熟化甘薯热风干燥特性及数学模型研究[1]

作者简介:沈晓萍(1982-),女,四川大学食品工程系在读研究生。

E 2mail:lxl8628@收稿日期:2007-02-08第23卷第3期2007年5月Vol .23,No .3May ,2007熟化甘薯热风干燥特性及数学模型研究R e sea rche s o n the m a them a ti ca l m o de l and a ir 2d ryi ngp r op e rti e s o f coo ked sw ee t po ta t o e s沈晓萍SHEN X iao 2ping 王蒙蒙WAN G M eng 2m eng卢晓黎LU X iao 2li(四川大学食品工程系,四川成都　610065)(The Food Engineering D epart m ent of S ichuan U niversity,Chengdu,S ichuan 610065,China )摘要:利用热风干燥试验台对熟化甘薯的热风干燥特性进行研究,探讨不同干燥温度、热风风速、铺料密度对干燥速率的影响,其影响因素大小依序为:干燥温度>干燥风速>铺料密度。

利用3种不同干燥速率模型对实验数据进行拟合,发现甘薯热风干燥符合Page 方程,即,模型拟合F 值为1102.35,呈极显著。

关键词:熟化甘薯;热风干燥;数学模型Abstract:Researches on the air 2drying characteristics of cooked s weet po 2tat oes were conducted on the air 2drying test machine .The effects of air te mperature aswell as vel ocity and material density on the drying rate were als o investigated,and the order fr om high t o l ow was air temperature >vel ocity >material density .The experi m ental data was p r ocessed base on three different mathe matical models,and the result showed that the drying perfor mance of cooked s weet potat oes agreed with Page equati on (viz .),the F value of model fitting was 1102.35,showed great significance .Keywords:Cooked s weet potat o;A ir 2drying;Mathe matical model甘薯又名红薯、地瓜、山芋,属旋花科一年生植物,大约有50个属1000多个品种,广泛种植于世界上100多个国家。

目前,甘薯在我国的种植面积已达733.26亿m 2,约占全世界的70%,年产量在1亿t 以上,占全世界总产量的80%[1]。

甘薯富含淀粉及还原糖,熟化后部分淀粉在酶的作用下转化为还原糖。

在干燥过程中,还原糖会大量析出,形成强大的渗透压,同时由于淀粉的存在,表面易硬化,阻碍了甘薯水分的逸出,因此,熟化甘薯是一种极难干燥的物料。

作者对熟化甘薯热风干燥特性进行了研究,探讨了干燥温度、热风风速、铺料密度对干燥速率的影响;同时,以近现代干燥速率数学模型为基础,对试验数据进行拟合,得到了熟化甘薯热风干燥的数学模型。

1　试验材料方法1.1　材料与设备红心新鲜甘薯:同批购买,市售;(对干燥过程和感官质量有较大影响的成分检测结果见表1)Sh10A 型水分快速测定仪;热风干燥试验台:试验台外观照片见图1,试验台工作原理见图2。

图1　热风干燥试验台图2　热风干燥试验台工作原理图来自风机1的空气经加热器4加热后,流经干燥盘9的下部,与物料进行湿热交换后将水分带走。

失水量由电子天平10称量。

通过控制变频调速风机1的转速调节风量,由控制箱5中的温度控制器控制温度,在8处安装热球式风速仪测量风速。

911表1　试验用鲜薯主要成分含量表(除水分含量外均以干基计)成分/%淀粉还原糖粗蛋白粗纤维水分含量酶活/(μg ・mL -1)α2淀粉酶活β2淀粉酶活总淀粉酶活V C 含量/(mg ・100g -1)50.717.46.444.6086.0011.31164.05175.3650.31.2　试验方法1.2.1　材料处理方法　甘薯清洗去皮,切成8×8×8左右大小的丁状后,放入料水比为1∶3的沸水中漂烫熟化,5m in 后捞出沥水;然后按一定的铺料密度均匀平铺在物料盘上。

干燥过程中定时记录物料质量并换算成含水率,直至含水率达到8%为止。

物料的初始含水率用Sh10A 型水分快速测定仪测定。

1.2.2　试验参数确定　通过预试验,在保证熟化甘薯干燥后的色泽、口感、滋味及气味等感官质量的基础上,确定甘薯热风干燥优化参数范围为:干燥温度65～85℃,干燥风速0.3～0.7m /s,铺料密度5～10kg/m 2。

1.2.3　水分含量计算　按式(1)计算不同时刻的熟化甘薯含水率:W τ=(G τ-G g )/G τ=[G τ-G 0(1-W 0)]G τ×100%(1)式中:G τ———τ时刻熟化甘薯重量,g;G g ———熟化甘薯干重,g;G 0———熟化甘薯初始重量,g;W 0———熟化甘薯初始含水率,%;W τ———熟化甘薯τ时刻含水率,%。

1.2.4　干燥速率计算干燥速率用式(2)计算:R =d m /d τ(2)式中:R ———干燥速率,g/min;d m ———失去水分的重量,g;d τ———失去水分所需时间,m in 。

