静电对果蔬热风干燥特性的影响

王烽先，刘寅，2*，孟照峰*，于彰彧，王航，闫俊海

1(中原工学院，能源与环境学院，河南 郑州，451191)2(河南中瑞制冷科技有限公司，河南 郑州，451191)

果蔬富含维生素、矿物质、碳水化合物等多种保证们生活健康的营养成分。由于果蔬含水率高，导致果蔬在贮藏时容易变质、腐烂，在我国因保存方式不当导致水果的损失率高达20%～25%[1]，蔬菜的损失率高达17%[2]。干燥可以通过将果蔬内部的水分进行去除，抑制微生物的生长，延长果蔬的保存时间，降低贮藏损失。

果蔬干燥的常见方法有自然晒干、热风干燥、真空冷冻干燥等，真空冷冻干燥虽然干燥品质极佳，但是干燥时间长，干燥速率低，成本高[3]。热风干燥作为干燥的一种方式，其结构简单、成本较低[4-5]，被广泛应用于农业、食品等产业中，但是传统热风干燥存在着物料干燥不均匀、干燥后期效率低等缺点[6]。王会林等[7]对胡萝卜进行了热风干燥特性实验，分析其干燥过程中的干燥速度，将整个干燥过程分为恒速干燥期、第一降速期和第二降速期。发现随着干燥过程的推进，干燥速率在逐步降低。为了提高干燥速度可通过提高后期干燥温度来加速干燥，李艳杰等[8]在对香菇进行温度影响实验时，发现初始干燥温度采用80 ℃时，初始干燥速率达到0.2 g/min以上，但是在后期干燥速率会逐渐趋于平缓，虽然温度在70 ℃以上仍然可以加速干燥的进行，但是香菇的褐变严重。早在1976年浅川提出了“浅川效应”[9]，指出在高压电场下水的蒸发速度加快。梁运章，丁昌江等[10-11]表明，液体中的电荷在受到电场力的作用下而发生运动，在运动黏度的影响下，导致了水分的流动，并不产生热量，因此提出了静电干燥技术。王庆惠等[12]研究了高压静电场对杏子的影响，指出高压电场可以加速干燥过程。

综上所述，在干燥过程中添加电场装置，能够加速水分子迁移速率且不产生热量[13]，本实验通过对新鲜香蕉、胡萝卜切片处理，通过添加静电装置，记录香蕉片、胡萝卜在不同干燥过程中的质量变化，分析温度、静电装置对香蕉片(高含糖量)、胡萝卜片(高含水率)干燥速率、干燥品质的影响，找出果蔬的干湿基变化规律，进行了静电装置对香蕉片、胡萝卜片热风干燥特性影响的研究。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

实验设备：电子式单相电能表(DDS161)，上海人民高低压成套设备有限公司；数据采集仪(34972A，Keysight)，德科技(中国)有限公司；高精度风速仪(Testo425，精度±0.03 m/s，德国仪器国际贸易(上海)有限公司)；电子天平(UTP-313，精度0.01 g)，上海花潮电器有限公司；温湿度传感器(Ms-7310，温度测量精度±0.5 ℃，湿度测量精度±4.5%RH)；水分测定仪(梅特勒-托利多HE83，可读精度0.01%)，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司；静电发生器(DENBA-08S)，广州成云电霸保鲜科技有限公司；静电放电板(DENBA S，DP-10S)，广州成云电霸保鲜科技有限公司。

干燥实验台主要由加热室、干燥室、物料支架、物料盘(650 mm×350 mm)、循环风机(SF-150051，SMS)、温湿度控制器(HS-668，民熔)、风速控制器(KTS-A8，惠丰)等组成。实验台如图1所示。

1-控制终端;2-新风入口;3-加热室;4-干燥室;5-循环风机;6-物料支架;7-静电板;8-物料盘;9-静电发生器

1.2 方法与设计

1.2.1 干燥机理分析

物料干燥的主要过程是水分子向外迁移，通过给水分子提供能量使水分子之间的氢键断开[14]，水分从物料内部扩散到表面后蒸发。传统的热风干燥是通过升高温度来给内部水分子提高能量，提高物料水分子向外迁移的速率。在给物料添加静电装置后，水分子获得电场力所提供的能量但不提升温度，也提高了水分子的迁移速率，上述过程符合电流体动力学基本方程[15]，方程(1～5)如下：

(1)

E=-▽φ

(2)

(3)

▽ν=0

(4)

(5)

式中：E为电场强度，Q是电荷密度，ε为介质电常数，φ为电压，J为电流密度，t为时间，ν为介质速度，ρ为介质密度，p为压力，μ为黏性系数，f为电场力。其中电流密度J满足公式(6)：

J=KQE-DQ▽Q+Qν

(6)

