（食品科学专业论文）脱水蒜片干燥模型与节能生产技术研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 中国是世界上最大的大蒜生产和消费国，大蒜产业在国际大蒜市场已 具有举足轻重的地位，大蒜成为我国出口创汇额最大的单宗农产品。脱水 蒜片作为大蒜的深加工产品，出口量正逐年上升。热风干燥是目前最常用 的工业脱水生产技术，其生产工艺简单，对生产过程中能量消耗和产量的 关系缺乏系统研究。对热风循环干燥过程的系统研究有助于设计、优化、 控制生产过程，具有十分重要的现实意义。本研究以苍山蒲棵大蒜为原料， 针对蒜片脱水的主要影响因素进行研究，使用二次正交旋转试验设计方法 得到了恒温干燥条件下最小能耗的工艺参数，同时对常用的薄层干燥模型 进行非线性回归拟合分析，建立了大蒜脱水的数学模型，并进行了工厂实 际生产验证，提出了工厂生产线变温干燥的最佳生产工艺参数。 1 脱水特性的研究试验研究了介质温度、切片厚度、装料量对蒜片 干燥特性的影响。随着介质温度的增高，干燥时间明显缩短，这种趋势在 温度较低时更加明显；随着切片厚度、装料量的增加，干燥时间逐渐增加， 但装料量对干燥时间的影响较切片厚度小。 2 恒温条件下工艺参数的确定选取干燥介质温度、切片厚度和装料 量三个因素，运用二次正交旋转组合设计的方法，对热风循环法生产脱水 蒜片的工艺参数进行优化，得到了生产条件与能量消耗及产量之间的数学 关系，其最佳生产条件为干燥介质温度为6 2 3 c ，切片厚度为2 3 8 m m ， 装料量为2 6 9 k g m 2 ，预测理论最小能耗1 9 6 k w h k g 。验证试验表明，实 际生产能耗2 0 5 k w h k g ，产量为4 1 1 k g 1 1 ，与预测值吻合，所得方程式试 验性较好。 3 干燥模型通过对四种常用的薄层干燥模型进行非线性回归拟合 分析，得到了四种模型在不同温度下的拟和方程。对四个方程的f 值、p 值、r 值的比较，显示h e n d e r s o n & p a b i s 和t w o t e r m 模型相对于l e w i s 和p a g e 模型可以更好的预测蒜片脱水过程。同时通过回归分析，得到了 h e n d e r s o n & p a b i s 和t w o - t e r m 模型参数与干燥温度的数学关系。 4 验证试验及变温干燥研究根据工厂实际生产设备设计变温干燥 试验，通过模型预测各段干燥时间，验证试验结果显示所得数学模型可以 较好的预测脱水蒜片干燥过程。同时对脱水蒜片生产各阶段能量消耗进行 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 研究，获得最佳节能干燥方式为：6 0 ( 5 9 5 r a i n ) - - 8 0 ( 4 3 5 m i n ) 一 6 0 。c ( 7 8 2 m i n ) ，此时总能耗最小为：1 7 2 9 k w h k g ( 不包含复烘阶段) ， 产量为1 2 1 k g h 。 5 恒温干燥与变温干燥比较与恒温干燥相比，适宜的变温干燥能 耗更小，且由于含水率较低的干燥阶段温度较低，温度对褐变的影响也会 相对较小，更有利于优质产品的生产。 关键词：脱水蒜片，能量消耗，热风循环干燥，干燥模型 2 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h el a r g e s tg a r l i cp r o d u c e ra n dc o n s u m e rc o u n t r y , c h i n ah a sa l r e a d y p l a y e dap i v o t a lr o l ei nt h ei n t e m a t i o n a lg a r l i cm a r k e t g a r l i ch a sb e c o m et h e l a r g e s ta m o u n te x p o r t so fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t si nc h i n a a st h ei m p o r t a n t p r o c e s s i n gp r o d u c t s ，t h ee x p o r tv o l u m eo fd e h y d r a t e dg a r l i cs l i c ei si n c r e a s i n g y e a rb yy e a r h e a t e da i rc i r c u l a t ed r y i n gi st h em o s tc o m m o n l ye m p l o y e d c o m m e r c i a l t e c h n i q u e f o r d r y i n gb i o l o g i c a lp r o d u c t s h o w e v e r ，t h e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e i ss h o r to fs y s t e m a t i c r e s e a r c h ，e s p