朱文學(xué) 楊 帆 劉玉蘭

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 45000) (農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備河南省工程技術(shù)研究中心2，洛陽(yáng) 471023)

油莎豆是一種一年生的塊莖類(lèi)植物，原產(chǎn)于非洲，其種植簡(jiǎn)單，適應(yīng)性較強(qiáng)。隨著油莎豆的經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)價(jià)值逐步被人們認(rèn)識(shí)以及國(guó)家對(duì)油莎豆產(chǎn)業(yè)化的重視，油莎豆種植面積逐年增加，至2018年種植面積就已增加到20萬(wàn)畝[1]。與此同時(shí)，油莎豆產(chǎn)量明顯增長(zhǎng)也帶來(lái)諸多問(wèn)題，其中由于油莎豆高淀粉、高糖、高水分，收獲時(shí)雨熱同期，極易發(fā)生霉?fàn)€。目前我國(guó)大部分油莎豆產(chǎn)地仍然采用田間自然晾曬的方式干燥,該方法耗時(shí)耗力，十分依賴場(chǎng)地與天氣情況。因此，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展機(jī)械化烘干等現(xiàn)代化干燥方法，熱風(fēng)干燥是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的干燥方法,它以熱空氣對(duì)流方式[2]去除水分，熱空氣既為物料提供所需熱量，又可以將物料表面蒸發(fā)出來(lái)的水分帶走[3]。國(guó)內(nèi)熱風(fēng)干燥較多應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥，如顏建春等[4]研究了花生莢果薄層干燥，結(jié)果表明風(fēng)溫對(duì)干燥過(guò)程影響比風(fēng)速更明顯。侯燕杰等[5]研究了紅肉蘋(píng)果片穿流式熱風(fēng)薄層干燥，婁正等[6]優(yōu)化了金銀花熱風(fēng)干燥工藝，結(jié)果均表明熱風(fēng)干燥品質(zhì)高于自然干燥。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)油莎豆干燥方面的研究鮮有系統(tǒng)報(bào)道，國(guó)內(nèi)對(duì)油料作物干燥集中于油茶籽、油菜籽、花生等[7-12]。其中王安建等[13]研究了花生熱泵干燥特性，干燥溫度對(duì)干燥速率有較大影響，整個(gè)干燥過(guò)程無(wú)明顯的恒速階段。王鳳賀等[14]對(duì)油茶籽進(jìn)行熱風(fēng)干燥，考察了溫度和初始含水率對(duì)干燥特性的作用規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)Lewis模型可以較好擬合油茶籽干燥過(guò)程，最大相對(duì)誤差小于4%。本實(shí)驗(yàn)以新鮮油莎豆為原料對(duì)油莎豆進(jìn)行薄層熱風(fēng)干燥，討論熱風(fēng)溫度與風(fēng)速對(duì)其干燥特性的影響，并利用現(xiàn)有干燥模型對(duì)油莎豆干燥過(guò)程中水分比隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行擬合，以期為油莎豆機(jī)械干燥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用油莎豆采購(gòu)于河北省保定市，人工挑選大小相似、顆粒飽滿的新鮮油莎豆置于4 ℃恒溫冰箱。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將物料取出放置至室溫(20 ℃)。

1.2 主要儀器設(shè)備

BC-2型薄層干燥實(shí)驗(yàn)機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)將挑選約170 g的油莎豆平鋪于物料盤(pán)中，料層厚度約為2 cm。熱風(fēng)溫度設(shè)定分別為50、60、70 ℃，風(fēng)速設(shè)定分別為0.45、0.75、1.05 m/s。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，前1 h，每15 min稱(chēng)重1次，后每30 min稱(chēng)重1次，6 h后每小時(shí)稱(chēng)重1次，本實(shí)驗(yàn)干燥終點(diǎn)設(shè)為干基含水率15%。

1.4 干燥參數(shù)的計(jì)算方法

1.4.1 初始干基含水率

根據(jù)GB/T 14489.1—2008《油料水分及揮發(fā)物含量測(cè)定》測(cè)定油莎豆的初始干基含水率[15]。

1.4.2 干基含水率

干基含水率計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wt為干燥時(shí)間t時(shí)油莎豆干基含水率/%；Mt為干燥時(shí)間t時(shí)油莎豆的質(zhì)量/g；Mg為油莎豆干物質(zhì)質(zhì)量/g。

1.4.3 水分比

水分比計(jì)算公式[16]為：

(2)

式中：W0為物料初始干基含水率/%；We為物料干燥平衡干基含水率/%。

平衡干基含水率較小，此處水分比可簡(jiǎn)化為[17]：

(3)

1.4.4 干燥速率

干燥速率計(jì)算公式為：

(4)

