生姜热风干燥动力学研究

葛玉全，和法涛，东莎莎

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东 济南 250014）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）属于蘘荷科姜属多年生草本单子叶种子植物[1]，原产于中国，可一种二收，初秋收嫩姜，老秋收老姜，以肉质根茎供食用，肉质根状茎可食用，是一种非常重要的香料[2]。生姜营养丰富，含蛋白质、粗脂肪、碳水化合物、各种维生素、矿物质、姜辣素、姜醇、天门冬素和谷氨酸等，可作调味品和食品，具有抗氧化、抗肿瘤、杀菌、防腐等作用[3-4]，广泛应用于医药和工业领域[5-7]。

新鲜生姜含水量超过90%，在贮藏过程中极易出现失水萎缩、纤维化、冷害等现象。生姜干制是一种重要的加工手段，生姜干制品在市场上占有很大的份额，主要加工品为姜片和姜粉等，不仅解决了生姜的贮藏和运输难题，而且提高了生姜的商品价值。目前常用的干燥方法有热风干燥技术，与其他干燥方法相比，热风干燥因其成本低、易放大、操作简单而得到广泛应用[8]。但热风干燥速率相对较低，仅仅依靠热空气作为介质蒸发水分，物料表面水分散失快，组织内部水分的散失缓慢，水分分布不均匀；且长时间加热干燥，使生姜中的挥发性损失大，干制过程中产品易发生褐变和变形，使品质下降。本研究以生姜为原料，比较了不同干燥温度、厚度下姜片的干燥特性，通过姜片在干燥过程中水分的变化规律，绘制干燥曲线，并采用几种干燥数学模型拟合试验数据，以期为生姜的热风干燥提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验用生姜为9 月在莱芜采摘的的姜块，挑选无机械损伤、无病虫害的新鲜生姜。

1.2 仪器与设备

DHG-9053A 型电热鼓风干燥箱，上海精宏试验设备有限公司生产；ME204E/02 电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司生产。

1.3 试验方法

将姜去皮后，切成厚度为2 mm、4 mm、6 mm的姜片，放于干燥箱中，风速为2 m/s，干燥温度分别设定为50℃、60℃、70℃，每15 min称1次姜片的质量，直至达到稳定，结束干燥，分别做3 次平行试验，记录干燥过程中姜片质量的变化。依据不同温度下的质量变化数据，绘制出相应的含水量随干燥时间的变化曲线。

姜片的初始水分含量测定采用直接干燥法，即称取一定量的姜片，置于（103±2）℃干燥箱内进行干燥，至质量不变时停止试验。姜片初始水分含量M0计算公式见式1。

式中：M0——姜片的初始水分含量，g；m0——姜片初始质量，g；m1——姜片干燥后的质量，g。

1.4 水分比的计算

水分比（moisture rate，MR）表示一定干燥条件下物料还有多少水分未被干燥去除，计算公式见式（2）[8-9]。

式中：M——姜片任意时间的含水量，g；M0——姜片最初含水量，g；Me——姜片平衡含水量，g。

一般情况下，由于物料的平衡含水量Me不易测得，可以用最终含水量代替，而最终含水量与M0和Me相比可以忽略不计[10-11]，因此式（2）变为式（3）。

1.5 干燥动力学模型的研究

利用Origin 8.0软件，对试验所得的干燥曲线进行非线性回归拟合，选择几种常用的干燥动力学模型用于拟合姜片的干燥过程，选出拟合程度最好的曲线[12-14]，见表1。

表1 干燥曲线模型Tab.1 The models of drying curve

试验数据和数学模型的匹配程度用相关系数R²和X²、SSE 衡量，其中R²越高，X²越小，数学模型的匹配程度越好。R²和X²相差不大时，SSE越小，数学模型的匹配程度越好，R²和X²、SSE的计算公式分别为（4）、（5）、（6）[15-17]。

式中：MRexp，i——任意时刻含水率的试验值；MRpre，i——任意时刻含水率的预测值；MRexp，i——含水率试验值的平均值；N——观察值的个数。

1.6 活化能及有效水分扩散速率计算

活化能计算通过绘制Deff的自然对数与绝对温度的倒数显示在空气中温度影响范围内的直线，通过ln（MR）与t的关系图像计算出斜率F，然后通过公式（6）计算出Deff进而求出ln（Deff），再利用阿伦尼布斯得到的方程求出Ea。公式为：

