成果介紹：紅棗渣-小麥粉混合粉干燥特性研究及其數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建
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作者：鄭曉敏
我國紅棗產(chǎn)量居世界首位，每年棗產(chǎn)量可達1萬t以上[1-2]。近些年來，隨著大棗工業(yè)加工的蓬勃發(fā)展，紅棗加工過程中也不可避免的帶來了許多工業(yè)生產(chǎn)廢料，如棗渣、棗泥等。紅棗加工后產(chǎn)生的棗渣水分含量、黏度、糖度均比較高導(dǎo)致后期加工難及保質(zhì)期短的難題[3] 。薄層干燥是食品熱風干燥加工中的主要干燥形式，它指被干燥物料以薄層的形式充分暴露于一定干燥環(huán)境中的干燥過程[4] ，它利用加熱后的空氣作為介質(zhì)對物料進行加熱，不僅可以縮短干燥周期，還能提高于制食品的質(zhì)量、減少腐爛損失且工藝簡易，將會成為今后紅棗渣干燥的主要途徑[5]。通過對果蔬干燥特性及其數(shù)學(xué)模型的研究可為預(yù)測和控制干燥過
程、優(yōu)化干燥工藝及設(shè)計干燥設(shè)備提供理論依據(jù)[5]。近年來國內(nèi)學(xué)者也對紅棗薄層干燥數(shù)學(xué)模型進行了研究[6]，然而關(guān)于紅棗渣薄層干燥數(shù)學(xué)模型的研究報道較少。由于單獨干燥棗渣時棗渣容易出現(xiàn)在干燥裝置中粘連，導(dǎo)致干燥困難的問題。試驗以紅棗渣為基料，以小麥粉作為輔料，通過混合技術(shù)得到一種水分含量比較高的紅棗渣-小麥粉混合粉，然后將其進行薄層干燥試驗，分析干燥特性，并建立干燥數(shù)學(xué)模型，研究不僅解決了棗渣干燥難題，還為紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥過程的控制和預(yù)測提供了理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1材料與儀器
紅棗渣：由新疆刀朗棗業(yè)有限公司提供；小麥粉：新疆奇臺八一面粉有限責任公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；FW-100高速萬能粉碎機：北高市永光明醫(yī)療儀器廠；AL 104電子天平：梅特勒一托利多（上海）有限公司；BM252C攪拌機：廣東美的精品電器制造有限公司。
1.2濕紅棗渣-小麥粉混合粉干燥工藝流程
紅棗渣->干燥->混合->熱風干燥
小麥粉
提取多糖后的紅棗渣需先在70℃熱風干燥使水分含量下降至60%—65%左右后，再與小麥粉混合。
1.3指標測定
1.3.1水分測定
參照GB/T 5009.8食品中水分測定法[7]。
1.3.2干燥速率[8]
式中：V-干燥速率，kg/( m2．s)；W-物料含水量，kg; S-物料的干燥脫水面積，m2;t-干燥時間，s。
1.3.3 水分比[9]
式中：MR -水分比；ME -平衡干基含水率，%；M0-初始含水量率，%；MT-T時物料含水率，%。
2結(jié)果與分析
2.1輔料添加量對干燥特性的影響
基輔比分別為1：2，1：2.5和1:3，過20目篩，熱風溫度為70℃，熱風速度為2.0 m/s，樣品鋪層厚度為15 mm的條件下進行干燥，結(jié)果見圖1和圖2。
由圖1可以看出，隨之輔料添加量的增多干燥時間縮短，含水率隨時間的延長而降低。因為大量的輔料能夠吸收紅棗渣中大部分的自由水分，降低了棗渣初始含水率，物料表面大部分的自由水被帶走，內(nèi)部水分容易擴到棗渣表面，所以縮短了干燥時間。由圖2可以看出，干燥速率隨時間的延長而逐漸降低，整個干燥過程以降速干燥為主。輔料添加量對干燥速率
的影響較大，輔料添加量越大，達到要求含水率的時間越短。
2.2熱風溫度對干燥特性的影響
基輔比1：2.5，過20目篩，熱風溫度分別50 0C，60℃和70℃，熱風速度為2.0 m/s，樣品鋪層厚度為15 mm的條件下進行干燥，結(jié)果見圖3和圖4。
由圖3可以看出，紅棗渣-小麥粉混合粉含水率隨干燥時間的延長而降低。干燥溫度越高，達到終點所需要的時間越短。由圖4可以看出，干燥溫度越高，干燥速率越大。因為根據(jù)熱力學(xué)定理[10]，單位質(zhì)量的熱風包含的能量多，熱風傳遞給紅棗渣-小麥粉混合粉的熱量越多，紅棗渣-小麥粉混合粉表面水分的氣化能力就越快，內(nèi)部水分向表面擴散速率也越快，導(dǎo)致干燥時間越短，干燥速率加快。
2.3熱風風速對干燥特性的影響
基輔比1：2.5，過20目篩，熱風溫度70℃，熱風速度分別為0.4，1.2和2.0 m/s，樣品鋪層厚度為15 mm的條件下進行干燥，結(jié)果見圖5和圖6。
由圖5可以看出，紅棗渣-小麥粉混合粉含水率隨干燥時間的延長而降低。干燥風速越高，達到終點所需要的時間越短。由圖6可以看出，干燥風速越高，干燥速率越大。因為在此階段樣品表面水分的氣化速度決定了紅棗渣-小麥粉混合粉干燥的速率，干燥氣體流量也越大，能夠加快紅棗渣-小麥粉混合粉表面飽和濕空氣的流通，從而減小了紅棗渣-小麥粉混合粉表面的飽和水蒸氣層，減小了傳熱傳質(zhì)阻力，加快了水分的傳遞，提高了干燥速率。
2.4物料鋪層厚度對干燥特性的影響
