黃 敬

朱文學(xué)

劉云宏

羅 磊

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

基于Weibull分布函數(shù)的百合真空遠(yuǎn)紅外干燥過程模擬及應(yīng)用

黃 敬

朱文學(xué)

劉云宏

羅 磊

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

為了探究百合的真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥的干燥特性，研究紅外輻射板溫度、干燥室壓力和物料厚度三因素對百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：提高輻射板溫度、減小干燥室壓力和物料厚度，均能明顯縮短干燥時(shí)間，提高干燥速率；Weibull分布函數(shù)能夠很好地模擬百合的真空遠(yuǎn)紅外干燥過程(R2=0.995 3～0.999 7)；尺度參數(shù)α與輻射板溫度極顯著相關(guān)(P<0.01)，并隨輻射板溫度的升高而降低；形狀參數(shù)β與干燥室壓力及物料厚度有關(guān)；百合在干燥過程中的水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal在0.401 3×10-9～1.307 5×10-9m2/s，干燥的活化能Ea為55.130 3 kJ/mol，小于熱風(fēng)干燥的活化能86.911 2 kJ/mol；降低干燥室壓力有利于總酚含量的保持。輻射板溫度140 ℃、干燥室壓力12 kPa時(shí)百合干制品色澤良好。研究結(jié)果可為百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥加工提供理論依據(jù)。

百合；真空遠(yuǎn)紅外干燥；Weibull分布函數(shù)

百合(LiliumbrowniiF.E.Browniivar.ViridulumBaker.) 為百合科百合屬植物的干燥肉質(zhì)鱗葉[1]，是藥食兩用植物，具有較高的藥食用價(jià)值[2-3]。新鮮百合極易褐變腐敗，不易長期貯藏，而干燥可以減緩腐敗微生物的生長和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而延長百合的保質(zhì)期，利于運(yùn)輸和貯藏。百合的傳統(tǒng)干燥方法為熱風(fēng)干燥，干燥耗時(shí)長且干燥過程中極易發(fā)生褐變。干燥時(shí)間長短主要取決于物料內(nèi)部傳質(zhì)傳熱的難易程度，加快干燥過程中的質(zhì)熱傳遞速率、降低水分?jǐn)U散的阻力，將有利于縮短干燥時(shí)間、提高干燥速率[4]。

遠(yuǎn)紅外干燥是一種輻射干燥，其發(fā)射的紅外線可穿入物料表面1～3 mm，使高分子和水等物質(zhì)共振吸收，其內(nèi)能顯著增加，從而達(dá)到快速干燥的目的。且紅外干燥具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。真空干燥技術(shù)是利用低壓迫使物料中的水分在較低的溫度下沸騰而蒸發(fā)，可使加工后的物料保持良好的色、香、味，但真空干燥速率慢，排濕困難[7]。真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥結(jié)合了真空的無氧和遠(yuǎn)紅外的非接觸加熱、物料受熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，使物料中具有氧敏性和熱敏性的有效成分得以保持，并能顯著提高干燥速率、縮短干燥時(shí)間[8-9]。目前，已有洋蔥[10]、荔枝[11]、玉米[12]的真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥的研究，研究結(jié)果表明真空遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)能較好地保持產(chǎn)品的色澤和品質(zhì)。目前，未見關(guān)于百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥的相關(guān)報(bào)道。

Weibull分布函數(shù)具有適用性廣、覆蓋性強(qiáng)的特點(diǎn)，近年來多被用來描述物料的干燥過程[13-15]。為提高百合的干燥速率和干制品品質(zhì)，本研究擬采用真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)對新鮮百合進(jìn)行干燥處理，探討輻射板溫度與真空度對百合干燥特性及其總酚含量與色澤的影響，利用Weibull分布函數(shù)建立百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥的動力學(xué)模型，計(jì)算百合干燥過程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能，以期為新鮮百合干燥加工的預(yù)測、調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)所用百合為蘭州百合，購買于河南省洛陽市欒川縣，剝片后根據(jù)百合片狀大小分為邊片、中片、心片，其平均厚度分別為(3.13±0.12)，(2.74±0.08)，(2.05±0.11) mm，百合干基含水率采用105 ℃烘箱法測量，初始干基含水率平均值為(4.19±0.05) g/g。試驗(yàn)前將百合置于(4.0±0.5) ℃的冰箱中保存；

