王教領 宋衛(wèi)東 丁天航 王明友 吳今姬 周德歡 周 帆

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014)

澳洲堅果原產(chǎn)于澳大利亞，經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國的種植面積已超6 000 hm2，預測未來15年內(nèi)，中國將成為全球最大生產(chǎn)國[1]。澳洲堅果仁營養(yǎng)豐富[2-5]，被譽為堅果之王，有較高的經(jīng)濟價值[6]。干制是澳洲堅果生產(chǎn)加工的關鍵環(huán)節(jié)，但由于其油脂含量高、對溫度敏感且果殼堅硬，同時干燥要求將水分降到濕基含水率為1.5%的安全水分，導致目前普遍采用的傳統(tǒng)烘房干燥需3周左右，普通熱泵干燥也需要3～4 d，耗費大量能耗與人力[7-9]。普通的對流干燥因為溫度與水分傳遞梯度方向相反，加上澳洲堅果生理特性導致干燥效率低，而輻射傳熱干燥一般促進溫度與水分的同向傳遞，加速干燥過程。王云陽[10]針對上述問題開展了射頻干燥技術研究，表明熱風輔助射頻干燥可以較好地解決干燥速率低、干燥不均勻問題。而紅外干燥作為一種常見的輻射傳熱干燥，是通過電磁波的形式向外傳遞能量，其波長介于可見光和微波之間，按其波長的不同通常劃分為近紅外、中紅外與遠紅外，其中中紅外線輻射距離較深，適用于較厚的物料干燥，目前還未見有關澳洲堅果的紅外干燥研究。

針對澳洲堅果果殼厚、水分不易擴散等問題，擬運用中紅外輻射干燥技術，輔以熱風干燥及風機抽濕進行調(diào)質(zhì)降溫，通過計算干燥曲線、水分擴散系數(shù)與活化能等探明澳洲堅果的紅外干燥特性，創(chuàng)制中紅外干燥機，以期為澳洲堅果的快速、節(jié)能干燥提供參考。

1 中紅外干燥機整機結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成 試驗用中紅外干燥機結(jié)構(gòu)如圖1所示，由進料口、加熱單元、散熱腔、傳輸系統(tǒng)和出料口組成，加熱單元由中紅外加熱管、隔熱板和加熱腔組成，其中中紅外加熱管位于隔熱板下方，共6個加熱單位，每個加熱單元設有6根中紅外加熱管，每根中紅外管發(fā)射功率在0～1 kW內(nèi)線性可調(diào)。加熱腔中設有溫度探頭，散熱腔中設置有冷卻風機，環(huán)境空氣從隧道兩端進入，加熱后被冷卻風機抽到外界環(huán)境中，實現(xiàn)降溫排濕，在保證加熱溫度的同時解決因加熱失控造成的局部溫度過高的問題[11-12]。

1.1.2 工作原理 加熱開始時將澳洲堅果鋪放于傳輸帶的進料口處，打開電源，設定好加熱溫度、加熱功率及電機轉(zhuǎn)速，待溫度達到設計要求時啟動轉(zhuǎn)速電機，開始加熱，并同時開啟抽濕電機不斷將隧道內(nèi)的濕氣抽出并起到降低積溫的作用。當達到加熱溫度時燈管滅，當?shù)陀诩訜釡囟葧r燈管再次打開，保證澳洲堅果的干燥溫度，每次出料后根據(jù)含水率決定是否需要再次加熱，如此循環(huán)直至達到干燥要求。

1.2 關鍵部件參數(shù)確定與選型

1.2.1 輻射器種類選型 紅外輻射加熱器的選型要綜合考慮脫層脫落、耐高溫、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題。基于上述因素本試驗選擇功率為1 kW的非涂層式碳纖維紅外線石英管作為輻射體，該石英管具有熱量損失小，吸收性強和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點。

1. 輸送帶 2. 進料口 3. 加熱腔 4. 加熱板 5. 中紅外加熱管 6. 散熱腔 7. 出風孔 8. 張緊輪 9. 出料口 10. 支撐輪

圖1 中紅外干燥機結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Structure of the infrared dryer

1.2.2 加熱功率 根據(jù)輻射加熱密度法，紅外加熱功率可按(1)式計算[13]：

W=E×F，

(1)

式中：

W——加熱功率，kW；

E——輻射功率密度(一般取3～8，大面積薄壁工件取小值，小面積厚壁取大值)，kW/m2；

F——單位時間加熱面積，m2。

根據(jù)設備的整機尺寸，加熱隧道的有效面積約為9 m2，由于是大面積薄壁E取4，則W為36 kW。

1.2.3 輻射距離 設備紅外加熱功率為36 kW，單根紅外管功率選擇 1 kW，共需安裝36根，每個加熱單元6根，共設計6個加熱單元。發(fā)射管相鄰距離設計為250 mm，加熱器表面與傳送帶距離根據(jù)經(jīng)驗值(一般為兩相鄰輻射器中心距的1.2倍)確定為300 mm。

