王 杰 張影全 劉 銳 張 波 魏益民

隧道式烘房掛面干燥工藝特征分析

王 杰 張影全 劉 銳 張 波 魏益民

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

為了解隧道式烘房掛面干燥溫度、相對(duì)濕度以及掛面水分含量的動(dòng)態(tài)變化，確定工藝參數(shù)及其關(guān)鍵控制點(diǎn)。采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀在線監(jiān)測(cè)隧道式烘房掛面干燥過程的溫度和相對(duì)濕度；測(cè)定掛面的水分含量，繪制干燥脫水曲線。結(jié)果顯示，隧道式烘房掛面干燥溫度呈現(xiàn)近似拋物線的形式，相對(duì)濕度隨著掛面干燥時(shí)間不斷降低；烘房不同空間位置（上、中、下及左、中、右）的溫度和相對(duì)濕度存在顯著性差異（P＜0.05）；三次多項(xiàng)式回歸方程對(duì)掛面干燥脫水曲線的擬合效果最好（R2＝0.999 4）。結(jié)果認(rèn)為，隧道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)符合掛面干燥工藝技術(shù)規(guī)程；三次多項(xiàng)式回歸方程-數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)現(xiàn)掛面干燥工藝標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化有重要的指導(dǎo)意義。

掛面 干燥工藝 干燥曲線 溫度 相對(duì)濕度 在線監(jiān)測(cè)

掛面干燥工藝是掛面生產(chǎn)的關(guān)鍵工序［1］。干燥工藝的合理性與產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及生產(chǎn)成本有著極為重要的關(guān)系［2-4］。在線監(jiān)測(cè)掛面干燥工藝參數(shù)，分析工藝參數(shù)特征，了解掛面含水量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)優(yōu)化掛面干燥工藝，確定掛面干燥工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)，節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益有著重要的指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)面條的干燥特性及其理論研究較為深入，特別是對(duì)意大利杜倫麥面條和日本烏冬面的研究已有大量報(bào)道［5-16］。研究表明，面條屬于內(nèi)部擴(kuò)散控制性物料，當(dāng)干燥介質(zhì)的溫度和相對(duì)濕度差異過大、干燥速率過快時(shí)，使面條表面的水分迅速蒸發(fā)，從而使面條表面和內(nèi)部的水分梯度增大；同時(shí)，由于面條表面失水過多而結(jié)膜，且發(fā)生收縮，使面條內(nèi)部受壓、外表緊繃，會(huì)產(chǎn)生變形、酥條、裂紋等不良后果［17］。Hills等［7］研究認(rèn)為，面條在高溫干燥的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)保持一定的相對(duì)濕度，以減少面條表面和內(nèi)部之間的水分差距，這樣就能有效地防止由于干燥過快而導(dǎo)致的應(yīng)力性龜裂。陸啟玉［2］認(rèn)為，防止掛面酥條，關(guān)鍵是要避免濕面條表面由于干燥過快而導(dǎo)致的“結(jié)膜”，要防止表面“結(jié)膜”，必須在干燥前期保持較高的相對(duì)濕度，使掛面的水分在一定的相對(duì)濕度下緩慢地蒸發(fā)，保持外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散的速度基本平衡，即“保濕烘干”。掛面干燥通常分為預(yù)干燥階段、主干燥階段和最后干燥階段［18-19］。也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出4階段或5階段干燥的概念或方案。各階段掛面干燥介質(zhì)（空氣）的濕熱狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)掛面質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗具有重要的影響，特別是干燥介質(zhì)的溫度和相對(duì)濕度對(duì)掛面干燥質(zhì)量和干燥速率的影響較大［2］。由于面粉質(zhì)量、產(chǎn)品規(guī)格以及烘房結(jié)構(gòu)的差異，掛面生產(chǎn)企業(yè)在烘房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、干燥工藝參數(shù)控制、烘房節(jié)能降耗等方面一直存在合理性問題，這些問題已成為限制掛面行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。近年來，高精度數(shù)字化或在線溫度濕度測(cè)量?jī)x器已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)，其特點(diǎn)是直讀、靈敏、準(zhǔn)確，具有自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和繪圖功能，其所能耐受的工作環(huán)境及用途也越來越廣泛。將此類測(cè)量?jī)x器應(yīng)用于掛面干燥過程的在線監(jiān)測(cè)，分析烘房的掛面干燥工藝參數(shù)，指導(dǎo)烘房工藝參數(shù)控制，在國(guó)內(nèi)還不多見。

