荔枝果肉热风干燥薄层模型.pdf

年 月农 业 机 械 学 报第 卷 第 期 ： 荔枝果肉热风干燥薄层模型 关志强 王秀芝 李 敏 蒋小强 谢 晶 （ 广东石油化工学院化学与生命科学学院，茂名 ； 广东海洋大学工程学院，湛江 ； 上海海洋大学食品科学与工程学院， 上海 ） 【 摘要】 利用热泵干燥装置探讨了热风温度和热风风速对荔枝果肉干燥水分比 和干燥速率 的影响。结 果表明： 荔枝果肉薄层热风干燥是内部水分扩散控制的降速干燥过程。对 种常见食品薄层干燥模型进行试验数 据非线性拟合， 通过比较评价决定系数 、 卡方 和标准误差 以及试验验证， 结果显示 模型是描述荔枝 果肉薄层热风干燥过程的最优模型。不同干燥条件下有效水分扩散系数 和活化能 的求解结果表明， 有效水 分扩散系数 随热风温度和风速的增加而变大， 平均活化能 为 。 关键词：荔枝果肉 热泵干燥 干燥特性 薄层干燥模型 中图分类号： ； 文献标识码：文章编号： （ ） （ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， 收稿日期： 修回日期： 广东省茂名市科技计划资助项目（ ） 和上海市教育委员会重点学科建设项目（ ） 作者简介：关志强， 教授， 主要从事食品冷冻与干燥工程技术研究， ： 引言 干燥通常是指将热量施加于湿物料除去挥发性 湿分（ 大多数情况下是水） 而获得一定湿含量固体 产品的过程 。薄层干燥是指厚度小于 的 物料表层完全暴露在相同的环境条件下进行干燥的 过程。薄层干燥模型通常是基于液相扩散理论而建 立的。液 相 扩 散 理 论 最 早 由 提 出， 得 到 、 等许多研究者的支持和应用， 并 认为液相扩散理论是固体干燥过程质量传递的基本 机理， 过程可用 方程描述 。薄层干燥模型有 很多种， 一般可分为理论方程、 半理论方程、 半经验 方程和经验方程 。一般来说， 理论方程的形式较 复杂， 推导过程中只考虑了物料的内部扩散系数， 误 差较大。半理论方程是理论方程的简化。半经验方 程是在一定理论的基础上， 结合干燥动力学试验建 立起来的， 因此拟合程度高、 误差小、 应用比较广泛。 经验方程的适用范围较小。国外对各种食品物料的 薄层干燥试验研究较早， 等对谷物进行了薄层 干燥试验， 结合理论分析得出了相应的单项近似方 程 方程 。 等对水稻进行了 大 量 的 研 究 后 得 出 了 方 程 。 等对油菜籽及复水油菜籽等农作物进行 薄层干燥研究， 得到相应的 方程并进行对比， 结果表明油菜籽和复水油菜籽干燥速率有很大的不 同 。 等研究葵花籽在薄层干燥状态下的干 燥速率， 用一种葵花籽在 个不同的热风温度下进 行 薄 层 干 燥 试 验，得 到 相 应 的 方 程 。 分别对黄秋葵和黑葡萄进行了薄层试验研 究， 结果表明 模型拟合效果较好， 模型较 适合于农产品干燥的模拟 。 本文考察热风干燥温度和风速对荔枝果肉干燥 过程的影响， 利用试验数据进行模型拟合， 比较和筛 选常见薄层干燥模型， 建立荔枝果肉薄层干燥动力 学模型， 求出不同干燥条件下的有效水分扩散系数 和活化能 ， 以期能较准确地预测荔枝果肉干 燥过程中水分变化规律和干燥速率， 为荔枝果肉干 燥加工提供指导。 试验材料与方法 试验材料及预处理 白头翁新鲜荔枝， 取自茂名水果市场， 成熟度 （ 果皮 转红， 果 柄 部位 仍 带有 青 色） 。将 荔 枝 去 皮、 去 核， 用 热 水 漂 烫 。 仪器与设备 热泵干燥装置（ 图 ） ； 型电子天平； 型真空干燥箱； 型恒温水浴锅。 干燥介质温度、 相对湿度和风速的数据采集， 采用 多通道数字式仪表， 型号： ， 广 州昆仑自动化设备有限公司生产。温度和相对湿度 测定采用 型塑料管道式温湿度变送器， 合肥杜威仪表科技有限公司生产， 测量精度： 温度 ， 相对湿度 （ ） 。风速测定采用 型风速变送器， 深圳市德威达科技有限公司生产， 测量 精度： 时 （ 测量值） 。 工艺流程 工艺流程为： 新鲜荔枝取荔枝肉预处理 摆放平整热泵热风干燥测量含水率。 