冬枣片气体射流冲击干燥特性与模型分析

魏事宇,王 高,曹玉雪,张湘楠,刘旭东 ,姚雪东

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.安徽农业科学院，合肥 230030；3. 中国人民解放军第五七二一工厂， 石家庄 050200)

0 引言

冬枣又称冻枣，皮薄肉脆，营养丰富，含有人体所需的18种氨基酸和多种维生素，被誉为“活维生素丸”，是晚熟的鲜食优良品种[1]。

枣片制干不受枣等级限制，有小面积缺陷的鲜枣也可以加工成枣片，实现枣资源的最大化利用。对于有关枣片的干燥研究，鲁墨森等[2]采用不同温度段分部烘干枣片的方法，虽然做了加工过程的工艺研究，但对枣片干燥过程的动态变化没做出相应的分析。郭秉印等[3]采用传统热风技术干燥冬枣片，建立了简单的干燥动力学模型。纳文娟等[4]为了保证烘箱干燥冬枣片色泽、风味及质地等品质，得出了冬枣片干燥最优的实验前处理方式。Gao Q H等[5]对枣片干燥的研究涉及到干燥前后的品质对比分析，但是缺乏对枣片干燥后特性细致研究。

脉动式气体射流冲击干燥技术是一种间歇干燥技术，由于气流速度高、流程短，气流与物料表面之间具有非常薄的边界层，与传统的热风干燥技术相比具有较高的对流换热系数和干燥速度[6]，该技术现已被成功应用于纸张和纺织物等的干燥中。在农产品加工领域，气体射流冲击干燥技术已经被用于胡萝卜[7]、葡萄[8]、种子[9]、杏子[10]和哈密瓜[11]等物料的干燥，取得了十分显著的效果。

本文将脉动式气体射流冲击干燥技术应用于冬枣片的干燥，通过干燥曲线和5种经典干燥模型的拟合，来研究不同干燥温度对冬枣片干燥特性的影响，为枣片干燥行业提供有价值的技术和理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要仪器设备

脉动式气体射流冲击干燥装置，由石河子大学干燥技术与装备实验室研究制作；电子秤，JY/YP30002，上海越平科学仪器有限公司。

1.2 实验材料

新鲜冬枣，购于石河子综合批发市场，挑选成熟度一致的冬枣作为实验材料。冬枣表面擦净，放入恒湿、恒温冰柜内冷藏24h，使冬枣内部水分趋于一致[12]。

1.3 实验方法

将新鲜冬枣从两侧面切下厚度约为7mm的枣片，将枣片单层平铺在料盘上，保证料盘中鲜枣片质量在100g以上。设置干燥参数后把干燥机预热，将枣片和料盘一同放在干燥室物料架上，开始干燥实验；每隔1 h快速测定料盘总质量，称重后立刻放回干燥室内继续干燥，每次称重操作时间不超过20s；记录实验数据，直至冬枣片干基含水率小于12%，停止试验，然后进行下一组实验，每组实验重复3次。

1.4 红外热风联合干燥特性

1.4.1 干燥特性

冬枣片干燥过程的水分比MR(moisture ratio)和干燥速率(drying rate)分别为

(1)

(2)

其中，Mt为t时刻的干基含水量(g/g)；Me为平衡时的干基含水量(g/g)；M0为初始时刻的干基含水量(g/g)；Mt1为t1时刻的干基含水量(g/g)；Mt2为t2时刻的干基含水量(g/g)。

干基含水量Mt为

(3)

其中，Wt为在t时刻的质量(g)；G为干物质质量(g)。

1.4.2 数学模型

为了研究冬枣片干燥过程动态变化模型，本研究分别用5种常用的果蔬薄层经典干燥数学模型[13-14]描述枣片干燥过程的干燥特性曲线。表1为几种常见的薄层干燥MR的模型方程。

表1 果蔬薄层干燥的数学模型

a、b、k为待定系数。

用MatLab软件利用高斯-牛顿算法，进行数据处理，将数学模型方程与干燥过程进行非线性最小二乘数据拟合求解，确定干燥系数。数学模型的拟合优度可由决定系数R2、均方误差的根RMSE与误差平方和SSE来表示，分别为

