冻融甘薯热风干燥特性与动力学研究

郭 婷何新益邓放明

GUO Ting1，2HE Xin－yi2，3DENG Fang－ming1

（1.湖南农业大学食品科技学院，湖南 长沙 410128；2.天津市农副产品深加工技术工程中心，天津 300384；3.天津农学院食品科学系，天津 300384）

中国甘薯种植面积广、产量大，为防止腐烂变质，常将其加工成干制品［1，2］。甘薯营养丰富，但由于富含淀粉及还原糖，干燥过程中，还原糖会大量析出，表面容易硬化［3］，不利于甘薯水分的逸出。研究发现，预处理对干燥特性［4，5］和品质［6，7］有影响。Doymaz［8］报道了经过油酸乙酯和碳酸钾混合液浸渍预处理的黑葡萄干燥时间最短，干燥速率最大；Ramirez等［9］研究了漂烫、冻融和真空浸渍氯化钙溶液等预处理方式对苹果热风干燥特性的影响，结果表明冻融处理苹果片干燥速率最快。但是，关于冻融预处理对甘薯热风干燥特性的影响未见报道。

为提高干燥效率、保证干制品质量，可通过干燥动力学模型来描述和预测干燥过程。孟岳成等［10］研究了温度、风速和红薯厚度对干燥动力学的影响，在12种动力学模型中Wang and Singh模型的拟合程度最高。研究表明甘薯热风干燥过程中干燥特性除了受干燥参数（如温度、风速等）的影响外，还受预处理方式的影响。王君等［11］研究了不同糖渍浓度预处理对甘薯热风干燥特性的影响，结果表明Page模型的拟合效果最好。目前，国内关于甘薯预处理对干燥动力学的影响报道较少，冻融甘薯的热风干燥动力学研究还未见报道。

本试验研究冻融处理对甘薯热风干燥过程的影响；在分析冻融甘薯干燥过程中干燥速度和干燥速率曲线的基础上，比较冻融甘薯在Newton、Henderson and Pabis和Page 3种经典动力学模型中的拟合优度，并建立冻融甘薯热风干燥动力学模型。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜甘薯：济黑1号，购于天津市红旗批发市场。

水分快速测定仪：SH10A型，上海精密科学仪器有限公司；

电热恒温鼓风箱：DHG－9123A型，上海精宏实验设备有限公司；

色彩色差计：CR－400型，日本美能达公司；

物性分析仪：TA.XT Plus型，英国Stable Micro System公司。

1.2 试验方法

1.2.1 甘薯的冻融预处理 新鲜甘薯洗净去皮，切成0.5cm×0.5cm×5cm的条状，置于沸水中烫漂2～3min后冷却；冷却甘薯先置于－18℃的条件下冷冻12h，再置于室温（20℃）自然解冻，整个完整的过程即称为冻融1次，根据反复循环冻融的次数进行了冻融0次（FT0）、冻融1次（FT1）、冻融2次（FT2）、冻融3次（FT3）的冻融处理。

1.2.2 冻融对甘薯热风干燥的影响 将冻融预处理后的甘薯分别置于90，95，100，105℃的电热恒温鼓风干燥箱中进行热风干燥，每隔20min称重一次，干至水分含量≤7%（干基计）时为干燥终点。

1.3 水分测定

在一定干燥条件下，水分比（moisture ratio，MR）可用来表示物料还有多少水分未被干燥去除，还可以反映物料干燥速率的快慢，计算公式见式（1）。

式中：

Mt——t时刻的水分含量，g／g；

Me—— 平衡水分含量，g／g；

M0—— 初始水分含量，g／g。

甘薯热风干燥速率（drying rate，DR）计算公式见式（2）。

式中：

Mt＋dt——t＋dt时刻的水分含量，g／g；

Mt——t时刻的水分含量，g／g；

t—— 干燥时间，min。

1.4 干燥动力学模型

运用3种经典动力学模型［12］（表1）对甘薯热风干燥试验数据进行拟合，建立干燥动力学模型。用决定系数（R2）和均方误差的根（RMSE）这2个参数来评价模型拟合度的优劣。R2和RMSE表示模型的精确度和可靠度，R2越接近于1，RMSE越小，说明模型拟合度越高。计算公式见式（3）、（4）。

式中：

MRexp，j——试验MR值；

MRpre，j——预测MR值；

N——MR个数。

表1 3种经典薄层干燥模型Table1 Three classic models of thin layer drying

1.5 数据处理

应用SPSS.V 13.0软件进行模型拟合和回归分析，用SigmaPlot 10.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同冻融处理甘薯的干燥特性研究

不同冻融次数的甘薯在95℃干燥温度下的热风干燥曲线见图1（a）、干燥速率曲线见图2（a），冻融3次的甘薯在不同干燥温度下的热风干燥曲线见图1（b）、失水速率曲线见图2（b）。

图1 冻融甘薯热风干燥曲线Figure1 Hot－air drying curves of freeze－thaw sweet potato

由图1（a）可知，经冻融处理的甘薯达到干燥终点所需的时间明显较未冻融处理甘薯少，所需时间随着冻融次数增加而减少，可能是冻融处理后的甘薯内部水分结合程度发生变化，使之较易除去；FT3甘薯干燥所需时间为160min，FT0甘薯干燥所需时间为220min。由图1（b）可知，随着干燥温度升高，干燥时间缩短，90℃时干燥时间最长，其它3组干至终点所需干燥时间相差不大。

