柠檬洞道薄层干燥模型的研究

柠檬洞道薄层干燥模型的研究

杏仁是一种含有丰富营养成分的水果。这是一种营养成分含量很高的水果。但是它不易保存,干燥是一种常用的果蔬加工方法,若将柠檬干燥后加工成柠檬片或者进一步加工成柠檬粉,既可以增加果农收入,又可以丰富市场。传统的柠檬干燥法,多为日晒法、火焙法,用该法制得的柠檬片,不仅干燥周期长,而且柠檬的质量参差不齐,原有的风味和营养价值大大降低。目前国内仅有对柠檬进行真空冷冻干燥技术的研究,由于真空冷冻干燥成本较高且产量小,所以热风干燥仍然是目前大规模柠檬干燥的主流。在柠檬热风干燥方面仅有黄艳斌和常婷婷利用烘箱法做过相关研究,但是与生产中采用的洞道式热风干燥方式存在一定差距,且没有考虑热风气流方向对柠檬干燥特性的影响等。本研究以新鲜柠檬为原料,用新型数字型洞道干燥实验装置对柠檬薄层热风干燥特性进行研究,探讨干燥温度、热风风量、柠檬片厚度、热风风向对干燥速率的影响,同时对试验数据进行数值模拟,得到柠檬片洞道薄层热风干燥的数学模型。1材料和方法1.1材料和试剂新鲜柠檬(尤力克),生鲜、无损伤、形状大小均匀,用保鲜袋包装扎紧,放入冰箱冷藏室(5℃)贮藏备用。1.2仪器型分析天平JA2004型电子天平,上海精科天平仪器厂;JA5002型分析天平,上海精天电子仪器有限公司;DG200D型数字型洞道干燥实验装置,浙江中控科教仪器设备有限公司;DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司。1.3实验方法1.3.1干燥条件影响新鲜柠檬清洗→擦干表面水分→切片(厚度3、4、5、6mm)→均匀平铺在物料盘上→干燥→数据记录。操作要点:将洞道薄层干燥设备调整到需要的参数值,开机待其参数稳定后(约30min)放入待干燥的柠檬片物料盘,干燥开始后,每隔一定时间记下实验数据,当柠檬干燥至含水率14%(安全含水率)时,立即停止干燥。风向对干燥特性的影响:将柠檬在80℃,厚度4mm,风量为50m3/h的条件下,分别在不同热风方向(0°、30°、60°、90°)下进行干燥,测定干燥脱水曲线和干燥速率曲线。(本试验中,把热风方向与物料平行规定为0°,垂直规定为90°)温度对干燥特性的影响:将柠檬在风量为50m3/h,厚度4mm,风向90°的统一条件下,在不同的干燥温度(60、70、80、90℃)下进行干燥,测定干燥脱水曲线和干燥速率曲线。风量对干燥特性的影响:将柠檬切片在80℃,厚度4mm,风向90°的统一条件下,在4种不同的热风风量(40、50、60、70m3/h)下进行干燥,测定干燥脱水曲线和干燥速率曲线。柠檬厚度(均为横切)对干燥特性的影响:将柠檬切片在风量50m3/h、温度80℃、风向90°的统一条件下,柠檬横向切割为不同的厚度(3、4、5、6mm)进行干燥,测定干燥脱水曲线和干燥速率曲线。本研究设计了4组,共16个不同干燥工艺条件的试验,见表1。1.3.2初含水量的测定新鲜柠檬的初始含水率按照GB5009.3-2010《食品中水分的测定方法》进行测定。1.3.3干基含水率的计算式中:mt为柠檬在t时刻的质量,g;mo为柠檬的初始质量,g;mo为柠檬的初始含水率,%;mt为柠檬在t时刻的含水率,%。干基含水率可根据湿基含水率换算式中:R为干燥速率,g/min;mt为t时刻柠檬的质量,g;△t为失去水分所需的时间,min。式中:mtg为t时刻物料含水率(干基),%;mog为物料初始含水率(干基),%;meg为物料干燥平衡含水率(干基),%。由于柠檬的平衡含水率较小,此处水分比采用简化的水分比,即MR=mtg/mog。1.4处理数据实验数据及绘图用Execl软件处理,模型建立用SAS8.0软件处理。2结果与分析2.1杏仁的开口特性2.1.1热风方向对干燥速率的影响从图1-A可知,在风向为0~90°时,柠檬干燥的图形逐渐变陡,说明物料表面与洞道热风所成角度越大,干燥至目标含水率所需时间越短,0°时,风向与柠檬表面平行,柠檬干燥到安全含水率所需时间最长,约需190min,而90°垂直吹风时的时间仅为140min,因此从0~90°的干燥时间是逐渐缩短的,说明热风风向对柠檬片的干燥时间有显著影响。从图1-B可知,不同热风方向的干燥速率曲线距离较远,说明热风方向对柠檬片的干燥速率的影响较大。由此可知,随着气流角度的增加,干燥速率相应增大,这可能是因为随着热风角度的增大,使得物料和热风的传热膜系数增大从而则增大了传热速率的缘故。由于90°的风向干燥速率较快,所以后续试验的风向设置为90°。2.1.2干燥速率的变化从图2-A可知,在干燥温度60~90℃间,温度越高,柠檬干燥曲线逐渐变陡,说明该范围内温度越高,干燥所需时间越短,所以干燥速率随温度的升高而增大。而且图中各条曲线距离较远,说明温度对柠檬水分变化和干燥时间影响显著。从图2-B可知,柠檬干燥速率的曲线分恒速和降速2个阶段,干燥过程出现明显的恒速干燥过程。