朱文學 楊 帆 劉玉蘭

(河南工業(yè)大學糧油食品學院1，鄭州 45000) (農(nóng)產(chǎn)品干燥技術與裝備河南省工程技術研究中心2，洛陽 471023)

油莎豆是一種一年生的塊莖類植物，原產(chǎn)于非洲，其種植簡單，適應性較強。隨著油莎豆的經(jīng)濟、市場價值逐步被人們認識以及國家對油莎豆產(chǎn)業(yè)化的重視，油莎豆種植面積逐年增加，至2018年種植面積就已增加到20萬畝[1]。與此同時，油莎豆產(chǎn)量明顯增長也帶來諸多問題，其中由于油莎豆高淀粉、高糖、高水分，收獲時雨熱同期，極易發(fā)生霉爛。目前我國大部分油莎豆產(chǎn)地仍然采用田間自然晾曬的方式干燥,該方法耗時耗力，十分依賴場地與天氣情況。因此，應當大力發(fā)展機械化烘干等現(xiàn)代化干燥方法，熱風干燥是現(xiàn)在國內(nèi)應用最廣泛的干燥方法,它以熱空氣對流方式[2]去除水分，熱空氣既為物料提供所需熱量，又可以將物料表面蒸發(fā)出來的水分帶走[3]。國內(nèi)熱風干燥較多應用于農(nóng)產(chǎn)品干燥，如顏建春等[4]研究了花生莢果薄層干燥，結(jié)果表明風溫對干燥過程影響比風速更明顯。侯燕杰等[5]研究了紅肉蘋果片穿流式熱風薄層干燥，婁正等[6]優(yōu)化了金銀花熱風干燥工藝，結(jié)果均表明熱風干燥品質(zhì)高于自然干燥。

目前，國內(nèi)外對油莎豆干燥方面的研究鮮有系統(tǒng)報道，國內(nèi)對油料作物干燥集中于油茶籽、油菜籽、花生等[7-12]。其中王安建等[13]研究了花生熱泵干燥特性，干燥溫度對干燥速率有較大影響，整個干燥過程無明顯的恒速階段。王鳳賀等[14]對油茶籽進行熱風干燥，考察了溫度和初始含水率對干燥特性的作用規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)Lewis模型可以較好擬合油茶籽干燥過程，最大相對誤差小于4%。本實驗以新鮮油莎豆為原料對油莎豆進行薄層熱風干燥，討論熱風溫度與風速對其干燥特性的影響，并利用現(xiàn)有干燥模型對油莎豆干燥過程中水分比隨時間變化的規(guī)律進行擬合，以期為油莎豆機械干燥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗所用油莎豆采購于河北省保定市，人工挑選大小相似、顆粒飽滿的新鮮油莎豆置于4 ℃恒溫冰箱。實驗開始前，將物料取出放置至室溫(20 ℃)。

1.2 主要儀器設備

BC-2型薄層干燥實驗機。

1.3 實驗設計

本實驗將挑選約170 g的油莎豆平鋪于物料盤中，料層厚度約為2 cm。熱風溫度設定分別為50、60、70 ℃，風速設定分別為0.45、0.75、1.05 m/s。實驗開始后，前1 h，每15 min稱重1次，后每30 min稱重1次，6 h后每小時稱重1次，本實驗干燥終點設為干基含水率15%。

1.4 干燥參數(shù)的計算方法

1.4.1 初始干基含水率

根據(jù)GB/T 14489.1—2008《油料水分及揮發(fā)物含量測定》測定油莎豆的初始干基含水率[15]。

1.4.2 干基含水率

干基含水率計算公式為：

(1)

式中：Wt為干燥時間t時油莎豆干基含水率/%；Mt為干燥時間t時油莎豆的質(zhì)量/g；Mg為油莎豆干物質(zhì)質(zhì)量/g。

1.4.3 水分比

水分比計算公式[16]為：

(2)

式中：W0為物料初始干基含水率/%；We為物料干燥平衡干基含水率/%。

平衡干基含水率較小，此處水分比可簡化為[17]：

(3)

1.4.4 干燥速率

干燥速率計算公式為：

(4)