1.2.4 主要調(diào)節(jié)因素及其控制方法 系統(tǒng)控制因素主要有加熱腔溫度、紅外加熱管功率與傳送帶轉(zhuǎn)速。其中加熱腔溫度主要通過冷卻風機不斷將隧道內(nèi)濕熱空氣抽出以實現(xiàn)降溫，同時也促進了排濕。紅外加熱管功率通過電流調(diào)節(jié)器控制，傳送帶轉(zhuǎn)速由變頻電機驅(qū)動，可實現(xiàn)無極調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)利用PLC實現(xiàn)對溫度和加熱功率的控制。

2 材料與方法

2.1 儀器與設備

中紅外干燥機：實驗室自制；

電子天平：BSA224S型，廣州市深華生物技術有限公司；

水分快速測定儀：MB27型，合肥祺景電子科技有限公司。

2.2 試驗方法

試驗地在江蘇宜興，新鮮的澳洲堅果購自廣西崇左縣，脫皮后郵寄到試驗點后含水率約為25%。中紅外干燥機的加熱腔溫度根據(jù)相關文獻[14-15]不超過60 ℃，同時根據(jù)設備特性，設置加熱腔溫度為60 ℃，中紅外發(fā)射管功率0.8 kW，設置好干燥溫度和功率后將澳洲堅果放在托盤上，由進料口進入加熱腔體后均勻輸送到出料口，然后將托盤再次放入到進料口后進行加熱，重復這一過程經(jīng)過6次循環(huán)干燥濕基含水率降到1.5%以下。干燥過程中根據(jù)設計的時間點，隨機取出若干顆澳洲堅果當其冷卻后測量水分含量，繪制干燥曲線，建立數(shù)學模型，計算水分擴散系數(shù)與活化能。

2.2.1 干燥曲線的測定

(1) 干基含水率：

(2)

式中：

M——干基含水率，%；

mw——樣品水分質(zhì)量，g；

md——絕干樣品質(zhì)量，g。

(2) 水分比：

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——t時刻的含水率，g/g；

Me——平衡含水率(在一定的干燥條件下，將澳洲堅果干燥至恒重時的含水率)，g/g；

M0——初始含水率，g/g。

綜上所述,MRCP在膽道結(jié)石中的診斷準確性、特異度、敏感度均較CT高,尤其是對于直徑<0.8cm膽道結(jié)石的診斷較CT檢查有明顯優(yōu)勢,可在臨床推廣。

(3) 干燥速率：

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt+dt——t+dt時刻的含水率，g/g；

Mt——t時刻的含水率，g/g；

t——時間，min。

從進干燥開始為起始0點，通過設定傳送帶轉(zhuǎn)速物料每1 h剛好通過整個隧道，每隔1 h測量澳洲堅果干基含水量，分別繪制澳洲堅果干燥曲線與干燥速率曲線。

2.2.2 干燥數(shù)學模型 物料干燥伴隨著復雜的傳熱傳質(zhì)，為了描述這一過程，探明物料所含水分隨干燥時間的變化機制，學者[16-19]通過大量的試驗與理論分析，建立了多個經(jīng)驗與理論模型。試驗選擇了11個常用的薄層干燥模型(表1)進行澳洲堅果中紅外干燥動力學研究并利用1Stopt軟件進行數(shù)據(jù)擬合，R2越接近于1，RMSE和χ2越小，表明模型可靠性越高[20-21]。

2.2.3 有效擴散系數(shù) 表征水分傳遞的重要參數(shù)，表明物料的脫水能力，可運用Fick擴散第二定律來求解[22-25]，物料表層與外部環(huán)境之間的水分傳遞達到瞬態(tài)平衡時，不考慮干燥樣品的體積變化及外部阻力，通過化簡后得出有效擴散系數(shù)的表達式：

(5)

式中：

MR——水分比，%；

Deff——有效擴散系數(shù)，m2/s；

t——干燥時間，s；

L——物料厚度的1/2，m。

在式(5)中將t作為自變量，lnMR作為對應變量繪制函數(shù)曲線并進行一維線性擬合得到的直線斜率k如式(6) 所示。

(6)

2.2.4 干燥活化能 干燥活化能表征了物料干燥的難易程度。利用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)可以建立有效水分擴散系數(shù)、干燥溫度與活化能之間的關系[26]，如式(7)所示。

(7)

式中：

Deff——有效擴散系數(shù),m2/s；

D0——擴散基數(shù)，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

T——干燥溫度，℃。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)使用Oringin 8.0繪圖，利用1Stopt 15進行統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 澳洲堅果中紅外干燥特性分析

