楊旭諸愛士

(1.浙江微松冷鏈科技有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

菜用大豆是中國(guó)長(zhǎng)江流域及西南地區(qū)夏秋季的主要蔬菜之一，菜用大豆莢是在其加工和食用過(guò)程中產(chǎn)生的一種生物質(zhì)，在農(nóng)村有部分被作為飼料或堆肥等，大量的以加工廢物或廚余垃圾被廢棄，特別是在城市，基本沒(méi)有被利用。近年來(lái)，這種豐富的生物質(zhì)資源的利用研究引起了研究者的關(guān)注，王純榮等[1]采用添加了表面活性劑的水溶液從大豆豆莢中超聲提取了黃酮；趙麗等[2]采用多種方法從鮮食大豆莢中提取了膳食纖維；Huang等[3]從菜用大豆莢中提取了水溶性纖維；吳潔等[4]采用乙醇水溶液從大豆莢中提取了甾醇；王義英等[5]對(duì)大豆莢進(jìn)行改性將其制成吸附劑，研究了其吸附廢水中的苯酚效果；Lisboa等[6]將大豆莢與桉木復(fù)合生產(chǎn)膠合復(fù)合材料用于建筑；Kong等[7]利用大豆豆莢制備了低成本大容量超級(jí)電容器。由于鮮豆莢含水率高、易腐，不便于儲(chǔ)存，因此在利用豆莢時(shí)，需要對(duì)豆莢進(jìn)行處理以便保存，而干燥脫水是保存農(nóng)產(chǎn)品、生物質(zhì)材料的常用方法。通過(guò)干燥，脫除大部分水分，降低微生物活性，從而保證農(nóng)產(chǎn)品在儲(chǔ)存期的質(zhì)量穩(wěn)定[8]。

為了強(qiáng)化干燥過(guò)程以保證產(chǎn)品產(chǎn)量、避免環(huán)境因素的影響以確保產(chǎn)品品質(zhì)，工業(yè)上常采用干燥設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，常用的干燥設(shè)備有烘房、洞道干燥機(jī)，其原理是熱風(fēng)對(duì)流干燥，干燥過(guò)程中熱量傳遞和質(zhì)量傳遞同時(shí)進(jìn)行。探索和掌握干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如擴(kuò)散系數(shù)、活化能等，對(duì)干燥條件的篩選、干燥器的設(shè)計(jì)與選用，有很大的益處。薄層干燥模型是目前用來(lái)描述農(nóng)產(chǎn)品干燥過(guò)程最常用的模型[9，10]。目前中外文文獻(xiàn)未見報(bào)道大豆莢的干燥，本研究以利于菜用大豆豆莢為目的，著重考察了在鼓風(fēng)干燥箱和洞道干燥機(jī)中熱風(fēng)溫度對(duì)大豆莢干燥時(shí)間的影響；選用Page、Modified Page、Weibull、Newton、Henderson and Pabis、Logarithmic、Wang and Singh等7個(gè)薄層干燥模型對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行描述，見表1，用相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行比較篩選出擬合度相對(duì)較高的模型，進(jìn)一步計(jì)算了菜用大豆莢熱風(fēng)干燥過(guò)程的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能。

表1 薄層干燥模型

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料

新鮮大豆莢，購(gòu)于杭州農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

1.1.2 儀器設(shè)備

DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；DG100D數(shù)字型洞道干燥裝置，浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司；T500Y型電子天平，常熟雙杰測(cè)試儀器廠。

圖1 鼓風(fēng)干燥箱

圖2 洞道干燥機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理

將新鮮大豆剝?nèi)ザ沽羟v，去雜洗凈吸干外表附著水分，裝入塑料包裝袋使樣品含水率達(dá)到均衡，備用。采用烘箱法測(cè)定了新鮮原料的原始含水率，其值為4.057±0.036kg水/kg絕干物質(zhì)(濕基為80.2%)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)定好鼓風(fēng)干燥箱的溫度，循環(huán)風(fēng)門全開，此時(shí)箱內(nèi)空氣速度約為0.2m·s-1；固定洞道干燥機(jī)的風(fēng)速為1.30m·s-1，設(shè)定好干燥溫度；待溫度達(dá)到穩(wěn)定；取樣品20.0g裝盤，分別在干燥箱和洞道干燥機(jī)中進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，考察不同干燥溫度對(duì)干燥的影響；每隔一定時(shí)間記錄樣品質(zhì)量和干燥時(shí)間，實(shí)驗(yàn)至樣品質(zhì)量保持3min不變時(shí)結(jié)束；完成數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。