沒食子酸：HPLC≥98%，上海源葉生物科技有限公司；

福林酚試劑：分析純，上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司；

甲醇：分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

真空遠(yuǎn)紅外干燥試驗(yàn)裝置：自制；

數(shù)控超聲波清洗儀：KQ-500DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

電子分析天平：FA1004型，美國雙杰兄弟集團(tuán)有限公司；

紫外-可見分光光度計(jì)：UV2400型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器廠；

色差儀：colori5型，美國 X-rite 愛色麗公司；

高速離心機(jī)：DZ30-32C6型，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

新鮮百合鱗莖剝片除去外層、清洗，取大小均勻的鱗片作為試驗(yàn)原料。將試驗(yàn)用的百合于100 ℃沸水中燙漂45 s進(jìn)行滅酶，隨后取出于冷水中冷卻并瀝干水分。干燥時(shí)，每組試驗(yàn)取200 g百合，均勻平鋪在真空遠(yuǎn)紅外干燥箱中的物料盤上。試驗(yàn)中物料盤距離輻射板10 cm，百合的干燥方式有3種：① 固定干燥室壓力為12 kPa，物料厚度為2.74 mm，輻射板溫度分別為100，120，140，160，180 ℃；② 固定輻射板溫度為140 ℃，物料厚度為2.74 mm，干燥室壓力分別為0.8，12.0，40.0 kPa；③ 固定輻射板溫度為140 ℃，干燥室壓力為12 kPa，物料厚度分別為2.05，2.74，3.13 mm。每次試驗(yàn)前均預(yù)熱30 min。每隔30 min測一次質(zhì)量，直至百合干基含水率降到0.15 g/g以下時(shí)，結(jié)束干燥。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

1.4.1 水分比的計(jì)算方法 干燥過程中百合含水率按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：

M——百合含水率，g/g；

mt——t時(shí)刻百合的總質(zhì)量，g；

md——絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4.2 Weibull函數(shù)對干燥曲線的模擬 Weibull分布函數(shù)表達(dá)方式見式(2)。

(2)

式中：

MR——水分比，%；

α——尺度參數(shù)，min；

β——形狀參數(shù)；

t——干燥時(shí)間，min。

用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、離差平方和χ2來衡量擬合程度，計(jì)算公式：

(3)

(4)

(5)

式中：

MRexp,i——干燥試驗(yàn)的第i個(gè)水分比；

MRpre,i——模型預(yù)測的第i個(gè)水分比；

N——試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；

z——函數(shù)中參數(shù)的個(gè)數(shù)。

1.4.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)及活化能的計(jì)算 運(yùn)用Fick擴(kuò)散方程計(jì)算干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)時(shí)，由于樣品的平衡含水率很小，在水分比計(jì)算中可忽略不計(jì)，所以(Mt-Me)/(M0-Me)可近似為Mt/Me。

(6)

式中：

MR——水分比，%；

Mt——t時(shí)刻含水率，g/g；

Me——平衡含水率，g/g；

M0——初始含水率，g/g。

將式(7)左右兩端分別求對數(shù)，可得：

(7)

式中：

MR——水分比，%；

Deff——有效擴(kuò)散系數(shù)， m2/s；

L——樣品厚度，m；

t——時(shí)間，s。

Weibull分布函數(shù)可以估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)Dcal，其對水分遷移特點(diǎn)可不計(jì)，計(jì)算公式：

(8)

式中：

Dcal——有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/min；

L——百合的厚度，m；

α——尺度參數(shù)，min。

估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)Dcal和水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的關(guān)系式：

(9)

式中：

Rg——幾何參數(shù)。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff與溫度(T+273.15)的相關(guān)性遵循Arrhenius關(guān)系，計(jì)算公式為：

