农产品茭白片干燥扩散性能
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1前言
茭白是我国特有的水生蔬菜，水足肉嫩，故极易腐烂变质，鲜货市场直销时贮藏期不超过1周。因此有学者研究其加工，除常规的晒茭白干外，有室温保鲜液保鲜、生产茭白罐头，还有微波干燥[1]等。干燥实际上是一个由于传热传质同时进行而使水分迁移的过程。它是农产品贮藏最常用、也是最耗能的方法之一。农产品经干燥后，可延长贮藏期，且使产品多样化及减少实物体积，故农产品的加工普遍使用干燥方法；同时因在产品质量和干燥工艺方面得到了不断的改进，使脱水食品的市场接受程度大大提高。干燥技术最重要的方面就是能对干燥工艺与设备建立数学模型[2]，干燥动力学的知识对干燥工艺的设计、优化和控制是必不可少的[3]。建模的原则是用一组数学方程充分地表征干燥体系的特性，特别是要求这些数学方程必须能预测干燥过程中任意时刻下基于初始条件的以时间为函数的参数的值[2]。中外学者采用不同干燥方法研究了许多农产品的干燥模型，干燥方法有微波[1]、热风对流[2]、太阳光[3]、真空[4]、辐射[5]、气体射流[6]等，研究的物料有很多，如：茭白、西芹叶、有机番茄、银耳、苹果、杏子、荔枝、白萝卜、南瓜、尖蜜拉、山药等等[1~11]。综合文献发现，用来描述农产品薄层干燥过程的常见数学模型见表1。文献[6]研究了气体射流干燥杏子时温度的影响及扩散系数与活化能；文献[10]研究了热风干燥尖蜜拉时温度和片大小对干燥过程的影响及一个厚度下温度与扩散系数的关系与对应的活化能；文献[11]研究了热风干燥山药时的干燥模型、温度的影响及扩散系数与活化能等等。然而在文献中没有与茭白片热风对流薄层干燥模型研究有关的信息，也未见片厚度的影响研究。本试验的目的是探讨茭白片对流热风干燥的薄层干燥模型与传递特性：考察了温度和片厚度对干燥过程和扩散系数的影响，对干燥曲线进行模型拟合与评价，将扩散系数与干燥温度用阿累尼乌斯方程进行关联，确定干燥过程的活化能。
2材料与方法
2.1试验材料鲜茭白：购于农贸市场。粗细均匀、新鲜，平均含水率为94.2%(湿基)，保湿冷藏于冰箱备用。原料处理：鲜茭白挑选清洗去壳切片(长0.03m×宽0.02m，厚0.002、0.003、0.004m)。
2.2试验设备DG100D数字型洞道干燥装置(浙江中控科教仪器设备有限公司)；DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；BS124S型精密分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)。
2.3试验方法设置好数字型洞道干燥装置需要的风量和温度，待其稳定；称取需要量的茭白片(控制各实验装载量基本相同)，平铺一层盖满整个干燥盘，进行干燥，记录干燥时间和质量，直至质量不变，停止实验。再将干燥盘从干燥装置中取出放入恒温鼓风干燥箱，在105℃下恒重，得出茭白片绝干质量，进行数据处理。
2.4结果表达
2.4.1干燥参数干燥过程中物料的干基含水率、水分比及干燥速率的计算分别如式(1)、式(2)及式(3)所示。
2.4.2模型检验指标模型线性化后，直线回归的决定系数R2值直接取自方程拟合时得到的数据。直线回归决定系数R2与模型相关系数r值越接近1，或残余方差S2值越趋于0，说明该模型越适用于试验数据的拟合。
2.4.3扩散系数与活化能薄层干燥扩散系数D可通过菲克第二扩散方程式(6)求解，将实验数据拟合进行计算[6,10,11,13]。假设恒温下扩散系数不变、初始含水率相同、外部扩散阻力可忽略、体积收缩不计，式(6)应用于无限大平板的水分扩散时可看作一维扩散，其解为式(7)。试验中，茭白片的长与宽相对厚度比较大，故可近似看作传质仅仅通过与茭白片截面垂直的方向上进行单向传递，即一维扩散。由于茭白片平铺于干燥盘上，与热风对流传质仅为单侧，因此式中H取试样厚度计算。若初始水分分布均匀，干燥时间足够长，式(7)中的第二、第三影响就不明显了[10]，因此取式(7)第一项预测MR就足够精确，则式(7)可简化为式(8)。将式(8)取对数，作lnMR~t图，可得斜率为－π2D/4H2，进而可计算出D。干燥过程活化能Ea可由阿伦尼乌斯方程(9)关联[11]。将式(9)取对数线性化，得到式(10)。应用D与对应的温度T作lnD~1/(T+273.15)图，由直线的斜率、截距分别可计算出Ea和Do。
3结果与分析
