丁昌江 楊茂生

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 呼和浩特 010051)

直流高壓電場(chǎng)中枸杞的干燥特性與數(shù)學(xué)模型研究

丁昌江 楊茂生

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 呼和浩特 010051)

以枸杞為對(duì)象，研究其在相同溫度和濕度、不同強(qiáng)度直流高壓電場(chǎng)下的干燥特性；檢測(cè)干燥后枸杞的收縮率、復(fù)水率；測(cè)量高壓電場(chǎng)和干燥箱干燥后枸杞內(nèi)部多糖和維生素C含量；計(jì)算了舍伍德數(shù)、傳質(zhì)增強(qiáng)因子以及水分有效擴(kuò)散系數(shù)；采用10種常用的薄層物料干燥數(shù)學(xué)模型和3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬和比較。結(jié)果表明：在直流高壓電場(chǎng)下枸杞的干燥速率明顯比對(duì)照組的干燥速率大，在同一電壓下枸杞的干燥速率隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，枸杞的干燥速率隨著電壓的提高而增加，單位能耗也隨著電壓的增加而增加。在直流高壓電場(chǎng)下枸杞的復(fù)水率比對(duì)照組的復(fù)水率高，單因素方差分析表明，在直流高壓電場(chǎng)下枸杞的復(fù)水率與對(duì)照組的復(fù)水率之間存在顯著性差異，但收縮率之間不存在顯著性差異。高壓電場(chǎng)干燥比干燥箱干燥更好地保存了枸杞內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)成分。傳質(zhì)增強(qiáng)因子隨著電壓的增加呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，枸杞內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著電壓的增加而增加。通過(guò)統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)所選的10個(gè)數(shù)學(xué)模型都可以用來(lái)描述枸杞在直流高壓電場(chǎng)下的干燥過(guò)程，其中Midill and Kucuk模型最適合用來(lái)描述直流高壓電場(chǎng)中枸杞干燥曲線的變化規(guī)律。高壓電場(chǎng)影響枸杞表面的微觀結(jié)構(gòu)。這為優(yōu)化直流高壓電場(chǎng)干燥枸杞工藝，提高干燥效率和發(fā)展枸杞干燥技術(shù)提供了線索和實(shí)踐指導(dǎo)。

枸杞； 高壓電場(chǎng)干燥； 干燥速率； 復(fù)水率； 數(shù)學(xué)模型

引言

枸杞具有極高的藥用價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1-2]，含有豐富的多糖、氨基酸、黃酮類化合物、礦物質(zhì)等[3]。但新鮮枸杞果實(shí)采摘后，保質(zhì)期極短，收獲后的鮮果必須馬上進(jìn)行干燥處理，且枸杞干制后的品質(zhì)直接影響收購(gòu)價(jià)格和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的收入。我國(guó)90%以上的枸杞干燥采用傳統(tǒng)晾曬、熱風(fēng)干燥等處理方法，這2種方法易造成枸杞果發(fā)霉變質(zhì)、干燥效率低，有效成分損失嚴(yán)重，干燥品質(zhì)較差，色澤不佳[4]。真空冷凍干燥法加工的枸杞色澤鮮紅、生物活性成分和營(yíng)養(yǎng)成分保持良好，但其設(shè)備昂貴，能耗較高，不適合應(yīng)用于一般枸杞干燥工藝[5-6]。因此，探索新型枸杞干燥技術(shù)，對(duì)枸杞干燥工業(yè)發(fā)展具有實(shí)際意義。

