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(齊齊哈爾大學食品與生物工程學院,黑龍江齊齊哈爾 161006)

百合熱風干制動力學的研究

王存堂,張譯心,李夢

(齊齊哈爾大學食品與生物工程學院,黑龍江齊齊哈爾161006)

為了探討熱風溫度對百合熱風干制動力學的影響,分別將百合鱗片和百合切絲置于65～85 ℃ 的熱風干燥箱內(nèi)進行干制處理,并采用5種常見食品薄層干燥模型對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合,通過比較評價決定系數(shù)(R2)、卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定百合薄層熱風干燥過程的最優(yōu)模型。結果表明:百合薄層熱風干燥是內(nèi)部水分擴散控制的降速干燥過程。Page 模型是描述百合薄層熱風干燥過程的最優(yōu)模型。不同干燥條件下有效水分擴散系數(shù)Deff和活化能Ea的求解結果表明,有效水分擴散系數(shù) Deff隨熱風溫度升高而增加,在干制溫度范圍內(nèi),百合切絲有效擴散系數(shù)的值在7.73～14.12×10-9m2/s之間變化,而百合鱗片有效擴散系數(shù)的值在4.12～9.49×10-9m2/s之間變化。對于百合切絲和百合鱗片,活化能Ea分別為30.37和42.42 kJ/mol。百合切絲干制能縮短干制時間,減少能量消耗。

百合,熱風干燥特性,薄層干燥模型,有效水分擴散系數(shù),活化能

Abstract:In this study,lily was dried as thin-layers in the ranges of 65～85 ℃ of drying temperature in a hot-air dryer. The effect of drying hot-air temperature on the drying kinetics was analyzed. Five different dynamic models were fitted nonlinearly by using the drying test data of lily and the best suitable model was selected by comparing the values of the correlation coefficient(R2),the reduced chi-square(χ2)and the root mean square error(RMSE).The results showed that drying process of lily scales and sliced lily occurred in the falling rate period,and the moisture transfer was controlled by internal diffusion. The Page model was the best suitable to descript the relationship of lily moisture and drying time by hot-air drying.The effective moisture diffusion coefficient(Deff)and the activation energy(Ea)were also obtained by experiments under different conditions,the values of Deffwould increase with the addition of drying temperature,Deffvalues changed from 7.73 to 14.12×10-9m2/s for shred lily,while Deffvalues changed from 4.12 to 9.49×10-9m2/s for lily scales within the given temperature range. An Arrhenius relation with Eavalues of 42.42 and 30.37 kJ/mol for lily scales and shredded lily expressed the effect of shred on the diffusivity. Shredded lily could short drying time and reduce energy consumption.

Keywords:lily;hot-air drying characteristics;thin layer drying model;effective moisture diffusion coefficient(deff);activation energy(ea)

百合是百合科百合屬種和品種的統(tǒng)稱,是重要的食用、藥用和觀賞植物[1]。百合是多年生宿根草本植物,其食用部分由100多片肉質(zhì)鱗片包合,有“百片合成”之意而得名。百合在中國栽培歷史悠久,目前規(guī)模栽培的食用百合主要有蘭州百合、卷丹百合和川百合[2]?，F(xiàn)代分析表明,百合主要含秋水仙堿等多種生物堿和蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、鈣、磷、鐵及VC、VB1、VB2、β-胡蘿卜素等營養(yǎng)物質(zhì),具有良好的藥理功效[3]。中醫(yī)認為,百合味甘微苦,性平,入心,肺經(jīng),有潤肺止咳,清心安神之功,可用于熱病后余熱未清,虛煩驚悸,神志恍惚和肺癆久咳、咳血,肺膿瘍等[4]。