1.3 結(jié)果表達(dá)

1.3.1 干燥參數(shù)

試樣的瞬間干基含水率Xt、瞬間水分比MRt分別按公式(1)、公式(2)計(jì)算。

(1)

式中，Xt為t時(shí)刻試樣的干基含水率，kg水/kg絕干物質(zhì)；mi為t時(shí)刻的試樣質(zhì)量，g；mg為絕干時(shí)試樣的質(zhì)量，g。

(2)

式中，MRt為t時(shí)刻試樣的水分比，無(wú)因次；X*為試樣達(dá)到干燥平衡時(shí)的干基含水率(干燥結(jié)束時(shí))，kg水/kg絕干物質(zhì)；X0為試樣的原始干基含水率，kg水/kg絕干物質(zhì)。

1.3.2 模型檢驗(yàn)指標(biāo)

薄層干燥模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的擬合優(yōu)劣采用決定系數(shù)R2、卡方χ2和均方根誤差RMSE等3個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估。R2直接取自于擬合圖線，χ2和RMSE分別按公式(3)、公式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

式中，MRexp，i為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的瞬間水分比，無(wú)因次；MRpre，i為模型預(yù)測(cè)得到的相應(yīng)瞬間水分比，無(wú)因次；N為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)；z為模型中常數(shù)數(shù)量。

模型的R2越大、χ2和RMSE值越小，則該薄層干燥模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度越高。

1.3.3 擴(kuò)散系數(shù)與活化能

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得干燥時(shí)間和試樣的干基含水率，由費(fèi)克第二擴(kuò)散定律來(lái)計(jì)算干燥過(guò)程中水分的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff(m2·s-1)[11，12]，表達(dá)式：

(5)

當(dāng)試樣形狀近似為平板、試樣中原始水分均勻分布、不考慮水分傳遞的外部阻力、干燥過(guò)程水分有效擴(kuò)散系數(shù)保持不變、忽略干燥過(guò)程中試樣的收縮，對(duì)在維度上長(zhǎng)和寬比厚要大得多的片狀樣品，公式(5)可簡(jiǎn)化為水分沿厚度方向的一維擴(kuò)散，其解見公式(6)[12]。

(6)

式中，N為正整數(shù)；H為水分傳遞的距離，m；t為干燥時(shí)間，s。

大豆莢試樣基本符合上述條件，即可用公式(6)計(jì)算。因裝載試樣的盤面有孔，且試樣間有縫隙，干燥時(shí)豆莢試樣的內(nèi)外表面均能與熱風(fēng)接觸，故公式(6)中H取試樣厚度的1/2。當(dāng)干燥時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，公式(6)可只取第1項(xiàng)，即公式(7)[11，12]。

(7)

對(duì)公式(7)左右兩邊均取對(duì)數(shù)，可得公式(8)。

(8)

作lnMR～t圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，所得直線斜率即為-π2Deff/4H2，經(jīng)計(jì)算可得到水分的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff。

干燥溫度與水分有效擴(kuò)散系數(shù)可用阿累尼烏斯方程關(guān)聯(lián)，從而可計(jì)算得到干燥過(guò)程的活化能Ea，見公式(9)[11]。

(9)

式中，D0為方程常數(shù)，m2·s-1；Ea為干燥活化能，J·mol-1；R為氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；T為干燥溫度，℃。

對(duì)公式(9)左右兩邊均取對(duì)數(shù)，得公式(10)。

(10)

作lnDeff～1/(T+273.15)圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，即可由直線截距和斜率計(jì)算得到D0和Ea。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)干燥的影響

整個(gè)大豆莢，在1.2.2所述條件下，分別在鼓風(fēng)干燥箱和洞道干燥機(jī)中測(cè)定了干燥溫度為50℃、60℃、70℃、80℃和90℃時(shí)試樣的質(zhì)量和干燥時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算和繪圖，得到試樣瞬間水分比與干燥時(shí)間關(guān)系即MR～t圖，見圖3。