式中:U為干燥時(shí)間t時(shí)油莎豆干燥速率/%/h,Δt為2次取樣間隔時(shí)間/h。

1.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

Fick第二定律可以用來(lái)描述油莎豆干燥過(guò)程水分?jǐn)U散特性，干燥過(guò)程中忽略體積收縮，在一定干燥溫度下擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)，油茶籽有效水分?jǐn)U散系數(shù)滿足公式[18，19]

(5)

式中:Deff為水分?jǐn)U散系數(shù)/m2/s；L為油莎豆厚度的一半/m。

1.6 干燥活化能

干燥活化能是在干燥過(guò)程中除去單位物質(zhì)的量的水分所需的能量，物料的干燥活化能越大代表其越難以進(jìn)行干燥。根據(jù)Arrhenius方程建立有效擴(kuò)散系數(shù)、溫度和活化能之間的關(guān)系式，計(jì)算活化能Ea[20，21]，即：

(6)

式中：D0為物料中的擴(kuò)散基數(shù)/m2/s；Ea為物料的干燥活化能/kJ/mol；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為物料的干燥風(fēng)溫/℃。

兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，可得：

(7)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)的自然對(duì)數(shù)lnDeff與1/(T+273.15)呈線性關(guān)系，其斜率k為-Ea/R。對(duì)lnDeff和與其對(duì)應(yīng)的1/(T+273.15)值進(jìn)行線性回歸分析，可求得斜率k。從而可得：

Ea=-kR

(8)

1.7 薄層干燥模型的選擇

物料干燥過(guò)程與物料的物理性質(zhì)緊密相關(guān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)不同物料進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)從而建立了多個(gè)理論、半理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)描述物料干燥過(guò)程中水分比MR與時(shí)間t的變化規(guī)律。因此，選擇12個(gè)常用的薄層干燥模型進(jìn)行油莎豆熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)研究，通過(guò)計(jì)算擬合剔除幾個(gè)完全不適用模型，最終列舉8個(gè)干燥模型[22-25]，常用薄層干燥模型見(jiàn)表1。

表1 常用薄層干燥模型

采用 Origin 2017、Excel 2016 分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)學(xué)模型方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸擬合，使用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、誤差平方和SSE來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的擬合程度，其中R2越大，RMSE、SSE越小，則擬合度越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)油莎豆熱風(fēng)干燥特性的影響

不同溫度油莎豆熱風(fēng)干燥曲線和干燥速率圖如圖1和圖2所示。從圖1中可以看出，在風(fēng)速為0.45 m/s，熱風(fēng)溫度分別為50、60、70 ℃，油莎豆干燥至至終點(diǎn)用時(shí)分別為15、11、7 h,溫度越高油莎豆干燥至相同含水量所用時(shí)間越短，其中70 ℃干燥時(shí)間比50 ℃縮短53.33%。從圖2中可以看出，油莎豆干燥過(guò)程主要為降速階段，干燥后期干燥速率趨向于平緩，屬于內(nèi)部擴(kuò)散控制[26]。熱風(fēng)溫度在70℃時(shí)，干燥速率最快，隨著干燥溫度的降低，干燥速率下降。不同溫度在干燥初期與中期，干燥速率相差較大，干燥后期階段，干燥速率明顯減小并趨于相同。熱風(fēng)溫度對(duì)油莎豆干燥過(guò)程影響顯著，隨著熱風(fēng)溫度增加，油莎豆表面水分氣化速度增加，油莎豆與干燥介質(zhì)間溫差增大，物料內(nèi)部壓力梯度增大，使得內(nèi)部水分更快的向外部遷移。同時(shí)熱風(fēng)溫度增加，物料溫度隨之上升，內(nèi)部水分運(yùn)動(dòng)加劇，提高了內(nèi)部擴(kuò)散速率[27，28]。因此，熱風(fēng)溫度越高，油莎豆干燥過(guò)程傳熱傳質(zhì)效率越快，干燥時(shí)間越短。

圖1 不同溫度對(duì)干燥特性的影響

圖2 不同溫度對(duì)干燥速率的影響

2.2 風(fēng)速對(duì)油莎豆熱風(fēng)干燥特性的影響

不同風(fēng)速對(duì)油莎豆熱風(fēng)干燥曲線和干燥速率曲線如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，溫度為60 ℃，風(fēng)速為0.45、0.75、1.05 m/s，油莎豆干燥至終點(diǎn)所用時(shí)間隨著風(fēng)速增大而有所減少；從圖4可以看出，隨著風(fēng)速提高干燥速率有小幅度增加，但越到干燥后期不同風(fēng)速之間差別越小。在干燥過(guò)程中，由于風(fēng)速主要作用于物料表面，風(fēng)速增大從而對(duì)流加強(qiáng)，使得物料與空氣之間濕度差增大，導(dǎo)致干燥速率增大，但由于油莎豆表皮較為致密，水分從表皮內(nèi)部向外遷移阻力較大，所以風(fēng)速對(duì)干燥速率造成影響有限，熱風(fēng)溫度為干燥的主要因素。因此在實(shí)際薄層干燥應(yīng)用中，考慮能耗時(shí)可以采用較低的風(fēng)速。