(10)

式中：

D0——Arrhenius方程的指數(shù)前因子，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，kJ/(mol·K)；

T——物料干燥溫度，℃。

將式(9)代入式(10)中，然后取對數(shù)，可得到：

(11)

在不同的干燥溫度下，對lnDcal與1/(T+273.15)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合直線的斜率來計(jì)算活化能Ea。

1.5 總酚含量的測定

參照文獻(xiàn)[16]，修改如下：取0.1 mL樣品于試管中，隨后加入4.9 mL福林酚試劑(用蒸餾水稀釋10倍)，反應(yīng)30 min，加入1.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的碳酸鈉，在760 nm處測量吸光度。用mg沒食子酸/g干基表示樣品中總酚含量。

1.6 色差值的測定

利用色差儀檢測[17]。在每個(gè)待測樣品表面上選取3個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行檢測，根據(jù)測量數(shù)據(jù)的平均值可得到亮度(L*)值、紅綠(a*)值及黃藍(lán)(b*)值。色澤變化通常用色差ΔE表示，按式(12)計(jì)算：

(12)

式中：

ΔE——樣品的色差值；

L*、a*、b*——干燥樣品的色澤值；

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)均平行3次，利用Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。利用DPSv 7.05軟件，采用新復(fù)極差法分析顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻射板溫度對百合干燥的影響

由圖1可知，隨著輻射板溫度的增加，百合干燥到所需含水率耗時(shí)逐漸減小，干燥速率逐漸增大。輻射板溫度分別為100，120，140，160，180 ℃時(shí)干燥耗時(shí)分別為660，570，480，300，240 min，干燥耗時(shí)縮短幅度分別為13.64%，27.27%，54.54%，63.64%。遠(yuǎn)紅外輻射的能量透過干燥介質(zhì)作用到被加熱干燥的物料，使其內(nèi)部分子因吸收遠(yuǎn)紅外輻射能而運(yùn)動加劇，物料內(nèi)部溫度因此快速上升，同時(shí)物料內(nèi)部的水分在溫度梯度的推動下，由內(nèi)向外移動，即物料內(nèi)部水分的熱擴(kuò)散與濕擴(kuò)散處于正向的最佳狀態(tài)，從而加速水分的蒸發(fā)與擴(kuò)散[18]。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，遠(yuǎn)紅外輻射板發(fā)射能力與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比[19]。因此，輻射板溫度越高，遠(yuǎn)紅外輻射板的發(fā)射能力越強(qiáng)，傳遞給物料的熱流量越大，干燥時(shí)間越短。張靜等[11]和徐鳳英等[10]的真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥研究也表明增加輻射強(qiáng)度或升高輻射溫度有利于提高干燥速率、縮短干燥耗時(shí)，與本文結(jié)果一致。

圖1 不同輻射板溫度下百合的干燥曲線Figure 1 Drying curves of lily at different radiation heater’s temperature

在物料初始溫度相同的情況下，干燥結(jié)束時(shí)測量物料的表面溫度可知，遠(yuǎn)紅外輻射板溫度分別為100，120，140，160，180 ℃時(shí)對應(yīng)的物料表面溫度分別為(51.0±0.9)，(55.0±1.2)，(60.0±0.7)，(64.0±0.5)，(70.0±1.0) ℃，進(jìn)一步說明升高遠(yuǎn)紅外輻射板溫度有利于物料的受熱。當(dāng)輻射板溫度升為180 ℃時(shí)，需240 min就能達(dá)到干燥終點(diǎn)，但部分干制品邊緣開始出現(xiàn)焦化現(xiàn)象，說明遠(yuǎn)紅外輻射板溫度升高能夠?qū)崿F(xiàn)快速干燥，但會加劇物料的酶促褐變和美拉德反應(yīng)等生化反應(yīng)的發(fā)生[20]。當(dāng)輻射板溫度為100 ℃時(shí)，傳給物料的熱流量減少，導(dǎo)致干燥速率較低，干燥耗時(shí)需660 min。即降低板溫，干燥耗時(shí)延長。因此輻射板溫度最好在100～180 ℃。