高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型干燥技術(shù)[7-14]，具有干燥速度快，很好地保存物料的有效成分、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[7]。CAO等[8]研究多針板電極下高壓電場(chǎng)干燥小麥的特性，發(fā)現(xiàn)在電壓為10.0、7.5、5.0 kV時(shí)的干燥速率比對(duì)照組分別提高了2.1、2.0、1.7倍。CHEN等[9]研究了單極板高壓電場(chǎng)下干燥馬鈴薯片，發(fā)現(xiàn)在高壓電場(chǎng)下厚度4 mm馬鈴著片的干燥速率比對(duì)照組提高2.5倍，厚度8 mm的馬鈴薯片提高了2.1倍。DING等[10]用高壓電場(chǎng)干燥胡蘿卜片，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜素比對(duì)照組提高了11.53%。HASHINA等[11]研究了高壓電場(chǎng)下干燥蘋果片的特性，發(fā)現(xiàn)在高壓電場(chǎng)干燥時(shí)，干燥速率快，物料溫度恒定，不產(chǎn)生任何新的化合物。TAGHIAN等[13]用高壓電場(chǎng)干燥蘑菇，通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)高壓電場(chǎng)干燥的蘑菇片存在明顯的細(xì)胞組織坍塌，證明高壓電場(chǎng)對(duì)物料表面結(jié)構(gòu)有較大影響，進(jìn)而可能對(duì)一些干燥特性和干燥品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，如提高物料干燥速率以及提高物料的復(fù)水率等。許多學(xué)者對(duì)描述高壓電場(chǎng)干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了初步研究[10，14]，但至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)關(guān)于直流高壓電場(chǎng)干燥枸杞的詳細(xì)報(bào)道，缺少對(duì)單一物料進(jìn)行全面、細(xì)致、系統(tǒng)的研究。

為了探索高速、高效、節(jié)約能源的枸杞干燥技術(shù)，本文對(duì)枸杞在直流高壓電場(chǎng)下干燥進(jìn)行全面、細(xì)致、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，探索枸杞干燥特征和品質(zhì)，并建立枸杞干燥模型，為枸杞直流高壓電場(chǎng)干燥的過(guò)程控制、預(yù)測(cè)及枸杞制品的工業(yè)化生產(chǎn)干燥工藝提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

海信冰箱(青島)；賽多利斯BS124S型電子天平(德國(guó))；Sh10A型水分快速測(cè)定儀(上海)；溫度計(jì)；濕度計(jì)；高壓靜電場(chǎng)干燥裝置。

高壓電場(chǎng)干燥裝置如圖1所示，主要由YD(JZ)-1.5/50型高壓電源、KZX-1.5KVA型控制柜(武漢)和高壓電場(chǎng)系統(tǒng)組成。YD(JZ)-1.5/50型高壓電源可以輸出直流高壓。KZX-1.5KVA型控制柜可以調(diào)節(jié)電壓范圍：直流電壓為0～70 kV。高壓電場(chǎng)系統(tǒng)由2個(gè)極板組成：上極板為多針電極(64 cm×40 cm)，針狀電極用不銹鋼金屬絲鏈接，接高壓電源，針長(zhǎng)為2 cm，針與針之間的距離在橫向和縱向上都為4 cm；下極板為不銹鋼平板(84 cm×44 cm)，接地，下極板與地之間接微安表，測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極間的電流，針尖與下極板之間的距離為10 cm。

圖1 高壓電場(chǎng)干燥裝置Fig.1 Equipment diagrams of high voltage electric field drying1.溫度計(jì) 2.濕度計(jì) 3.樣品 4.接地電極 5.電極 6.高壓電源 7.控制柜 8.微安表

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

枸杞鮮果購(gòu)自內(nèi)蒙古呼和浩特市托縣枸杞種植戶，從樹(shù)上采摘后直接放在冰箱中4℃冷藏，備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在溫度為(25±2)℃、相對(duì)濕度為(30±5)%、風(fēng)速為0 m/s的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從冰箱中挑選成熟飽滿、大小均勻的枸杞鮮果，除去葉柄，進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)前預(yù)處理。將其浸泡在300 mL、溫度為60℃、5%的碳酸鈉溶液中，10 min后撈出，瀝干。將實(shí)驗(yàn)預(yù)處理好的枸杞鮮果取出一少部分放入Sh10A型水分快速測(cè)定儀測(cè)定初始含水率。另取相同的2份分別放在針-板電極直流高壓電場(chǎng)下和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下做干燥實(shí)驗(yàn)。電壓分別為22、28、34、40、45 kV。每隔1 h用電子天平記錄一次枸杞質(zhì)量，然后根據(jù)含水率和干燥速率公式計(jì)算不同時(shí)間內(nèi)的含水率和干燥速率。實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)表示。