鮮百合含水率高一般為70%～80%,貯藏保鮮難度大,脫水干制是百合加工貯藏的一個重要方法。但干燥過程中物料的物理化學變化特別是褐變直接影響到產(chǎn)品的最終品質(zhì)[5]。百合的傳統(tǒng)干燥方法是利用日曬或炭火烘烤,其中炭火烘烤只適宜分散小批量烘烤,且火候難控制,耗時長,費工多,易烤焦。而近年來采用的烘干房雖克服了傳統(tǒng)烘烤的缺點,但占地面積大,建造要求高且干燥時間長,在百合采收旺季,其加工量遠遠滿足不了市場的需求[6]。為了縮短干制時間,提高產(chǎn)品質(zhì)量的均一性,物料切片后再經(jīng)熱風干制被廣泛應用在果蔬的脫水干制加工中。干制過程的數(shù)學模型的研究可以用來設計新的或者改進現(xiàn)有的干制體系,進而能夠控制干制過程。目前,已有國內(nèi)外學者利用經(jīng)驗模型研究了各種果蔬的干制數(shù)學模型,如荔枝[7]、綠豌豆[8]、蘋果片[9]等。然而關于百合熱風薄層干制數(shù)學模型方面的研究鮮見報道。因此,在本實驗中將百合進行熱風干制,考察熱風干燥溫度和切絲處理對百合干燥過程的影響,利用實驗數(shù)據(jù)進行模型擬合,比較和篩選常見的5種薄層干燥模型,建立百合鱗片和切絲薄層干燥動力學模型,計算不同干燥條件下的有效水分擴散系數(shù)Deff和活化能 Ea,以期能較準確地預測百合熱風干燥過程中水分變化規(guī)律和干燥速率,為百合干燥加工提供理論指導。

表1 百合干制使用的經(jīng)典薄層干制數(shù)學模型Table 1 Thin-layer drying models used for mathematical of drying of lily

注:k,n,a,b均為待定系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

百合 采購于齊齊哈爾市建華區(qū)農(nóng)貿(mào)市場,選擇新鮮、大小均勻,色澤潔白,無機械傷和病蟲害的樣品。

數(shù)顯101A-2型電熱鼓風干燥箱 上海浦東榮豐科學儀器有限公司;BS222S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理 預先將百合鱗片剝離,清洗,瀝干后,分為兩部分分別用以整片干制和于切絲干制(寬度3 mm)。將樣品進行燙漂(100 ℃,2 min),后取出瀝干水分,備用[8]。

1.2.2 薄層干制 實驗采用薄層干制的方法,將瀝干后的百合鱗片和百合切絲分別在三個溫度65、75和85 ℃下進行干燥實驗。熱風干燥箱預先升溫至設定溫度后,將100 g 樣品單層平鋪置于鐵絲網(wǎng)上,置于干燥箱內(nèi)干制。每隔10 min 記錄一次重量變化(水分損失情況),精確至0.01 g,每次稱重不超過20 s,直至前后2次重量差小于2 mg。此時切片水分含量為平衡水分含量(Me)。實驗重復三次,并計算平均值[9]。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 含水率的測定 105 ℃恒溫干燥法[10]。

1.2.3.2 水分比率計算(Moisture Ratio,MR)[7]

式(1)

式中,M是任意時刻的水分含量(g water/g dry matter);M0是初始水分含量(g water/g dry matter);Me是平衡水分含量(g water/g dry matter);

當干制時間較長時,與M或M0相比,Me的值比較小,可以忽略不計。故式(1)可以簡化為M/M0。

1.2.3.3 干燥速率計算(Drying Rate,DR)[7]

式(2)

式中,Mt+dt:t+dt 時刻的水分含量(kg water/kg dry matter);t:干燥某一時刻 t(min);Mt:t時刻的水分含量。

1.2.3.4 水分有效擴散系數(shù)(Deff)計算 生化產(chǎn)品干制特征水分下降速率通常采用Fick擴散方程來描述。在實際計算中,對于長時間的干制過程,Fick擴散方程的解可以簡化為公式(3)[10]:

式(3)

式中,Deff是水分有效擴散系數(shù)(m2/s);L0是切片厚度的二分之一(m)。以ln(MR)為縱坐標,干燥時間t為橫坐標做直線方程,根據(jù)直線方程的斜率可計算水分有效擴散系數(shù)。

1.2.3.5 活化能(Ea)的計算 水分擴散系數(shù)與溫度之間的關系可以用簡化的阿倫尼烏斯方程來表示,其方程如下[10]:

式(4)

式中，D是阿倫尼烏斯方程中的實驗因數(shù)(m2/s);Ea是活化能(kJ/mol);R是氣體常數(shù)(8.314 kJ/mol·K);T是絕對溫度(K)。

活化能計算是將Deff的自然對數(shù)與干燥絕對溫度的倒數(shù)做一條直線,根據(jù)此直線的斜率,然后計算就可得到活化能,計算公式如下[10]:

式(5)

1.2.4 數(shù)學模型擬合 為了選擇合適的數(shù)學模型描述百合的干燥過程,本實驗利用常見的5個經(jīng)驗薄層干燥模型方程分別描述百合的干燥曲線。表1所示為經(jīng)驗薄層干燥的MR模型方程。