图 热泵干燥装置原理图 压缩机组 水冷套管式冷凝器 风冷翅片冷凝器 贮 液器 干燥过滤器 第一蒸发器 第二蒸发器 第三 蒸发器 温湿度及风速探头 调节风门 热力膨胀阀 供液电磁阀 排汽电磁阀 附加电加热器具 装 置门 风速调节板 隧道体 试验方案 为了避免热风温度过高导致热敏性食品物料表 面硬化、 干缩严重、 颜色变褐和复水效果差， 热风温 度采用 、 、 ， 风速 、 、 。干 燥箱物料上方的热风相对湿度控制在（ ） 。 在每次试验开始之前， 让热泵空转 以上， 调 节各试验参数使其分别达到上述所列状态， 并运行 平稳。干燥过程中每隔 取出试样测量一次物料 质量， 而且每次测量时间不超过 。当前、 后两 次取样测得的质量差小于 时， 认为达到此干 燥条件下的平衡含水率 ， 停止干燥。每次试验作 次平行。 试验指标计算方法 （ ）含水率的测定 恒温干燥法， 参考 。 （ ）水分比 根据水分比定义， 得 （ ） 式中 时刻物料干基含水率， 物料干燥平衡时干基含水率， 物料初始干基含水率， （ ）干燥速率 按照 的方法 计算， 即 （ ） 式中 时刻样品的干燥速率， （ ） 时刻样品干基含水率， （ ）有效水分扩散系数 扩散方程可以用来描述生物制品降速干燥 特性。当具有相同初始含水率的样品进行较长时间 的干燥试验时， 扩散方程的解可以简化成如下 农 业 机 械 学 报 年 形式 （ ） 式中 有效水分扩散系数， 样品厚度的一半， 在不同的干燥条件下， 用试验数据拟合 直线方程， 根据直线方程的斜率 计算 。 （ ）活化能 有效水分扩散系数 与温度 的相关性遵循 关系 ， 即 ( ) （ ） 式中 方程的指数前因子， 活化能， 气体常数， （ ） 绝对温度， 在不同的干燥温度下， 将方程两边取对数， 对 与 进行线性拟合， 由拟合直线的斜率 计算出活化能 。 数据处理 采用 软件进行模型的非线性回归， 采用 软件进行模型待定参数的多元线性 逐步回归。使用下述统计检验指标来评价数学模型 的预测值与试验值的拟合程度。 图 热风温度对水分比 和干燥速率 的影响（ 热风风速 ） （ ） （ ）决定系数 （ ， ） （ ， ） （ ） （ ）卡方 （ ， ，） （ ） （ ）标准误差 （ ， ，） 槡 （ ） 式中 ， 试验观测值 ， 模型预测值 试验观测值的算术平均值 试验观测值个数 参数个数 结果与分析 荔枝果肉热风干燥特性 热风温度 图 给出了荔枝果肉干燥过程中热风温度对水 分比和干燥速率的影响。从图 可以看出， 在相同 热风温度下， 干燥前期的水分比下降快， 干燥速率 高； 干燥后期的水分比下降缓慢， 干燥速率低。这是 因为干燥前期， 荔枝果肉含水率较大且具有较多的 体相水， 与周围热空气之间形成了较大的水分梯度， 内部水分向表面转移能力强。随着干燥的继续进 行， 荔枝果肉中的含水率逐渐减小， 细胞间的体相水 大幅减少， 水分梯度逐渐变小； 同时， 由于由氢键结 合力联系着的结合水较难从细胞中析出， 干燥过程 变得缓慢。 图 中呈现的趋势是热风温度越高， 干燥速率 越大， 水分比下降速率就越快， 干燥所需时间就越 短。通常热风温度是决定干燥速度的主要因素， 热 风温度越高， 干燥过程中所能达到的最高干燥速率 越大。在干燥初始阶段， 干燥速率随热风温度升高 而增大； 干燥进行到中后期， 干燥速率随热风温度的 变化不如干燥前期明显。这可能是因为在不同的热 风温度下， 干燥进行到中后期， 较高温度带来的表面 硬化效应更加明显。表面硬化效应导致荔枝果肉内 部水分扩散速率下降， 使得干燥速率减小， 并与热风 温度较低时干燥速率的差距逐步缩小。 整个荔枝果肉干燥过程并没有经历恒速干燥阶 段， 而是直接进入降速干燥阶段。荔枝果肉的降速 第 期 关志强 等：荔枝果肉热风干燥薄层模型 干燥说明， 在干燥过程中， 内部水分扩散是主导因 素， 直接控制了荔枝果肉的干燥速率， 这与大多数生 物物料的干燥特性相似 。