當(dāng)?shù)剞r(nóng)民多采用日曬和干燥箱的干燥方式，將日曬和干燥箱干燥的枸杞產(chǎn)品、高壓電場(chǎng)干燥的枸杞產(chǎn)品拍照，進(jìn)行比較。

1.4 測(cè)量項(xiàng)目

1.4.1 枸杞果實(shí)含水率

含水率計(jì)算公式為

mg=m0(1-M0)

(1)

(2)

(3)

式中mg——枸杞果實(shí)干質(zhì)量，gm0——枸杞果實(shí)初始質(zhì)量，gmi——第i小時(shí)時(shí)枸杞果實(shí)質(zhì)量，gM0——枸杞果實(shí)初始含水率Mi——第i小時(shí)時(shí)枸杞果實(shí)含水率Me——枸杞果實(shí)平衡含水率MR——枸杞果實(shí)水分比

1.4.2 枸杞果實(shí)的干燥速率

干燥速率計(jì)算公式為

(4)

式中DR——干燥速率，h-1Mt——t時(shí)刻的枸杞果實(shí)含水率Mt+Δt——t+Δt時(shí)刻的枸杞果實(shí)含水率

1.4.3 復(fù)水率

為計(jì)算枸杞果實(shí)在針-板電極直流高壓電場(chǎng)中干燥的復(fù)水率，將干燥后的枸杞放入37℃的恒溫水中浸泡7 h，然后將枸杞果實(shí)撈出，用濾紙擦干表面水分后用賽多利斯BS124S型電子天平測(cè)量枸杞果實(shí)復(fù)水前后質(zhì)量變化[10]。枸杞復(fù)水率計(jì)算公式為

(5)

式中ma——枸杞復(fù)水后質(zhì)量， gmb——枸杞復(fù)水前質(zhì)量，g

1.4.4 收縮率

枸杞鮮果和枸杞干果體積分別用排水法測(cè)定,收縮率計(jì)算公式為

(6)

式中V0——枸杞鮮果體積，cm3Vf——枸杞干果體積，cm3

1.4.5 多糖和維生素C含量

將枸杞分成2份，分別放在高壓電場(chǎng)干燥系統(tǒng)和干燥箱中進(jìn)行干燥，電壓取34 kV，干燥箱溫度為50℃。將高壓直流電場(chǎng)干燥系統(tǒng)和干燥箱中干燥過(guò)的枸杞各取5 g，用超聲波輔助的苯酚-硫酸法測(cè)量枸杞多糖的含量；再各取5 g，用碘滴定法測(cè)量維生素C的含量。

1.4.6 傳質(zhì)增強(qiáng)因子(蒸發(fā)增強(qiáng)因子)

傳質(zhì)增強(qiáng)因子是指直流高壓電場(chǎng)干燥的舍伍德數(shù)與對(duì)照組的舍伍德數(shù)的比值[15]。傳質(zhì)增強(qiáng)因子以及舍伍德數(shù)的計(jì)算公式為[16]

(7)

(8)

其中

ΔC=C0-C∞

(9)

(10)

ρ——空氣密度

φ——相對(duì)濕度

P——大氣壓強(qiáng)

Pg——飽和水蒸氣壓強(qiáng)

1.4.7 水分有效擴(kuò)散系數(shù)

用Fick第二定律計(jì)算干燥過(guò)程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)。Fick第二定律為