e c i a l l y i nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o na n do u t p u t k n o w l e d g eo ft h e d e h y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a r l i cs l i c ei se s s e n t i a lt ot h eo p t i m i z a t i o na n d c o n t r o lo ft h ed e h y d r a t i o np r o c e s s e s 砸ss t u d yw a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t e t h ee f f e c tf a c t o r so fd e h y d r a t i o ni nh e a t e da i rc i r c u l a t e d r y i n g t h e d e h y d r a t i o np r o c e s so fg a r l i cs l i c e sw a so p t i m i z e db yq u a d r a t i co r t h o g o n a l r o t a r yd e s i g n ，a n dt h em i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o no fc o n s t a n tt e m p e r a t u r e i sp r e d i c t e d t h ee x p e r i m e n t a ld e h y d r a t i o nd a t ao fg a r l i cs l i c e so b t a i n e dw e r e f i x e dt ot h ef o u rd r y i n gm o d e l s ，a n dt h i nl a y e rm a t h e m a t i c a ld r y i n gm o d e l s w e r ee s t a b l i s h e dt oe s t i m a t ed r y i n g p r o c e s s b a s e do nt h em o d e l ，t h e p a r a m e t e ro ft h em u t a t i v et e m p e r a t u r ed r y i n gw a sp u tf o r w a r d 1 d e h y d r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c st h e s t u d y w a su n d e r t a k e nt o i n v e s t i g a t et h ed e h y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a r l i cs l i c e i nh e a t e d - a i r c i r c u l a t ed r y i n g t h ed r y i n gt i m ed e c r e a s e dc o n s i d e r a b l yw i t ha l li n c r e a s ei n t h ea i rt e m p e r a t u r ea n dt h i st r e n dw a sm o r eo b v i o u sa tt h el o w e rt e m p e r a t u r e a l t h o u g hi n c r e a s ei ns a m p l et h i c k n e s sa n dl o a d i n gd e n s i t ya l lc a u s e da n i n c r e a s ei nd r y i n gt i m e ，t h ei n f l u e n c eo fs a m p l et h i c k n e s si sm o r ev i s i b l e 2 t h ep a r a m e t e r so ft h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e1 1 1 e d e h y d r a t i o n p r o c e s so fg a r l i cs l i c e sw a so p t i m i z e db yq u a d r a t i co r t h o g o n a lr o t a r yd e s i g n ， a n dt h eq u a d r a t i cr e g r e s s i o n e q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e da n dt h ep r e d i c t e d m