式中：K为离子迁移率，DQ为分子扩散系数，Q为电荷密度，E为电场强度。由以上公式分析可得当外部电场提供的分子运动能量大于分子热运动的能量时，水分子自身的扩散可以忽略。当水分子扩散被外界附加的能量来主导时，由于水分子是极性分子，在受到电场力作用后会使加速度增大，获得更多的能量，会加速氢键断开，在此过程中温度也提供了一定的能量，在电场和温度都提供能量时，使得物料内部的势能增加，将物料内部水平衡打破，在物料内部存在的水分子会向表面移动。

1.2.2 方法

实验选取果蔬为胡萝卜、香蕉，样品要求新鲜无伤损。实验前将样品清洗干净，晾干表面水分。分别做切片处理，取最佳厚度5 mm[16-17]，随机取10组，采用卤素水分检测仪测定初始含水率。将10组检测数据取算术平均值，测定胡萝卜初始含水率为(90±0.5)%、香蕉初始含水率为(76±0.5)%。

将洗净并晾干的胡萝卜、去皮香蕉分别切片分成相同质量的6份进行实验，每份分别进行编号，利用护色剂(亚硫酸钠0.5 g/L+NaCl 1.0 g/L+柠檬酸2.0 g/L)对香蕉片进行预处理来减少香蕉褐变[18]。实验采用单因素分析法，将是否使用静电装置作为唯一变量，共分为6组实验，实验1为55 ℃[19]胡萝卜单一热风干燥，实验2为55 ℃胡萝卜添加静电装置的联合热风干燥，实验3为55 ℃下前期添加静电装置的对胡萝卜片进行热风干燥，实验4为55 ℃[20]香蕉片单一热风干燥，实验5为55 ℃香蕉片添加静电装置的联合热风干燥，实验6为55 ℃香蕉片前期添加静电装置的热风干燥。实验时先开启循环风机进行预热，预热完毕后将干燥物料均匀的平铺在物料盘中，并随机标记样本，风速设定为1.2 m/s，每隔30 min将样本取出，放置在电子天平上记录质量并计算湿基含水率，直到胡萝卜湿基含水率到13%[21]，香蕉湿基含水率5%[22]时停止干燥。

1.3 评价标准

(1)干燥时间：物料在6组不同的实验中达到干燥目标所花费的时间。

(2)能耗对比：物料在6组不同的实验中达到干燥目标的功耗与脱水质量的比值。

(3)复水率对比：物料在添加静电装置前后的复水能力。

(4)感官评价：感官评价采用计分方式对产品品质进行评估[20-23]，如表1、表2所示。

表1 干燥的胡萝卜片感官评分标准

表2 干燥的香蕉片感官评分标准

(5)Weibull函数[24]拟合，干燥模型-Weilbull分布函数如公式(7)：

(7)

式中：α表示尺度参数，是速率常数，其值约为去除胡萝卜内部63%水分，香蕉内部63%水分所需的时间，min；β表示形状参数，β与干燥物料的干燥速率和水分子扩散有关，其值越小说明拟合越好；t表示干燥时间，min。

按照Weibull分布函数进行数学模型拟合，其中可参照决定系数R2、和方差SSE、卡方值χ2以及均方根误差RMSE 来进行拟合评价，其中R2越接近1，SSE越接近于0，χ2和RMSE越小，则说明拟合值越好。R2、χ2和RMSE的计算如公式(8)～公式(11)：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：MRexp,i为实测水分比，MRpre,i为计算水分比，N为水分比的总个数，n为常数的个数。

2 结果与分析

2.1 静电装置对胡萝卜在55 ℃的温度下热风干燥特性的影响

胡萝卜在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同时刻的湿基含水率的变化曲线图如图2所示。

图2 不同干燥时刻的湿基含水率变化

由图2可知，3组实验的干燥时间分别为315、270、300 min。对比发现，添加静电装置的实验2比其他两组实验所用的干燥时间都要短，并且干燥过程添加静电装置的实验2比单一热风干燥的实验1时间缩短了45 min，在实验3断开静电装置后湿基含水率的变化趋向于实验1的曲线，由此可得到添加静电装置的干燥实验可以减少干燥时间。主要原因是干燥的本质是水分蒸发，而静电装置可以加速物料内部水分子的运动来提高水分子向外迁移的速率，因此减少了干燥时间，降低了干燥能耗。

a-热风-静电；b-前期静电；c-单一热风

如图3所示，对于3组不同干燥条件的实验胡萝卜的品质也均不相同。如图3-c所示，实验1单一热风干燥的胡萝卜片，香味偏淡，色泽变褐，形态卷曲，小组评分为40。如图3-a所示，实验2干燥过程中添加静电装置的胡萝卜片，香味浓郁，色泽鲜艳，形态较平整，小组评分为90，如图3-b所示，实验3前期添加静电装置的胡萝卜片干燥，香味较香，色泽较鲜艳，形态卷曲，小组评分为70。影响干燥品质的主要因素是干燥物料在干燥过程中内部水分子的分布情况，干燥过程中物料的水分子向外蒸发，随着干燥时间的推移，物料表面的水分子越来越少，内部水分子向外迁移又只能全靠温度来提供动能，导致向外迁移的水分子较少，因此干燥品质变差，而通过添加静电装置可以驱动内部水分子向外运动，使胡萝卜片水分子分布均匀，保证了胡萝卜子表面水分子向外运动稳定，所以干燥品质较好。