式中:U為干燥時間t時油莎豆干燥速率/%/h,Δt為2次取樣間隔時間/h。

1.5 有效水分擴散系數(shù)

Fick第二定律可以用來描述油莎豆干燥過程水分擴散特性，干燥過程中忽略體積收縮，在一定干燥溫度下擴散系數(shù)為常數(shù)，油茶籽有效水分擴散系數(shù)滿足公式[18，19]

(5)

式中:Deff為水分擴散系數(shù)/m2/s；L為油莎豆厚度的一半/m。

1.6 干燥活化能

干燥活化能是在干燥過程中除去單位物質(zhì)的量的水分所需的能量，物料的干燥活化能越大代表其越難以進行干燥。根據(jù)Arrhenius方程建立有效擴散系數(shù)、溫度和活化能之間的關系式，計算活化能Ea[20，21]，即：

(6)

式中：D0為物料中的擴散基數(shù)/m2/s；Ea為物料的干燥活化能/kJ/mol；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為物料的干燥風溫/℃。

兩邊同時取自然對數(shù)，可得：

(7)

有效水分擴散系數(shù)的自然對數(shù)lnDeff與1/(T+273.15)呈線性關系，其斜率k為-Ea/R。對lnDeff和與其對應的1/(T+273.15)值進行線性回歸分析，可求得斜率k。從而可得：

Ea=-kR

(8)

1.7 薄層干燥模型的選擇

物料干燥過程與物料的物理性質(zhì)緊密相關，國內(nèi)外學者通過對不同物料進行干燥實驗從而建立了多個理論、半理論和經(jīng)驗模型來描述物料干燥過程中水分比MR與時間t的變化規(guī)律。因此，選擇12個常用的薄層干燥模型進行油莎豆熱風干燥動力學研究，通過計算擬合剔除幾個完全不適用模型，最終列舉8個干燥模型[22-25]，常用薄層干燥模型見表1。

表1 常用薄層干燥模型

采用 Origin 2017、Excel 2016 分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)學模型方程與實驗數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸擬合，使用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、誤差平方和SSE來評價數(shù)學模型的預測值與實驗值的擬合程度，其中R2越大，RMSE、SSE越小，則擬合度越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對油莎豆熱風干燥特性的影響

不同溫度油莎豆熱風干燥曲線和干燥速率圖如圖1和圖2所示。從圖1中可以看出，在風速為0.45 m/s，熱風溫度分別為50、60、70 ℃，油莎豆干燥至至終點用時分別為15、11、7 h,溫度越高油莎豆干燥至相同含水量所用時間越短，其中70 ℃干燥時間比50 ℃縮短53.33%。從圖2中可以看出，油莎豆干燥過程主要為降速階段，干燥后期干燥速率趨向于平緩，屬于內(nèi)部擴散控制[26]。熱風溫度在70℃時，干燥速率最快，隨著干燥溫度的降低，干燥速率下降。不同溫度在干燥初期與中期，干燥速率相差較大，干燥后期階段，干燥速率明顯減小并趨于相同。熱風溫度對油莎豆干燥過程影響顯著，隨著熱風溫度增加，油莎豆表面水分氣化速度增加，油莎豆與干燥介質(zhì)間溫差增大，物料內(nèi)部壓力梯度增大，使得內(nèi)部水分更快的向外部遷移。同時熱風溫度增加，物料溫度隨之上升，內(nèi)部水分運動加劇，提高了內(nèi)部擴散速率[27，28]。因此，熱風溫度越高，油莎豆干燥過程傳熱傳質(zhì)效率越快，干燥時間越短。

圖1 不同溫度對干燥特性的影響

圖2 不同溫度對干燥速率的影響

2.2 風速對油莎豆熱風干燥特性的影響

不同風速對油莎豆熱風干燥曲線和干燥速率曲線如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，溫度為60 ℃，風速為0.45、0.75、1.05 m/s，油莎豆干燥至終點所用時間隨著風速增大而有所減少；從圖4可以看出，隨著風速提高干燥速率有小幅度增加，但越到干燥后期不同風速之間差別越小。在干燥過程中，由于風速主要作用于物料表面，風速增大從而對流加強，使得物料與空氣之間濕度差增大，導致干燥速率增大，但由于油莎豆表皮較為致密，水分從表皮內(nèi)部向外遷移阻力較大，所以風速對干燥速率造成影響有限，熱風溫度為干燥的主要因素。因此在實際薄層干燥應用中，考慮能耗時可以采用較低的風速。