(11)

式中M——干基含水率t——時(shí)間，sDeff——水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間干燥過(guò)程，MR<0.6，方程可以表示為[10]

(12)

式中L——枸杞鮮果層的厚度，m

兩邊取對(duì)數(shù)后，式(12)可以寫為

(13)

1.4.8 數(shù)學(xué)模型與統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表1給出了10個(gè)常用于描述薄層物料干燥動(dòng)力學(xué)的半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。非線性擬合分析用于求出每個(gè)模型的常數(shù)與參數(shù)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括約化卡方值χ2、均方根誤差ERMS、決定系數(shù)R2。用這些參數(shù)作為選取最適合描述干燥動(dòng)力學(xué)方程的參考標(biāo)準(zhǔn)。R2值越大，χ2、ERMS值越小，越適合描述物料干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型[10,17]。

表1 用于模擬干燥曲線的數(shù)學(xué)模型

1.4.9 能量消耗

在高壓直流電場(chǎng)下干燥枸杞，單位能耗即蒸發(fā)1 kg水所需要的能量，計(jì)算公式為

(14)

式中EEHD——單位能耗V——電壓I——電流mt——枸杞含水率達(dá)到17%時(shí)的質(zhì)量tt——干燥過(guò)程所用的時(shí)間

1.4.10 微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)

將枸杞分成2份，分別放在高壓電場(chǎng)干燥系統(tǒng)和環(huán)境中進(jìn)行干燥，電壓取34 kV，環(huán)境作為對(duì)照組。用S3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)直流高壓電場(chǎng)和對(duì)照組枸杞干制品表面進(jìn)行掃描，觀察高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞表面結(jié)構(gòu)的影響。

1.4.11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析、單因素方差分析和多元回歸分析采用Excel軟件，繪圖與非線性回歸分析采用Origin軟件。用單因素方差分析計(jì)算枸杞干燥速率、含水率、復(fù)水率、收縮率、傳質(zhì)增強(qiáng)因子和水分有效擴(kuò)散系數(shù)等數(shù)據(jù)的差異性。結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 干燥方法對(duì)枸杞產(chǎn)品的影響

圖2是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民日曬、干燥箱干燥和高壓電場(chǎng)干燥的枸杞產(chǎn)品照片。進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)高壓電場(chǎng)干燥的枸杞產(chǎn)品比日曬和干燥箱干燥的顏色鮮紅，干燥均勻。

圖2 不同干燥方法得到的枸杞產(chǎn)品Fig.2 Effects of drying methods on wolfberry products

2.2 不同直流電壓下枸杞干燥速率

干燥速率是衡量一種干燥技術(shù)的重要指標(biāo)，圖3是干燥速率隨枸杞干基含水率變化的曲線圖。由圖可見(jiàn)，在直流高壓電場(chǎng)下枸杞的干燥速率明顯大于對(duì)照組，而且隨著電壓的增加枸杞的干燥速率也隨著增加，前5 h電壓為45、40、34、28、22 kV下的干燥速率分別是對(duì)照組的2.79、2.40、2.05、1.77、1.58倍。同時(shí)干燥速率隨干基含水率的減小而下降，當(dāng)枸杞在直流高壓電場(chǎng)干燥下含水率下降到一定程度時(shí)，干燥速率開(kāi)始低于對(duì)照組的干燥速率。在45 kV電壓下干燥時(shí)當(dāng)干基含水率下降到低于37%，對(duì)照的干基含水率下降到低于114%時(shí)，干燥速率與對(duì)照組相比開(kāi)始減??；在40 kV電壓下干燥時(shí)當(dāng)干基含水率下降到低于20%，對(duì)照的干基含水率下降到低于76%時(shí)，干燥速率與對(duì)照組相比開(kāi)始減小。

圖3 不同直流電壓下枸杞干燥速率的變化曲線Fig.3 Variation curves of drying rate of Chinese wolfberry treated at different direct voltages

