魏事宇,王 高,曹玉雪,張湘楠,劉旭東 ,姚雪東

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院，合肥 230030；3. 中國(guó)人民解放軍第五七二一工廠(chǎng)， 石家莊 050200)

0 引言

冬棗又稱(chēng)凍棗，皮薄肉脆，營(yíng)養(yǎng)豐富，含有人體所需的18種氨基酸和多種維生素，被譽(yù)為“活維生素丸”，是晚熟的鮮食優(yōu)良品種[1]。

棗片制干不受棗等級(jí)限制，有小面積缺陷的鮮棗也可以加工成棗片，實(shí)現(xiàn)棗資源的最大化利用。對(duì)于有關(guān)棗片的干燥研究，魯墨森等[2]采用不同溫度段分部烘干棗片的方法，雖然做了加工過(guò)程的工藝研究，但對(duì)棗片干燥過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化沒(méi)做出相應(yīng)的分析。郭秉印等[3]采用傳統(tǒng)熱風(fēng)技術(shù)干燥冬棗片，建立了簡(jiǎn)單的干燥動(dòng)力學(xué)模型。納文娟等[4]為了保證烘箱干燥冬棗片色澤、風(fēng)味及質(zhì)地等品質(zhì)，得出了冬棗片干燥最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)前處理方式。Gao Q H等[5]對(duì)棗片干燥的研究涉及到干燥前后的品質(zhì)對(duì)比分析，但是缺乏對(duì)棗片干燥后特性細(xì)致研究。

脈動(dòng)式氣體射流沖擊干燥技術(shù)是一種間歇干燥技術(shù)，由于氣流速度高、流程短，氣流與物料表面之間具有非常薄的邊界層，與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)相比具有較高的對(duì)流換熱系數(shù)和干燥速度[6]，該技術(shù)現(xiàn)已被成功應(yīng)用于紙張和紡織物等的干燥中。在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域，氣體射流沖擊干燥技術(shù)已經(jīng)被用于胡蘿卜[7]、葡萄[8]、種子[9]、杏子[10]和哈密瓜[11]等物料的干燥，取得了十分顯著的效果。

本文將脈動(dòng)式氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于冬棗片的干燥，通過(guò)干燥曲線(xiàn)和5種經(jīng)典干燥模型的擬合，來(lái)研究不同干燥溫度對(duì)冬棗片干燥特性的影響，為棗片干燥行業(yè)提供有價(jià)值的技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設(shè)備

脈動(dòng)式氣體射流沖擊干燥裝置，由石河子大學(xué)干燥技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室研究制作；電子秤，JY/YP30002，上海越平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮冬棗，購(gòu)于石河子綜合批發(fā)市場(chǎng)，挑選成熟度一致的冬棗作為實(shí)驗(yàn)材料。冬棗表面擦凈，放入恒濕、恒溫冰柜內(nèi)冷藏24h，使冬棗內(nèi)部水分趨于一致[12]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將新鮮冬棗從兩側(cè)面切下厚度約為7mm的棗片，將棗片單層平鋪在料盤(pán)上，保證料盤(pán)中鮮棗片質(zhì)量在100g以上。設(shè)置干燥參數(shù)后把干燥機(jī)預(yù)熱，將棗片和料盤(pán)一同放在干燥室物料架上，開(kāi)始干燥實(shí)驗(yàn)；每隔1 h快速測(cè)定料盤(pán)總質(zhì)量，稱(chēng)重后立刻放回干燥室內(nèi)繼續(xù)干燥，每次稱(chēng)重操作時(shí)間不超過(guò)20s；記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至冬棗片干基含水率小于12%，停止試驗(yàn)，然后進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥特性

1.4.1 干燥特性

冬棗片干燥過(guò)程的水分比MR(moisture ratio)和干燥速率(drying rate)分別為

(1)

(2)

其中，Mt為t時(shí)刻的干基含水量(g/g)；Me為平衡時(shí)的干基含水量(g/g)；M0為初始時(shí)刻的干基含水量(g/g)；Mt1為t1時(shí)刻的干基含水量(g/g)；Mt2為t2時(shí)刻的干基含水量(g/g)。

干基含水量Mt為

(3)

其中，Wt為在t時(shí)刻的質(zhì)量(g)；G為干物質(zhì)質(zhì)量(g)。

1.4.2 數(shù)學(xué)模型

為了研究冬棗片干燥過(guò)程動(dòng)態(tài)變化模型，本研究分別用5種常用的果蔬薄層經(jīng)典干燥數(shù)學(xué)模型[13-14]描述棗片干燥過(guò)程的干燥特性曲線(xiàn)。表1為幾種常見(jiàn)的薄層干燥MR的模型方程。

