應(yīng)巧玲 勵(lì)建榮 傅玉穎 李學(xué)鵬 陸海霞

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,杭州 310035)

食品薄層干燥技術(shù)的研究進(jìn)展

應(yīng)巧玲 勵(lì)建榮 傅玉穎 李學(xué)鵬 陸海霞

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,杭州 310035)

隨著干燥技術(shù)的發(fā)展,使用數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)和描述干燥過(guò)程己成為干燥技術(shù)研究的重要內(nèi)容。為了優(yōu)化干燥過(guò)程、控制產(chǎn)品質(zhì)量,通常需要建立干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,并借助模型對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行分析。目前,用來(lái)描述干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型已有上百種,其中薄層干燥模型是一類(lèi)應(yīng)用十分廣泛的模型,被用來(lái)描述水果、蔬菜、水產(chǎn)品和其他一些農(nóng)作物的干燥過(guò)程。本文闡述了食品薄層干燥的原理,介紹了薄層干燥模型的種類(lèi)及國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展,并對(duì)其在食品加工中的應(yīng)用前景做了展望,旨在為食品薄層干燥技術(shù)的應(yīng)用及過(guò)程優(yōu)化提供一定參考。

食品 薄層干燥 模型 研究進(jìn)展

干燥是最古老的食品保藏方法,是采用某種方式將熱量傳遞給含水物料,且將此熱量作為潛熱而使水分蒸發(fā)分離的操作。去除食品中的水分可防止使食品腐敗的微生物生長(zhǎng)和繁殖,進(jìn)而延長(zhǎng)了食品的貨架期[1]。同時(shí)干燥可使產(chǎn)品重量減少,進(jìn)而降低包裝費(fèi)用和運(yùn)輸成本。但是,干燥對(duì)一些產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)有影響,尤其是魚(yú)類(lèi)[2]。

目前,工業(yè)上大多是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的,這樣往往不能準(zhǔn)確地優(yōu)化工藝,以至于不能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行很好地控制。食品物料的干燥取決于被干燥物料中熱量和質(zhì)量的傳遞特性。因此,對(duì)食品物料干燥過(guò)程中水分和溫度的了解對(duì)于干燥過(guò)程的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的質(zhì)量控制是十分重要的。而干燥生產(chǎn)過(guò)程中在線(xiàn)檢測(cè)水分含量及物料內(nèi)部溫度比較困難,為了達(dá)到輔助干燥器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化干燥過(guò)程、控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的,通常需要建立干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,并借助模型對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行分析。

1 食品薄層干燥

1.1 食品干燥原理

食品干燥的基本過(guò)程是食品從外界吸取熱量使食品內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散,擴(kuò)散到表面的水分又向周?chē)臻g蒸發(fā)的過(guò)程[3]。食品干燥比較復(fù)雜,首先是對(duì)食品加熱使其水分汽化的傳熱過(guò)程,然后是汽化后的水蒸氣由于其蒸汽分壓較大而擴(kuò)散進(jìn)入氣相的傳質(zhì)過(guò)程,而水分從食品內(nèi)部由于擴(kuò)散等的作用而到達(dá)食品表面,則是一個(gè)食品內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程。因此,干燥過(guò)程的特點(diǎn)是傳熱和傳質(zhì)過(guò)程同時(shí)并存,兩者相互影響而又相互制約,有時(shí)傳熱可以加速傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行,有時(shí)傳熱又可減緩傳質(zhì)的速率[4]。因此,熱量的傳遞和食品水分的外逸,即食品的濕熱傳遞是食品干燥的基本原理,對(duì)食品物料干燥過(guò)程中水分和溫度的了解尤其重要。

1.2 薄層干燥

薄層干燥是物料的每一部分都充分暴露在相同條件下的干燥,物料厚度一般小于 2 cm[5]。薄層干燥是食品物料干燥的基本形式,是深床干燥的基礎(chǔ)。了解薄層干燥特性是了解其他干燥特性的基礎(chǔ)。薄層干燥的研究是為了探討在一定的風(fēng)溫、風(fēng)速以及相對(duì)濕度的條件下,物料含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律,并進(jìn)一步建立薄層干燥方程,以便利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物料干燥過(guò)程模擬,為優(yōu)化干燥工藝和指導(dǎo)物料干燥機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3 影響薄層干燥速率的主要因素