圖3 不同風(fēng)速對(duì)干燥特性的影響

圖4 不同風(fēng)速對(duì)干燥速率的影響

2.3 熱風(fēng)干燥模型的建立與驗(yàn)證

2.3.1 干燥模型選擇

本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同風(fēng)溫風(fēng)速條件下油莎豆干燥過(guò)程中水分比隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并選用了8個(gè)數(shù)學(xué)模型(表1)進(jìn)行擬合，采用決定系數(shù)R2、誤差平方和SSE以及均方根誤差RMSE來(lái)確定數(shù)學(xué)模型的擬合程度。

熱風(fēng)溫度50、60、70 ℃，風(fēng)速0.45、0.75、1.05 m/s條件下油莎豆干燥水分比MR隨時(shí)間t變化進(jìn)行擬合分析，薄層干燥模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)3#模型Two-term擬合最好，其中RMSE范圍在0.002 4～0.008 9，SSE最大僅為0.001 5。由此說(shuō)明Two-term模型可以較好地描述油莎豆干燥過(guò)程。

表2 薄層干燥模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

續(xù)表2

2.3.2 干燥模型驗(yàn)證

為了確保選定模型的適用性，選取風(fēng)溫60 ℃、風(fēng)速0.75 m/s干燥實(shí)驗(yàn)值與Two-term模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果由圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值吻合較好，說(shuō)明Two-term模型可以很好描述油莎豆的熱風(fēng)干燥過(guò)程。通過(guò)該模型預(yù)測(cè)油莎豆熱風(fēng)干燥過(guò)程水分比與干燥時(shí)間關(guān)系，可以在實(shí)際應(yīng)用中控制干燥條件與干燥時(shí)間，從而達(dá)到優(yōu)化干燥品質(zhì)減低干燥能耗的目的。

圖5 風(fēng)溫60 ℃、風(fēng)速0.75 m/s條件下Two-term模型實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較

2.4 有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能的確定

油莎豆有效水分?jǐn)U散系數(shù)見(jiàn)表3，一般食品干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在10-12～10-8m2/s的范圍內(nèi)[29]，一般農(nóng)產(chǎn)品干燥有效擴(kuò)散系數(shù)在10-11～10-9m2/s[30],本實(shí)驗(yàn)有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為2.285 6×10-10～7.811 2×10-10m2/s，與已有研究相符。在干燥過(guò)程中，隨著風(fēng)溫增加，油莎豆有效水分?jǐn)U散系數(shù)也增加，這是由于溫度升高，水分子能量增大，躍遷頻率提高[13]，從而強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)效率，導(dǎo)致有效水分?jǐn)U散系數(shù)增大，而風(fēng)速對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)影響較小，過(guò)大的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致熱量損失較大，用于物料內(nèi)部水分蒸發(fā)的熱量減少。由此可見(jiàn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)為了降低能耗可選用較低的風(fēng)速。

表3 不同條件下油莎豆有效擴(kuò)散系數(shù)

根據(jù)式(7)將lnDeff與1/T曲線進(jìn)行線行擬合，得到斜率-Ea/R，從而計(jì)算出熱風(fēng)干燥油莎豆的活化能，Ea為35.31 kJ/mol。

3 結(jié)論

通過(guò)熱風(fēng)干燥將新鮮油莎豆干基含水率從67.41%降到15%，干燥過(guò)程主要為降速階段，恒速階段出現(xiàn)在干燥后期。干燥速率隨著溫度和風(fēng)速的增大而增大，但由于油莎豆表皮較為致密，且干燥過(guò)程伴隨收縮形變，所以內(nèi)部水分?jǐn)U散是主要因素，風(fēng)速對(duì)油莎豆干燥影響較小，實(shí)際應(yīng)用中為減少能耗可以降低風(fēng)速，干燥過(guò)程可以著重于控制熱風(fēng)溫度條件。

根據(jù)Fick定律得出，油莎豆有效擴(kuò)散系數(shù)在2.285 6×10-10～7.811 2×10-10范圍內(nèi)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著熱風(fēng)溫度的升高而增大，風(fēng)速對(duì)其影響較小。油莎豆干燥活化能為35.31kJ/mol。對(duì)于8種不同薄層干燥模型對(duì)干燥過(guò)程擬合，數(shù)據(jù)表明Two-term模型RMSE和SSE值最小且R2值最大，該模型可以很好地描述油莎豆熱風(fēng)干燥過(guò)程。