胡萝卜在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同干基含水率时的干燥速率如图4所示。

图4 不同干基含水率的干燥速率变化

通过对比图4的干燥速率曲线可以看出，添加静电装置的实验干燥速率均大于单一热风干燥速率，实验2的干燥速率曲线始终大于实验1和实验3。实验3在关闭静电装置后，干燥速率开始贴近实验1，并且在干燥后期与单一热风干燥的实验1相比，实验3的干燥速率低于实验1，这是干燥过程中，前期启用静电装置，使胡萝卜内部的水分子动能增加，提高了内部水分子像外表面迁移的速率，在关闭静电装置后，失去外界对内部水分子附加的动能，水分子的迁移只能通过升高胡萝卜内部温度，由于前期利用了静电装置的能量，导致内部温度升高较慢，因此后期干燥速率不如单一热风干燥。

胡萝卜在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同时刻的物料脱水率如图5所示。

图5 不同时刻的脱水率变化

通过比较图5的脱水率曲线可以看出，添加静电装置胡萝卜片热风干燥的实验2前期脱水率较高，实验3介于二者之间，随着干燥时间的推移脱水率也逐渐相差不多，这是在干燥前期，胡萝卜内部有大量水分子，静电装置产生的能量可以被大量内部水分子利用，而随着干燥的进行，胡萝卜片的水分子量逐渐降低，静电装置所提供的内能被水分子吸收利用也较少，静电装置对干燥的影响也逐渐变低。

2.2 静电装置对香蕉片在55 ℃的温度下热风干燥特性的影响

香蕉片在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同时刻的湿基含水率的变化曲线图如图6所示。

由图6可知，3组香蕉片干燥实验的时间分别为360、300、330 min，实验5与实验6使用了静电装置比单一热风实验4的干燥时间分别缩短了60 min和30 min，并且在120 min后实验5的湿基含水率变化趋势变缓，这是由于香蕉含糖量较高，该时刻水分子数量较少，糖分阻碍了内部水分子向外迁移的速率，造成了湿基含水率下降较慢，在干燥后期静电装置对湿基含水率的影响逐渐减弱。

图6 不同干燥时刻的湿基含水率变化

如图7所示，对于3组不同干燥条件下的香蕉片实验，品质也不相同。这是由于香蕉本身含糖量较高，在单一热风干燥下，水分子析出较慢，容易产生微生物，通过添加静电装置后，静电装置会在干燥过程中产生一定的臭氧，在进行干燥的同时还可抑制微生物的生长，进而提升干燥品质。如图7-c所示，单一热风干燥不添加静电装置，香蕉色泽暗黄，口感黏软，中心褐变严重，小组评分30分。如图7-a所示，添加静电装置的香蕉片干燥，香蕉色泽黄亮，口感酥脆，中心微褐变，小组评分85分。如图7-b所示，前期添加静电装置的实验6，色泽淡黄，口感偏软，中心存在褐变，小组评分50分。

a-热风-静电;b-前期静电;c-单一热风

香蕉片在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同干基含水率的干燥速率如图8所示。

图8 不同干基含水率的干燥速率变化

通过对比图8的不同干燥速率曲线发现，静电装置对高含糖量的香蕉片干燥也有着明显作用，在干燥初始阶段，实验5、实验6与实验4的干燥速率差距较小，随着干燥的进行，静电装置在干燥中期提高了干燥速率，但是在后期的干燥速率3组实验相差不多。这是因为香蕉在后期内部水分子减少，剩余的糖分较多，由于流体黏度的影响，内部水分子变少，并且向外表面迁移的速率变慢，静电装置的作用受限，导致内部水分子的运动全部依靠温度的提升，因此干燥后期的速率3组实验相差不多。

香蕉片在55 ℃的热风温度下进行干燥，静电装置对其干燥过程中不同时刻的物料脱水率如图9所示。

图9 不同时刻的脱水率变化

通过比较图9的脱水率曲线可以发现，在干燥初期静电装置有着很大影响，添加静电装置的脱水率曲线变化幅度较小，在干燥进行一段时间后断开静电装置，可以看出脱水率曲线变化较为明显。这是由于静电装置的突然断开，导致原本在静电装置作用下向表面迁移的水分子突然失去了电场能，内部水分子的蒸发只能依靠汽化潜热来提供的热量，因此脱水率开始下降。

