張　鵬，趙士杰，趙滿全

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　 010018)

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4種薯類作物熱風(fēng)干燥特性的比較

張鵬，趙士杰，趙滿全

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

摘要：為了考察薯類作物的熱風(fēng)干燥特性的異同點(diǎn)、優(yōu)化薯類作物熱風(fēng)干燥工藝，本文選取4種薯類作物(紅薯、馬鈴薯、芋頭和山藥)，在不同溫度(55、70、85℃)、切片厚度(3、5、7mm)和切法(橫切、縱切)條件下進(jìn)行比較，研究其熱風(fēng)干燥特性。結(jié)果表明：溫度與切片厚度對(duì)4種物料的干燥特性影響一致，切法對(duì)4種物料的干燥特性影響略有差別，但不明顯。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)它們?cè)跓犸L(fēng)干燥過(guò)程中各類指標(biāo)變化基本一致，具有共性，在工業(yè)生產(chǎn)上可以進(jìn)行歸類，為薯類作物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薯類作物；熱風(fēng)干燥；特性

0引言

薯類作物因其收獲的產(chǎn)品為地下根或塊莖，又稱根莖類作物，主要包括紅薯、馬鈴薯、芋類和山藥等[1]。薯類作物的塊莖中含有大量碳水化合物、胡蘿卜素和花青素等次生代謝營(yíng)養(yǎng)物。其高產(chǎn)耐旱，不僅是我國(guó)的主要糧食作物之一，可保障我國(guó)糧食安全，為我國(guó)很多地區(qū)的農(nóng)民提供了重要的收入和糧食來(lái)源；也是重要的飼料以及工業(yè)原料，特別是隨著我國(guó)生產(chǎn)生物乙醇燃料的主要原料：玉米的價(jià)格上漲、陳糧的消耗殆盡，我國(guó)已經(jīng)開始發(fā)展薯類燃料乙醇[1-4]。2015年1月6日，在北京舉辦的馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)認(rèn)為，馬鈴薯作為三大主糧的補(bǔ)充，主糧化成為必然的選擇。因此，薯類作物產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)的穩(wěn)定發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用；但由于薯類作物儲(chǔ)藏、運(yùn)輸不便，加工環(huán)節(jié)落后，人們對(duì)薯類作物的重視程度不高[5]。農(nóng)產(chǎn)品的干燥技術(shù)是食品保藏的一項(xiàng)重要手段，熱風(fēng)干燥技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低，雖然對(duì)干后品質(zhì)有一定影響，但依然是我國(guó)食品生產(chǎn)中最常用到的一種干燥方式[6]。孟岳成等(2011)研究了熟化紅薯熱風(fēng)干燥過(guò)程中熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、切片厚度三者對(duì)干燥環(huán)節(jié)的影響，為紅薯熱風(fēng)干燥工業(yè)化提供理論依據(jù)，并且比較了12種數(shù)學(xué)模型在熟化紅薯熱風(fēng)干燥中的適用性[7]。江曉(2011)建立了馬鈴薯熱風(fēng)干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)模型和收縮模型，對(duì)馬鈴薯熱風(fēng)干燥過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)熱風(fēng)干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化[8]。

任廣躍等(2010)對(duì)懷山藥采用熱風(fēng)、微波和真空干燥3種方法進(jìn)行干燥，比較了3種方式對(duì)懷山藥的干燥速率、復(fù)水率和多糖得率的影響[9]。匙寶成等(2009)利用自制微波干燥裝置對(duì)芋頭片進(jìn)行了微波干燥試驗(yàn)，研究了芋頭片干燥過(guò)程中的失水特性，為進(jìn)一步了解芋頭的干燥特性提供了依據(jù)[10]。本筆者選擇4種有代表性的薯類作物，在固定風(fēng)速下對(duì)它們進(jìn)行熱風(fēng)干燥，研究熱風(fēng)溫度、切片厚度和切法(橫切和縱切)3種因素對(duì)其熱風(fēng)干燥特性的影響，旨在優(yōu)化干燥工藝，并找出它們?cè)诟稍镞^(guò)程特性變化的一些共性，提出對(duì)農(nóng)產(chǎn)品加工進(jìn)行分類的思想。