圖3 試樣在不同干燥裝置中不同干燥溫度的MR～t關(guān)系

圖3顯示，干燥溫度對(duì)試樣水分比有顯著的影響，不同裝置中不同干燥溫度下，試樣水分比的變化基本上是先快速減小，然后變緩慢，直至平衡；水分比減小速度隨干燥溫度增高而加快。這是由于干燥介質(zhì)的溫度越高，傳熱溫差越大，相對(duì)濕度越小，水分子熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)；既使傳熱推動(dòng)力增大，又使傳質(zhì)推動(dòng)力加大，水分子擴(kuò)散速度亦加快，同時(shí)促進(jìn)了傳熱和傳質(zhì)。同時(shí)可看到，鼓風(fēng)干燥箱干燥效果不如洞道干燥機(jī)，其原因是洞道干燥機(jī)中熱風(fēng)的速度大得多，風(fēng)速大，對(duì)流強(qiáng)，傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)均會(huì)提高，從而可提高干燥速度、減少干燥時(shí)間。

2.2 模型與評(píng)價(jià)

用所選模型擬合MR和t數(shù)據(jù)，將所得模型參數(shù)和評(píng)估指標(biāo)值匯總，鼓風(fēng)干燥箱干燥的值見表2，洞道干燥機(jī)干燥的值見表3。

從表2可以看到，R2值在0.6019～0.9971之間變化，χ2值在0.000208～0.312499間波動(dòng)，RMSE值最小0.013523、最大0.538682，平均R2值Wang and Singh模型最大、Modified Page模型次之，而平均χ2和RMSE值均是Modified Page模型最小，因此對(duì)大豆莢在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥，Modified Page模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度最佳，故其能較好地用來(lái)描述大豆莢的干燥過(guò)程。

表2 鼓風(fēng)干燥箱不同干燥溫度下的模型參數(shù)和評(píng)估指標(biāo)

從表3可以看到，R2值在0.8612～0.9977之間變化，χ2值在0.000253～0.087961間波動(dòng)，RMSE值最小0.002270、最大0.306992，平均R2值也是Wang and Singh模型最大、Modified Page模型次之，而平均χ2和RMSE值也均是Modified Page模型最小，因此對(duì)大豆莢在洞道干燥機(jī)內(nèi)干燥，Modified Page模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的的擬合度最佳，故其能較好地用來(lái)描述大豆莢的干燥過(guò)程。

表3 洞道干燥機(jī)不同干燥溫度下的模型參數(shù)和評(píng)估指標(biāo)

2.3 有效擴(kuò)散系數(shù)Deff與活化能Ea

將各裝置各溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(8)處理，并繪圖計(jì)算得到Deff值，并將其匯總于表4。

表4數(shù)據(jù)顯示，水分有效擴(kuò)散系數(shù)數(shù)Deff值均在DOYMAZ i[12]，Chong C H等[13]文章所報(bào)道的范圍內(nèi)；Deff值隨干燥溫度T的升高而增大，原因是試樣溫度隨熱風(fēng)溫度升高而升高，促使水分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)、分子擴(kuò)散加快。按公式(10)將表4中的數(shù)據(jù)處理并繪制lnDeff～1/(T+273.15)關(guān)系圖，具體見圖4。

表4 不同溫度下的有效擴(kuò)散系數(shù)

圖4 lnDeff～1/(T+273.15)關(guān)系

3 結(jié)論

大豆莢無(wú)論在鼓風(fēng)干燥箱還是在洞道干燥機(jī)中進(jìn)行熱風(fēng)對(duì)流干燥時(shí)，隨干燥溫度升高試樣的水分比降低而加快，干燥所需時(shí)間就越少。經(jīng)模型指標(biāo)評(píng)估，Modified Page模型是最適宜用來(lái)表征大豆莢干燥過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)條件下，隨干燥溫度升高，水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff增大，數(shù)值在0.86×10-12～5.72×10-12m2·s-1，在文獻(xiàn)報(bào)道的范圍內(nèi)；干燥過(guò)程的活化能Ea分別為鼓風(fēng)干燥箱37.74kJ·mol-1、洞道干燥機(jī)28.19kJ·mol-1；干燥溫度會(huì)對(duì)干燥過(guò)程有顯著影響。