目前，掛面加工企業(yè)對(duì)于掛面干燥工藝既沒有標(biāo)準(zhǔn)化的工藝參數(shù)可依，又缺少自動(dòng)化或智能化的控制系統(tǒng)。掛面干燥工藝主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和精心操作來實(shí)現(xiàn)，且烘房?jī)?nèi)的溫度和濕度容易受到季節(jié)和天氣變化的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定（劈條、酥條、水分含量超標(biāo)），能耗利用不合理，企業(yè)效益受到影響。對(duì)于掛面干燥工藝參數(shù)，應(yīng)準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)定其數(shù)據(jù)，掌握變化規(guī)律，建立掛面干燥脫水曲線模型，以便操作人員及時(shí)監(jiān)控和調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。

本研究采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀在線監(jiān)測(cè)隧道式烘房掛面干燥的溫度和相對(duì)濕度；測(cè)定掛面的水分含量，繪制干燥脫水曲線；分析掛面干燥過程中溫度、相對(duì)濕度及掛面水分含量的動(dòng)態(tài)變化，確定工藝參數(shù)及其關(guān)鍵控制點(diǎn)；為掛面干燥工藝的過程控制提供依據(jù)和方法。

1 材料與方法

1.1 時(shí)間和地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年3月1日至4日在掛面生產(chǎn)企業(yè)隧道式烘房實(shí)施。

隧道式烘房長(zhǎng)60 m、寬6 m、高3.5 m。主要由烘道、供熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。掛面在傳動(dòng)系統(tǒng)的控制下勻速運(yùn)行；掛面上方為供熱系統(tǒng)，采用循環(huán)導(dǎo)熱油通過管式散熱器向烘房提供熱量；通風(fēng)系統(tǒng)主要由吊扇和風(fēng)機(jī)構(gòu)成，分別用于產(chǎn)生熱對(duì)流和排除掛面蒸發(fā)的水汽（圖1）。

圖1 掛面干燥過程溫度濕度在線監(jiān)測(cè)示意圖

1.2 儀器和設(shè)備

179A-TH智能溫度濕度記錄儀：美國(guó)Apresys精密光電有限公司；BSA323S-CW電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DHG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 掛面工藝參數(shù)在線監(jiān)測(cè)

根據(jù)掛面在面桿上的懸掛長(zhǎng)度（1.30 m），制作3個(gè)寬0.05 m的不銹鋼鉤條。將179A-TH智能溫度濕度記錄儀分別固定在不銹鋼鉤條的上、中、下位置；在掛面切條上架后，將準(zhǔn)備好的儀器與設(shè)備并排懸掛在烘房隧道的第1、3、5道掛面?zhèn)魉脱b置上，即左、中、右位置；儀器設(shè)備跟隨掛面的鏈條傳動(dòng)裝置一起運(yùn)行，在線監(jiān)測(cè)烘房隧道9個(gè)空間位置的溫度和相對(duì)濕度（圖1）。干燥的產(chǎn)品為2 mm精粉掛面。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

反思：鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鋁先和H2O反應(yīng)生成Al(OH)3和H2,生成的Al(OH)3再和氫氧化鈉反應(yīng)生成NaAlO2和H2O。為什么鋁單質(zhì)平時(shí)不和水反應(yīng)?是因?yàn)樯傻腁l(OH)3難溶于水,阻止了鋁和水的反應(yīng),鋁表面的氧化物也阻止了鋁和水的反應(yīng)。鋁是不能將氫氧化鈉中的H置換出來的,所以下列表示法是錯(cuò)誤的:

1.3.2 干燥曲線的計(jì)算方法

干燥曲線為掛面水分含量隨干燥位置變化的曲線，且與掛面干燥的溫度濕度在線監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。設(shè)定干燥掛面的取樣位置為1、15、30、45和59 m，并且與9個(gè)溫度濕度記錄儀所處的空間位置相對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)不同干燥位置掛面的水分含量（Ws），如下式所示：

式中：ms為掛面在任意干燥s位置的總質(zhì)量／g；m為掛面的干物質(zhì)質(zhì)量／g。水分含量測(cè)定參照GB／T 5009.3—2010，重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0和Excel 2007處理數(shù)據(jù)，做統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 掛面干燥溫度曲線及特征

圖2為隧道式烘房9個(gè)監(jiān)測(cè)位置掛面的干燥溫度曲線。烘房溫度呈現(xiàn)近似拋物線，初始干燥溫度為22℃，持續(xù)20 min后溫度開始上升，上升過程烘房的溫度均勻性較差；102 min時(shí)溫度達(dá)到了最高值，為45.07℃；150 min后烘房溫度開始降低，在181～201 min時(shí)間段內(nèi)烘房降溫速率較快；烘房末尾的干燥溫度稍高于初始干燥溫度。