式中：H、F、R分别表示为厚度、斜率和摩尔气体常量，取3.14，R取8.314[18-119。

2 结果与分析

2.1 姜片的干燥

本试验中姜片的水分初始含量为95.88%，根据公式（2）计算出不同时刻姜片的水分含量，不同干燥温度下，不同厚度姜片干燥动力学曲线，见图1～3。

图1 不同厚度的姜片50℃时水分比曲线图Fig.1 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 50℃

图2 不同厚度的姜片60℃时水分比曲线图Fig.2 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 60℃

图3 不同厚度的姜片70℃时水分比曲线图Fig.3 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 70 ℃

从图1～3可以看出，随着干燥时间的延长，水分含量逐渐下降，相同干燥温度下，不同厚度的姜片水分下降的速率均为先快后慢，原因是姜片中包含结合水和自由水，在初期，厚度越小，水分含量下降的越快，姜片中的自由水迅速减少；在中期，水分含量下降的速率逐渐减慢，厚度越大，减慢的趋势越明显；到后期，水分含量趋于平稳，姜片中的自由水逐渐挥发掉，只剩下不能挥发的结合水，这时水分含量与姜片的厚度没有关系。可见切片厚度也是影响生姜热风干燥特性的主要因素之一。从从干燥效率角度考虑生姜切片厚度不宜太大。

由图1～3 对比可知，经过相同的干燥时间，干燥温度越高，最终姜片水分含量就越低。这是因为温度越高，空气的相对湿度较低，空气和姜的水含量之间的差别越大，传质推动力越大，干燥速率越大，达到平衡所需要的时间短，即干燥所需要的时间就短。因此，提高干燥温度对干燥有利，但出于对姜片中有效成分的保护，干燥温度不宜过高。综合图1～3可知，厚度为2 mm水分下降较快，其次是4 mm。

2.2 姜片动力学曲线及拟合方程

从工厂化生产的角度来说，应将姜片切成薄片，这样水分能够迅速地挥发掉，节省资源，降低成本。本试验中姜片的水分初始含量为95.88%，根据公式（2）计算出MR绘制成动力学曲线并绘制拟合曲线，选出最优拟合曲线，见表2。

表2 最优拟合曲线Tab.2 The optimal fitting curve

2.3 活化能及有效水分扩散速率

ln（MR）-t曲线如图4～6所示。

Deff随着干燥温度的增大而增大。一定厚度及风速下，温度越高，水分子运动越剧烈，水分迁移越快，有效水分扩散速率越大；根据活化能的比较选择厚度小的更为理想。由图4～6 及表3 可知，提高干燥温度、减小厚度，均有利于加快姜片中的水分扩散，提高干燥速率。当切片厚度为2 mm、干燥温度为60℃时，干燥速率及Deff都较优，适合实际生产。

表3 不同温度、不同厚度下的Deff及活化能Tab.3 Deff and activation energy at different temperatures and thick

图4 厚度为2 mm姜片的-ln（MR）-t曲线Fig.4 The-ln(MR)-t curve of 2 mm ginger slices

图5 厚度为4 mm姜片的-ln（MR）-t曲线Fig.5 The-ln(MR)-t curve of 4 mm ginger slices

图6 厚度为6 mm姜片的-ln（MR）-t曲线Fig.6 The-ln(MR)-t curve of 6 mm ginger slices

3 结论

不同温度、不同厚度下，应该选择厚度小，温度高的环境下进行干燥，既节省了资源，降低了成本，又减少了人力物力。姜片的热风干燥过程满足拟合方程模型MR=a×exp（k0t）+b×exp（-kit）、MR=a+bt+c×（t2），每个厚度下的活化能分别是14 692.73 kJ/mol（2 mm）、15 574.06 kJ/mol（4 mm）和15 759.90 kJ/mol（6 mm），这2 个模型能较好地描述水分含量随干燥时间的变化关系。当切片厚度为2 mm，干燥温度为60 ℃时，干燥速率及Deff都较优，适合实际生产。