基輔比1：2.5，過20目篩，熱風溫度70℃，熱風速度為2.0 m/s，樣品鋪層厚度分別為9，12和15 mm的條件下進行干燥，結(jié)果見圖7和圖8。
由圖7可以看出，紅棗渣-小麥粉混合粉含水率隨干燥時間的延長而降低，達到終點所需要的時間差別不大。這是因為物料干燥最終含水率就是物料的平衡含水率，以傳熱傳質(zhì)的理論，空氣中的水蒸氣分壓決定物料平衡含水率[11]。由圖8可以看出，薄層厚度大的物料比厚度小的物料可獲得較大的干燥速度，薄層厚度越大，所含有水分也就越多，擁有足夠多的水分供其干燥，所以薄層厚度大的物料干燥速度高。
2.5物料顆粒度對干燥特性的影響
基輔比1：2.5，分別過16，20和40目篩，熱風溫度70℃，熱風速度為2.0 m/s，樣品鋪層厚度為15 mm的條件下進行干燥，結(jié)果見圖9和圖10。
由圖9可以看出，紅棗渣-小麥粉混合粉含水率隨干燥時間的延長而降低，顆粒度越小干燥時間越短。這是因為物料顆粒越小，表面積越小，在一定溫度下表面所含的自由水越容易氣化，內(nèi)部結(jié)合水向表層擴散就越快；表面積越大，所受到的阻力也越大，導(dǎo)致了干燥速率的減慢，干燥時間的延長。由圖10可以看出，干燥速率初始階段增高，因為紅棗渣-小麥粉混合粉中含有大量的游離水，因此干燥速度比較高，但隨著時間的延長，干燥速度之間的差距越來越小，至干燥結(jié)束時已基本相同。
3紅棗渣-小麥粉混合粉干燥動力學(xué)模型建立
用于描述農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥模型中，薄層干燥方程一般分為理論方程、半理論方程、經(jīng)驗方程和半經(jīng)驗方程[14] 。理論方程的形式比較復(fù)雜，推導(dǎo)過程只考慮物料內(nèi)部擴散阻力，誤差也較大。因此，在描述紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥時，僅考察半理論方程單指數(shù)模型，半經(jīng)驗方程指數(shù)模型和經(jīng)驗方程Wang and Singh模型。
3.1干燥模型的選擇
試驗使用常用的三種干燥方程．對各種干燥模型進行擬合分析，確定模型中干燥系數(shù)，最后用回歸驗證，從而選擇最適的干燥模型。目前薄層干燥過程的常見模型有3種。
半理論方程單項指數(shù)模型[13]：
MR=Aexp(-kt) (3)
半經(jīng)驗方程指數(shù)模型[14]：
MR=exp(-kt) (4)
經(jīng)驗方程Wang，Thompson模型[1 3]：
MR=1+K 1t+K2t2 (5)
3.2干燥模型的分析
數(shù)據(jù)處理采用Eviews統(tǒng)計軟件和Spss統(tǒng)計軟件進行擬合分析。
從以上的擬合分析結(jié)果可以看出，半理論方程模型精度明顯高于經(jīng)驗方程模型和半經(jīng)驗方程模型，原因在于紅棗渣-小麥粉混合粉的干燥過程本來就是一個多因素參與的復(fù)雜過程，而半理論模型相比于半經(jīng)驗，經(jīng)驗?zāi)Ｐ投嗫紤]了兩個參數(shù)，因此模型的精度也相對較高。所以本次分析過程采用半理論方程模型作為紅棗渣-小麥粉混合粉的干燥動力學(xué)模型。
3.3模型中系數(shù)的確定及分析
試驗當中選取的影響因子為輔料添加量、熱風溫度、物料厚度、熱風風速以及物料顆粒度，但在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，輔料添加量和物料顆粒度不會發(fā)生改變。所以在模型的參數(shù)不考慮這些因素�；貧w模型中的影因子為溫度T、風速V以及纖維層的厚度日。試驗中物料厚度對其影響并不大，為了使方程能夠簡化，影響因子僅考慮溫度T和風速V。每個因素獨立的一次作用，二次作用和交付作用，可以得到以下方程式：
3.4回歸模型的驗證模型的擬合結(jié)果見表1。驗證試驗得到擬合系數(shù) R2=99.3%，說明模型計算的數(shù)值和試驗數(shù)據(jù)具有良好的吻合性。數(shù)據(jù)比較如圖11。
從圖1 1看出，試驗數(shù)據(jù)與半理論干燥動力學(xué)模型具有良好的吻合度。因此，半理論模型能夠用于指導(dǎo)紅棗渣-小麥粉混合粉的生產(chǎn)。
4結(jié)論
紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥速率隨之輔料添加量、熱風溫度、熱風風速和顆粒度增加而增加，紅棗渣-小麥粉混合粉干燥過程以降速干燥為主，半理論方程單項擴散模型可以用于描述紅棗渣-小麥粉混合粉干燥特性。
5摘要
研究了熱風溫度、風速、物料薄層厚度、輔料添加量、物料顆粒度對紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥特性的影響，采用半理論方程，半經(jīng)驗方程和經(jīng)驗方程擬合試驗數(shù)據(jù)，得到了紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥的最適數(shù) 學(xué)模型。試驗結(jié)果表明：紅棗渣-小麥粉混合粉熱風干燥過程的最適模型為半理論方程單項指數(shù)模型。
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