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        紫薯熱風干燥特性及數(shù)學模型

        2012-10-27 07:36:02蒲曉璐黃艷斌陳厚榮
        食品科學 2012年15期
        關鍵詞:鋪料紫薯熱風

        李 菁,蕭 夏,蒲曉璐,黃艷斌,陳厚榮,2,3,4,*

        (1.西南大學食品科學學院,重慶 400715;2.重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶 400716;3.重慶市農產品加工技術重點實驗室,重慶 400716;4.食品科學與工程實驗教學中心,重慶 400716)

        紫薯熱風干燥特性及數(shù)學模型

        李 菁1,蕭 夏1,蒲曉璐1,黃艷斌1,陳厚榮1,2,3,4,*

        (1.西南大學食品科學學院,重慶 400715;2.重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶 400716;3.重慶市農產品加工技術重點實驗室,重慶 400716;4.食品科學與工程實驗教學中心,重慶 400716)

        目的:以新鮮紫薯為原料,研究其熱風干燥特性及數(shù)學模型。方法:以鋪料密度、干燥溫度、熱風風速為因素,研究其對紫薯熱風干燥特性的影響,并通過SAS8.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得出紫薯熱風干燥模型。結果:得到紫薯熱風干燥的干燥特性曲線和干燥速率曲線;紫薯熱風干燥數(shù)學模型為ln(-lnMR)=ln(-0.0104+0.000283T+0.00427V-0.0126P)+(1.1830-0.00067T+0.0487V-0.1332P)lnt(MR為水分比;T為干燥溫度/℃,V為物料干燥熱風速率/(m/s);P為物料干燥鋪料密度/(g/cm2;t為干燥時間/min)。結論:干燥溫度、物料鋪料密度對紫薯熱風干燥的速率有較大影響,而熱風風速對干燥速率的影響較??;紫薯熱風干燥符合Page模型。

        紫薯;熱風干燥;特性;模型

        紫薯因其表皮和肉質呈紫黑色,又叫黑薯,是近幾年發(fā)展起來的一種新型紅薯類。目前市場出現(xiàn)的品種有國內雜交培育的,也有從國外引進的[1]。其富含硒元素和花青素[2-4],具有抗氧化、清除自由基[5]等功能。目前,國內學者對紫薯的研究主要為以下幾方面:紫薯新品種及其栽培技術;紫薯產品的開發(fā)如紫薯發(fā)酵酒[5]、紫薯火腿腸[6]等;紫薯的營養(yǎng)價值;紫薯中的色素及其提取[7-9],如微波提取、超聲波提取的研究。國外學者也對其做過研究[10-14]。新鮮紫薯不易貯藏,若將其干燥后做成紫薯全粉則可以保存較長時間。紫薯全粉在食品工業(yè)中作為原料得到廣泛應用,如將其添加于混合飲料、固體飲料、冷飲等產品中,以提供產品鮮艷的紫色;作為各種糕點的主料和配料,提供產品鮮艷的紫色及紫薯的風味;用于紫薯薯片、餅干等產品中;作為工程紫薯米、紫薯面條的主要原料。本實驗以新鮮紫薯為原料,對鮮紫薯熱風干燥特性進行研究,探討干燥溫度、風速、鋪料密度對干燥速率的影響;同時,以近現(xiàn)代干燥速率數(shù)學模型為基礎,對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到鮮紫薯熱風干燥的數(shù)學模型,為紫薯熱風干燥的工業(yè)化生產提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        新鮮紫薯購自重慶市北碚區(qū)天生麗街永輝超市,生鮮、無損傷、形狀均稱、大小基本一致,用保鮮袋扎緊,放入冰箱冷藏室備用。

        1.2 儀器與設備

        DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;JA2004型電子天平 上海精科天平儀器廠;JA5002型分析天平 上海精天電子儀器有限公司;AVM05型風速儀 上海君達儀器儀表有限公司;物料網(wǎng)盤 自制。

        1.3 方法

        1.3.1 工藝流程

        紫薯清洗去皮→切條(25mm×4mm×2mm)→稱質量→均勻平鋪在物料盤上→干燥

        操作要點:主要考察不同溫度、鋪料密度、風速條件下紫薯熱風干燥的含水率以及干燥速率的變化。實驗開始后,每隔一定時間迅速取出在電子天平上稱質量,記下實驗數(shù)據(jù),并在實驗中不斷觀察試樣的變化情況,當紫薯干燥至含水率14%(安全含水率)時,即停止干燥。

        不同溫度的影響:固定鋪料密度0.3185g/cm2、風速0.5m/s條件,考察不同溫度(60、70、80、90℃)條件下紫薯熱風干燥的含水率以及干燥速率的變化。

        不同鋪料密度的影響:固定溫度80℃、風速0.5m/s條件,考察不同鋪料密度(0.1592、0.3185、0.4777、0.6369g/cm2)條件下紫薯熱風干燥的含水率以及干燥速率的變化。