1材料和方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

選擇表皮光滑，個(gè)頭大小一致，形狀相似的新鮮紅薯、馬鈴薯、山藥和芋頭，購(gòu)于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

1.2　主要設(shè)備

GZ-1型熱風(fēng)干燥機(jī)，華南理工大學(xué)科技實(shí)業(yè)總廠制造；電子天平，精確度0.001g。

1.3　干燥試驗(yàn)方法

取4種物料，用清水洗凈，去皮，以干燥溫度、熱風(fēng)風(fēng)速和切法作為熱風(fēng)干燥的3個(gè)因素，按表1進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。

1.4　水分測(cè)定

按GB5009.3-2001測(cè)得4種物料的初始含水率[11]，分別為：紅薯約為82%，馬鈴薯約為80%，芋頭約為78%，山藥約為76%。

含水率是用來(lái)表示物料在干燥過(guò)程中某一時(shí)刻的水分含量。物料干燥過(guò)程中含水率(M)為

(1)

式中M—物料t時(shí)刻的含水率(%)；

mt—t時(shí)刻物料的質(zhì)量(g)；

md—絕干物料的質(zhì)量(g)。

物料熱風(fēng)干燥速率為

(2)。

式中DR—熱風(fēng)干燥速率(%/h)；

Mt—t時(shí)刻物料的含水率(%)；

Mt+dt—t+dt時(shí)刻物料的含水率(%)。

表1　干燥實(shí)驗(yàn)方案

1.5　數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算，Origin 8.0軟件繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1　不同熱風(fēng)溫度對(duì)4種物料熱風(fēng)干燥特性的影響

在橫切(沿著短軸切片)、試樣厚度為7mm的條件下，考察熱風(fēng)溫度分別為55、70、85℃時(shí)，對(duì)試樣的干燥特性的影響。圖1顯示的是4種物料在不同干燥溫度下，含水率隨時(shí)間的變化曲線。

(a)　紅薯在不同干燥溫度下的含水率曲

(b)　馬鈴薯在不同干燥溫度下的含水率曲線

(c)　芋頭在不同干燥溫度下的含水率曲線

(d)　山藥在不同干燥溫度下的含水率曲線

由圖1可以看出：4種物料在干燥過(guò)程中，達(dá)到平衡含水率需要的時(shí)間與干燥溫度成反比，85℃時(shí)需要的時(shí)間明顯低于其它兩種溫度。溫度越高，空氣濕度就越低，在干燥時(shí)與物料接觸的過(guò)程中就容易帶走水分，要達(dá)到一定的含水率需要的時(shí)間就越少。

4種物料在不同干燥溫度條件下的干燥速率曲線如圖2所示。

(a)　紅薯在不同溫度條件下干燥速率曲線

(b)　馬鈴薯在不同溫度條件下干燥速率曲線

(c)　芋頭在不同溫度條件下干燥速率曲線

(d)　山藥在不同溫度條件下干燥速率曲線

由圖2可知：4種物料在干燥過(guò)程中均沒有出現(xiàn)明顯的恒速階段，干燥發(fā)生在降速階段；干燥速率隨著水分下降而降低，隨著溫度升高而升高；85℃時(shí)干燥速率明顯高于其他兩個(gè)溫度，但是物料表面結(jié)殼較嚴(yán)重，因此選擇70℃作為干燥溫度；溫度對(duì)4種物料的干燥特性影響一致。

2.2　不同切片厚度對(duì)4種物料熱風(fēng)干燥特性的影響

不同切片對(duì)4種物料熱風(fēng)干燥特性的影響如圖3和圖4所示。由圖3可知：在切法和溫度恒定時(shí)，達(dá)到平衡含水率需要的時(shí)間與厚度成反比；厚度3mm時(shí)需要時(shí)間明顯比其他兩個(gè)厚度要少。這是因?yàn)楹穸刃。謴膬?nèi)部向外遷移就容易，但是物料卷曲較為嚴(yán)重。