2.3 不同直流電壓下枸杞水分比

圖4是水分比隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可知，直流高壓電場(chǎng)干燥下的水分比曲線均位于對(duì)照組曲線的下方，并且電壓高的曲線均位于電壓低的曲線下方。也就是說(shuō)，在直流高壓電場(chǎng)干燥下，枸杞鮮果水分蒸發(fā)比對(duì)照組要快，并且電壓越高水分蒸發(fā)越快。單因素方差分析顯示45 kV和40 kV電壓處理與對(duì)照組之間存在極顯著差異(p<0.01)，34 kV電壓處理與對(duì)照組之間存在顯著差異(p<0.01)，28 kV和22 kV電壓處理與對(duì)照組之間存在顯著差異(p<0.05)，45 kV與40 kV和34 kV電壓處理與對(duì)照組之間不存在顯著差異(p>0.05)，45 kV與28 kV和22 kV電壓處理與對(duì)照組之間存在極顯著差異(p<0.01)。

圖4 不同直流電壓下枸杞水分比的變化曲線Fig.4 Variation curves of moisture ratio of Chinese wolfberry treated at different direct voltages

2.4 不同電壓下復(fù)水率

復(fù)水是指干制品吸收水分后復(fù)原的過(guò)程，復(fù)水性也反映了干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，復(fù)水率越高，說(shuō)明干燥對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組織破壞程度越小，干制品的品質(zhì)越好[27]。圖5為在針-板電極不同直流電壓下復(fù)水率的變化規(guī)律，對(duì)照組的復(fù)水率最低，為0.857。在直流電壓45、40、34、28、22 kV下的復(fù)水率分別是對(duì)照組復(fù)水率的1.71、1.72、1.72、1.64、1.59倍。單因素方差分析表明，在直流電壓45、40、34、28、22 kV下的復(fù)水率與對(duì)照組存在顯著性差異，但是直流高壓電場(chǎng)下干燥的復(fù)水率之間不存在顯著性差異(p>0.05)。TAGHIAN等[13]在研究高壓電場(chǎng)干燥蘑菇的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在高壓電場(chǎng)中干燥的蘑菇有很高的復(fù)水率，并隨著電壓的增加而增加。TAGHIAN等[13]認(rèn)為在高壓電場(chǎng)作用下，物料形成多空結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致物料有較高的復(fù)水率。

圖5 不同直流電壓對(duì)復(fù)水率的影響Fig.5 Effect of different voltages on rehydration rate of dried Chinese wolfberry fruits

2.5 不同電壓下收縮率

圖6 不同直流電壓對(duì)收縮率的影響Fig.6 Effect of different voltages on shrinkage rate of dried Chinese wolfberry fruits

由圖6可見(jiàn)，在針-板電極下直流電壓為45、40、34、28、22、0 kV時(shí)收縮率分別為0.672 76、0.701 75、0.761 48、0.720 23、0.691 04、0.735 81。單因素方差分析顯示，高壓電場(chǎng)干燥的收縮率和對(duì)照組沒(méi)有顯著性差異。ESEHAGHBEYGI等[12]研究高壓電場(chǎng)和微波干燥香蕉時(shí)得到了與本實(shí)驗(yàn)類似的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在6、8、10 kV/cm高壓電場(chǎng)下干燥香蕉，其收縮率不存在顯著性差異。說(shuō)明收縮率與物料本身的性質(zhì)有關(guān)。