圖3 不同風速對干燥特性的影響

圖4 不同風速對干燥速率的影響

2.3 熱風干燥模型的建立與驗證

2.3.1 干燥模型選擇

本實驗對不同風溫風速條件下油莎豆干燥過程中水分比隨時間變化規(guī)律進行了研究，并選用了8個數(shù)學模型(表1)進行擬合，采用決定系數(shù)R2、誤差平方和SSE以及均方根誤差RMSE來確定數(shù)學模型的擬合程度。

熱風溫度50、60、70 ℃，風速0.45、0.75、1.05 m/s條件下油莎豆干燥水分比MR隨時間t變化進行擬合分析，薄層干燥模型統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。通過結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)3#模型Two-term擬合最好，其中RMSE范圍在0.002 4～0.008 9，SSE最大僅為0.001 5。由此說明Two-term模型可以較好地描述油莎豆干燥過程。

表2 薄層干燥模型統(tǒng)計分析結(jié)果

續(xù)表2

2.3.2 干燥模型驗證

為了確保選定模型的適用性，選取風溫60 ℃、風速0.75 m/s干燥實驗值與Two-term模型預測值進行驗證分析。結(jié)果由圖5可以看出，實驗值與模型預測值吻合較好，說明Two-term模型可以很好描述油莎豆的熱風干燥過程。通過該模型預測油莎豆熱風干燥過程水分比與干燥時間關系，可以在實際應用中控制干燥條件與干燥時間，從而達到優(yōu)化干燥品質(zhì)減低干燥能耗的目的。

圖5 風溫60 ℃、風速0.75 m/s條件下Two-term模型實驗值與預測值比較

2.4 有效擴散系數(shù)和活化能的確定

油莎豆有效水分擴散系數(shù)見表3，一般食品干燥的有效水分擴散系數(shù)在10-12～10-8m2/s的范圍內(nèi)[29]，一般農(nóng)產(chǎn)品干燥有效擴散系數(shù)在10-11～10-9m2/s[30],本實驗有效水分擴散系數(shù)范圍為2.285 6×10-10～7.811 2×10-10m2/s，與已有研究相符。在干燥過程中，隨著風溫增加，油莎豆有效水分擴散系數(shù)也增加，這是由于溫度升高，水分子能量增大，躍遷頻率提高[13]，從而強化傳熱傳質(zhì)效率，導致有效水分擴散系數(shù)增大，而風速對有效擴散系數(shù)影響較小，過大的風速會導致熱量損失較大，用于物料內(nèi)部水分蒸發(fā)的熱量減少。由此可見，實際應用時為了降低能耗可選用較低的風速。

表3 不同條件下油莎豆有效擴散系數(shù)

根據(jù)式(7)將lnDeff與1/T曲線進行線行擬合，得到斜率-Ea/R，從而計算出熱風干燥油莎豆的活化能，Ea為35.31 kJ/mol。

3 結(jié)論

通過熱風干燥將新鮮油莎豆干基含水率從67.41%降到15%，干燥過程主要為降速階段，恒速階段出現(xiàn)在干燥后期。干燥速率隨著溫度和風速的增大而增大，但由于油莎豆表皮較為致密，且干燥過程伴隨收縮形變，所以內(nèi)部水分擴散是主要因素，風速對油莎豆干燥影響較小，實際應用中為減少能耗可以降低風速，干燥過程可以著重于控制熱風溫度條件。

根據(jù)Fick定律得出，油莎豆有效擴散系數(shù)在2.285 6×10-10～7.811 2×10-10范圍內(nèi)，有效水分擴散系數(shù)隨著熱風溫度的升高而增大，風速對其影響較小。油莎豆干燥活化能為35.31kJ/mol。對于8種不同薄層干燥模型對干燥過程擬合，數(shù)據(jù)表明Two-term模型RMSE和SSE值最小且R2值最大，該模型可以很好地描述油莎豆熱風干燥過程。