由圖4可知：4種物料的干燥速率隨著厚度的增加而減小，3mm厚度時(shí)的干燥速率明顯高于其他兩個(gè)厚度；5mm和7mm的干燥速率差距不大，這在4種物料之間表現(xiàn)一致。

(a)　紅薯在不同切片厚度下的含水率曲線

(b)　馬鈴薯在不同切片厚度下的含水率曲線

(c)　芋頭在不同切片厚度下的含水率曲線

(d)　山藥在不同切片厚度下的含水率曲線

(a)　紅薯在不同厚度條件下干燥速率曲線

(b)　馬鈴薯在不同厚度條件下干燥速率曲線

(c)　芋頭在不同厚度條件下干燥速率曲線

(d)　山藥在不同厚度條件下干燥速率曲線

2.3　不同切法對(duì)4種物料熱風(fēng)干燥特性的影響

在干燥溫度和切片厚度一定時(shí)，切法對(duì)4種物料的干燥過(guò)程影響不明顯，如圖5所示。4種物料在橫切(沿著短軸切)和縱切(沿著長(zhǎng)軸切)兩種切法下的含水率曲線幾乎重合；紅薯和馬鈴薯在橫切時(shí)水分散失要比縱切時(shí)要快，而芋頭和山藥正好相反。通過(guò)對(duì)4種物料的切面觀察發(fā)現(xiàn)，紅薯和馬鈴薯縱切面是順著生長(zhǎng)紋理，而芋頭和山藥的橫切面是順著生長(zhǎng)紋理的。因此，影響其干燥過(guò)程水分散失的主要因素是內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)，切面與紋理垂直時(shí)，有利于水分的散失。

(a)　紅薯在不同切法條件下含水率曲線

(b)　馬鈴薯在不同切法條件下含水率曲線

(c)　芋頭在不同切法條件下含水率曲線

(d)　山藥在不同切法條件下含水率曲線

3結(jié)論

4種物料的干燥試驗(yàn)表明：薯類作物的干燥發(fā)生在降速階段，干燥速率與切片厚度成反比，與溫度成正比，切法對(duì)薯類作物熱風(fēng)干燥影響不明顯；85℃時(shí)干燥速率最快，但是物料表面結(jié)殼嚴(yán)重，營(yíng)養(yǎng)損失較多，因此選擇70℃為最佳干燥溫度；3mm厚度的物料干后卷曲嚴(yán)重，5mm和7mm厚度干燥速率差別不大，考慮到工業(yè)生產(chǎn)的效率，選擇7mm為最佳干燥厚度。

切片厚度和干燥溫度對(duì)4種物料在熱風(fēng)干燥過(guò)程的影響表現(xiàn)一致，切法上的影響有所不同，但是影響不明顯。農(nóng)業(yè)物料的特性差異較大，復(fù)雜多變，但在某些具體問(wèn)題上具有共性，薯類作物在熱風(fēng)干燥過(guò)程中的研究就可以歸為一類，這為農(nóng)業(yè)物料的研究提出了歸類的思想。

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Comparative Study for Drying Characteristics of Hot Air Drying of Four Root and Tuber Crops

Zhang Peng， Zhao Shijie， Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to examine the differences and similarities between hot air drying characteristics of root and tuber crops,opeimize the hot air drying process, this paper selected four root and tuber crops(sweet potato, potato, taro, yam), comparative study for their drying characteristics under different temperature(55℃, 70℃, 85℃), slice thickness(3mm, 5mm, 7mm) and mode of cutting(transverse and longitudinal cutting). The results shows that impact of temperature and slice thickness on drying characteristics of four material are same, the mode of cutting affects slightly different, but not obvious. By comparison, they have same index change in the process of hot air drying, have similarity, can be classified in the industrial production, provides theoretical basic for root and tuber crops on industrialization production.

Key words：root and tuber crops; hot air drying; characteristics

中圖分類號(hào)：S375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0239-05

作者簡(jiǎn)介：張鵬(1989- )，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)742943101@qq.com。通訊作者：趙士杰(1956- )，男，內(nèi)蒙古固陽(yáng)人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)nmzsj@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260409)

收稿日期：2015-09-02