2.6 直流高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞內(nèi)部多糖和維生素C含量的影響

枸杞多糖是枸杞果肉的最有效成分之一，是枸杞調(diào)節(jié)免疫、延緩衰老的主要活性成分。維生素 C 是人體所必需的一類營(yíng)養(yǎng)元素。多糖和維生素C的保存狀況可以作為枸杞營(yíng)養(yǎng)成分評(píng)價(jià)指標(biāo)。表2為直流高壓電場(chǎng)和干燥箱干燥后枸杞內(nèi)部多糖和維生素C含量(質(zhì)量比)。由表2可知，高壓直流電場(chǎng)對(duì)枸杞多糖和維生素C的含量均比干燥箱的高，更能保留枸杞有效成分，高壓直流電場(chǎng)下枸杞多糖和維生素C含量分別比干燥箱提高11.93%和 1.7%。 枸杞多糖和維生素C含量容易受到溫度的影響，高壓電場(chǎng)干燥過(guò)程中物料溫度不升高，不會(huì)破壞枸杞的營(yíng)養(yǎng)成分，進(jìn)而提高干制品的品質(zhì)。

表2 直流高壓電場(chǎng)和干燥箱干燥后枸杞內(nèi)部的多糖和維生素C含量

2.7 不同直流電壓下傳質(zhì)增強(qiáng)因子分析

枸杞鮮果在針-板電極不同直流電壓下的傳質(zhì)增強(qiáng)因子變化見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，傳質(zhì)增強(qiáng)因子隨著電壓的升高而增強(qiáng)，并呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。單因素方差分析表明，在電壓為22、28、34、40、45 kV下的傳質(zhì)增強(qiáng)因子之間差異極顯著(p<0.01)，這說(shuō)明在針-板電極直流電場(chǎng)干燥枸杞的過(guò)程中，水分蒸發(fā)效果隨著電壓的增加效果也越來(lái)越顯著。LAI等[16]在研究利用線板電極和針板電極下高壓電場(chǎng)增強(qiáng)水分蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)增強(qiáng)因子隨著電壓的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)。

圖7 不同直流電壓下枸杞鮮果的傳質(zhì)增強(qiáng)因子比較Fig.7 Comparison of mass transfer enhancement factor under different voltages

本實(shí)驗(yàn)中高電壓使針極板的針尖端放電，將與針尖端帶電性相反的離子“吹”向每個(gè)針尖下方的物料，產(chǎn)生離子風(fēng)。當(dāng)離子風(fēng)作用在潮濕物料表面時(shí)，帶電離子與水分子發(fā)生碰撞，使得水分子動(dòng)能增加，水分蒸發(fā)加快，從而物料附近的空氣濃度變低，擾亂空氣飽和度，起到干燥效果。隨著高電壓的升高，尖端放電加強(qiáng)，空氣中的離子數(shù)增加，風(fēng)量加大，這樣加速了物料表面水分子的運(yùn)動(dòng)，不斷產(chǎn)生的離子風(fēng)使物料表面空氣的濕度降低，加大了物料表面空氣濕度梯度，使水分子更加有利于從物料表面脫離出來(lái)，進(jìn)而提高傳質(zhì)增強(qiáng)因子。所以電壓越高，傳質(zhì)增強(qiáng)因子也越大。

2.8 水分有效擴(kuò)散系數(shù)分析

在針-板電極，0、22、28、34、40、45 kV電壓下，枸杞內(nèi)部的水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)分別為2.91×10-10、3.83×10-10、4.48×10-10、5.98×10-10、7.35×10-10、9.90×10-10m2/s?？梢钥闯觯卺?板電極直流電場(chǎng)作用下，枸杞內(nèi)部的水分有效擴(kuò)散系數(shù)明顯高于對(duì)照組，且隨著電壓的升高而升高。說(shuō)明在干燥過(guò)程中直流高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞內(nèi)部水分遷移起到了一定作用。單因素方差分析表明，在 22、28、34 kV時(shí)枸杞內(nèi)部的水分有效擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)照組差異顯著(p<0.05)，在40 kV和45 kV時(shí)枸杞內(nèi)部的水分有效擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)照組差異極顯著(p<0.01)。DING等[10]在研究電流體動(dòng)力學(xué)干燥胡蘿卜片的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)在電流體動(dòng)力學(xué)干燥過(guò)程中的胡蘿卜片內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)高于對(duì)照組，且電壓對(duì)其有很大影響。說(shuō)明高壓電場(chǎng)能夠影響物料內(nèi)部的有效擴(kuò)散系數(shù)，從而提高物料的干燥速率。