        不同風速的影響:固定溫度8 0℃、鋪料密度0.3185g/cm2,考察不同風速(0.3、0.4、0.5、0.6m/s)條件下紫薯熱風干燥的含水率以及干燥速率的變化。

        1.3.2 初始含水率測定

        原料初始含水率按GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測定方法》測定。

        1.3.3 含水率、干燥速率和水分比的測定

        含水率、干燥速率和水分比(MR)分別按式(1)、式(2)和式(3)計算,含水率均以干基質量計算。

        式中:mt為t時刻紫薯的質量/g;mg為紫薯干質量/g;m0為紫薯初始質量/g;W0為紫薯初始含水率/%。

        式中:Wt為t時刻物料含水率/%;Δt為失去水分所需的時間/min。

        式中:Wt為t時刻物料含水率/%;W0為物料初始含水率/%;We為物料干燥平衡含水率/%。由于紫薯的平衡含水率較小,此處水分比采用簡化的水分比[16-17],即MR=Wt/W0。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        實驗數(shù)據(jù)用SAS8.0軟件處理。

        2 結果與分析

        2.1 紫薯的熱風干燥特性

        2.1.1 溫度對干燥特性的影響

        圖1 不同溫度下紫薯熱風干燥含水率(A)和干燥速率(B)的變化Fig.1 Hot-air drying velocity curves of purple sweet potato at different temperatures

        由圖1可知,在鋪料密度為0.3185g/cm2,風速為0.5m/s的條件下,不同干燥溫度對紫薯熱風干燥的干燥速率的曲線分升速和降速2個階段,恒速段不明顯;紫薯干燥特性受溫度的影響較大,溫度越高,干燥曲線越陡,達到相同含水率時的時間越短;在實驗溫度范圍內,溫度每升高10℃,干燥速率增大約10%,干燥速率隨溫度的升高而增大。

        2.1.2 鋪料密度對干燥特性的影響

        圖2 不同鋪料密度下紫薯熱風干燥含水率(A)和干燥速率(B)的變化Fig.2 Hot-air drying velocity curves of purple sweet potato at different material loading densities

        由圖2可知,在干燥溫度為80℃、風速為0.5m/s的條件下,隨鋪料密度的增大,紫薯的干燥時間也隨之延長。這可能是因為鋪料密度越大,熱風的通透性越差,從而影響了紫薯與熱風的熱交換。

        2.1.3 風速對干燥特性的影響

        由圖3可知,鋪料密度為0.3185g/cm2,干燥溫度為80℃的條件下,風速對干燥速率的影響的顯著性低于溫度的影響。風速對干燥過程的影響是有限的。當干燥風速為0.4m/s時,干燥時間比0.3m/s縮短了33%,干燥速率增大約為5%;當干燥風速為0.5m/s時,干燥時間與干燥風速0.4m/s基本相同。

        圖3 不同風速下紫薯熱風干燥含水率(A)和干燥速率(B)的變化Fig.3 Hot-air drying velocity curves of purple sweet potato at different hot-air speeds

        2.2 實驗干燥模型擬合

        2.2.1 干燥模型的確定

        物料干燥是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質過程。中外許多學者通過對大量農產品的實驗研究,總結出了3種經驗、半經驗數(shù)學模型來描述其干燥過程[18-20]。即:

        式中:t為干燥持續(xù)時間/min;K為干燥速率常數(shù);A為待定速率系數(shù);n為冪指數(shù),均是與干燥條件有關的常數(shù)。

        為確定紫薯熱風干燥的數(shù)學模型,計算不同干燥溫度、風速、鋪料密度條件下各時刻的lnMR、ln(-lnMR)值,繪制-lnMR-t曲線圖(圖4)和ln(-lnMR)-lnt曲線圖(圖 5)。

        圖4 不同溫度(A)、鋪料密度(B)、風速(C)下-lnMR-t曲線Fig.4 The-lnMR-t curves at different temperatures, material densities and hot-air speeds

        圖5 不同溫度(A)、鋪料密度(B)、風速下(C)的ln(-ln(MR))-lnt曲線Fig.5 - ln(- lnMR) versus lnt curves at different temperatures,material loading densities and hot-air speeds

        由圖4、5可知,ln(-ln(MR))與lnt更接近線性關系,這說明紫薯熱風干燥特性用Page方程來描述更為合適。由圖可以判斷模型中系數(shù)K和n隨風溫(T,℃)、風速(V,m/s)及鋪料密度(P,g/cm2)變化而發(fā)生變化,即K和n是上述3個參數(shù)的函數(shù)。所以考慮T、V、P對K和n的影響,將K和n與T、V、P的函數(shù)關系表示成一次方程:

        表1 紫薯熱風干燥的模型擬合Table 1Fitting models of hot-air drying for purple sweet potato

        利用SAS8.0統(tǒng)計軟件進行處理,對實驗數(shù)據(jù)擬合[21-24],可求得紫薯熱風干燥擬合方程的各待定系數(shù),擬合結果見表1。

        由此得出紫薯熱風干燥擬合方程:

        2.2.2 擬合方程的統(tǒng)計檢驗與模型驗證

        2.2.2.1 擬合方程的統(tǒng)計檢驗

        為檢驗擬合效果,對上述擬合方程進行統(tǒng)計檢驗,檢驗結果見表2。模型方差分析F檢驗值為2226.61(P<0.0001),達到極顯著水平;模型確定系數(shù)R2=0.9915,擬合效果很好。因此,可將該擬合方程作為紫薯熱風干燥的數(shù)學模型,利用此模型可較準確地預測在不同干燥條件下,熱風干燥過程中不同時刻的含水率及干燥速率。

        表2 紫薯熱風干燥擬合方程的統(tǒng)計檢驗Table 2 Statistical tests for the fitting equation of hot-air drying for purple sweet potato

        2.2.2.2 模型驗證

        為檢驗回歸模型與實驗數(shù)據(jù)的擬合準確度,選取實驗中的一組數(shù)據(jù)進行檢驗,實驗條件為:干燥溫度80℃、風速0.5m/s、鋪料密度0.3185g/cm2。由Page方程在上述條件下進行預測,預測值與實際值見圖6。Page方程曲線與實驗值基本擬合,說明Page方程較正確反應了紫薯熱風干燥規(guī)律,可以起到預測作用。

        圖6 干燥數(shù)學模型檢驗曲線Fig.6 Good agreement between experimental values and predictive values obtained from the Page model

        3 結 論

        3.1 干燥溫度和鋪料密度對紫薯的干燥速率有較大影響,而熱風風速對紫薯干燥速率影響最小。

        3.2 紫薯的熱風干燥特性符合Page方程,通過SAS8.0對實驗數(shù)據(jù)進行處理,得到紫薯熱風干燥的數(shù)學模型為ln(-lnMR)=ln(-0.0104+0.000283T+0.00427V-0.0126P)+(1.1830-0.00067T+0.0487V-0.1332P)lnt(MR為水分比;T為干燥溫度/℃;V為物料干燥熱風速率(m/s);P為物料干燥鋪料密度/(g/cm2);t為干燥時間/min)。經統(tǒng)計檢驗,模型的F檢驗值為2226.61,P<0.0001,達到極顯著水平;模型確定系數(shù)R2=0.9915,擬合效果很好。模型經驗證,能正確反應紫薯干燥規(guī)律,可較好地預測紫薯熱風干燥過程失水率的變化過程。

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        Characteristics and Mathematical Model of Hot-Air Drying for Purple Sweet Potato

        LI Jing1,XIAO Xia1,PU Xiao-lu1,HUANG Yan-bin1,CHEN Hou-rong1,2,3,4,*
        (1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China ;2. Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center, Chongqing 400716, China ;3. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Products Processing,Chongqing 400716, China;4. Experiment and Teaching Center of Food Science and Engineering, Chongqing 400716, China)

        Purpose: The hot-air drying characteristics and mathematical model of fresh purple potato were explored in this study.Methods: The effects of different factors including material loading density, hot-air temperature and hot-air speed on hot-air drying characteristics were investigated. Meanwhile, the experimental data obtained were processed using SAS8.0 software for mathematical modeling. Results: A hot-air drying curve and a drying rate curve were established. The proposed mathematical model describing the hot-air drying of purple potato was ln (-lnMR) = ln (-0.0104 + 0.000283T+ 0.00427V- 0.0126P) +(1.1830 - 0.00067T+ 0.0487V-0.1332P) lnt, where MR was water ratio,Ttemperature (℃),Vhot-air speed (m/s),Pmaterial loading density (g/cm2), andtdrying time (min). Conclusion: Hot-air temperature and material density had a greater impact on drying rate, while hot-air speed on drying rate revealed less effect. The established hot-air drying model for purple sweet potato was in good agreement with the Page model.

        purple sweet potato;hot-air drying;characteristics;model

        TS201.1

        A

        1002-6630(2012)15-0090-05

        2011-07-13

        四川省科技廳科技支撐計劃項目(2009N20077-005);西南大學院級本科生創(chuàng)新基金項目

        李菁(1989—),女,本科生,研究方向為食品質量與安全。E-mail:lijing890608@126.com

        *通信作者:陳厚榮(1968—),男,副教授,博士,研究方向為食品科學理論與技術。E-mail:chourong@swu.edu.cn

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