影響食品薄層干燥速率的因素很多,主要有:干燥溫度,干燥風(fēng)速,空氣濕度,物料本身特性等等。段振華等[6]對(duì)鳙魚(yú)魚(yú)片在 40、50和 60℃等不同干燥溫度下的薄層干燥速率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不同的干燥溫度對(duì)魚(yú)片的干燥速率影響很大,溫度越高干燥越快。Miranda等[7]在蘆薈凝膠的干燥試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了同樣規(guī)律。張建軍等[8]對(duì)辣椒進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)干燥溫度越高干燥速率越快,但溫度過(guò)高會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)干燥速率隨著干燥風(fēng)速的增大而增大。李珂等[9]研究了熟化甘薯熱風(fēng)干燥主要工藝參數(shù) (干燥溫度、干燥風(fēng)速等)對(duì)干燥速率的影響,發(fā)現(xiàn)干燥速率均隨著干燥溫度和干燥風(fēng)速的增加而提高,但干燥溫度和干燥風(fēng)速兩者相互影響,并不是兩者數(shù)值都最高時(shí),干燥速率才最大。李洪江等[10]通過(guò)花生仁薄層干燥試驗(yàn),探討了各因素對(duì)花生仁干燥速率的影響,結(jié)果表明,風(fēng)溫是影響干燥速率的主要因素,其次是風(fēng)速,而相對(duì)濕度和物料初始水分對(duì)干燥速率的影響最小。

2 薄層干燥模型

2.1 薄層干燥模型種類(lèi)

目前,用來(lái)描述干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型已有上百種[11],其中薄層干燥模型是一種應(yīng)用十分廣泛的模型。在水果、蔬菜、水產(chǎn)品和其他一些農(nóng)作物的干燥中,已經(jīng)使用薄層干燥模型來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。薄層干燥模型主要分成三類(lèi):理論、半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚12]。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶迅稍锏睦碚摵蛯?shí)踐聯(lián)系在一起,因此得到廣泛的應(yīng)用。主要的薄層干燥模型見(jiàn)表1。

表 1 主要薄層干燥模型[13-16]

2.2 幾種模型的介紹

在各種薄層干燥模型中,國(guó)內(nèi)最常用來(lái)描述物料干燥的數(shù)學(xué)模型有 Newton模型:MR=exp(-kt); Henderson and Pabis模型:MR=aexp(-kt);Page模型:MR=exp(-ktN)。

2.2.1 Newton模型

Newton模型,又稱(chēng)指數(shù)模型,是借鑒傳熱過(guò)程中Newton冷卻速率方程的形式來(lái)描述物料的薄層干燥過(guò)程的[17]。假定在恒溫條件下,物料干燥速率與物料含水率和平衡含水率之差成正比,則物料干燥速率可用方程(1)表示:

對(duì)方程(1)進(jìn)行積分可得薄層干燥方程 (2),稱(chēng)為Newton方程:

Newton模型忽略了濕組分移動(dòng)的內(nèi)部阻力,僅考慮表面阻力,往往低估了初始階段的干燥速度,而又高估了接近平衡含水率時(shí)的干燥速度,是一個(gè)典型的半經(jīng)驗(yàn)半理論模型。該方程用于描述干燥過(guò)程的后期較為準(zhǔn)確,而不能對(duì)物料整個(gè)干燥過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

2.2.2 Henderson and Pabis方程

Henderson and Pabis模型,又稱(chēng)單項(xiàng)擴(kuò)散模型。在大多數(shù)情況下,物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力比傳熱阻力大得多,這時(shí)降速干燥階段濕份擴(kuò)散是控制干燥速率的主要因素,可以用菲克 (Fick’s)第二擴(kuò)散定律描述的模型來(lái)計(jì)算干燥速率:

式中:M為干燥時(shí)刻 t的含水率,m水/m干基;t為時(shí)間/s;Deff為固體物料中水分的擴(kuò)散系數(shù)/m2/s;x為物料厚度/m。

在干燥過(guò)程中,若滿(mǎn)足以下條件:①初始濕含量分布均勻;②一維等溫?cái)U(kuò)散;③濕份遷移中物料無(wú)體積變化;④忽略外部阻力。

則式 (3)有解析解如下[18]:

①無(wú)限大平板

式中:L為板厚/m;Mt為 t時(shí)刻物料含水率, m水/m干基;M0為初始含水率,m水/m干基;Me為平衡含水率,m水/m干基;n為無(wú)窮級(jí)數(shù)。

②無(wú)限長(zhǎng)圓柱

式中:λn為常數(shù)數(shù)列;r為圓柱體半徑/m。

③球體(顆粒)

式中:r為球體半徑/m。

式(4)、(5)、(6)均為無(wú)窮級(jí)數(shù)展開(kāi)式,通常為簡(jiǎn)化計(jì)算只取此第一項(xiàng)即能滿(mǎn)足精度要求,分別可得:在式 (7)、(8)、(9)中,分別令 a=8/π2,k= π2Deff/L2;a=4/λk=λ12,Deff/r2;a=6/π2,k= π2Deff/r2,均能得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化的方程:

式中:a為干燥模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);k為干燥常數(shù)/ s-1,其中包含有擴(kuò)散系數(shù) Deff的含義。

Henderson and Pabis模型是根據(jù)液態(tài)擴(kuò)散理論,在上述各種假設(shè)條件成立的前提下,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后推導(dǎo)出的、描述干燥過(guò)程的近似模型。實(shí)際干燥情況有可能與假設(shè)不符,如存在水分?jǐn)U散系數(shù)隨物料的含水率和溫度的變化而改變、或干燥過(guò)程中物料發(fā)生收縮變形等情況,導(dǎo)致 Henderson and Pabis方程可能擬合不夠精確,或只能分階段擬合。

2.2.3 Page模型

1949年,Page提出了 Newton模型的改進(jìn)形式,即 Page模型。Page模型是在Newton模型的基礎(chǔ)上,考慮了平衡含水率與濕物料種類(lèi)的相關(guān)性,干燥方法和工藝參數(shù)的相關(guān)性,其描述的范圍最為廣泛,尤其適合于組成成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物材料。

僅從表達(dá)式來(lái)看,Newton方程也可以視為 Hen2 derson and Pabis模型 (a=1時(shí))或 Page方程 (N=1時(shí))的特殊形式。

3 薄層干燥模型在食品加工中的研究進(jìn)展

各種薄層干燥模型在性質(zhì)上都存在著差異,不同的模型適合不同的物料和干燥方式,許多研究人員已經(jīng)成功地使用各種薄層干燥模型來(lái)描述一些食品的干燥特性。在農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品以及其他一些食品中均有相關(guān)的研究報(bào)道。

3.1 薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的研究進(jìn)展

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品干燥過(guò)程中的應(yīng)用研究比較多。根據(jù)不同的干燥物料,干燥過(guò)程中的不同工藝及干燥條件,選擇不同的干燥模型。常學(xué)東等[19]對(duì)板栗切片和磨粉在真空條件下的干燥進(jìn)行了研究,通過(guò)回歸分析,發(fā)現(xiàn)板栗薄層干燥的數(shù)學(xué)模型符合 Page模型。聞陶等[20]在研究馬鈴薯吸附干燥,楊金英等[21]在研究春筍微波干燥,以及 Doymaz[22-23]在研究黃秋葵干燥動(dòng)力學(xué)和黑葡萄的薄層干燥試驗(yàn)時(shí),都發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,說(shuō)明Page模型在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的模擬性較好,得到廣泛應(yīng)用。Pehlivan等[24]對(duì)一些水果的戶(hù)外日光干燥過(guò)程進(jìn)行模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在多種模型中,Approxi2 mation of diffusion模型能較好地模擬無(wú)花果的干燥過(guò)程,而 Modified Henderson and Pabis模型能較好地模擬葡萄和李子的干燥過(guò)程。Akpinar[25]對(duì)一些蔬菜和水果 (土豆、蘋(píng)果、南瓜片等)的薄層干燥進(jìn)行研究,并用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)M idilli-Ku2 cuk模型是最佳的,能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)物料在干燥過(guò)程中的水分變化。Akpinar[26]還對(duì)生長(zhǎng)在土耳其的芳香類(lèi)植物 (歐芹、薄荷等)進(jìn)行了日光干燥研究,發(fā)現(xiàn)Modified page模型能很好地解釋薄荷的干燥特性,而由Verma等提供的模型能較好地解釋歐芹的干燥特性。Wang等[27]研究了蘋(píng)果渣的熱風(fēng)對(duì)流干燥特性,用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)Loga2 rithmic模型能較好地模擬其干燥過(guò)程。Roberts等[28]使用薄層干燥模型對(duì)一些葡萄種子的干燥過(guò)程進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn) Newton模型、Page模型和 Hen2 derson and Pabis模型均能很好地模擬葡萄種子的干燥過(guò)程,其中 Newton模型最能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中其水分變化。薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用還有很多,如:青椒、綠豆和洋蔥[29]、蘑菇和花粉[30]、仙人掌[31]和茄子[32]等。