2.2 干燥室壓力對百合干燥的影響

由圖2可知，隨著干燥室壓力的降低，干燥速率增加，但干燥室壓力的影響不如輻射板溫度顯著。壓力從40 kPa降到0.8 kPa時(shí)，干燥時(shí)間從420 min縮短到360 min，縮短幅度為14.28%，即干燥室壓力對干燥速率的影響較小，說明百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥的過程中內(nèi)部擴(kuò)散阻力為水分遷移和汽化的主要影響因素。干燥過程中百合內(nèi)部的水分先擴(kuò)散到表面，在真空條件下，水的沸點(diǎn)降低，易變成蒸汽，再依靠物料內(nèi)外蒸汽壓差進(jìn)入空間并被抽走[18]。雖然干燥室壓力越低，水的沸點(diǎn)溫度越低，越易蒸發(fā)，但實(shí)際生產(chǎn)中壓力越低，干燥時(shí)消耗的能量越多，百合干制品的生產(chǎn)成本越高，因此，可確定隨后試驗(yàn)的壓力范圍為12～40 kPa。

圖2 不同干燥室壓力下百合的干燥曲線Figure 2 Drying curves of lily at different pressure

2.3 物料厚度對百合干燥的影響

由圖3可知，隨著物料厚度的增加，干燥速率較小，干燥時(shí)間變長。物料厚度越大，溫度梯度變化越大，且傳熱傳質(zhì)路徑加大，所以干燥時(shí)間也增加，但由于遠(yuǎn)紅外單向輻射加熱技術(shù)發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線一般只能穿入物料1～3 mm[19]，因此真空條件下，透過穿透厚度以下熱量傳遞需通過傳導(dǎo)，而物料越厚，熱傳導(dǎo)的阻力越大，傳導(dǎo)速率越低，干燥耗時(shí)越長。所以，為有效地利用干燥設(shè)備及保持干制品的品質(zhì)，在百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥中，要將不同厚度的百合分開干燥。

圖3 不同物料厚度下百合的干燥曲線Figure 3 Drying curves lily bulbs atdifferent material thickness

2.4 基于Weibull分布函數(shù)的干燥過程模擬

利用Weibull函數(shù)對百合真空遠(yuǎn)紅外干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表1～3。由表1可知，函數(shù)擬合的決定系數(shù)R2的范圍為0.995 3～0.999 7，均方根誤差RMSE的范圍為4.71×10-4～8.01×10-3，離差平方和χ2范圍為2.62×10-5～3.82×10-4。因此，Weibull分布函數(shù)可準(zhǔn)確描述百合的真空遠(yuǎn)紅外干燥過程。

尺度參數(shù)α的數(shù)值約等于干燥過程中水分比降低到37%時(shí)所用的時(shí)間，可以用來表示干燥過程的快慢[21]，α值

表1 不同輻射板溫度條件下Weibull模擬結(jié)果?Table 1 Weibull model simulation result at different infrared radiation heater’s temperature

? 干燥室壓力為12 kPa，物料厚度為2.74 mm。

表2 不同干燥室壓力條件下Weibull模擬結(jié)果?Table 2 Weibull model simulation result at different pressure of drying chamber

? 輻射板溫度為140 ℃，物料厚度為2.74 mm。

表3 不同物料厚度條件下Weibull模擬結(jié)果?Table 3 Weibull model simulation result at different thickness of materials

? 輻射板溫度為140 ℃，干燥室壓力為12 kPa。

越小，干燥時(shí)間越短。由表1可知，不同輻射板溫度條件下α在95.696 3～311.794 3，且輻射板溫度與α值極顯著相關(guān)(P<0.01)，輻射板溫度越高α值越小，當(dāng)輻射板溫度從100 ℃升到180 ℃時(shí)，α值減少69.3%，說明增加輻射板壓力可以明顯提高干燥速率；由表2可知，干燥室壓力從40 kPa降到0.8 kPa時(shí)，α值從163.363 5 min降到141.851 7 min，可見尺度參數(shù)α值隨著干燥室壓力的降低而減小，但干燥室壓力對α值影響不顯著(P>0.1)；由表3可知，物料厚度減小，α值也相應(yīng)減小，且物料厚度對α值影響不顯著(P>0.1)。