圖2 隧道式烘房掛面干燥溫度曲線

烘房9個(gè)監(jiān)測(cè)位置的溫度參數(shù)如表1所示。烘房?jī)?nèi)不同位置的平均溫度表現(xiàn)出一定的差異，右上位置的平均溫度最高（34.0℃），右下位置的平均溫度最低（32.2℃），最大差值達(dá)1.8℃。不同位置溫度的變異系數(shù)比較接近。

對(duì)烘房空間位置上、中、下及左、中、右的溫度值進(jìn)行配對(duì)方差分析認(rèn)為（表2），上、中、下及左、中、右位置間的溫度均存在顯著差異?；沮厔?shì)為從上到下、從右到左溫度逐漸降低?？梢?，即使在有對(duì)流風(fēng)扇的同一開放空間，不同位置的空氣介質(zhì)溫度仍然具有顯著差異。初步分析認(rèn)為，這與烘房的管式散熱器位置及循環(huán)導(dǎo)熱油的進(jìn)出口位置有關(guān)。

表1 隧道式烘房空間位置的溫度特征

表2 隧道式烘房空間位置的溫度差異分析

2.2 掛面干燥濕度曲線及特征

圖3 隧道式烘房掛面干燥濕度曲線

烘房各監(jiān)測(cè)位置的濕度特征如表3所示。9個(gè)空間位置的平均濕度在74%～82%之間，各位置濕度的變異較大，為16.41%～22.29%。在前期干燥的部分時(shí)間段內(nèi)，烘房部分位置的相對(duì)濕度達(dá)到了100%的飽和狀態(tài)。

表3 隧道式烘房空間位置的濕度特征

對(duì)烘房空間位置上、中、下及左、中、右的相對(duì)濕度值進(jìn)行配對(duì)方差分析。結(jié)果如表4所示。烘房上、中、下及左、中、右位置間的相對(duì)濕度均存在顯著差異。中、下位置的相對(duì)濕度顯著高于上部；右邊顯著高于左邊。

表4 隧道式烘房空間位置的濕度差異分析

2.3 掛面干燥脫水曲線及特征

在線監(jiān)測(cè)掛面干燥溫度和相對(duì)濕度的同時(shí)，定點(diǎn)測(cè)定掛面干燥脫水曲線（圖4）。

圖4 隧道式烘房空間位置掛面的干燥脫水曲線

掛面干燥過程的含水量變化如表5所示。掛面干燥的初始和末尾平均含水量分別為28.71%和11.88%，干燥過程4個(gè)階段的脫水率（脫水率＝階段脫水量／總脫水量）分別為 13.79%、38.68%、33.09%、14.44%，多數(shù)（71.77%）掛面水分在烘房15～45 m的干燥過程中被脫去。

表5 隧道式烘房掛面干燥過程的含水量

另外，從表5可以看出，烘房初始（1 m）和末端（59 m）取樣點(diǎn)9個(gè)空間位置掛面的水含量非常接近，變異系數(shù)僅為0.93%和1.45%；其他取樣點(diǎn)（15、30、45 m）的含水量變異系數(shù)也均小于10%。表明烘房不同空間位置掛面的水分含量差異不大，干燥過程的脫水速率較為一致。

2.4 隧道式烘房掛面干燥脫水模型

根據(jù)烘房9個(gè)不同位置處掛面的干燥脫水曲線數(shù)據(jù)，對(duì)掛面在烘房中的運(yùn)行位置和水分含量進(jìn)行回歸分析。圖5為隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線。

圖5 隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線

結(jié)果顯示，三次多項(xiàng)式回歸方程的相關(guān)性最高，方程決定系數(shù)（R2）為0.999 4?；貧w方程如下：

式中：X為掛面在烘房中的運(yùn)行距離／m；Y為掛面在烘房中運(yùn)行至X（m）處的含水量／%。

3 討論

采用179A-TH智能溫度濕度記錄儀對(duì)隧道式烘房掛面干燥過程的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠直觀顯示和判斷烘房溫度、濕度的動(dòng)態(tài)變化及其分布特征。與此同時(shí)，建立隧道式烘房掛面干燥脫水模型曲線，對(duì)優(yōu)化掛面干燥工藝，改造掛面干燥設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掛面干燥工藝標(biāo)準(zhǔn)化及自動(dòng)化提供方法和參數(shù)依據(jù)。

