、卡方值χ2以及均方根誤差RMSE 來進(jìn)行擬合評價,其中R2越接近1,SSE越接近于0,χ2和RMSE越小,則說明擬合值越好。R2、χ2和RMSE的計算如公式(8)~公式(11):
(8)
(9)
(10)
(11)
式中:MRexp,i為實(shí)測水分比,MRpre,i為計算水分比,N為水分比的總個數(shù),n為常數(shù)的個數(shù)。
胡蘿卜在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的濕基含水率的變化曲線圖如圖2所示。
圖2 不同干燥時刻的濕基含水率變化
由圖2可知,3組實(shí)驗(yàn)的干燥時間分別為315、270、300 min。對比發(fā)現(xiàn),添加靜電裝置的實(shí)驗(yàn)2比其他兩組實(shí)驗(yàn)所用的干燥時間都要短,并且干燥過程添加靜電裝置的實(shí)驗(yàn)2比單一熱風(fēng)干燥的實(shí)驗(yàn)1時間縮短了45 min,在實(shí)驗(yàn)3斷開靜電裝置后濕基含水率的變化趨向于實(shí)驗(yàn)1的曲線,由此可得到添加靜電裝置的干燥實(shí)驗(yàn)可以減少干燥時間。主要原因是干燥的本質(zhì)是水分蒸發(fā),而靜電裝置可以加速物料內(nèi)部水分子的運(yùn)動來提高水分子向外遷移的速率,因此減少了干燥時間,降低了干燥能耗。
a-熱風(fēng)-靜電;b-前期靜電;c-單一熱風(fēng)
如圖3所示,對于3組不同干燥條件的實(shí)驗(yàn)胡蘿卜的品質(zhì)也均不相同。如圖3-c所示,實(shí)驗(yàn)1單一熱風(fēng)干燥的胡蘿卜片,香味偏淡,色澤變褐,形態(tài)卷曲,小組評分為40。如圖3-a所示,實(shí)驗(yàn)2干燥過程中添加靜電裝置的胡蘿卜片,香味濃郁,色澤鮮艷,形態(tài)較平整,小組評分為90,如圖3-b所示,實(shí)驗(yàn)3前期添加靜電裝置的胡蘿卜片干燥,香味較香,色澤較鮮艷,形態(tài)卷曲,小組評分為70。影響干燥品質(zhì)的主要因素是干燥物料在干燥過程中內(nèi)部水分子的分布情況,干燥過程中物料的水分子向外蒸發(fā),隨著干燥時間的推移,物料表面的水分子越來越少,內(nèi)部水分子向外遷移又只能全靠溫度來提供動能,導(dǎo)致向外遷移的水分子較少,因此干燥品質(zhì)變差,而通過添加靜電裝置可以驅(qū)動內(nèi)部水分子向外運(yùn)動,使胡蘿卜片水分子分布均勻,保證了胡蘿卜子表面水分子向外運(yùn)動穩(wěn)定,所以干燥品質(zhì)較好。
胡蘿卜在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同干基含水率時的干燥速率如圖4所示。
圖4 不同干基含水率的干燥速率變化
通過對比圖4的干燥速率曲線可以看出,添加靜電裝置的實(shí)驗(yàn)干燥速率均大于單一熱風(fēng)干燥速率,實(shí)驗(yàn)2的干燥速率曲線始終大于實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3。實(shí)驗(yàn)3在關(guān)閉靜電裝置后,干燥速率開始貼近實(shí)驗(yàn)1,并且在干燥后期與單一熱風(fēng)干燥的實(shí)驗(yàn)1相比,實(shí)驗(yàn)3的干燥速率低于實(shí)驗(yàn)1,這是干燥過程中,前期啟用靜電裝置,使胡蘿卜內(nèi)部的水分子動能增加,提高了內(nèi)部水分子像外表面遷移的速率,在關(guān)閉靜電裝置后,失去外界對內(nèi)部水分子附加的動能,水分子的遷移只能通過升高胡蘿卜內(nèi)部溫度,由于前期利用了靜電裝置的能量,導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高較慢,因此后期干燥速率不如單一熱風(fēng)干燥。
胡蘿卜在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的物料脫水率如圖5所示。
圖5 不同時刻的脫水率變化
通過比較圖5的脫水率曲線可以看出,添加靜電裝置胡蘿卜片熱風(fēng)干燥的實(shí)驗(yàn)2前期脫水率較高,實(shí)驗(yàn)3介于二者之間,隨著干燥時間的推移脫水率也逐漸相差不多,這是在干燥前期,胡蘿卜內(nèi)部有大量水分子,靜電裝置產(chǎn)生的能量可以被大量內(nèi)部水分子利用,而隨著干燥的進(jìn)行,胡蘿卜片的水分子量逐漸降低,靜電裝置所提供的內(nèi)能被水分子吸收利用也較少,靜電裝置對干燥的影響也逐漸變低。