2　结果与分析2.1　风温对干燥特性的影响不同干燥温度下甘薯的干燥脱水曲线和干燥速率曲线[2]分别见图3、图4。

图3　不同温度下的干燥脱水曲线图4　不同温度下的干燥速率曲线分析图3、图4可知,甘薯干燥速率曲线分恒速和降速2个阶段,预热段不明显,基本符合传统的干燥速率曲线规律,但恒速段时间相对较短;熟化甘薯干燥特性受温度影响很大,温度越高,干燥曲线越陡;在试验温度范围内,温度每升高10℃,干燥速率增大约20%;恒速段干燥速率受干燥温度影响最显著,干燥速率随温度升高而增大。

2.2　铺料密度对干燥特性的影响不同铺料密度下甘薯的干燥脱水曲线和干燥速率曲线分别见图5和图6。

图5　不同铺料密度下的甘薯干燥脱水曲线图6　不同铺料密度下的甘薯干燥速率曲线21机械与设计　2007年第3期分析图5、图6可知,当铺料密度增大时,干燥时间也随之延长。

在干燥初期,铺料密度对干燥速率的影响较小,随着干燥进入降速段,铺料密度的影响逐渐显著。

从图6可知,在干燥降速段,铺料密度为7.5kg/m 2时的干燥速率略大于5kg/m 2和10kg/m 2两个水平。

2.3　风速对干燥特性的影响不同风速下甘薯的干燥脱水曲线和干燥速率曲线分别见图7、图8。

分析图7、图8可知,风速对干燥速率影响的显著性低于温度的影响,略大于铺料密度的影响。

当风速为0.5m /s 时,干燥时间比风速0.3m /s 时缩短了29%,干燥速率增大约50%;当风速为0.7m /s 时,干燥速率和干燥时间与风速0.5m /s 时基本相同。

这说明,风速对熟化甘薯热风干燥过程的影响是有限的。

图7　不同风速下的甘薯干燥脱水曲线图8　不同风速下的甘薯干燥速率曲线3　干燥模型拟合以样品的干物质质量百分数及干燥过程中的失水率M R 作为指标,干燥过程中的M R 可由式(3)计算得到[3]:M R =G τ-G g G o -G g(3)式中:G τ———干燥τ时刻熟化甘薯的重量,g;G g ———熟化甘薯干重,g;G o ———熟化甘薯干燥初始时刻的重量,g 。

在干燥失水速率的数学模型中选择3个运用较多的基础模型作为熟化甘薯干燥失水模型,见表2,表2式中为待定系数,与干燥条件有关。

表2　干燥数学模型模型名称方程表达式线性表达式单项扩散模型M R =A exp (-r τ)ln (M R )=ln A -r τ指数模型M R =exp (-r τ)ln (M R )=-rτPage 方程M R =exp (±r τN )ln (-ln (M R ))=ln r +N lnτ 将试验数据分别在-ln (M R )与时间τ,ln [-ln (M R )]与ln τ坐标上作图[4～6],比较不同铺料密度、不同风速、不同干燥温度下-ln (M R )与τ,ln [-ln (M R )]与ln τ的曲线关系,发现ln [-ln (M R )]与lnτ的关系比ln (M R )与τ关系更接近直线,故选择Page 方程M R =e -r τN 作为甘薯热风干燥数学模型,即有:ln [-ln (M R )]=ln r +N lnτ(4)利用S AS 统计软件进行数据处理,令:ln r =a +bt 1+c ν+d ρ(5)N =e +f ν+gt 1+h ρ式中:t 1———干燥温度,℃;ν———风速,m /s;ρ———铺料密度,kg/m 2;计算回归结果见表3,拟合呈极显著。

表3　熟化甘薯热风干燥数学模型模型形式系数F 值及显著水平M R =e-rτNr =e-4.60282+0.006961t 1+1.57675ν-0.32548ρN =0.72503+0.00483t 1-0.09450ν+0.03676ρ　F =1102.35拟合呈极　P <0.0014　干燥模型验证为检验回归模型的准确度,选取试验中的一组数据进行检验,试验条件为:干燥温度75℃,风速0.5m /s,铺料密度为7.5kg/m 2。

由Page 回归方程在干燥温度75℃、风速0.5m /s 、铺料密度为7.5kg/m 2的条件下进行预测,预测值与实际值见图9。

从图9可看出,Page 方程曲线与实际值基本拟合,说明Page 方程较正确反应了熟化甘薯热风干燥规律,可以起到预测作用。

图9　干燥数学模型检验曲线(下转第142页)121第23卷第3期沈晓萍等:熟化甘薯热风干燥特性及数学模型研究醋酒精醪可获得最大的产酸量。

也可由此判定在上述最优发酵工艺条件下,产酸速度最快。

表1　因素水平表水平A接种量/%B发酵温度/℃C发酵时间/h D空白17304812103260231334723表2　正交试验结果试验号A接种量B发酵温度C发酵时间D空白产酸量/% 11111 3.1821222 4.1331333 4.5742123 4.7052231 5.2362312 3.6073132 4.9583213 3.8893321 4.37K111.8812.8310.6612.78∑=38.61 K213.5313.2413.2012.68K313.2012.5414.7513.15X1 3.96 4.27 3.55 4.26X2 4.51 4.41 4.40 4.22X3 4.40 4.18 4.91 4.35R0.550.23 1.360.13 从表2极差分析可知,RC>R A>R B,即在正交试验设计的各因素中,发酵温度、接种量、发酵时间对于黄瓜汁醋酸发酵产酸量的影响依次加大。