3.1.1 澳洲堅果中紅外干燥曲線 由圖2可知，澳洲堅果初始水分比為1(23.19%)，經(jīng)過6 h水分降至0.05(1.36%)的安全水分。從圖3可以看出，整個干燥過程主要呈現(xiàn)降速干燥，在初始階段干燥速率較大，隨后逐漸降低。可能是初始干燥階段物料水分含量高，吸收的中紅外能量高，同時利用冷卻風機形成空氣對流，實現(xiàn)澳洲堅果的熱質(zhì)同向傳遞，提升了干燥驅(qū)動力，形成較高的干燥速率。而隨著干燥的進行，澳洲堅果水分含量與耦合能力均逐漸降低，同時澳洲堅果中親水性固體表面與干燥剩余水分之間的結(jié)合力變大，進而造成蒸發(fā)焓逐步升高，導致水分去除能耗也相應增大[27]。因此，干燥速率將會持續(xù)降低直到干燥結(jié)束。

圖2 澳洲堅果中紅外干燥曲線Figure 2 Mid infrared drying curve of macadamia

圖3 澳洲堅果中紅外干燥速率曲線Figure 3 Mid infrared drying rate curve of macadamia

3.1.2 澳洲堅果中紅外干燥質(zhì)傳遞與能耗 利用式(5)計算澳洲堅果干燥有效水分擴散系數(shù)，結(jié)果如圖4所示，各階段的干燥有效水分擴散系數(shù)在2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥區(qū)間。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，結(jié)合式(7)可知，lnDeff與1 000/T+273.15呈線性關系，利用1Stopt軟件進行擬合，計算出澳洲堅果的活化能為159.5 kJ/mol，與相關報道[27]的數(shù)值接近，相比蘋果[28]、油茶籽[29]、燕麥馬鈴薯復合面條[30]活化能較大，因此較難干燥。

圖4 不同時間點干燥有效水分擴散系數(shù)Figure 4 Effective moisture diffusivity at different time points

3.1.3 澳洲堅果中紅外干燥裂紋分析 從外觀上看澳洲堅果干燥過程中有微裂紋產(chǎn)生，主要是初始含水率較高，瞬態(tài)溫度過高，導致局部干燥不均勻而形成的。目前紅外干燥過程中難以避免細微裂紋的產(chǎn)生，即使采用熱風低溫干燥也可能產(chǎn)生，但細微裂紋對貯藏影響有限或許還有利于后續(xù)的開口及脫殼。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，提高控制精度、及時散熱處理等措施可進一步降低裂紋產(chǎn)生、減小裂紋大小。

3.2 澳洲堅果中紅外干燥動力學模型研究

由表1可看出，Midilli-Kucuk模型的R2值最大，RMSE與χ2平均值最小，因此Midilli-Kucuk可以有效地描述澳洲堅果中紅外干燥過程，方程可以表示為：

MR=0.999 3exp(-0.030 1t0.7643)-5.414 5E-005t。

(8)

表1 各模型與統(tǒng)計結(jié)果分析Table 1 Name and statistical analysis of each model

3.3 澳洲堅果中紅外干燥試驗驗證

針對Midilli-Kucuk模型利用同一批次澳洲堅果進行中紅外干燥，測量不同時間點的水分進行驗證，結(jié)果如圖5 所示，擬合效果好，說明Midilli-Kucuk模型可以有效地預測澳洲堅果中紅外干燥過程中的水分變化情況。

4 結(jié)論

(1) 研制了中紅外干燥機，確定了輻射器種類、加熱功率、輻射距離等主要參數(shù)，并制定了調(diào)質(zhì)降溫的控制方法，促進水分熱質(zhì)同向傳遞，提升干燥驅(qū)動力，干燥時間顯著縮短，較好地解決了均勻干燥問題。

圖5 Midilli-Kucuk模型下預測值與試驗值對比

Figure 5 Comparison between predicted value and experimental value under Midilli-Kucuk model

(2) 澳洲堅果通過中紅外干燥，經(jīng)過6 h由23.19%的初始含水率降到1.36%的安全水分，整個過程主要為降速干燥，無明顯恒速干燥階段；Midilli-Kucuk方程可以較好地預測澳洲堅果中紅外干燥過程水分的變化機制。

(3) 澳洲堅果中紅外干燥各時段有效水分擴散系數(shù)位于2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥區(qū)間；澳洲堅果的活化能為159.5 kJ/mol，高于一般果蔬，進一步從理論上說明了其干燥困難的原因。

(4) 澳洲堅果干燥過程中有微裂紋產(chǎn)生，應繼續(xù)優(yōu)化設備的溫度控制系統(tǒng)，進一步提升澳洲堅果干燥的均勻性，減少微裂紋產(chǎn)生或使其大小滿足生產(chǎn)要求。