形狀參數(shù)β與物料在傳質(zhì)過程中開始階段的速率有關(guān)。由表1～3可知，本研究中β值的范圍為1.108 5～1.230 8，β值稍大于1，說明百合真空遠(yuǎn)紅外干燥存在前期延滯階段；不同參數(shù)對β值影響均不顯著(P>0.1)，且無明顯規(guī)律，說明不同輻射板溫度、干燥室壓力和物料厚度下百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥具有相同的水分?jǐn)U散機(jī)制。這與白竣文等[13]和劉云宏等[22]的研究結(jié)果一致。

2.5 百合真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能的計(jì)算

干燥過程中水分的遷移過程較為復(fù)雜，通過試驗(yàn)方法測量和計(jì)算干燥過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff，對描述物料干燥特征及優(yōu)化干燥工藝有重要的意義。常用的Fick第二定律計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)僅限于始終處于降速的物料干燥過程，因此限制了其使用范圍。而Weibull分布函數(shù)應(yīng)用在干燥中可估算出過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，且不用考慮物料水分遷移的特點(diǎn)。Madamba等[23]認(rèn)為大多數(shù)食品材料的有效擴(kuò)散系數(shù)在10-11～10-9m2/s。有效水分?jǐn)U散系數(shù)是表征干燥過程中水分遷移速度快慢的參數(shù)，其值越大，表明水分?jǐn)U散能力越強(qiáng)、干燥速率越快。不同干燥條件下百合真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程的Deff和Dcal值見表4～6。由表4～6可知，Deff值在0.522 2×10-10～1.686 6×10-10m2/s，Dcal值在0.401 3×10-9～1.307 5×10-9m2/s，且輻射板溫度與Deff、Dcal極顯著相關(guān)(P<0.01)，輻射板溫度越高，有效水分?jǐn)U散系數(shù)越大，與劉云宏[20]研究結(jié)果一致。物料厚度對Deff影響不顯著，對Dcal影響顯著(P<0.05)。而干燥室壓力減小Deff、Dcal均增大，但影響不大。

干燥活化能表示物料在干燥過程中脫除單位水分所需的能量。干燥活化能可反應(yīng)物料干燥難易程度、估算干燥能耗。有研究[24]表明，干燥活化能與物料的品種、成分和組織狀態(tài)等有關(guān)，而與干燥方式和干燥參數(shù)等外界條件無關(guān)。百合真空遠(yuǎn)紅外干燥的活化能Ea見圖4。由式(11)計(jì)算出其活化能為55.130 3 kJ/mol(R2=0.996 6)，小于百合熱風(fēng)干燥的活化能86.911 2 kJ/mol。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可能是不同的干燥方法及工藝對百合的組織狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有不同影響，從而間接影響干燥活化能。

表4 百合干燥過程中不同輻射板溫度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能?

Table 4 Effective moisture diffusion coefficient and activation energy of lily drying at different infrared radiation heater’s temperature

輻射板溫度/℃Deff/(10-10m2·s-1)Dcal/(10-9m2·s-1)Ea/(kJ·mol-1)1000.52220.40131200.65790.56431401.05360.827155.13031601.37261.05461801.68661.3075

? 干燥室壓力為12 kPa，物料厚度為2.74 mm。

表5 百合干燥過程中不同干燥室壓力下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能?

Table 5 Effective moisture diffusion coefficient and activation energy of lily drying at different pressure of drying chamber

干燥室壓力/kPaDeff/(10-10m2·s-1)Dcal/(10-9m2·s-1)0.81.16200.882112.01.05360.827140.00.93800.7659

? 輻射板溫度為140 ℃，物料厚度為2.74 mm。

表6 百合干燥過程中不同物料厚度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能?