i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nw a s1 9 6 k w h k g 1 1 1 eo p t i m u mt e c h n i q u e p a r a m e t e r so fa i rt e m p e r a t u r e ，s a m p l et h i c k n e s so fg a r l i cs l i c ea n df o r c e d f i l l i n g r a t ew e r e6 2 3 c ，2 3 8 m ma n d2 6 9 k g m 2r e s p e c t i v e l y u n d e rt h e c o n t r o l l e dc o n d i t i o n s ，t h ee n e r g y c o n s u m p t i o n i s 2 0 5 k w h k g ，o u t p u t i s 4 1lk g h ，a n dt h ee q u a t i o nw a st e s t i f i e dt ob ee f f e c t i v e 3 t h ed r y i n gm o d e l 眦l a y e rd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a r l i cs l i c e s 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 i se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e di nac o n v e c t i v ed r y e ra n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e l i n gb yu s i n gt h i nl a y e rd r y i n gm o d e l si nl i t e r a t u r ei sp e r f o r m e d f o u r d i f f e r e n tt h i nl a y e rm a t h e m a t i c a ld r y i n gm o d e l sw e r ec o m p a r e da c c o r d i n gt o t h e i rc o e f f i c i e n to fc o r r e l a t i o nt oe s t i m a t ed r y i n gp r o c e s s ，w i t ht h eh e n d e r s o n a n dp a b i sa n dt w o t e r mm o d e l sg i v i n gb e t t e rp r e d i c t i o n st h a nt h el e w i sa n d p a g em o d e l n ec o n s t a n t sa n dc o e f f i c i e n t so ft h i sm o d e lc o u l d b e e x p l a i n e db yt h ee f f e c to fd r y i n ga i rt e m p e r a t u r e 4 v e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n ta n dd r y i n go fm u t a t i v et e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h ef a c t o r yr e s u l t s ，a na p p r o x i m a t i o no ft h ed i f f u s i o nm o d e l c o u l ds a t i s f a c t o r i l yd e s c r i b et h ed r y i n gp r o c e s so fg a r l i cs l i c e s t h eo p t i m u m t e c h n i q u ep a r a m e t e ro fm u t a t i v et e m p e r a t u r ed r y i n gi s6 0 c ，5 9 5 m i n ，8 0 c ， 4 3 5 m i na n d6 0 。