(4)

(5)

(6)

其中，MRexp,i为实测水分比；MRpre,i为预测水分比；N为实验测得数据的组数；n为常数的个数。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件下的冬枣片干燥特性曲线

干燥特性曲线是指MR与干燥时间之间的关系曲线，反映的是物料干基含水率跟干燥时间之间的数学关系。冬枣片不同干燥条件下的干燥特性曲线如图1～图3所示。

图1 冬枣片在不同干燥温度下的干燥曲线

图2 不同干燥风速下冬枣片的干燥曲线

图3 不同转速下冬枣片的干燥曲线

由图1～图3可知：冬枣片的整个干燥过程属于降速干燥，主要是因为在干燥过程中，枣片表面的水分扩散率大于枣片内部的水分迁移率，这与巨浩羽[15]等利用中短波红外干燥苹果片及张茜[16]等预处理对线辣椒气体射流冲击干燥特性和色泽的影响得出的结果相一致。

2.2 方差分析

分别对干燥温度、风速和转速的干燥实验进行单因素方差分析，从方差分析表2～表4中看出：p温度<0.05，而p风速>0.05和p转速>0.05，所以干燥温度对干燥速率的影响显著，风速和转速对干燥速率的影响不显著。

表2 不同干燥温度的方差分析

F值显著水平在a=0.05，F0.05(5,11)=3.20。

表3 不同风速的方差分析

F值显著水平在a=0.05，F0.05(4,10)=3.48。

表4 不同转速的方差分析

F值显著水平在a=0.05，F0.05(2,4)=6.94。

2.3 干燥数学模型的建立与验证

2.3.1 干燥模型的确定

干燥试验的干基含水率可以作为模型拟合的原始数据。根据表1的经典薄层干燥模型拟合，从而选择合适的枣片干燥模型。根据不同模型的统计结果以及R2、RMSE和SSE的值，得出拟合度较高的数学模型，如表5所示。评价标准如下：R2越大，RMSE和SSE值越小，则拟合优度越好。

由表5可知：与其他模型相比，Modified Page模型和Two term模型的决定系数R2较大，且RMSE和SSE较小。由于Two term有较多的参数，所以选择Modified Page 模型更适合用于描述冬枣片的气体射流冲击干燥。运用SPSS软件对模型中的干燥常数k和n对干燥温度进行多元线性回归分析，回归方程建立如下，即

k=-1.119+0.021T+0.034V

(7)

n=-0.363+0.118R+0.011T

(8)

其中，T为干燥风温(℃)；V为干燥风速(m/s)；R为转速(r/min)。

表5 冬枣片薄层干燥模型参数值及R2、RMSE和SSE值

续表5

对模型系数k和n回归方程进行方差分析，从表6和表7中可以看出两个方差分析的p<0.05，因此回归方程是有效的。

表6 回归模型系数k的方差分析

表7 回归模型系数n的方差分析

2.3.2模型的验证

在风温为70℃、风速为10m/s、转速7r/min条件下的干燥曲线实测值和Modified Page 模型方程模型值，如图4所示。趋势线为y=a·x。其中，a的95%的置信区间为(0.891 1，1.041)，a=1在置信区间内，此时R2=0.987 6。模型预测值能很好地表现水分比的变化规律和参数的影响。因此，冬枣片在脉动式气体射流冲击干燥实验过程中的规律用Modified Page模型方程更适合。

图4 冬枣片干燥温度在70℃下的干燥曲线

3 结论

1)冬枣片的脉动式体射流冲击干燥过程属于降速干燥，冬枣片的干燥速率受干燥温度影响比较大，但风速和转速对干燥速率的影响不显著。

2)把干燥实验得出的数据与5种薄层干燥模型进行数学拟合，再将模型预测值和实验所得值进行比较，计算结果表明：Modified Page模型能更好地描述和表达冬枣片气体射流冲击干燥过程的水分比的变化规律。