生產(chǎn)中掛面干燥工藝基本是按照“三段式”掛面干燥理論設(shè)計(jì)和操作。預(yù)干燥階段通常是指將面條含水量從（30±0.5）%降到（28±0.5）%的階段［2］，干燥溫度一般控制在15～25℃，相對(duì)濕度85%～95%。預(yù)干燥階段的主要目的是蒸發(fā)面條表面水分，固定面條組織，防止由自身重力而導(dǎo)致面條拉長(zhǎng)和斷裂。主干燥階段通常是指將掛面含水量從（28±0.5）%降至（17±0.5）%的階段，最高干燥溫度一般在45℃以下，相對(duì)濕度不得低于75%。由于面條脫水量較大，脫水速率較快，因此，主干燥階段既是掛面脫水干燥的主要階段，又是防止產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題的關(guān)鍵階段。主干燥階段的掛面干燥需要遵循“保濕烘干”原理，即保持烘房較高的相對(duì)濕度，使面條表層水分的汽化速率始終小于或等于內(nèi)部水分向表面的遷移速率。最后干燥階段屬于降溫散熱階段，要求掛面在緩慢降溫的過程中繼續(xù)脫水干燥，最終達(dá)到規(guī)定成品的水分要求（14.5%以下），并保持面條內(nèi)外水分和溫度的平衡。降溫速率通常以每分鐘降低0.5℃為宜［19］。對(duì)比分析掛面干燥工藝?yán)碚摵退淼朗胶娣繏烀娓稍锕に噮?shù)的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為該隧道式烘房掛面的干燥工藝特征基本滿足掛面干燥工藝?yán)碚摵图夹g(shù)要求。

掛面干燥工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化是未來掛面行業(yè)的發(fā)展方向［21-22］。本研究在在線監(jiān)測(cè)掛面干燥工藝參數(shù)的同時(shí)，測(cè)定掛面的干燥脫水曲線，并針對(duì)掛面在烘房中的運(yùn)行位置和水分含量進(jìn)行回歸分析，得到了決定系數(shù)較高的三次多項(xiàng)式回歸方程，展現(xiàn)了掛面在烘房中的干燥脫水規(guī)律。進(jìn)一步的研究還應(yīng)驗(yàn)證及修正已建立的回歸方程-數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而在掛面干燥生產(chǎn)線配備在線測(cè)量水分含量的儀器，再結(jié)合該回歸方程-數(shù)學(xué)模型建立掛面干燥工藝參數(shù)（溫度、相對(duì)濕度、干燥時(shí)間）的程序控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)掛面水分含量等質(zhì)量特性的在線檢測(cè)及干燥工藝的自動(dòng)化控制。

4 結(jié)論

4.1 179A-TH智能溫度濕度記錄儀能夠在線監(jiān)測(cè)隧道式烘房掛面干燥過程的溫度、相對(duì)濕度和干燥時(shí)間。

4.2 本研究的隧道式烘房掛面干燥工藝參數(shù)滿足掛面干燥工藝技術(shù)規(guī)程。

4.3 三次多項(xiàng)式回歸方程-數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)現(xiàn)掛面干燥工藝標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化有重要的指導(dǎo)意義。

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Analysis on the Characteristics of Drying Process for Chinese Dried Noodle in the Tunnel-Type Drying Chamber

Wang Jie Zhang Yingquan Liu Rui Zhang Bo Wei Yimin
（Institute of Agro-Products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agriculture Sciences Key Laboratory of Agro-Products Processing，Ministry of Agriculture，Beijing 100193）

The purpose of this research was to understand the dynamic change of drying temperature，relative humidity and moisture content of the noodle in tunnel-type drying chamber in order to determine the parameters and critical control point during drying process.The 179A-TH intelligent temperature and relative humidity recorder has been adopted to monitor the on-line temperature and relative humidity of the tunnel-type drying chamber.Meanwhile，the moisture content of the noodle was measured，and the dehydrate curves has been drawn synchronously.The results showed that the variation of drying temperature was described approximately in a form of parabolic.The relative humidity decreased gradualy through the drying process.There were significant differences（P＜0.05）on the temperature and relative humidity among different spatial position（included upper，middle，lower and left，middle，right）in the tunnel-type drying chamber.The drying dehydrate curve could be well fitted by cubic polynomial regression equation（R2＝0.999 4）.It is concluded that the drying process parameters conform to the technical practice of the noodle drying process.The cubic polynomial regression equation-mathematical model have an important guiding effect for standardization and automation of the drying process of Chinese dried noodle.

Chinese dried noodle，drying process，drying curves，temperature，relative humidity，online monitoring

TS211.4

A

1003-0174（2014）03-0084-06

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（小麥）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（CARS-03），企業(yè)技術(shù)服務(wù)（2012-2013）

2013-05-07

王杰，男，1987年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工工程

魏益民，男，1957年出生，教授，食品質(zhì)量與安全及加工技術(shù)