c ，7 8 2 m i n u n d e rt h ec o n t r o l l e dc o n d i t i o n s ，t h ee n e r g y c o n s u m p t i o ni s1 7 2 9 k w h k g ，o u t p u ti s1 2 1 k e h , a n dt h ee q u a t i o n sw e r e t e s t i f i e dt ob ee f f e c t i v e 5 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dm u t a t i v e t e m p e r a t u r ed r y i n gc o m p a r e d 谢mc o n s t a n tt e m p e r a t u r ed r y i n g ，t h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fa p p r o p r i a t em u t a t i v et e m p e r a t u r ed r y i i l gi sl e s s ，a n da s ar e s u l to fl o w e rt e m p e r a t u r ei nl o wm o i s t u r ec o n t e n td r y i n gs t a g e ，t h e b r o w n i n gi sr e l a t i v e l yl i g h t e n , m u t a t i v et e m p e r a t u r ed r y i n gi sm o r ea v a i l a b l e t op r o d u c eq 谳i 够p r o d u c t s k e yw o r d s ：d e h y d r a t e dg a r l i cs l i c e ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；h e a t e da i rc i r c u l a t e d r y i n g ；d r y i n gm o d e l 4 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所 取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个 人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 ， 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同 意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并向 社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签 导师签 日 山东农业大学硕士论文 1 引言 大蒜为百合科葱属植物蒜( a l l i u ms a t i v u ml ) 的鳞茎，原产亚洲西 部高原，汉代张骞通西域时引入我国中原地带，在我国已有2 0 0 0 年的栽 培历史，最初引自胡地，叫做胡蒜，因其头大，所以称作大蒜。我国南北 各地都有大蒜名特产区，如黑龙江省的阿城、宁安，吉林省的农安、和龙， 辽宁省的开原、海城，河北省的永年、安国，山东省的嘉祥、安丘、苍山， 陕西省的歧山，甘肃省的泾川，西藏的拉萨等。 大蒜营养丰富、药用价值高，不仅是日常生活中不可缺少的调味品， 还是具有多种生理活性的功能食品。我国著名医典本草纲目中详细描 述了大蒜具有助消化、祛寒痰、兴阳气、解水毒等作用。近年来国际上的 大量报道，大蒜有很好的药用价值。它对真菌、病毒、阿米巴原虫等具有 抑制和杀灭作用( h a r r i sj c e ta 1 ，2 0 0 1 ) ；此外大蒜还具有抗癌、抑癌， 促进血细胞的新发育，阻止胆固酵在肝内沉积，降低胆固醇和防止动脉硬 化，调节免疫功能以及抗衰老等作用( 马风英等，1 9 9 7 ；叶海英等，2 0 0 3 ； l e es n e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。大蒜所具有的多种生物活性功能归因于其含有的 有机硫化物，特别是硫代亚磺酸酯类( r s s ( o ) r ) ，大蒜素( - - 稀丙 基硫代亚磺酸酯) 是最主要的硫代亚磺酸酯类，大约占破碎大蒜所形成的 总硫代亚磺酸酯的7 0 8 0 ，所有的硫代亚磺酸酯都具有和蒜素相同的 生物活性功能( l a w s o nl a r r y ，1 9 9 5 ；b l o c ke ，1 9 9 2 ) 。除鲜食外大蒜还 经常加工成蒜泥、蒜汁、脱水蒜片、蒜粉等制品( 陈功等，2 0 0 3 ) ，脱水 蒜片加工工艺简单，可以很好的保留大蒜中的活性成分硫代磺酸酯，保留 率可达6 8 - 9 3 ( 李瑜，2 0 0 4 ) ，且易于储藏运输，是非常重要的大蒜 深加工产品。 1 1 概述 1 1 1 大蒜的品种 大蒜的品种很多，从蒜头和蒜瓣外皮颜色来分，有紫皮蒜和白皮蒜两 种。紫皮蒜的蒜瓣少而大，辛辣味浓，产量高，多分布在华北、西北、东 北等地，紫皮蒜耐寒力弱，多春季播种，成熟期较晚；白皮蒜有大瓣和小 瓣两种，辛辣味较淡，比紫皮蒜耐寒，多秋季播种，成熟期较早。由蒜瓣 的大小分，有大瓣蒜和小瓣蒜。大蒜有很多品种分布各地，1 9 8 0 1 9 9 0 年 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 各省市区审定和认定的大蒜品种1 3 个，分别是：( 1 ) 六瓣红( 2 ) 柿子 红( 3 ) 紫皮蒜( 4 ) 二红皮蒜( 5 ) 宁蒜1 号( 6 ) 嘉祥大蒜( 7 ) 太仓白 蒜( 8 ) 苍山蒜( 9 ) 苍山高脚蒜( 1 0 ) 苍山糙蒜( 1 1 ) 苍山蒲棵大蒜( 1 2 ) 苏联蒜( 1 3 ) 白皮蒜，各地还有很多地方品种和农家品种。