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        漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥特性影響

        2018-06-06 08:05:05張振濤楊魯偉王瑞祥
        農(nóng)機(jī)化研究 2018年5期
        關(guān)鍵詞:擴(kuò)散系數(shù)模型研究

        苑 亞,張振濤,楊魯偉,王瑞祥,魏 娟,肖 波

        (1.北京建筑大學(xué) 北京市SEB工程技術(shù)中心,北京 100044;2.中國(guó)科學(xué)院 理化技術(shù)研究所,北京 100190)

        0 引言

        洋蔥(Allium cepa L.)是我國(guó)主要的農(nóng)產(chǎn)品之一,具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1]。干燥處理可以有效地延長(zhǎng)洋蔥的儲(chǔ)存時(shí)間,減少了質(zhì)量和體積,降低儲(chǔ)藏和運(yùn)輸成本[2]。預(yù)處理可以提高干燥速率[3-4]及干燥品質(zhì)[5-6]、降低干燥能耗和干燥成本。康彥等[7]研究了碳酸鉀和橄欖油混合液浸泡對(duì)無核白葡萄干燥特性的影響,預(yù)處理顯著提高了干燥速率和物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)。郭婷等[8]報(bào)道了凍融預(yù)處理對(duì)甘薯干燥特性具有重要影響,凍融預(yù)處理顯著提高干燥速率,降低干燥周期。滕竹竹等[9]提出了漂燙預(yù)處理顯著提高了茄子的熱風(fēng)干燥速率,降低干燥周期。

        為提高干燥效率、保證干燥質(zhì)量,描述干燥過程物料干燥特性的數(shù)學(xué)模型具有重要意義。關(guān)于洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性研究已被大量報(bào)道[10-12],但關(guān)于預(yù)處理對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。Sarsavadia[13]等建立了描述鹽水(5% NaCl)預(yù)處理洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的數(shù)學(xué)模型。諸愛士[14]研究了漂燙預(yù)處理洋蔥丁干燥特性,但尚未研究漂燙條件對(duì)干燥特性影響以及沒有分析漂燙預(yù)處理提高干燥速率的機(jī)理。王正民等[15]研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片干燥過程的影響,但是缺乏漂燙洋蔥片的干燥數(shù)學(xué)模型、水分有效擴(kuò)散系數(shù)的研究,以及漂燙預(yù)處理提高干燥速率的機(jī)理。

        本文研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性影響,研究了漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)溫度對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥過程的影響規(guī)律,并與未處理、鹽水預(yù)處理做了對(duì)比,建立了描述漂燙預(yù)處理洋蔥片干燥特性的Page模型和待定系數(shù)k、n與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系式,且計(jì)算了有效擴(kuò)散系數(shù)。

        1 試驗(yàn)與方法

        1.1 材料

        新鮮的白洋蔥,購于北京市五道口卜蜂蓮花超市。

        1.2 儀器

        DHG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱范圍(北京北方利輝試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司);SB-202A型電子天平(盛博電子衡器有限公司);CFXB20-902B型漂燙設(shè)備(廣東省湛江市家用電器工業(yè)有限公司);PT3002型電子溫度計(jì)(美德時(shí)儀器儀表有限公司)。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 漂燙預(yù)處理

        將大小均勻、無損傷、新鮮的白洋蔥剝?nèi)ネ鈱颖∑ぃ逑春髾M切片,洋蔥片的厚度為5 mm(工業(yè)加工一般為3~6mm[16]),選取直徑約為60~100mm、厚度為5mm、40g的洋蔥片作為試驗(yàn)材料。干燥前洋蔥片漂燙預(yù)處理將準(zhǔn)備好的試驗(yàn)材料放在紗網(wǎng)內(nèi),在設(shè)定溫度的水浴中進(jìn)行漂燙預(yù)處理,一定漂燙時(shí)間后,用紗網(wǎng)取出洋蔥片,用濾紙除去其表面的水,并對(duì)漂燙預(yù)處理后洋蔥片的質(zhì)量進(jìn)行稱重,研究漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的影響。

        1.3.2 干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        為研究漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性的影響,本文選取漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)溫度作為試驗(yàn)因素,分別對(duì)洋蔥片進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。每次試驗(yàn),按照試驗(yàn)方案表(見表1)將單層洋蔥片均勻地平攤在120mm180mm網(wǎng)狀物料盤上,然后將物料盤放入設(shè)定好溫度的干燥箱(恒風(fēng)速1.5m/s),物料盤位于干燥箱中心位置。試驗(yàn)開始后,每隔10min對(duì)樣本進(jìn)行稱重一次,為減少稱重對(duì)干燥過程的影響,在稱重前關(guān)閉干燥箱風(fēng)機(jī),稱重時(shí)間約為10~15s,當(dāng)連續(xù)兩次稱重相差小于0.01g試驗(yàn)結(jié)束。在每組試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)干燥的樣本進(jìn)行溫度為105℃熱風(fēng)干燥,干燥時(shí)間為24h,得到洋蔥片的干基質(zhì)量。