Table 6 Effective moisture diffusion coefficient and activation energy of lily drying at different thickness of materials

物料厚度/mmDeff/(10-10m2·s-1)Dcal/(10-9m2·s-1)2.050.68860.51032.741.05360.82713.131.16190.9733

? 輻射板溫度為140 ℃，干燥室壓力為12 kPa。

圖4 水分?jǐn)U散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線Figure 4 Relation curves of calculated moisture diffusion coefficient and drying temperatures

2.6 總酚含量的變化

酚類化合物是百合鱗莖主要的有效成分之一，具有保護(hù)組織免受氧化作用的損害、增強(qiáng)免疫功能、抗衰老、抑制膽固醇升高等作用，在干燥過程中應(yīng)盡可能地提高總酚的保持率。不同輻射板溫度及干燥室壓力下百合片干燥產(chǎn)品中總酚含量見圖5。由圖5可知，總酚含量的范圍在1.82～2.72 mg/g。固定物料厚度為2.74 mm，在相同的干燥室壓力下，總酚含量隨輻射板溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在新鮮百合中，細(xì)胞組織中的酚類物質(zhì)較穩(wěn)定，在真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中，輻射板溫度較低(100 ℃)時(shí)，較長的干燥時(shí)間導(dǎo)致酚類物質(zhì)發(fā)生氧化分解；隨著輻射板溫度的升高，干燥時(shí)間明顯縮短，酚類物質(zhì)發(fā)生氧化和降解的時(shí)間也相應(yīng)減少，最終表現(xiàn)為含量升高；但當(dāng)輻射板溫度過高(160，180 ℃)時(shí)，高溫易導(dǎo)致酚類物質(zhì)的變性，也不利于酚類物質(zhì)的保持。從圖5還可以看出，輻射板溫度一定時(shí)，干燥室壓力降低一定程度上有利于百合干制品中酚類物質(zhì)的保留，但干燥室壓力對百合干制品中酚類物質(zhì)的保留影響不顯著。

2.7 色澤的變化

干燥后的色度對農(nóng)產(chǎn)品有很實(shí)際意義[25]。在不同輻射板溫度、干燥室壓力條件下百合色澤參數(shù)見表7～8，其中L*值反映百合干亮度值，a*值反映百合干的紅綠度，b*值反映百合干的黃藍(lán)度，在一定范圍內(nèi)L*值越大越好，a*、b*值越小越好。由表7可知，干燥室壓力一定時(shí)，輻射板溫度對百合的亮度L*值有顯著影響，輻射板溫度為120 ℃時(shí)，L*值最大；由表8可知，輻射板溫度一定時(shí)，亮度L*值隨干燥室壓力的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，干燥室壓力為0.8 kPa和12 kPa時(shí)亮度L*值差異顯著，40 kPa時(shí)L*值較小。隨著輻射板溫度和干燥室壓力的上升，a*值和b*值都逐漸增大，可能是百合中多酚氧化酶引起的酶促褐變反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，所以溫度越高，褐變越嚴(yán)重，同時(shí)輻射板溫度及干燥室壓力的增加，也促進(jìn)非酶褐變，加劇百合的褐變。ΔE為總色差，其值越小表示干制品色澤與鮮樣色澤差異越小，由表7可知，當(dāng)干燥室壓力相同時(shí)，輻射板溫度為100 ℃和140 ℃時(shí)ΔE值較小且差異不顯著；由表8可知，當(dāng)輻射板溫度相同時(shí)，干燥室壓力升高，ΔE值逐漸增大，但12 kPa和40 kPa時(shí)總色差ΔE差異不顯著。所以在百合的真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中，輻射板溫度在140 ℃左右，干燥室壓力在12 kPa左右時(shí)，可保證百合干制品色澤良好。

圖5 不同輻射板溫度及干燥室壓力下百合的總酚含量Figure 5 Total phenol content of lily at different radiation heater’s temperature and pressure表7 不同輻射板溫度條件下百合色澤參數(shù)?Table 7 Color parameter of lily at different radiation heater’s temperature