用于脱水蒜片 加工品种的主要有苍山蒲棵、高脚蒜、糙蒜。 1 1 2 大蒜的营养成分 大蒜的营养十分丰富，每1 0 0 9 新鲜蒜头中含蛋白质4 4 9 ，脂肪0 2 9 ， 碳水化合物2 3 9 ，粗纤维0 7 9 ，钙5 m g ，磷4 4 m g ，铁0 4 m g ，硫胺素0 2 4 m g ， 核黄素0 0 3 m g ，尼克酸0 9 m g ，抗坏血酸3 m g 和多种微量元素。其中锗 的含量为7 5 4 p p m ，远远超过日本出产的朝鲜人参( 2 5 0 p p m ) ( 张德权等， 2 0 0 3 ；曹庆穗，2 0 0 4 ；k u b e cr e t a l ，1 9 9 7 ；f r a n c i s c oj a v i e rc a s a d o ，2 0 0 4 ； l e es n ，2 0 0 1 ) 。此外大蒜中含有的独特辛辣味物质大蒜素，它是由 2 0 多种易挥发物质构成，使大蒜具有区别其它蔬菜的特殊作用。 1 1 3 大蒜的保健作用 大蒜具有较高的药用价值，在公元前1 5 0 0 年埃及的古药典记载有2 2 种利用大蒜治病的药方。1 9 8 2 年英国新科学家杂志报道，大蒜对人 体的益处有治疗高血压、杀灭有害细菌以及刺激脑垂体等。近代医学发现 大蒜中的主要功能成分是含硫化合物( k a m e n e t s k yr e ta 1 ，2 0 0 5 ；o h a e r i o c ，2 0 0 1 ) ，大量临床试验表明，大蒜在抗菌、抗肿瘤、抗氧化、保护 心脑血管、保护肝脏、增强机体免疫力等方面起着十分重要的作用。 1 1 3 1 抗菌、抗病毒作用 大蒜对多种微生物及寄生虫有强大的抑制和杀灭作用( a f z a lm e t a 1 ，2 0 0 0 ) ，被誉为“天然广谱抗生素”。蒜氨酸是大蒜独具的成分，当它 进入血液时便成为大蒜素，这种大蒜素分子中的氧原子能与细菌繁殖所需 的半胱氨酸分子中的巯基相结合，从而抑制了细菌的生长繁殖( 刘丽萍， 1 9 9 6 ；s y l w i a ，1 9 9 6 ) 。现代医学研究证实，大蒜汁可对多种致病菌，如 葡萄球菌、链球菌、脑膜炎双球菌、肺炎双球菌、痢疾杆菌、大肠杆菌等 生长繁殖有明显的抑制作用( l a r r yd ，1 9 9 4 ) 。对青霉素、链霉素、氯霉 素及金霉素产生耐药性的细菌对大蒜素仍敏感( 郭涛，2 0 0 0 ；张久亮等， 2 0 0 2 ：王宁，2 0 0 3 ) 。大蒜还可以抑制由于大蒜素对巯基的氧化和巯基化 6 山东农业大学硕士学位论文 合物发生竞争性抑制，破坏真菌的巯基酶，阻止真菌的新陈代谢，所以可 防治各种真菌性疾病，如皮肤病、阴道炎等。 1 1 3 2 降低血脂、血糖、胆固醇的作用 美国b o r d i a 博士1 9 8 1 年首先报告了大蒜能防止血浆胆固醇升高和降 低血脂，其降脂作用甚至优于一些常用的降脂药物，从而使大蒜的作用价 值扩展到心脑血管疾病。大蒜中的配糖体有降脂抗凝结和增强纤维蛋白溶 解酯活性的作用( 陈洪章，1 9 8 2 ；黄雅乐，1 9 9 4 ) ，可以有效防治动脉粥 样硬化、抑制血小板聚集，有效的防治心脏病、预防和治疗冠状动脉血栓。 此外，大蒜还可以促进胰岛素的分泌，增加组织细胞对葡萄糖的吸收，提 高人体葡萄糖耐受量，迅速降低体内血糖水平( 钱岳晟，1 9 9 9 ) ，并可杀 死因感染诱发糖尿病的各种病菌，从而有效预防和治疗糖尿病。 1 1 3 3 抗癌作用 经常食用大蒜还有抗癌防癌作用，大蒜是植物中含有机锗最丰富的， 有机锗化合物和一些抗癌药物合用，对抑制肿瘤局部生长，防止肿瘤转移 均有协同作用( 易诚，2 0 0 2 ；王建国，2 0 0 2 ) 。同时有机锗化合物能够刺 激体内产生干扰素；修复受损的免疫系统，激活自然杀伤细胞和巨噬细胞； 降低血液的黏稠度，减少了癌细胞黏附、浸润和破坏血管壁的机会，有利 于癌症的控制( 苏美琼，2 0 0 3 ；m i l n e rj a ，2 0 0 1 ) 。 1 1 3 4 增强机体免疫功能 大蒜能提高机体细胞的免疫能力，是一种较好的免疫激发性药物。大 蒜中的微量元素硒可以抗衰老，保护细胞膜结构功能。大蒜中的脂溶性挥 发油的有效成分可以激活巨噬细胞功能，刺激淋巴细胞分泌干扰素肿瘤坏 死因子、白细胞介素等，提高机体免疫力( k i e s e w e t t e rh e ta 1 ，1 9 8 0 ； 张晓利，1 9 9 8 ；h a r r yg p r e u s se ta l ，2 0 0 1 ；叶海英，2 0 0 3 ) 。 1 1 3 5 健脑作用 此外，大蒜素具有c a 2 + 拮抗性，可以抑制细胞中c a 2 + 浓度骤增，达到 避免脑损伤的目的，具有保护脑细胞的功能，同时大蒜可以促进维生素 b 1 吸收，起到健脑作用。 1 1 3 6 保肝作用 h i k i n o 研究发现，大蒜体外抗氧化活性的作用优于人参，尤其是在肝 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 脏，大蒜有很强的抑制脂质过氧化酶活性，使其不能损伤肝细胞膜结构， 从而保护肝脏。