利用OriginPro 8.5軟件進行模型的非線性回歸,使用下述統(tǒng)計檢驗指標來評價數(shù)學模型的預測值與實驗值的擬合程度,并給出決定系數(shù)R2。其中最好的描述物料薄層干燥模型的統(tǒng)計分析參數(shù)是決定系數(shù)R2最大,且卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)最小。其中χ2和 RMSE 根據(jù)以下方程計算[10]:

式(6)

式(7)

在上述方程中,MRexp,i和 MRpre,i分別為實驗的MR和預測的MR,N為觀測點的數(shù)量,z 為干制數(shù)學模型中常數(shù)的數(shù)量。

2 結果與討論

2.1 百合熱風干制特性曲線

干制特性曲線是MR與干制時間之間的關系曲線,它表明了物料水分含量隨干制時間的延長而下降的過程[13]。百合切絲與鱗片在不同干制溫度下的MR與干制時間的干制特性曲線如圖1所示，百合干制的MR隨時間增加而逐漸下降。熱風溫度對整片與切絲百合的MR影響顯著。在干制溫度分別為 65、75、85 ℃干制條件下,百合切絲達到平衡水分的時間分別為320、250、180 min,而百合鱗片獲得平衡水分的時間分別為510、320、270 min。在選定的干制溫度下(65～85 ℃),增加熱風溫度及切絲處理均可縮短干制時間。熱風干制溫度的升高可以顯著而降低物料干制時間,如白蘿卜片[11]、茄子片[15]、蘋果渣[16]、南瓜片[17]等干制。

圖1 百合在不同干制溫度和切片厚度下的薄層干制曲線Fig.1 Thin-layar drying curves of lily at different temperature and slice thickness of lily注:A:切絲;B:鱗片;圖2～圖4同。

百合切絲后干制,與65 ℃相比,75 ℃和85 ℃分別縮短時間28%和77.78%。百合鱗片干制時,與65 ℃相比,75 ℃和85 ℃分別縮短時間37.25%和47.06%。在干制溫度分別為65、75、85 ℃時,百合切絲與鱗片干制相比,分別縮短了時間59.37%、28%、50%,即切絲處理縮短干制時間,這是因為切片厚度小,水分轉(zhuǎn)移距離縮短,并且樣品蒸發(fā)表面積增加。相似的結果在蘋果切片[12]和茄子片干制[15]的研究中也被報道。

2.2 干制溫度和切絲處理對百合干制速率的影響

百合熱風干制速率根據(jù)式(2)計算。對于百合整鱗片和切絲,其干制速率隨水分含量的變化見圖2。

圖2 百合在不同干制溫度和切片厚度下的干制速率曲線Fig.2 The dry rate curves of different dry temperature and slice thickness of lily

在干制初期,干制速率迅速到達最高點,然后開始持續(xù)下降,并直至達到平衡水分,百合干制并沒有出現(xiàn)恒速干燥階段,經(jīng)歷短暫的升速期以后即進入降速干燥階段。這主要是因為百合在干制過程中,表面的水分擴散速率大于物料內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移速率,水分擴散過程很快,是以擴散為主要的水分蒸發(fā)過程,這與許多果蔬物料干制過程相似,如梨切片[10]、荔枝[13]、豇豆[18]等。當干制百合切絲時,在70 min的干制時間以內(nèi),溫度越高,干制速率越大,在70 min以后的干制時間里,溫度越高,干制速率越小;當干制百合鱗片時,在100 min的干制時間以內(nèi),溫度越高,干制速率越大,在100 min以后的干制時間里,溫度越高,干制速率越小。這主要是因為在干制后期,水分含量越低時,干制的速率越小,結合水分越難以除去。在干制后期,采用其他干制方式如微波干制處理,加快后期水分蒸發(fā)的速率,從而縮短干制的時間。

2.3 熱風干燥模型

干燥實驗的水分含量數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為MR,然后根據(jù)式(1)計算MR,作為模型擬合的原始數(shù)據(jù)。然后根據(jù)表1的經(jīng)驗薄層干燥模型擬合,從而選擇合適的百合熱風干燥模型。根據(jù)不同模型的統(tǒng)計結果以及R2、χ2和RMSE的值,得出擬合度較高的數(shù)學模型(表2)。評價標準如下:最優(yōu)的薄層干燥模型要求最高的R2,最低的χ2和RMSE的值[9]。對于所有的干燥實驗,其擬合參數(shù)R2,χ2和RMSE的值變化范圍分別為0.9961～0.9999,0.62×10-5～32.99×10-5,2.03×10-3～18.16×10-3。