表1 果蔬薄層干燥的數(shù)學(xué)模型

a、b、k為待定系數(shù)。

用MatLab軟件利用高斯-牛頓算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)學(xué)模型方程與干燥過(guò)程進(jìn)行非線(xiàn)性最小二乘數(shù)據(jù)擬合求解，確定干燥系數(shù)。數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度可由決定系數(shù)R2、均方誤差的根RMSE與誤差平方和SSE來(lái)表示，分別為

(4)

(5)

(6)

其中，MRexp,i為實(shí)測(cè)水分比；MRpre,i為預(yù)測(cè)水分比；N為實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的組數(shù)；n為常數(shù)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件下的冬棗片干燥特性曲線(xiàn)

干燥特性曲線(xiàn)是指MR與干燥時(shí)間之間的關(guān)系曲線(xiàn)，反映的是物料干基含水率跟干燥時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。冬棗片不同干燥條件下的干燥特性曲線(xiàn)如圖1～圖3所示。

圖1 冬棗片在不同干燥溫度下的干燥曲線(xiàn)

圖2 不同干燥風(fēng)速下冬棗片的干燥曲線(xiàn)

圖3 不同轉(zhuǎn)速下冬棗片的干燥曲線(xiàn)

由圖1～圖3可知：冬棗片的整個(gè)干燥過(guò)程屬于降速干燥，主要是因?yàn)樵诟稍镞^(guò)程中，棗片表面的水分?jǐn)U散率大于棗片內(nèi)部的水分遷移率，這與巨浩羽[15]等利用中短波紅外干燥蘋(píng)果片及張茜[16]等預(yù)處理對(duì)線(xiàn)辣椒氣體射流沖擊干燥特性和色澤的影響得出的結(jié)果相一致。

2.2 方差分析

分別對(duì)干燥溫度、風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的干燥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單因素方差分析，從方差分析表2～表4中看出：p溫度<0.05，而p風(fēng)速>0.05和p轉(zhuǎn)速>0.05，所以干燥溫度對(duì)干燥速率的影響顯著，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)干燥速率的影響不顯著。

表2 不同干燥溫度的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(5,11)=3.20。

表3 不同風(fēng)速的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(4,10)=3.48。

表4 不同轉(zhuǎn)速的方差分析

F值顯著水平在a=0.05，F(xiàn)0.05(2,4)=6.94。

2.3 干燥數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.3.1 干燥模型的確定

干燥試驗(yàn)的干基含水率可以作為模型擬合的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)表1的經(jīng)典薄層干燥模型擬合，從而選擇合適的棗片干燥模型。根據(jù)不同模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及R2、RMSE和SSE的值，得出擬合度較高的數(shù)學(xué)模型，如表5所示。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：R2越大，RMSE和SSE值越小，則擬合優(yōu)度越好。

由表5可知：與其他模型相比，Modified Page模型和Two term模型的決定系數(shù)R2較大，且RMSE和SSE較小。由于Two term有較多的參數(shù)，所以選擇Modified Page 模型更適合用于描述冬棗片的氣體射流沖擊干燥。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)模型中的干燥常數(shù)k和n對(duì)干燥溫度進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析，回歸方程建立如下，即

k=-1.119+0.021T+0.034V

(7)

n=-0.363+0.118R+0.011T

(8)

其中，T為干燥風(fēng)溫(℃)；V為干燥風(fēng)速(m/s)；R為轉(zhuǎn)速(r/min)。

表5 冬棗片薄層干燥模型參數(shù)值及R2、RMSE和SSE值

續(xù)表5

對(duì)模型系數(shù)k和n回歸方程進(jìn)行方差分析，從表6和表7中可以看出兩個(gè)方差分析的p<0.05，因此回歸方程是有效的。

表6 回歸模型系數(shù)k的方差分析

表7 回歸模型系數(shù)n的方差分析

2.3.2模型的驗(yàn)證

在風(fēng)溫為70℃、風(fēng)速為10m/s、轉(zhuǎn)速7r/min條件下的干燥曲線(xiàn)實(shí)測(cè)值和Modified Page 模型方程模型值，如圖4所示。趨勢(shì)線(xiàn)為y=a·x。其中，a的95%的置信區(qū)間為(0.891 1，1.041)，a=1在置信區(qū)間內(nèi)，此時(shí)R2=0.987 6。模型預(yù)測(cè)值能很好地表現(xiàn)水分比的變化規(guī)律和參數(shù)的影響。因此，冬棗片在脈動(dòng)式氣體射流沖擊干燥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的規(guī)律用Modified Page模型方程更適合。

圖4 冬棗片干燥溫度在70℃下的干燥曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1)冬棗片的脈動(dòng)式體射流沖擊干燥過(guò)程屬于降速干燥，冬棗片的干燥速率受干燥溫度影響比較大，但風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)干燥速率的影響不顯著。

2)把干燥實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與5種薄層干燥模型進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，再將模型預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)所得值進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果表明：Modified Page模型能更好地描述和表達(dá)冬棗片氣體射流沖擊干燥過(guò)程的水分比的變化規(guī)律。