长期食用大蒜的人，其血清转氨酶水平都不高。大蒜能阻 止汞、镉等有害元素被肠壁吸收，还能提高肝脏的解毒功能( 王颖等， 1 9 9 7 ) 。 此外，大蒜还具有刺激食欲、延缓衰老、增强性欲，辅助治疗肠胃病、 扁桃体炎、哮喘、风湿等作用。 1 1 4 蒜片脱水后的理化特性 脱水是最常见的延长食品保质期的方法，它可以降低水分活度，从而 抑制微生物活动，最大限度的减小食品储藏期的物理化学变化( m a y o r ， 2 0 0 4 ) 。蒜片脱水后其水分含量降至6 , - - - 8 ( d b ) ，水分活度降至0 7 左右，使微生物和酶处于不活动状态，产品密封或真空包装即可长期保存 达2 , - 一3 年；与新鲜大蒜相比，质量减轻2 - - 3 倍；产品一般3 一1 0 m i n 内 即可复鲜，复水比为1 ：2 5 3 0 。脱水造成了不适合微生物生长的环境 条件，防止了微生物，特别是致病菌的生长繁殖，达到防腐、保鲜的效果。 大蒜脱水后可以加工成蒜粉、蒜片，可以作为很多常规食品的添加成分， 具有很高的商业价值( p e z z u t t ia n dc r a p i s t e ，1 9 9 7 ) 。 大蒜细胞组织脱水后，引起蛋白质化学特性改变，细胞膜透性加强， 细胞的结构和功能发生改变，细胞水解，一些贮藏物质和部分结构物质在 酶的作用下部分分解。但是营养成分并没有很大的变化，仍然含有人体所 必须的矿物质、多种维生素、1 7 种氨基酸、多肽及s o d ( 超氧化歧化酶) ， 活性成分硫代磺酸酯，保留率可达6 8 , - - - 9 3 ( 李瑜，2 0 0 4 ) 。但是干燥 温度对大蒜素含量的影响较为明显，温度过高使大蒜素分子很易发生卜 消除反应，引起二硫键的断裂，进而发生一系列分解反应，生成多种含硫 化合物。在不同的温度范围内，随着时间的延长，大蒜素含量均呈下降趋 势，温度越高，大蒜素含量下降越快。在温度8 0 c 时，1 5 r n i n 内大蒜素 含量下降较缓慢，即使在8 0 、1 5 m i n 后，大蒜素残存率仍达8 1 6 9 ； 但当温度高于8 0 。c 时，大蒜素被破坏的速率大大加快( 周爱梅，1 9 9 8 ) 。 因此，在大蒜干燥过程中，为了提高蒜素的保存率，采用高温时间不宜过 长，且温度不宜超过8 0 。 1 2 国内脱水蒜产业的现状 山东农业大学硕士学位论文 中国是世界上最大的大蒜生产国和消费国，大蒜是中国传统的大宗出 口产品。据农业部统计，2 0 0 6 年我国大蒜种植面积为1 2 5 5 万亩，产量为1 8 3 2 万吨。商业部中国农产品出口贸易月报显示，我国大蒜出口数量逐年增长， 2 0 0 6 、2 0 0 7 年分别出口1 3 4 6 1 万吨和1 4 7 3 0 万吨。我国大蒜产业在国际大 蒜市场已具有举足轻重的地位，大蒜成为我国出口创汇额最多的单宗农产 品。脱水蒜片作为大蒜的深加工产品，出口量正逐年上升。2 0 0 7 年全国脱 水蒜片产量约为2 0 万吨。 1 2 1 大蒜干制品的应用 蒜片干制后可生产蒜片、蒜粉、复水蒜泥等多种产品，既可以作为调 味料，也可以作为功能饮料、大蒜油和大蒜素等生产的原料，也可以作为 很多常规食品的添加成分，具有广泛的应用价值和很高的商业价值。 食品调料。将脱水蒜经粉碎、过筛、包装处理、干燥后可制得蒜精： 蒜粉复水后加入甜蜜素、香兰素、食用醋酸，搅匀可制得口感滑腻、辣味 柔和的蒜乳。 保健食品。用蒜粉作为主要原料，添加黑芝麻、蜂蜜、蛋黄、大黑 蚂蚁和黄皮骨，经过处理取得各自的有效成分，并将其充分混合，搅拌均 匀后制成大蒜保健饮料，其风味独特、原料易得、工艺简单、成本低廉。 该饮料中含有蛋白质和多种维生素、微量元素及其他有效成分，是一种营 养型多功能饮料，具有增强人体生理机能和免疫能力、促进新陈代谢、延 缓衰老的功能。此外蒜粉经过精制、配比、装囊等工序处理，可以制成食 用携带方便的大蒜胶囊，这种产品具有预防和治疗糖尿病、防癌抗癌及抗 衰老的功效。 、， 医药制品。蒜粉还可以用来提取大蒜精油和大蒜素，它们是一种抗 菌杀菌的药物，对多种球菌和大肠杆菌、伤寒杆菌、痢疾杆菌、百日啄茵 及霉菌、病毒、阿米巴虫等都有良好的抑制和杀灭作用。此外，还有降低 胆固醇、三酸甘油醋和脂蛋白的功能，可以制成片剂、口服液或葡萄糖滴 注液临床使用，蒜精口服液日常食用也可增强人体的抗病能力。 饲料添加剂。蒜粉可以制成改性饲料添加剂。经过鲤鱼、甲鱼、肉 鸡、蛋鸡等鱼类和禽类的饲喂试验表明，可以防治水产动物、禽类疾病， 提高成活率，改善肉品品质。饲料中添加蒜粉，对防治鱼类的赤皮病、烂 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 鳃病、肠炎病和出血病及其并发病具有良好的疗效。大量材料证明，蒜粉 中的大蒜素能有效的杀灭淡水鱼类的主要致病菌( 如鱼球菌、气单胞菌、 荧光极毛杆菌等) ，是防治水产动物疾病物之一。此外大蒜粉有诱食作用， 能提高动物的采食量。如在幼龄甲鱼料中添加大蒜，采食量明显提高。罗 非鱼饲料中加入大蒜粉有诱食作用，摄食速度明显加快。垂钓饵料中添加 的大蒜粉，鱼类上钩率也大大提高。 另外，在有些发达国家脱水蒜片蒜粉也作为牧场肥料，用以提高牲畜 抗病能力。 1 2 2 目前国内外常用的蒜片干燥技术 目前，国内外大蒜脱水的干燥方法主要有以下四种：常压热风技术； 真空冷冻技术；微波技术；远红外技术。 