高压电场干燥胡萝卜的试验研究.pdf

第20卷 第4期 2004年7月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 20 No. 4 July 2004 高压电场干燥胡萝卜的试验研究 丁昌江1, 2,梁运章1 (1. 内蒙古大学离子束与静电生物工程实验室,呼和浩特010021; 2.内蒙古工业大学理学院,呼和浩特010021) 摘 要:针对热敏性物料干燥提出一种高压电场干燥的新型干燥技术,以胡萝卜为对象进行高压电场干燥和热风干燥对 比试验,及对其干燥后的胡萝卜素进行检测和复水试验。结果表明:高压电场能够加速胡萝卜的干燥,干燥时间缩短 43. 3%,且能够很好的保留胡萝卜素,高压电场干燥样品的胡萝卜素含量比热风干燥样品高10. 86%。 高压电场干燥的胡萝 卜在复水性上比热风干燥的平均高11. 7%。并分析了高压电场干燥机理,认为是电场中载能离子注入、 非均匀电场和离子 风外部吹动三部分合一的过程,即 “电场能传质” 。 关键词:高压电场;胡萝卜;干燥 中图分类号: S375; O 441. 4 文献标识码: B 文章编号: 100226819(2004)0420220203 收稿日期: 2003207203 修订日期: 2004206214 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59377327) 作者简介:丁昌江(1978- ),男,内蒙古呼盟人,研究生,呼和浩特市 内蒙古大学理工学院物理系, 010021。Email: ding9713eyou. com 通讯作者:梁运章(1941- ),男,内蒙古呼和浩特人,教授,硕士生导 师,主要从事生物物理方向研究。呼和浩特市 内蒙古大学离子束 与静电生物工程实验室, 010021 0 引 言 蔬菜是人体所必需的维生素和矿物质的重要来源, 但由于蔬菜中含水率很高(一般65%95% ),在微生 物作用下很易腐烂变质,发达国家蔬菜损耗率5% 20% ,而发展中国家损失率常在30%以上。蔬菜脱水是 近年来发展起来的减少蔬菜损失的好办法。 目前生产的 脱水蔬菜主要是常压热风干燥法,该法普遍存在干燥时 间长,耗能高,成本高,色泽风味差,复水性能差等缺陷。 另外一种干燥方法是真空冷冻干燥法,该法干燥的蔬菜 色泽品质好,复水性能好,但设备费、 运行费都高,生产 成本高,鉴于国内外脱水蔬菜的技术现状,研究开发新 的干燥技术则势在必行。 日本的浅川在1976年发现了 “浅川效应”,即在高 压电场下,水的蒸发变得十分活跃,施加电压后水的蒸 发速度加快,并认为电场消耗的能量很小1。 T.R. Bajgai和F. Hashinaga在2001年通过高压电场对菠 菜叶干燥的试验研究,结果表明:高压电场干燥时物料 不升温,速度快,能很好的保存叶绿素a和 b, 有学者用 高压电场对其它物料及不同形状的电极进行试验也都 取得了比较好的结果2- 12。现在国内有些学者也进行 了一些高压电场干燥试验研究13- 15,并取得了满意的 结果。内蒙古大学的梁运章教授从20世纪80年代开 始,经过多年的潜心研究而发明了一项高新实用技术 高压电场干燥技术,并获得了专利,已经实现了产 业化16。该技术通过对各种物料,包括葡萄糖酸钠溶 液17、 西洋参、 金霉素18等几十种生物物料的高压电场 干燥试验,发现高压电场干燥具有能耗低、 不污染环境、 干燥均匀、 物料不升温、 还可杀灭细菌的优点,且能很好 的保存生物物料的有效成分。 本文测定利用高压电场干 燥技术对胡萝卜进行的干燥试验,并与传统的热风干燥 进行了比较。 1 试验装置与方法 1. 1 试验装置 DG30h- J?HG202- 1型烘箱(南京 ); 高压电场干燥设备:内蒙古大学研制的GXJ- 2型 静电干燥机。如图1该装置根据高压电场干燥原理设 计,每层之间均设置电晕电场,内设可控温加热装置,从 而使高压电场干燥和加热干燥技术复合。 图1 GXJ22型静电干燥机试验装置图 Fig. 1 D iagram of GXJ22 static electric dryer 1. 2 试验方法 1. 2. 1 预处理 将胡萝卜去除叶簇,清洗干净,用擦板切为3 mm 5 mm的条状,在沸水中烫漂4 m in,捞出后立即冲凉 水降温,用甩干机去除表面水。 1. 2. 2 干燥试验 在同一批胡萝卜条中称量出相同质量为0. 929 kg 的两份,放于两个物料盘中,料厚为5 mm ,分别将其放 入高压电场干燥机中和烘箱中干燥。高压电场条件为: 物料温度为3640,电压35 kV;热风干燥条件为物 料温度为6971。 1. 2. 3 成分测定 采用上面两种方法干燥后的胡萝卜条样品分别用 比色法检测胡萝卜素的含量。 1. 2. 4 复水试验 高压电场干燥和热风干燥的胡萝卜条样品中分别 取出12 g,用144 g (12 倍)冷水浸泡30m in,然后煮沸5 022 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. m in,甩干表面水,称量即可求得复水率,做两次平行重 复试验。 