3.2 薄層干燥模型在水產(chǎn)品中的研究進(jìn)展

在水產(chǎn)品干燥中,關(guān)于模型研究的報(bào)道也有許多。婁永江[33]對(duì)龍頭魚(yú)進(jìn)行了熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn),用Newton、Page和 Henderson and Pabis三種模型對(duì)其進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,Page模型比其他兩種模型的擬合程度高,能較好地描述其薄層干燥過(guò)程。段振華等[34-35]在鳙魚(yú)的熱風(fēng)干燥規(guī)律研究和羅非魚(yú)片的熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn)中,以及 Djendoubi等[36]在研究風(fēng)干過(guò)程對(duì)沙丁魚(yú)肌肉脫水動(dòng)力學(xué)影響的試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果。說(shuō)明 Page模型在水產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用也很廣泛。孫妍[37]對(duì)海參干燥動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn) Two-term模型能很好地模擬海參干燥過(guò)程,這與Mohapatra等[38]在研究小麥干燥時(shí)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一樣。曾令彬等[39]對(duì)腌制后的白鰱進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn),研究魚(yú)塊干燥曲線(xiàn)及內(nèi)部水分?jǐn)U散特性,發(fā)現(xiàn)Henderson and Pabis模型具有較高的擬合精度。這與 Kilic[40]在虹鱒魚(yú)的低溫薄層干燥研究中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致。

3.3 薄層干燥模型在其他方面的研究進(jìn)展

除了在農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品方面的應(yīng)用外,薄層干燥模型在肉制品、乳制品等一些方面也有相關(guān)的應(yīng)用報(bào)道。張厚軍等[41]在豬通脊肉熱風(fēng)干燥特性的研究中,用 10種模型對(duì)干燥曲線(xiàn)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明 Modified Henderson and Pabis模型最為適合。Hayaloglu等[42]在研究酸奶在對(duì)流盤(pán)式干燥器內(nèi)的干燥過(guò)程時(shí),用 9種模型對(duì)其干燥曲線(xiàn)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明Midilli-Kucuk模型最佳。歐春艷等[43-44]在紅外干燥條件下,對(duì)殼聚糖和甲殼素的干燥特性進(jìn)行了研究,采用線(xiàn)性回歸分析程序,分析比較了不同干燥模型,結(jié)果表明,Page模型能較好地描述殼聚糖和甲殼素紅外干燥過(guò)程,可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各干燥階段的干燥速率及含水率。此外,鄒積琴等[45]在堿式碳酸鎂納米花干燥動(dòng)力學(xué)的研究中,也發(fā)現(xiàn)了Page模型能較準(zhǔn)確地模擬堿式碳酸鎂納米花的干燥過(guò)程。

4 展望

經(jīng)過(guò)食品工作者幾十年的不斷研究,至今無(wú)論是在食品干燥理論還是實(shí)踐方面都已取得了不少重要的研究成果。但是,由于食品干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,僅靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行控制比較困難,存在一定的局限性。所以使用數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)和描述干燥過(guò)程己成為干燥技術(shù)研究的重要內(nèi)容。在眾多模型中,薄層干燥模型是一類(lèi)應(yīng)用十分廣泛的模型,被廣泛用來(lái)描述農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等一些物料的干燥過(guò)程。目前,薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用最多,其次是水產(chǎn)品,而在其他一些食品物料中的應(yīng)用較少。因此,使用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬水產(chǎn)品、肉制品、乳制品及其他一些食品的干燥過(guò)程將是今后食品干燥技術(shù)研究的重要方向。

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Research Progress of Food Thin LayerDrying Technology

Ying Qiaoling Li Jianrong Fu Yuying Li Xuepeng Lu Haixia
(College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang GongshangUniversity,Hangzhou 310035)

W ith the development of drying technology,applying mathematical models to express and describe the drying process has become an important field in the study on drying technology.Mathematicalmodels usually need to be established and be used to analyze the drying process in order to optimize drying process and control product quality.At present,overone hundred kindsofmathematicalmodel have been established,amongwhich thin layer dr2 yingmodel has been widely applied in food processing,such as describing the drying process of some fruits,vegeta2 bles,aquatic products and some other crops.In this paper,the principle of food thinlayer drying is described briefly. Then the types of thinlayer drying model are introduced,and the research progress of its applications in food drying both inland and oversea is reviewed.Finally,the prospect of the application of thinlayer dryingmodel in food drying process is discussed.The goal of thiswork is to provide reference for the application and process optimization of thin layer drying technology.

food,thinlayer drying,model,research progress

TS205.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)05-0115-06

浙江省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(2008C21012)

2009-05-22

應(yīng)巧玲,女,1986年出生,碩士,食品科學(xué)與工程

勵(lì)建榮,男,1964年出生,博士,教授,博導(dǎo),農(nóng)水產(chǎn)品貯藏加工與安全控制、功能因子和保健食品及食品生物技術(shù)