2.9 數(shù)學(xué)模型

由表3可知，所選的10個(gè)模型的決定系數(shù)(R2)均在0.97以上，而且決定系數(shù)(R2)相差不大，這表明以上模型都可以用來(lái)描述枸杞在高壓電場(chǎng)下的干燥特征。Lewis模型R2在0.972 83～0.993 34之間變化，在所有模型中其R2最小，并且ERMS和χ2分別在0.028 188～0.051 853、0.000 812～0.002 766之間變化，均值最大，因此，Lewis模型擬合效果最差。而Midill and Kucuk模型R2在0.998 07～0.999 88之間變化，在所有模型中其R2最大，最接近1，并且ERMS和χ2分別在0.002 744～0.011 932、0.000 08～0.001 59之間變化，均值最小，因此，Midill and Kucuk模型擬合效果最好。圖8反映了水分比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Midill and Kucuk模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間的比較。由圖可知，水分比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制成的曲線與由Midill and Kucuk模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)所繪制成的曲線形成一條非常接近斜率為1的直線，進(jìn)一步證明Midill and Kucuk模型非常適合針-板電極和直流高電壓條件干燥曲線的擬合。

2.10 能量消耗

在針-板電極，直流電壓為22、28、34、40、45 kV下干燥枸杞使其含水率均達(dá)到17%時(shí)，單位能耗和干燥總平均時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖9。由圖9可知，隨著電壓的增加，單位能耗也增加，即電壓越高其干燥速率也越大，但是電壓越高所需要的能量也越多，能耗與電壓之間的關(guān)系是增函數(shù)，但不是線性關(guān)系。在45 kV下干燥枸杞的能量消耗明顯比其他電壓的能量消耗多。干燥總平均時(shí)間隨著電壓的增加而下降。TAGHIAN等[31]在用高壓電場(chǎng)和熱風(fēng)組合系統(tǒng)干燥蘑菇片時(shí)，也發(fā)現(xiàn)單位能耗隨著電壓的增加而增加。由圖9還可以發(fā)現(xiàn)，干燥時(shí)間和單位能耗有交點(diǎn)，說(shuō)明在直流高壓電場(chǎng)干燥枸杞過(guò)程中，以單位能耗和干燥時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，電壓參數(shù)取值應(yīng)該在這個(gè)交點(diǎn)附近，即在35 kV與36 kV之間效率較高。

2.11 微觀結(jié)構(gòu)

由圖10可以看出，高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞表面微觀結(jié)構(gòu)具有一定的影響。可以看到對(duì)照組組織結(jié)構(gòu)緊密且規(guī)整，而高壓電場(chǎng)干燥后的枸杞表面規(guī)整度受到破壞，且有個(gè)別的小孔洞；呈現(xiàn)出不規(guī)則結(jié)構(gòu)，孔洞較小且少。微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)印證了高壓電場(chǎng)干燥確實(shí)能夠改變枸杞表面的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響枸杞的干燥速度和品質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)在直流高壓電場(chǎng)下枸杞的干燥速率明顯大于對(duì)照組，而且干燥速率隨著電壓的增加而增加，說(shuō)明直流高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞的干燥效果有明顯提高，但是隨著電壓的增加，單位能耗也增加。

(2)直流高壓電場(chǎng)下干燥的枸杞，復(fù)水率明顯高于對(duì)照組，且復(fù)水率與電壓呈增函數(shù)關(guān)系。高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞的收縮率影響不大，單因素方差分析顯示沒(méi)有顯著性差異。相比于干燥箱，高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞多糖和維生素C有更好的保存，提高干制品的品質(zhì)。傳質(zhì)增強(qiáng)因子隨著電壓的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。枸杞鮮果的水分有效擴(kuò)散系數(shù)明顯高于對(duì)照組，且隨著電壓的升高而升高。高壓電場(chǎng)能夠影響枸杞表面的微觀結(jié)構(gòu)。