表2 不同薄層干制模型所模擬的統(tǒng)計結果Table 2 Statistical results obtained from various thin-layer drying models

從表2可知,從Page方程模型計算得到的R2最大,χ2和RMSE最小,擬合度較高,能很好地描述百合的薄層干制過程。

圖3對比了百合切絲和百合鱗片干制溫度為65、75、85 ℃時,由Page方程預測和實驗數(shù)據(jù)的MR,可以看出預測的MR曲線和實驗的MR之間是非常吻合的。

圖3 利用Page模型擬合的MR值和實驗MR值Fig.3 Experimental and predicted moisture ratio obtained using the Page model

2.4 水分有效擴散系數(shù)計算

不同物料狀態(tài)的百合干制時的有效擴散系數(shù)通過對公式(3)的斜率計算,如表3所示。

表3 百合在不同干制溫度和切片厚度下的有效擴散系數(shù)(m2/s)Table 3 Values of effective diffusivity attained at various air temperatures on hot-air drying of lily(m2/s)

百合切絲在不同溫度下的干制過程中的水分有效擴散系數(shù)時的范圍為7.73～14.12×10-9(m2/s),百合鱗片干制時水分有效擴散系數(shù)為4.12～9.49×10-9(m2/s)。水分有效擴散系數(shù)的值隨干制溫度的增加而增加(p<0.05)。而當將百合切絲處理后時,其有效擴散系數(shù)也顯著增加(p<0.05)。其他的研究也證實了此結果,如蘋果切片[9]、蘋果渣[16]、南瓜切片[17]和大蒜切片[19]。食品物料的有效擴散系數(shù)一般均在10-11～10-9的范圍之內(nèi)[11]。

2.5 活化能計算

活化能是非活化分子轉(zhuǎn)化為活化分子所需吸收的能量,計算可用阿倫尼烏斯方程求解。阿倫尼烏斯方程反應出化學反應速率常數(shù)K隨溫度變化的關系?；罨苡嬎闶菍eff的自然對數(shù)與干制絕對溫度的倒數(shù)(1/T)做一條直線,由此直線的斜率計算出活化能,如圖4所示。

圖4 有效擴散系數(shù)與干制絕對溫度的Arrhenius-type線性關系Fig.4 Arrhenius-type relationship between the effective diffusivity and absolute temperature

經(jīng)計算得出,百合切絲和百合鱗片干制時的活化能分別為30.37和42.42 kJ/mol。食品物料在干制時的活化能一般在15～50 kJ/mol[22]。百合的熱風干制活化能與其他文獻中的數(shù)據(jù)比較接近,如綠豌豆(35.43 kJ/mol)[8]、梨切片(44.78 kJ/mol)[10]和棗切片(36.76 kJ/mol)[14],比蘋果切片(19.96～22.62 kJ/mol)[9]、紅薯切片[20](22.7～23.2 kJ/mol)的高,但是明顯低于南瓜切片(78.93 kJ/mol)[17]。

3 結論

在百合干制過程中,提高熱風溫度、切絲處理均可促使干制速率加快,干制時間縮短。在干制溫度(65～85 ℃)的范圍內(nèi),產(chǎn)品色澤均發(fā)生輕微褐變,并且褐變程度相近,因此干制時可選擇85 ℃的高溫處理,縮短干制的時間。百合熱風干燥沒有恒速干燥階段,在經(jīng)過短暫的加速期后即進入減速干燥階段。干制后期水分蒸發(fā)量減小,干制速率減慢,需經(jīng)過“緩蘇”一段時間后進行干制,從而減少能量消耗。從百合干制過程中活化能數(shù)據(jù)來看,為了減少能耗,加快干制速率,適應不同的食用要求,在生產(chǎn)實踐時可采用較高的熱風溫度和切絲處理,進行干制?？衫脭M合所得的Page模型的常數(shù)參數(shù),進行預測干制過程中水分蒸發(fā)的情況,為生產(chǎn)實踐提供數(shù)據(jù)支撐。

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Hot-airdryingkineticsoflily

WANGCun-tang,ZHANGYi-xin,LIMeng

(College of Food and Biological Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

TS255.1

A

1002-0306(2017)18-0074-06

2017-02-07

王存堂(1980-),男,博士,副教授,主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏方面的研究,E-mail:robbertwang@163.com。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.015