常压热风技术 采用常压热风技术的干燥机理同于其他常规物料干燥的机理，即使蔬 菜的内部水分通过毛细管扩散到表面，再由表面扩散到外界，该方法的主 要特点就在于它采用合理温度和风量的热风来促进蔬菜内部水分的扩散。 目前，我国的脱水蔬菜加工业中9 0 都是采用常压热风干燥。目前我国较 常用的热风干燥设备如隧道式干燥机、筛式干燥机、流化床干燥机等，技 术方面都已较为成熟。并且该类设备具有投资少、操作简单、成本低廉、 维修方便、经济效益好等特点，应用非常普遍。 微波干燥技术 微波干燥技术是利用物料内部水分对微波的吸收特性，被吸收的微波 能转化为热能使内部水分转化为蒸汽而达到要求的含水量。微波属于高频 波段的电磁波，它也具有电磁波所有的波动特性，如反射、透射、干涉和 衍射，目前常用的微波加热专用频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 。黄金忠1 9 9 9 年分别用热风干燥法和微波干燥法加工脱水蒜片和洋葱，并进行了比较性 实验，其研究结果表明，微波加热均匀，可以避免一般加热干燥过程由于 内外加热不匀而引起的品质下降，并充分保持了蒜片内原有的营养成分。 用微波干燥技术生产特种脱水蔬菜，比热风对流干燥的干燥速度快、产品 质量好、易于实现自动控制，但消耗能量太大，无条件大量采用。 真空冷冻技术 1 0 山东农业大学硕士学位论文 真空冷冻技术是近几年较流行的干燥技术，其原理是在真空状态下， 利用升华原理使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化直接以冰态升 华为水蒸汽被除去，从而使物料干燥。由于冷冻干燥技术的这一原理，使 得该技术比热风干燥适合更多蔬菜品种的干燥。由于冻干食品避免了传统 脱水技术方法带来的变色、变质变味、成分流失、无法复原等缺陷，具有 保持蔬菜形、色、香味、营养不变、复水性好、重量轻、可常温贮藏等优 点。陈雪峰2 0 0 2 年对大蒜冷冻干燥工艺进行了研究，得出了大蒜冷冻干燥 的最佳工艺：操作压力1 3 3 4 0 p a ，升华干燥温度2 0 c ，隔板加热温度 4 0 ，冻干时间1 2 h 左右。用冷冻干燥技术生产的蒜片制品产品不仅能保 持原有的形状，色、香、味俱全，而且保持了大蒜的营养成分，还可以脱 除大蒜的蒜臭味，产品具有很强的市场竞争力。但是在冻干蒜片的生产中， 需要一整套高真空设备和低温制冷设备，设备投资费用较大；此外，为防 止蒜片中冰晶的融化，升华温度不宜太高，真空状态下多孔物料的导热系 数低，冷冻干燥的时间较长等诸多因素的限制，使目前大蒜冷冻干燥工艺 还不能很好的普及。 真空远红外技术 真空远红外技术是基于很多物质对波长在3 - 1 5 n n 范围的红外辐射 有很强的吸收带的原理。在干燥时，由于蔬菜水分含量高，远红外线使深 处的水分产生剧烈振动升温而汽化，加之干燥室内处于负压状态，此时蔬 菜的内压大于外压，在压差和湿度梯度作用下加速了外扩散，脱水速率上 升，含水率下降。远红外干燥时，水分迁移机制以蒸汽为主，内、外扩散 的动力较大，可以使干燥效率和干燥质量得到大大的提高( b a y s a l ，2 0 0 3 ； a b e & a f z a l ，1 9 9 7 ) 。目前采用远红外技术进行干燥的加工设备的研制尚 处于起步阶段，现有远红外干燥设备大多是与热风干燥相结合的机型，而 单独的远红外干燥机械较少，应用还不广泛。 1 2 3 能源现状 b p 世界能源统计2 0 0 6 ) ) 的数据表明，全球石油探明储量可供生产 4 0 多年，天然气和煤炭则分别可以供应6 5 年和1 5 5 年。作为全球能源市 场日趋重要的一个组成部分，目前中国的能源消费已占世界能源消费总量 的1 3 6 ，据预测，目前中国主要能源煤炭、石油和天然气的储采比分别 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 为约8 0 、1 5 和近5 0 ，大致为全球平均水平的5 0 、4 0 和7 0 左右，均 早于全球化石能源枯竭速度，其中工业生产消耗能源占相当大的比重。注 重能源资源的节约，加快改进工业生产技术，提高能源利用效率，迫在眉 睫。 1 2 3 1 国内脱水蒜片生产的产能比 目前国内生产一吨脱水蒜片需要耗能2 4 0 0 2 8 0 0 k w m ，产能比为l ： 2 4 - 2 8 ，能耗相对于国外的1 ：1 6 1 9 高出很多( p s m a d a m b a ，1 9 9 6 ； p e z z u t t i & c r a p i s t e ，1 9 9 7 ；k s a c i l i k & g u n a l ，2 0 0 5 ) ，除生产设备原因 外，最主要的原因就是生产过程缺乏合适的监控，生产工艺参数不合理， 造成大量能量浪费。 1 2 3 2 脱水蒜片节能生产技术探讨 大家都把研究目光集聚在新技术、新方法、新设备的研究上，却忽视 对最主要的商业脱水方法的研究，目前国内对热风循环脱水干燥模型、干 燥节能技术的研究还很少，对脱水蒜片干燥过程及生产节能技术的系统研 究，将为我国工业节能生产技术的发展提供新的理论依据，推动节约型社 会的建设。 1 3 脱水过程国内外研究现状 脱水是一个伴随着传热传质的排水过程，水分以液体的形式运送到物 体表面蒸发，或者是在物料内部蒸发然后再运送到物体表面排出( g c j 薛s ， 1 9 9 4 ) 。