        表1 干燥試驗(yàn)方案

        1.4 干燥速率

        干燥速率(Drying rate,DR)為[17]

        (1)

        式中DRt—t時(shí)刻洋蔥片的干燥速率[kg/(kg·min)];

        Xt+dt—t+dt時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg);

        Xt—t時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)。

        1.5 干燥模型

        本次洋蔥片熱風(fēng)干燥試驗(yàn)屬于薄層干燥,三種常用的薄層干燥模型(見表2)被選取對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,選用相關(guān)系數(shù)R2、卡方χ2和均方根誤差RMSE來評(píng)判擬合結(jié)果的優(yōu)劣,數(shù)學(xué)表達(dá)式為[18]

        (2)

        (3)

        (4)

        式中MRpre,i—水分比預(yù)測(cè)值;

        MRexp,i—水分比試驗(yàn)測(cè)定值;

        MRe—水分比試驗(yàn)測(cè)定值的平均值;

        N—數(shù)據(jù)數(shù)目;

        n—模型參數(shù)個(gè)數(shù)。

        表2 薄層干燥模型

        1.6 有效擴(kuò)散系數(shù)

        根據(jù)Fick第二定律,薄層洋蔥片內(nèi)水分可簡(jiǎn)化為[22]

        (5)

        式中Deff—有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);

        L—洋蔥片的厚度(m);

        t—干燥時(shí)間(s)。

        水分比(Moisture ratio,MR)為

        (6)

        式中Xt—t時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg);

        X0—初始時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg);

        Xe—洋蔥片的平衡干基含水率(kg/kg)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 洋蔥片熱風(fēng)干燥特性

        2.1.1 漂燙預(yù)處理

        洋蔥經(jīng)80℃熱水漂燙處理1min會(huì)發(fā)生不可逆膜損傷[23]。在70、80、90 ℃漂燙預(yù)處理1min,40 g洋蔥片分別下降到38.42、35.55、35.33g,可知隨著漂燙溫度的升高,洋蔥片的質(zhì)量變化率變大。果蔬組織中水分的90%存在于細(xì)胞中[24],漂燙預(yù)處理造成洋蔥片失水,可能是由漂燙預(yù)處理損傷洋蔥片內(nèi)細(xì)胞組織,造成細(xì)胞內(nèi)的水分流失。

        在65℃熱風(fēng)條件下,新鮮洋蔥片、鹽水預(yù)處理洋蔥片和漂燙預(yù)處理洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示。相對(duì)與未處理和經(jīng)鹽水預(yù)處理,漂燙預(yù)處理顯著地增加了洋蔥片的干燥速率,可能是由于漂燙預(yù)處理損傷洋蔥片內(nèi)細(xì)胞組織,降低了干燥過程洋蔥片內(nèi)水分?jǐn)U散阻力。因此,漂燙預(yù)處理可以顯著提高洋蔥片的干燥速率。

        (a) 干燥曲線

        (b) 干燥速率曲線圖1 預(yù)處理對(duì)干燥過程影響Fig.1 Effect of pre-treatment on the drying characteristic

        2.1.2 漂燙溫度對(duì)干燥特性的影響

        在65℃熱風(fēng)條件下,經(jīng)70、80、90℃熱水漂燙預(yù)處理1min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。由圖2可知:經(jīng)70、80、90℃漂燙預(yù)處理洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段,隨著漂燙溫度的升高,干燥速率逐漸增加,干燥周期降低。

        (a) 干燥曲線

        (b) 干燥速率曲線圖2 漂燙溫度對(duì)干燥特性的影響Fig.2 Effect of blanched temperature on the drying characteristic

        2.1.3 漂燙時(shí)間干燥特性的影響

        在65 ℃熱風(fēng)條件下,經(jīng)90℃熱水漂燙預(yù)處理1、2、3min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。由圖3可知:經(jīng)1、2、3min漂燙洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段;但隨著漂燙時(shí)間增加,干燥速率變化不顯著,這與文獻(xiàn)結(jié)論相悖[14]。