3.1温度对干燥过程影响茭白片厚0.003m，风速0.733m?s?1、装载量1.18kg?m?2，考察干燥温度55、60、65、70、75℃对干燥的影响，水分比与时间的关系见图1、干燥速率曲线见图2。物料平均初始含水率X0为16.07，X0的差别主要是由于切片和装盘时间有所不同，使自然扩散失去的水分不同所致；55、60、65、70、75℃下，平衡含水率X*分别为0.1927、0.1754、0.1509、0.1378、0.1272，这符合干燥温度越高，平衡含水率就越低的干燥规律；自由水分分别为15.88、15.89、15.92、15.93、15.94。图1显示，干燥温度高，达到相同水分比干燥时间就越短。图2显示，干燥速率有一个上升阶段，温度越高越明显，但较短；干燥速率基本没有恒速阶段，只是在低温时速率下降变慢；大部分是降速阶段，速率下降幅度没有恒定值，温度越高，降速越快。这是因为干燥介质温度高，使干燥介质与物料表面间的传热推动力—温度差大，传热速率加快；同时干燥介质的温度高使其相对湿度变小，与物料表面的湿度差—传质推动力增大，增大了传质速率；温度的升高也使水分子的扩散增强。这说明温度对干燥影响明显。干燥介质将热量以对流传热方式传给茭白片，其受热升温后，水分以汽化方式向干燥介质传递而完成传质过程，而茭白片内部的水分运动机理是在水分梯度作用下的液态扩散。在开始阶段，表面水分的性质与纯水一样，但由于茭白片表面水分少，内部水分向表面扩散的速度跟不上表面汽化，故恒速段短；接着由于实际汽化表面的减小和内移、结合水的平衡蒸汽压下降、固体内部水分扩散慢等而形成降速阶段。
3.2厚度对干燥过程影响风速0.733m?s?1、干燥温度70℃，考察片的厚度(0.002m、1.067kg?m?2；0.003m、1.256kg?m?2；0.004m、2.168kg?m?2)对干燥的影响，水分比与时间的关系见图3、干燥速率曲线见图4。物料平均初始含水率X0为16.18；厚度0.002、0.003、0.004m时平衡含水率X*分别为0.1285、0.1423、0.1656；自由水分分别为16.05、16.04、16.01。图3显示片薄有利干燥，这是因为水分从片内部传递到表面所需时间与厚度呈正相关；图4表明因厚度不一样，使同面积装载的物料量也不同，从而单位时间内失去的水分量就不同，故片越厚，干燥速度越大。3.3模型评价将表1所列五种干燥模型线性化，用片厚0.003m各温度的试验数据进行关联，得到各温度下各模型的参数及完整的模型，然后计算各模型的评价指标，结果见表2。表2表明，各模型存在差异，原因是模型的适用性与物质组织结构、成分和形状等有关，如银耳干燥适用Page模型[4]，南瓜干燥适用Newton模型[9]，尖蜜拉干燥适用Logarithmic模型[10]等等。从R2值和r值看，对茭白Logarithmic和Page模型的拟合度均较高；从S2值看，Page模型较Logarithmic模型小，S2值表征拟合的模型预测值与试验值之间的差距，S2值小说明拟合度高，因此Page模型最适用于试验数据的拟合。
3.4扩散系数与活化能研究了厚度H=0.003m时不同温度下水分的扩散系数D与活化能Ea。计算得到不同温度下的D见表3。表3数据显示，随温度升高，D增大，与文献[6]、[10]、[11]得到的结果一致，这是由于温度升高，分子热运动加剧，有利于分子扩散。将表3数据代入式(10)计算，结果如图5。图5表明lnD与1/(T+273.15)线性相关，则：×1000=27.86kJ?mol?1，说明干燥温度对干燥有显著影响，与温度考察的结果相吻合。活化能值也在文献[6]、[10]所列果蔬活化能的范围之中，但由于茭白组织结构较疏、糖分果胶等较少有利干燥而活化能较小。
3.5厚度对扩散系数影响计算得70℃干燥时片0.002m和0.004m的D分别为5.149×10?9m2?s?1和5.323×10?9m2?s?1，与0.003m的5.328×10?9m2?s?1近似相等，这是因为在同一温度下同一物料中水的分子扩散性质基本不受物料厚度影响。4结论(1)茭白片干燥过程预热升速阶段短，恒速阶段不明显，降速阶段长；风温愈高，水分比下降愈快、速度曲线愈高愈陡；片薄有利干燥。(2)比较R2值、r值和S2值，Page模型最适用于茭白片热风对流薄层干燥试验数据的拟合。(3)片厚3mm时温度从55℃增高到75℃，水分扩散系数从3.440×10?9m2?s?1增大到6.357×10?9m2?s?1；茭白片热风对流干燥过程的活化能Ea为27.86kJ?mol?1。(4)温度考察结果和活化能值均表明干燥温度对干燥结果有显著影响。(5)相同温度下，物料中水分的扩散系数基本不受厚度影响。