香蕉片在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的濕基含水率的變化曲線圖如圖6所示。
由圖6可知,3組香蕉片干燥實(shí)驗(yàn)的時間分別為360、300、330 min,實(shí)驗(yàn)5與實(shí)驗(yàn)6使用了靜電裝置比單一熱風(fēng)實(shí)驗(yàn)4的干燥時間分別縮短了60 min和30 min,并且在120 min后實(shí)驗(yàn)5的濕基含水率變化趨勢變緩,這是由于香蕉含糖量較高,該時刻水分子數(shù)量較少,糖分阻礙了內(nèi)部水分子向外遷移的速率,造成了濕基含水率下降較慢,在干燥后期靜電裝置對濕基含水率的影響逐漸減弱。
圖6 不同干燥時刻的濕基含水率變化
如圖7所示,對于3組不同干燥條件下的香蕉片實(shí)驗(yàn),品質(zhì)也不相同。這是由于香蕉本身含糖量較高,在單一熱風(fēng)干燥下,水分子析出較慢,容易產(chǎn)生微生物,通過添加靜電裝置后,靜電裝置會在干燥過程中產(chǎn)生一定的臭氧,在進(jìn)行干燥的同時還可抑制微生物的生長,進(jìn)而提升干燥品質(zhì)。如圖7-c所示,單一熱風(fēng)干燥不添加靜電裝置,香蕉色澤暗黃,口感黏軟,中心褐變嚴(yán)重,小組評分30分。如圖7-a所示,添加靜電裝置的香蕉片干燥,香蕉色澤黃亮,口感酥脆,中心微褐變,小組評分85分。如圖7-b所示,前期添加靜電裝置的實(shí)驗(yàn)6,色澤淡黃,口感偏軟,中心存在褐變,小組評分50分。
a-熱風(fēng)-靜電;b-前期靜電;c-單一熱風(fēng)
香蕉片在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同干基含水率的干燥速率如圖8所示。
圖8 不同干基含水率的干燥速率變化
通過對比圖8的不同干燥速率曲線發(fā)現(xiàn),靜電裝置對高含糖量的香蕉片干燥也有著明顯作用,在干燥初始階段,實(shí)驗(yàn)5、實(shí)驗(yàn)6與實(shí)驗(yàn)4的干燥速率差距較小,隨著干燥的進(jìn)行,靜電裝置在干燥中期提高了干燥速率,但是在后期的干燥速率3組實(shí)驗(yàn)相差不多。這是因?yàn)橄憬对诤笃趦?nèi)部水分子減少,剩余的糖分較多,由于流體黏度的影響,內(nèi)部水分子變少,并且向外表面遷移的速率變慢,靜電裝置的作用受限,導(dǎo)致內(nèi)部水分子的運(yùn)動全部依靠溫度的提升,因此干燥后期的速率3組實(shí)驗(yàn)相差不多。
香蕉片在55 ℃的熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥,靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的物料脫水率如圖9所示。
圖9 不同時刻的脫水率變化
通過比較圖9的脫水率曲線可以發(fā)現(xiàn),在干燥初期靜電裝置有著很大影響,添加靜電裝置的脫水率曲線變化幅度較小,在干燥進(jìn)行一段時間后斷開靜電裝置,可以看出脫水率曲線變化較為明顯。這是由于靜電裝置的突然斷開,導(dǎo)致原本在靜電裝置作用下向表面遷移的水分子突然失去了電場能,內(nèi)部水分子的蒸發(fā)只能依靠汽化潛熱來提供的熱量,因此脫水率開始下降。
2種不同物料的干燥速率如圖10所示。通過對比6組實(shí)驗(yàn)的干燥速率發(fā)現(xiàn),2種不同物料干燥速率明顯不同,香蕉片的干燥速率整體大于胡蘿卜的干燥速率,這是香蕉片的初始含水率比胡蘿卜的初始含水率低造成的,2種物料的干燥速率較快的曲線均添加了靜電裝置,給干燥室附上靜電場,物料內(nèi)部水分子受到電場力的作用而向外表面運(yùn)動,由于水自身也有黏性便受到水分子運(yùn)動的影響而運(yùn)動,因此干燥速率會有所提升。胡蘿卜的干燥速率變化不明顯,而香蕉片的速率變化有波動,是由于香蕉片的糖分較多,糖分阻礙了水分子向外的遷移,并且也有一部分糖分子與水分子結(jié)合使水分子向外遷移的速率驟降。綜合對比發(fā)現(xiàn)添加靜電裝置對物料干燥速率有一定的積極作用,但主要作用于干燥前期階段。
圖10 兩種物料的干燥速率曲線