        2.1.4 風(fēng)溫對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的影響

        在55、60、65℃熱風(fēng)條件下,經(jīng)90 ℃熱水漂燙預(yù)處理1min的洋蔥片干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。

        (a) 干燥曲線

        (b) 干燥速率曲線圖3 漂燙時(shí)間對(duì)干燥特性的影響Fig.3 Effect of blanched time on the drying characteristic

        (a) 干燥曲線

        (b) 干燥速率曲線圖4 風(fēng)溫對(duì)干燥特性的影響Fig.4 Effect of air temperature on the drying characteristic

        由圖4可知:在55、60、65℃熱風(fēng)條件下洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段;隨著熱風(fēng)溫度的升高,干燥速率逐漸增加,干燥周期降低。

        2.2 干燥模型的建立與分析

        2.2.1 干燥模型的確定

        本文選取3種典型的薄層干燥模型進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如表3所示。在不同的干燥條件下,Page模型的擬合度最優(yōu),其R2最大,x2、RMSE最小。因此,Page模型能夠準(zhǔn)確地描述漂燙洋蔥片的干燥特性。

        2.2.2 干燥模型的修正

        由表3可知:Page模型參數(shù)k、n均隨試驗(yàn)條件的不同而改變;因此,k、n值是漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)進(jìn)行溫度的函數(shù)。參數(shù)k、n可表示為[25]

        k=ak+bkT1+ckT2+dkT3

        (7)

        n=an+bnT1+cnT2+dnT3

        (8)

        式中ak、bk、ck、dk、an、bn、cn、dn—試驗(yàn)相關(guān)的常數(shù);

        k,n—Page模型的待定系數(shù);

        T1—漂燙溫度(℃);

        T2—熱風(fēng)溫度(℃);

        T3—漂燙時(shí)間(min)。

        對(duì)上式進(jìn)行線性回歸,分別求出各模型的常數(shù),則有

        (9)

        (10)

        待定系數(shù)k、n的回歸方差分析如表4、表5所示。

        其F值分別為176.93(>F0.01(3,3)),14.49(>F0.05(3,3))。因此,k、n與漂燙溫度、漂燙時(shí)間、熱風(fēng)溫度之間具有顯著的線性關(guān)系。復(fù)相關(guān)系數(shù)R分別為0.997 2(>Rmin=0.983),0.967 2(>Rmin=0.950),因此建立的k、n的線性回歸方與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較優(yōu)。

        表3 干燥模型擬合結(jié)果

        表4 k的回歸方差分析

        表5 n的回歸方差分析

        2.2.3 干燥模型驗(yàn)證

        根據(jù)式(9)和式(10),得到描述漂燙洋蔥片干燥特性的修正Page模型

        將修正Page模型計(jì)算的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比,如圖5所示。

        (a) 漂燙溫度

        (b) 漂燙時(shí)間

        (c) 熱風(fēng)溫度圖5 理論值與試驗(yàn)值Fig.5 Theoretical value and experimental value

        由圖5可知:在不同的干燥條件下,修正Page模型可很好預(yù)測(cè)漂燙洋蔥片熱風(fēng)干燥試驗(yàn)過程。

        2.3 有效擴(kuò)散系數(shù)

        繪制ln(MR)與干燥時(shí)間t的曲線,并對(duì)其進(jìn)行線性擬合,通過擬合直線斜率得出不同干燥條件下洋蔥片的有效擴(kuò)散系數(shù),結(jié)果如表6所示。有效擴(kuò)散系數(shù)為1.045 7×10-9~2.104 9×10-9m2/s,與相關(guān)文獻(xiàn)[26]報(bào)道的食品干燥過程的有效擴(kuò)散系數(shù)在1×10-11~1×10-9m2/s范圍內(nèi)一致。

        表6 有效擴(kuò)散系數(shù)

        3 結(jié)論

        1)研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的干燥特性影響。薄層洋蔥片熱風(fēng)干燥處于降速干燥階段,最優(yōu)漂燙預(yù)處理工藝為90℃、1min。

        2)隨著漂燙溫度和熱風(fēng)溫度升高,干燥速率逐漸增加。漂燙時(shí)間的增加對(duì)干燥速率的影響不顯著。相對(duì)于鹽水預(yù)處理和未處理,漂燙預(yù)處理可以顯著提高干燥速率,降低干燥周期。

        3)Page模型描述漂燙洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性最優(yōu),修正Page模型可很好預(yù)測(cè)漂燙洋蔥片熱風(fēng)干燥特性。有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的變化范圍為1.045 7×10-9~2.104 9×10-9m2/s。

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        AbstractID:1003-188X(2018)05-0241-EA

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