表3 水分比和時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖8 實(shí)驗(yàn)水分比數(shù)據(jù)與Midill and Kucuk模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.8 Comparison of experimental moisture ratio with predicted value of Chinese wolfberry fruit samples from Midill and Kucuk model

圖9 不同直流電壓下的能量消耗和干燥總平均時(shí)間Fig.9 Specific energy consumption and total drying time under different voltages

圖10 高壓電場(chǎng)對(duì)枸杞表面微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.10 Effect of high electric field on microstructures of Chinese wolfberry fruit samples

(3)用10個(gè)模型對(duì)高壓電場(chǎng)干燥枸杞的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)這些模型均能用來(lái)描述高壓電場(chǎng)干燥曲線的變化規(guī)律。其中Midill and Kucuk模型最適合描述高壓電場(chǎng)干燥曲線的變化規(guī)律。

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Drying Characteristics and Mathematical Models of Chinese Wolfberry in DC High Voltage Electric Field

DING Changjiang YANG Maosheng

(CollegeofScience,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Huhhot010051,China)

Aiming to explore the new drying technology of Chinese wolfberry, improve the quality of dried Chinese wolfberry, and find suitable mathematical model, the drying experiments were carried out for Chinese wolfberry fruits with a multiple needle-to-plate electrode at 0 kV, 22 kV, 28 kV, 34 kV, 40 kV and 45 kV at the same temperature and humidity in DC high voltage electric field. The shrinkage rate, rehydration rate, polysaccharides and vitamin C content of the dried wolfberry fruits were measured. The mass transfer enhancement factor, the effective moisture diffusion coefficient (Deff) and the specific energy consumption were also calculated. Ten mathematical models were then applied to simulate drying curves based on three statistical parameters. The results showed that the drying rate of Chinese wolfberry fruits in the DC high voltage electric field was higher than that of the control. Under the same voltage, the drying rate of the Chinese wolfberry was gradually changed with the prolonging of drying time. The drying rate and specific energy consumption were increased with the increase of voltage. By ANOVA, the results showed that Chinese wolfberry fruits in the DC high voltage electric field had a significant effect on rehydration rate compared with control (p<0.05), but there were no significant differences in shrinkage rate of dried Chinese wolfberry fruits (p>0.05). DC high voltage electric field drying could keep more polysaccharides and vitamin C content compared with oven drying. The mass transfer enhancement factor was heightened with the increase of voltage, and the effective moisture diffusion coefficient (Deff) values were increased with the increase of voltage. It was clear that all ten mathematical models could satisfactorily describe drying curves of Chinese wolfberry fruits treated by DC high voltage electric field. From the statistical result, the Midill and Kucuk model was selected as the best model to represent the drying characteristics of Chinese wolfberry fruits in the DC high voltage electric field. Microstructure detection indicated that the microstructure of Chinese wolfberry fruits was changed in the DC high voltage electric field. Those results may provide some clues and practical guidance for optimizing the process of drying Chinese wolfberry fruits in DC high voltage electric field drying system, improving the drying efficiency and promoting the development of Chinese wolfberry fruits drying technology.

Chinese wolfberry fruits; high voltage electric field drying; drying rate; rehydration rate; mathematical models

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.040

2016-10-09

2016-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51467015)和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)基金項(xiàng)目(ZD201311)

丁昌江(1978—)，男，教授，博士，主要從事高壓電場(chǎng)干燥和電磁生物效應(yīng)研究，E-mail： ding9713@163.com

S375； S567.1+9

A

1000-1298(2017)06-0302-10