2 试验结果及分析 2. 1 干燥结果 干燥后可以看到高压电场干燥下的胡萝卜比热风 干燥下的颜色鲜亮,更具有新鲜胡萝卜的本色。从胡萝 卜的形体看,高压电场干燥和热风干燥的相差不多。在 上述实验条件下,高压电场干燥比烘箱干燥时间缩短 43. 3%。结果见表1。 表1 胡萝卜条的两种干燥方法试验数据 Table 1 Experi mental data of drying carrot w ith two ways 干燥 方法 质量 ?kg 料厚 ?mm 时间 ?m in 温度 ? 电压 ?kV 初含水 率?% 终含水 率?% 高压电场0. 929520036423589. 55. 5 烘箱0. 92953536971-89. 55. 5 2. 2 成分保留结果 两种方法干燥的胡萝卜样品的胡萝卜素结果见表 2。高压电场的胡萝卜干燥样品的胡萝卜素含量比热风 干燥样品高10. 86%。 表2 高压电场和热风干燥的胡萝卜素含量 Table 2 Carotene remained by high electric field and heat drying 测试样品高压电场干燥热风干燥 胡萝卜素含量?mg (100 g )- 143. 439. 15 2. 3 复水试验结果 高压电场干燥的胡萝卜和热风干燥的复水性见表 3。高压电场干燥的胡萝卜在复水性上比热风干燥的平 均高11. 7%。 表3 高压电场干燥和热风干燥的胡萝卜复水数据对比 Table 3 Rehydrating data of dried carrots by high electric field and heat drying ways 干燥方法 取样质量 ?g 复水后质量 ?g 复水率 平均 复水率 高压电场干燥 ?12102. 5818. 55 1295. 1517. 93 18. 24 热风干燥 ?1288. 2717. 36 1288. 8217. 40 17. 38 3 讨 论 在胡萝卜内部的水分是以自由水和结合水的状态 存在的。胡萝卜干燥后只保留结合水则可安全贮藏了。 水是极性分子,水分子之间靠氢键缔合成分子团,水分 子团的这种构造是一种动态结合,不断有水分子加入某 个水分子团,又有水分子离开水分子团,即(H2O)n mH2 O + ( H2O)n- m。 高压电场是一种综合效应场,它具有离子束的作 用,同时又存在电磁场辐射和恒定电场的作用。高压电 场干燥是多种作用集合于一身的综合作用。 高压电场中的离子是低能离子,与物料相互作用是 三因子合一的效应,即能量沉积效应、 质量沉积效应和 电荷交换效应。 高压电场干燥胡萝卜的过程主要是实现 离子束在水分子上能量沉积、 电荷交换。一方面载能离 子进入胡萝卜后,与水分子相互作用,逐渐把动能传给 水分子,直至离子的动能完全散失并在物料中停止下 来,即入射离子能量的传递和沉积过程,从而使水分子 的能量加大,促进水分子中氢键的断开,使分子团变成 单个的水分子,减小单个水集团的体积,为水分子脱出 时减小阻力。另一方面离子和水分子发生电荷交换,使 水分子的携带离子的能力增加,即使水分子携带的电荷 数增加,在电场作用下,水分子所受的电场力增加,这两 方面的作用使物料内水分子团的动态平衡向右发展,且 在电场力的作用下,物料内部的自由水向表面移动。离 子在物料中有一定的射程,在射程内的水分子接受能 量,逐步脱离物料,从而使水分下降,然后射程以外的水 分子通过渗透作用补充进来。入射离子的能量越高,射 程越远,入射离子接触的水分子也就越多。将使更多的 水分子获得能量,使之脱离物料,这样就加速了水分的 脱出。 在高压电场中,电场产生两种效果不同的作用力, 同时作用于胡萝卜内部和表面层的水分子,破坏了胡萝 卜内部水分子团中分子间氢键,使表面层的水分子在外 力作用下克服分子间引力从表面层脱离,由离子风的作 用将表面逸出的水分子吹送到环境中,从而使内部水分 子不断运输到表面层,从而加快了水分子的运输过程。 在表面水分的逸出过程中,直接被电场力拉出,这样会 减少大量的汽化潜热所需能量,因此高压电场干燥节约 干燥能耗,也不会升高物料的温度。 高压电场干燥技术应用到蔬菜脱水上的研究属于 电流体动力学学科的研究范围,其机理也可以用电流体 动力学的基本原理进行初步的分析。 4 结 论 1) 高压电场干燥胡萝卜比热风干燥具有更好的效 果,可以提高干燥速度,更好的保留胡萝卜素及更好的 复水效果。 2) 高压电场干燥脱水的机制和传统的干燥机理不 同,是一种全新的干燥机理,即 “电场能传质”,而不是 “传热传质” 。 3) 高压电场对干燥蔬菜是一种新型的干燥技术, 对蔬菜的干燥领域将会有广阔的应用前景。 参 考 文 献 1 A sakawa Y.Promotion and retardation of heat transfer by electric fieldsJ . 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