说明柠檬片在干燥初期,由于含水率较高,此时干燥速率低于水分向外扩散的速率,干燥速率属于表面汽化控制阶段。随着干燥的进行,水分逐渐散失,表面水分汽化的速率高于内部水分向外转移的速率,此时干燥过程属于内部扩散控制阶段,转入降速干燥过程。这同大部分高水分物料的干燥规律是一致的。2.1.3热风对柠檬洞道薄层干燥速率的影响从图3-A可知,在风量40~70m3/h时,柠檬干燥曲线逐渐变陡,说明该范围内风量越大,干燥所需时间越短,风量大小对柠檬的洞道薄层干燥有一定的影响。但风量对干燥含水率的影响较温度略小。从图3-B可知,随含水率降低,柠檬的干燥速率逐渐下降。随着风量的增加,干燥速率增加,达到安全含水率的干燥时间缩短。可见,热风风量对柠檬片的干燥速率有一定影响。2.1.4干燥所需时间的影响从图4-A可知,各曲线距离较远,因此柠檬片厚度对干燥时间影响显著。在试验范围内,随着柠檬片切片厚度逐渐增大,柠檬干燥脱水曲线逐渐变缓,干燥所需时间越长。在干燥过程中,水分是从物料内部传递到物料表面而蒸发的,切片越薄,水分的传递阻力越小,蒸发的越快;切片越厚,水分的传递阻力越大,蒸发的也就越慢。切片厚度为3mm的干燥时间至少要比切片厚度为6mm的快160min。从图4-B可知,柠檬片厚度对柠檬片的干燥速率有显著影响,随着厚度的增加,柠檬片的传热阻力增大,干燥速率明显减少。由图4B还可发现,各曲线距离较大,因此柠檬片厚度对干燥速率影响显著。2.2水分比及水分时间ms目前物料薄层干燥的数学模型有很多,常用的有单项扩散模型、指数模型和Page模型,见表2所示。表2中,MR为水分比;exp为e函数;t为干燥持续时间,min;K为干燥速度常数;A为待定速度系数;N为幂指数,均是与干燥条件有关的常数。必须通过对实验数据进行比对分析才能确定柠檬片的洞道薄层干燥适用于的干燥模型。2.2.1柠檬洞道薄层干燥拟合方程为确定柠檬片的洞道薄层干燥模型,计算在不同热风温度、不同热风风量、不同材料厚度、不同气流方向条件下各时刻的lnMR、ln(-lnMR)值,绘制-lnMR-t曲线图(见图5)和ln(-lnMR)-lnt曲线图(见图6)。从图5可以发现,各图中曲线在各点处的斜率各不相同,图形不呈直线,这说明-lnMR与时间t不成线性关系。因此指数模型和单项扩散模型并不适合柠檬片洞道薄层干燥。从图6可以看出,各个图形基本成直线,说明In(-lnMR)与lnt呈较好的线性关系。Page方程符合柠檬洞道薄层干燥特性,可以用Page方程建立柠檬洞道薄层干燥数学模型。而且不同温度、厚度、风向和风量条件下曲线的距离较为明显,因此这些条件均对ln(-lnMR)-1nt方程有影响。根据前述干燥数学模型的线性表达式,利用SAS程序,对上述洞道薄层干燥的各组(共547组)数据进行回归分析,令ln(-lnMR)=lnK+Nlnt。由图6可以判断模型中系数K和N随风温度T(℃)、风量V(m3/h)、风向X(度)以及柠檬片厚度P(mm)的变化而发生变化,即K和N是上述4个参数的函数。因此考虑风温度T、风量V、热风风向X及柠檬片厚度P对系数K和N的影响,将K和N与T、V、P、X的函数关系表示成如下:式中:T,干燥温度,℃;V,风量(m3/h);P,柠檬片厚度(mm);X,风向角度,度。上式中的a、b、c、d、e、f、g、h、y、z均为待定系数。利用SAS8.0统计软件进行处理,对试验数据(共547组)进行拟合,可求得柠檬洞道薄层干燥拟合方程的各待定系数,拟合结果见表3,K和N的表达式结果可由表3确定出。由此可得出柠檬片洞道薄层干燥拟合方程:式中:MR,简化的水分比;MR=Mtg/Mog;t,物料干燥时间,min;T,物料干燥热风温度,℃;V,物料干燥热风量率,m3/h;P,物料干燥材料厚度,mm;X,风向角度,度。2.2.2采用最佳方程的统计验证和模型验证2.2.2.模型拟合效果检验为检验模型的准确性,对上述模型进行统计检验,结果见表4。从表4可知,模型方差分析F检验值为3139.6,P<0.0001,达到极显著水平,拟合效果很好。因此,该模型可以用来描述柠檬片的洞道薄层干燥特性。2.2.2.回归方程验证为检验回归模型与试验数据的拟合准确度,选取试验中的一组数据进行检验,试验条件为:干燥温度80℃,风量50m3/h,柠檬片厚度4mm,热风方向为90度。运用Page回归方程在干燥温度80℃、风量50m3/h、柠檬片厚度4mm,热风方向为90度的条件下进行预测,预测值与实际值见图7。从图7可看出,Page方程曲线与实验值基本拟合,说明Page方程较正确反应了柠檬片洞道薄层干燥规律,可以起到预测作用。3热片干燥特性分析(1)热风温度、物料厚度、热风风量及热风方向对柠檬片的洞道薄层干燥特性均有一定影响。温度越高、厚度越小、风量越大、风向角度越大,柠檬片的洞道薄层干燥速率越大,柠檬片干燥到安全含水率所需时间越少。且干燥速率存在明显的恒速和降速干燥过程,符合典型高水分物料的典型干燥过程。(2)柠檬片的洞道薄层干燥特性符合Page方程,通过SAS8.0对实验数据进行