由表3與表4可看出,靜電裝置對熱風(fēng)干燥具有積極的作用。表3對比了同溫度熱風(fēng)干燥中有無靜電裝置的能耗,發(fā)現(xiàn)胡蘿卜片干燥實(shí)驗(yàn)中添加靜電裝置的2組實(shí)驗(yàn)與單一熱風(fēng)干燥的能耗,分別降低了8%,12%。香蕉片干燥實(shí)驗(yàn)中添加靜電裝置的2組實(shí)驗(yàn)與單一熱風(fēng)干燥的能耗相比,分別降低了8%、17%。
表4對比了同溫度熱風(fēng)干燥中有無靜電裝置的復(fù)水率,發(fā)現(xiàn)胡蘿卜片干燥實(shí)驗(yàn)中添加靜電裝置的2組實(shí)驗(yàn)相比與單一熱風(fēng)干燥的復(fù)水率相比分別提升了8%,14%。香蕉片干燥實(shí)驗(yàn)中添加靜電裝置的2組實(shí)驗(yàn)與單一熱風(fēng)干燥的復(fù)水率相比分別提升了6%、12%。
表3 靜電裝置對能耗影響對比
表4 靜電裝置對復(fù)水率影響的對比
基于Weibull函數(shù)對是否添加靜電裝置的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果見表5。由表5可以看出,干燥物料為胡蘿卜時,決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、卡方檢驗(yàn)值χ2、和方差SSE分別為0.990 8~0.998 3、0.011 28~0.022 82、2.563 9×10-4~1.434 5×10-4、0.000 763 1~0.003 722。方程擬合度較高,因此,基于Weibull函數(shù)模擬靜電裝置對熱風(fēng)干燥特性的影響是可行的。
在不同的干燥條件與干燥方式中Weibull函數(shù)的尺度參數(shù)α有著明顯的區(qū)別。由表5可知,當(dāng)干燥條件一致,變量為靜電裝置時,靜電聯(lián)合熱風(fēng)干燥的尺度參數(shù)α為68.57 min、65.72 min,與尺度參數(shù)α分別為101.4、84.31、91.18、76.71 min的單一熱風(fēng)干燥以及前期靜電熱風(fēng)干燥相比分別減少了32.83、18.59,22.61、10.99 min,表示靜電會在干燥前期提升速率,與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論一致。同時由表5也可以看出,形狀參數(shù)β在添加靜電裝置的干燥條件下均是大于1的,當(dāng)β大于1時,說明物料在干燥前期存在延滯階段,這表示物料的干燥速率表現(xiàn)為前期速率先升高后降低的特點(diǎn),擬合值變化與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)變化一致。
通過研究靜電裝置對胡蘿卜與香蕉片的熱風(fēng)干燥特性影響,發(fā)現(xiàn)靜電裝置主要作用于物料干燥前期,但對不同物料的作用效果并不一致,從干燥速率和干燥時間方面來講,胡蘿卜在添加靜電裝置后前期干燥速率提升了8%,干燥時間縮短了14.28%,香蕉前期干燥速率提升了10%,干燥時間縮短了16.67%;從干燥能耗來講,胡蘿卜的干燥能耗降低了12%,香蕉的干燥能耗降低了17%,可看出靜電裝置對香蕉的影響更大,作用效果更明顯。利用靜電裝置縮短了物料氧化的時間,干燥過程中靜電場抑制了微生物的產(chǎn)生,提升了干燥品質(zhì),2種物料的復(fù)水率提高了6%~14%。利用Weibull函數(shù)中的尺度參數(shù)α與形狀參數(shù)β可以預(yù)判不同干燥條件下的物料干燥特性,添加靜電裝置的形狀參數(shù)β均大于1,決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、卡方檢驗(yàn)值χ2、和方差SSE分別為0.990 8~0.998 3、0.011 28~0.022 82、2.563 9×10-4~1.434 5×10-4、0.000 763 1~0.003 722說明方程擬合度高,適合Weibull模型。在靜電裝置可縮短干燥時間,提升干燥品質(zhì),降低干燥能耗,這些都表明,靜電裝置在食品干燥中有良好的應(yīng)用前景,通過靜電裝置對干燥影響的研究不僅可以探索出更優(yōu)化的果蔬干燥工藝,而且對整個食品干燥領(lǐng)域都有著重要的意義。
表5 Weibull函數(shù)不同干燥條件下干燥模擬結(jié)果