2种不同物料的干燥速率如图10所示。通过对比6组实验的干燥速率发现，2种不同物料干燥速率明显不同，香蕉片的干燥速率整体大于胡萝卜的干燥速率，这是香蕉片的初始含水率比胡萝卜的初始含水率低造成的，2种物料的干燥速率较快的曲线均添加了静电装置，给干燥室附上静电场，物料内部水分子受到电场力的作用而向外表面运动，由于水自身也有黏性便受到水分子运动的影响而运动，因此干燥速率会有所提升。胡萝卜的干燥速率变化不明显，而香蕉片的速率变化有波动，是由于香蕉片的糖分较多，糖分阻碍了水分子向外的迁移，并且也有一部分糖分子与水分子结合使水分子向外迁移的速率骤降。综合对比发现添加静电装置对物料干燥速率有一定的积极作用，但主要作用于干燥前期阶段。

图10 两种物料的干燥速率曲线

2.3 静电装置对果蔬干燥的能耗及复水率的影响

由表3与表4可看出，静电装置对热风干燥具有积极的作用。表3对比了同温度热风干燥中有无静电装置的能耗，发现胡萝卜片干燥实验中添加静电装置的2组实验与单一热风干燥的能耗，分别降低了8%，12%。香蕉片干燥实验中添加静电装置的2组实验与单一热风干燥的能耗相比，分别降低了8%、17%。

表4对比了同温度热风干燥中有无静电装置的复水率，发现胡萝卜片干燥实验中添加静电装置的2组实验相比与单一热风干燥的复水率相比分别提升了8%，14%。香蕉片干燥实验中添加静电装置的2组实验与单一热风干燥的复水率相比分别提升了6%、12%。

表3 静电装置对能耗影响对比

表4 静电装置对复水率影响的对比

2.4 基于Weibull函数模拟静电装置联合热风干燥过程

基于Weibull函数对是否添加静电装置的热风干燥实验过程进行了模拟，模拟结果见表5。由表5可以看出，干燥物料为胡萝卜时，决定系数R2、均方根误差RMSE、卡方检验值χ2、和方差SSE分别为0.990 8～0.998 3、0.011 28～0.022 82、2.563 9×10-4～1.434 5×10-4、0.000 763 1～0.003 722。方程拟合度较高，因此，基于Weibull函数模拟静电装置对热风干燥特性的影响是可行的。

在不同的干燥条件与干燥方式中Weibull函数的尺度参数α有着明显的区别。由表5可知，当干燥条件一致，变量为静电装置时，静电联合热风干燥的尺度参数α为68.57 min、65.72 min，与尺度参数α分别为101.4、84.31、91.18、76.71 min的单一热风干燥以及前期静电热风干燥相比分别减少了32.83、18.59，22.61、10.99 min，表示静电会在干燥前期提升速率，与实际实验得到的结论一致。同时由表5也可以看出，形状参数β在添加静电装置的干燥条件下均是大于1的，当β大于1时，说明物料在干燥前期存在延滞阶段，这表示物料的干燥速率表现为前期速率先升高后降低的特点，拟合值变化与实际实验得到的数据变化一致。

4 结论

通过研究静电装置对胡萝卜与香蕉片的热风干燥特性影响，发现静电装置主要作用于物料干燥前期，但对不同物料的作用效果并不一致，从干燥速率和干燥时间方面来讲，胡萝卜在添加静电装置后前期干燥速率提升了8%，干燥时间缩短了14.28%，香蕉前期干燥速率提升了10%，干燥时间缩短了16.67%；从干燥能耗来讲，胡萝卜的干燥能耗降低了12%，香蕉的干燥能耗降低了17%，可看出静电装置对香蕉的影响更大，作用效果更明显。利用静电装置缩短了物料氧化的时间，干燥过程中静电场抑制了微生物的产生，提升了干燥品质，2种物料的复水率提高了6%～14%。利用Weibull函数中的尺度参数α与形状参数β可以预判不同干燥条件下的物料干燥特性，添加静电装置的形状参数β均大于1，决定系数R2、均方根误差RMSE、卡方检验值χ2、和方差SSE分别为0.990 8～0.998 3、0.011 28～0.022 82、2.563 9×10-4～1.434 5×10-4、0.000 763 1～0.003 722说明方程拟合度高，适合Weibull模型。在静电装置可缩短干燥时间，提升干燥品质，降低干燥能耗，这些都表明，静电装置在食品干燥中有良好的应用前景，通过静电装置对干燥影响的研究不仅可以探索出更优化的果蔬干燥工艺，而且对整个食品干燥领域都有着重要的意义。

表5 Weibull函数不同干燥条件下干燥模拟结果