輻射板溫度/℃L*a*b*ΔE10077.72±0.66c-0.92±0.14c1.73±0.09d19.91±0.66d12083.36±0.05a-0.18±0.16b4.26±0.29c25.75±0.08a14077.77±0.03c-0.10±0.02b4.40±0.20c20.26±0.06d16081.72±0.64b0.03±0.03b6.57±0.01b24.56±0.63b18078.00±0.11c1.43±0.03a10.44±0.06a22.40±0.07c

? 干燥室壓力為12 kPa，物料厚度為2.74 mm；不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表8 不同干燥室壓力條件下百合色澤參數(shù)?Table 8 Color parameter of lily at different pressure

? 輻射板溫度為140 ℃，物料厚度為2.74 mm；不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論

(1) 干燥速率與紅外輻射板溫度及干燥室壓力密切相關(guān)，升高輻射板溫度與降低干燥室壓力均可加快物料內(nèi)部水分?jǐn)U散，從而提高物料干燥速率，縮短干燥時(shí)間。

(2) 通過Weibull分布函數(shù)對干燥曲線進(jìn)行模型擬合，擬合的決定系數(shù)R2值均在0.995以上，RMSE、χ2值均較小，說明Weibull分布函數(shù)能夠較好地預(yù)測百合的真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中水分比變化規(guī)律。尺度參數(shù)α隨著輻射板溫度的升高和干燥室壓力的降低而相應(yīng)減小，形狀參數(shù)β隨干燥室壓力的降低和物料厚度的減小而增大，但對其的影響均不顯著。估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal在0.401 3×10-9～1.307 5×10-9m2/s，有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff在0.522 2×10-10～1.686 6×10-10m2/s，且均隨輻射板溫度的升高、干燥室壓力的降低及物料厚度的減小而增大，根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算出在干燥室壓力為12 kPa、物料厚度為2.74 mm時(shí)，百合真空遠(yuǎn)紅外干燥的活化能為55.130 3 kJ/mol，小于熱風(fēng)干燥的活化能(86.911 2 kJ/mol)。

(3) 在相同干燥室壓力和物料厚度下，隨著輻射板溫度的升高，總酚含量基本呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在相同輻射板溫度下，降低干燥室壓力會提高總酚含量。輻射板溫度為140 ℃、干燥室壓力為12 kPa時(shí)總色差ΔE值較小。本試驗(yàn)為百合的真空遠(yuǎn)紅外干燥模型提供理論支撐，同時(shí)也可為其干燥條件的選擇和干燥設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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Siroulation and application on Vacuum Far-Infrared Radiation Drying of Lily Based on Weibull Distribution Function

HUANGJing

ZHUWen-xue

LIUYun-hong

LUOLei

(CollegeofFoodandBioengineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Louyang,Henan471003,China)

To research the influence factors of each parameter in the Weibull distribution function, with lily at different infrared radiation heater’s temperature, different pressure of drying chamber and different thickness of materials being taken as subjects, Weibull distribution function was used to simulate and analyze the dynamic curve of lily. The results showed that Weibull distribution function could simulate the vacuum far-infrared drying process well (R2=0.995 3～0.999 7 ); the size parameterαof the model was significantly correlated with the infrared radiation heater’s temperature (P<0.01). The scale parameterβof the model was related to the pressure of the drying chamber and the materials’ thickness, while temperature did not have significant influence on it; the diffusion coefficient of moisture during drying process ranges was between 0.401 3×10-9～1.307 5×10-9m2/s and the activation energy of lily during vacuum far-infrared drying process was calculated, equal to 55.130 3 kJ/mol, less than the hot air drying 86.911 2 kJ/mol. Reducing the pressure of the drying chamber does good to keeping the content of the total phenol; both the infrared lily can keep good color in radiation heater’s temperature of 140 ℃ and the pressure of the drying chamber of 12 kPa.

Lily; Vacuum far-infrared radiation drying; Weibull distribution model

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：31171723)

朱文學(xué)(1967—)，男，河南科技大學(xué)教授，博士。 E-mail：zwx@haust.edu.cn

2017—03—04

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.014