荔枝果肉干燥过程 属内部扩散控制， 干燥的强化主要着眼于内部扩散 条件的改善， 因此热风干燥荔枝果肉可以采用干 燥缓苏干燥交替进行的间歇干燥方式， 使表面 汽化速率与内部扩散速率相协调， 保证荔枝果肉内 部水分扩散时间， 避免热风温度过高导致荔枝果肉 表面结壳、 变色等问题。 热风风速 图 给出了荔枝果肉干燥过程中热风风速对水 分比和干燥速率的影响。图中显示， 不同的热风风 速对荔枝果肉水分比和干燥速率产生影响， 水分比 下降速率和干燥速率随着热风风速的增大而逐渐加 快， 热风风速越大， 水分比下降越快，干燥速率也越 快。但是， 热风风速为 和 时两条水 分比曲线差异缩小， 即随着热风风速的增大， 其对水 分比下降速率和干燥速率的影响变小。这是因为荔 枝果肉表面水分气化的速率大于内部水分扩散的速 率， 内部水分来不及扩散到荔枝果肉表面以供气化， 内部水分扩散成为了控制干燥速率的主要因素， 所 以表面水分气化已不起主导作用， 以改善表面气化 条件为目标的增大干燥介质流速也不是强化干燥速 率的主要措施。过高的热风风速， 不仅不能有效地 提高干燥速率， 反而会增加干燥能耗。为强化荔枝 果肉内部扩散控制的干燥效果， 应减小荔枝果肉厚 度， 或采用微波干燥方法， 使热流动有利于内部水分 向表面传递。 图 热风风速对水分比 和干燥速率 的影响（ 热风温度 ） （ ） 荔枝果肉薄层干燥模型 模型的选择 食品薄层干燥常见的数学模型如表 所示。 把干燥试验的干基含水率转换成水分比 ， 用 软件对表 的 个模型进行非线性回归， 模型中干燥时间 的单位取为 。在不同的热风温 度 （ ） 和热风风速 （ ） 下， 个模型的常数及 其拟合检验指标 、 和 分列于表 。在所有 情况下， 都 高 于 ， 和 分 别 低 于 和 。其中， 模型、 模型、 模型、 模型的 均高于 ， 相应的 和 值分别小于 和 。比较而 言， 上述 个模型更适合用于描述荔枝果肉干燥过 程水分比的变化规律。在这 个模型中， 模型 的 较大， 和 较小， 且形式简单， 参数较少。 因此， 模型是最优模型。 表 食品薄层干燥模型 模型序号模型名称 模型 参考文献 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ （ ） （ ） 农 业 机 械 学 报 年 表 各种薄层干燥模型的统计结果 模型序号 干燥常数 第 期 关志强 等：荔枝果肉热风干燥薄层模型 续表 模型序号 干燥常数 模型的求解 从表 可看出， 模型 均大于 ， 拟合度良好。 模型干燥常数 和 是荔枝果肉 热风干燥系统的固有特性参数， 是干燥介质温度、 相 对湿度和流速的函数。本试验控制干燥介质相对湿 度不变， 因此 和 是热风温度 和风速 的函数。 农 业 机 械 学 报 年 采用二次多项式来拟合 方程中的干燥常数， 除 了考虑每个独立变化因素的一次和二次作用外， 还 要考虑各个因素之间的交互作用。设定 （ ） （ ） 采用 软件中的多元线性逐步回归方 法， 求解 方程中参数 和 的回归方程， 剔除 不显著的影响因素（ ） ， 结果为 （ ， ） （ ） 式（ ） 的拟合效果较好。由此式可知， 热风温度 和风速 的二次项和交互项对干燥常数 的影响不 显著（ ） ， 即 是热风温度 和风速 的一次 函数。在干燥常数 的逐步回归过程中， 没有输入 任何显著项（ ） ， 即 与热风温度 和风速 之间没有关系， 取其值为表 中 模型所有 的 平均值 。因此， 荔枝果肉热风干燥的 数 学模型方程为 （ （ ） ） （ ） 模型的验证 追加试验的工艺条件为： 热风温度为 ， 风 速为 。比较水分比 的试验值和 模 型预测值， 如图 所示。 由图 可以看出， 试验值与模型预测值的一致 性较 好， 干 燥前期的误 差 较 大， 最 大 相对 误 差为 ， 干燥后期的误差相对较小。总体来说， 模 型能够较好反映荔枝果肉薄层干燥中水分变化规 律。 模型的推导 将 模型中的水分比 转换为含水率， 利 图 模型的验证 用模型求解含水率对时间的导数， 即可得出在本试 验条件 下 描 述 荔 枝 果肉