由图2可知，冻融甘薯干燥过程中没有出现明显的恒速干燥阶段，在经历了短暂的预热阶段后，直接进入到较长的降速阶段，干燥后期干燥速率均较小。由图2（a）可知，FT1甘薯的干燥速率曲线与FT0相似，且表现出较低的干燥速率；FT2和FT3的干燥速率较其它两组高，预热时间短，较先达到最大速率。由图2（b）可知，90℃时冻融甘薯的预热阶段较长，在整个干燥过程中干燥速率均小于其它3个试验组；105℃时冻融甘薯干燥速率最大，在降速干燥阶段速率缓慢降低。

图2 冻融甘薯热风干燥速率曲线Figure2 Hot－air drying rate curves of freeze－thaw sweet potato

2.2 冻融甘薯热风干燥动力学模型研究

2.2.1 干燥动力学模型的选择 运用表1所示的3种经典薄层干燥模型对不同冻融处理（FT0、FT1、FT2、FT3）甘薯分别在干燥温度为90，95，100，105℃的干燥试验数据进行拟合优度比较，得各干燥模型的拟合优度统计量值见表2。

表2 3种干燥模型拟合优度统计量值比较Table2 Fitting parameters of three drying models

由表2可知，Newton干燥模型下不同冻融次数、干燥温度条件下的决定系数R2在0.952～0.987，Henderson and Pabis干燥模型下不同冻融次数、干燥温度条件下的决定系数R2在0.961～0.989，Page干燥模型下不同冻融次数、干燥温度条件下的决定系数R2在0.994～0.999。由此可见，Page干燥模型下冻融甘薯的R2最大，同时均方误差的根RMSE也最小，所以Page模型能够较好地描述冻融甘薯热风干燥过程。这一试验结果与Doymaz［13］报道的漂烫甘薯干燥过程符合Logarithmic模型不一样，这可能是由于预处理方式的不同，影响了甘薯干燥过程中的传热传质，导致符合的模型不同。

为了解释冻融对Page模型参数k，n的影响，利用SPSS.V 13.0统计软件分别对干燥温度为95℃时，Page模型下冻融甘薯的待定系数k、n与冻融次数进行曲线回归分析，可得出参数k、n与冻融次数（x）关系表达为

各待定系数与冻融次数（x）回归分析后的相关系数R2都为1、Sig＜0.001，说明各待定系数可以用冻融次数（x）来表示。因此，冻融甘薯热风干燥的干燥动力学模型可以表示为

2.2.2 不同膨化温度下干燥动力学模型的验证 图3为90，95，100，105℃干燥温度下，FT0、FT1甘薯的试验 MR值和得到的Page模型预测的MR值比较分析结果。

图3 Page模型的验证Figure3 Comparison of experimental and predicted moisture ratio using Page models

由图3可知，预测值和试验值都是紧挨着直线分布，说明建立的Page干燥动力学模型能够较好的预测冻融甘薯热风干燥过程中水分含量的变化。

3 结论

冻融预处理对甘薯的干燥曲线和速率曲线有影响。随着冻融次数增加，干燥时间缩短，干燥速率也相应增大。冻融甘薯热风干燥过程主要可分为加速和降速2个阶段，干燥过程大部分处于降速阶段。

冻融甘薯热风干燥的动力学模型满足Page方程，在不同温度条件下的验证试验结果表明，模型预测值与试验值的一致性好。Page方程中待定系数k，n与冻融次数呈立方关系，相关系数R2都为1、Sig＜0.001。

1 刘春泉，江宁，李大婧，等.微波联合热风干制苏渝303甘薯干工艺研究［J］.核农学报，2009，23（6）：1 008～1 013.

2 谭洪卓，谭斌，刘明，等.甘薯淀粉性质与其粉丝品质的关系［J］.农业工程学报，2009，25（4）：286～292.

3 沈晓萍，王蒙蒙，卢晓黎.熟化甘薯热风干燥特性及数学模型研究［J］.食品与机械，2007，23（3）：119～126.

4 Barrera C，Betoret N，Fito P.Ca2＋and Fe2＋influence on the osmotic dehydration kinetics of apple slices（var.Granny Smith）［J］.Journal of Food Engineering，2004，65（1）：9～14.

5 何新益，程莉莉，刘金福，等.苹果片变温压差膨化干燥特性与动力学研究［J］.农业机械学报，2012，43（5）：130～135.

6 郭婷，邓放明，何新益.预处理方式对甘薯变温压差膨化干燥产品品质的影响［J］.食品与机械，2012，28（6）：202～250.

7 黄宗海，何新益，王佳蕊，等.预处理方式对胡萝卜变温压差膨化干燥品质的影响［J］.食品与机械，2011，27（1）：124～126.

9 Ramírez C，Troncoso E，Muñoz J，et al.Microstructure analysis on pre－treated apple slices and its effect on water release during air drying［J］.Journal of Food Engineering，2011，106（3）：253～261.

10 孟岳成，王君，房升，等.熟化红薯热风干燥特性及数学模型适用性［J］.农业工程学报，2011，27（7）：387～392.

11 王君，房升，陈杰，等.糖渍甘薯热风干燥特性及数学模型研究［J］.食品科学，2012，33（7）：105～109.

12 何新益，程莉莉，刘金福，等.膨化温度对冬枣变温压差膨化干燥特性的影响［J］.农业工程学报，2011，27（12）：389～392.