脱水是最常见的延长食品保质期的方法，它可以降低水分活度， 从而降低微生物活动，最大限度的减小食品储藏期的物理化学变化 ( m a y o r ，2 0 0 4 ) 。 影响水分转移的因素有初始和终止含水率、干燥介质温度、物料厚度、 装料量、风速( h u m m e d i a & s h e i k h ，1 9 8 9 ；k u l k a m i ，b h o l e & s a w a r k a r ， 1 9 9 3 ；o z d e m i r & d e v r e s ，1 9 9 9 ；p r a b h a n j a ne t a l ，1 9 9 5 ；t e m p l e & v a n b o x t e l ，1 9 9 9 ；v e r m ae ta 1 ，1 9 8 5 ：z h a n g & l i t c h f i e l d ，1 9 9 1 ) ，据p s m a d a m b a 研究，影响大蒜干燥的主要因素是干燥温度和蒜片厚度。 不少学者对不同原料干燥过程的研究( t i r i sc p ，a 1 ，1 9 9 4 ：t a r h a n e t a 1 ，1 9 9 6 ：d i n c e r ，1 9 9 6 ；k a r a t h a n o s ，1 9 9 9 ；b a s u n i a ，2 0 0 1 ；s h a r m aa n d p r a s a d ，2 0 0 1 ，2 0 0 4 ：b a y s a le ta 1 ，2 0 0 3 ；k r o k i d ae ta 1 ，2 0 0 3 ；j u nw a n g 1 2 山东农业大学硕士论文 & y a o s h u nd u ，2 0 0 5 ：b a l s a m oe ta 1 ，2 0 0 5 ) ，但是这些关于干燥特性的 研究不能为干燥系统的工程设计提供有用的数据。还有一些学者致力于干 燥模型的研究，用来预测薄片物料自然干燥及控制干燥过程的水分变化。 在所有薄片干燥的模型中，l e w i s 模型，p a g e 模型，h e n d e r s o n & p a b i s 模 型，t w o - t e r m 模型，这四种模型被广泛应用。针对这种情况p s m a d a m b a ， k s a c i l i k ，g u n a l 分别对不同品种的大蒜进行干燥模型研究，但是对于蒜 片干燥最优模型的研究结论不一，普遍认为：p a g e 模型、h e n d e r s o n & p a b i s 模型和t w o t e r m 模型相对其它模型可能更适合预测蒜片脱水过程。 1 3 1 常用的脱水模型 表1 薄层脱水数学模型 t a b l elm a t h e m a t i c a lm o d e l sa p p l i e dt od r y i n gc u r v e s 1 3 2 薄层脱水模型研究方法 伴随统计学的发展，对于脱水模型的研究不断深入，现在对于薄层生 物物料脱水模型研究多使用非线性回归拟合分析，即先找到最适宜的模 型，再求出模型系数，然后运用回归分析建立模型系数与影响因素的关系， 从而预测干燥过程。 非线性回归( n l i n ) 过程使用最小二乘法或加权二乘法实现非线性 参数估计。无论曲线方程能否直线化，在给定初值的情况下均可以直接进 行曲线拟合，其方法称为非线性最小平方迭代法。具体迭代计算方法有很 多种，在n l i n 过程时可选取下面5 种之一，即g a u s s 舵w t o n ( 高斯 牛顿) 法、m a r q u a r d t ( 麦夸特) 法、n e w t o n ( 牛顿) 法、g r a d i e n t ( 最速下降法) 法和d u d ( 多元割线) 法。 脱水蒜片节能模型与生产工艺研究 现在多数关于脱水模型的研究是将干燥数据与已知模型数据拟合，选 择r ( m o d e l i n ge f f i c i e n c y ) 最高；m d ( m e a nr e l a t i v ep e r c e n td e v i a t i o n ) 、 m s e ( r o o tm e a ns q u a r ee r r o r ) 、( r e d u c em e a ns q u a r eo ft h ed e v i a t i o n ) 值 低的模型作为最优的蒜片干燥模型。然后将模型系数与过程中可变因素通 过逐步回归分析建立函数关系。 1 4 本课题研究的目的、内容和意义 1 4 1 研究目的 ( 1 ) 通过对影响脱水蒜片生产的多种影响因素的研究，研究蒜片脱 水特性。 ( 2 ) 运用二次正交旋转试验设计方法，研究恒温条件下蒜片的脱水 规律，确定其工艺参数。 ( 3 ) 建立蒜片脱水模型，研究变温干燥生产工艺对能量消耗的影响， 确立工厂最优生产工艺，为热风循环法生产脱水蒜片提供理论依据。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 研究不同温度、切片厚度、装料量对蒜片脱水特性的影响，并 研究能量消耗随各因素变化的规律。 ( 2 ) 运用二次正交旋转组合设计方法，