食品薄層干燥技術的研究進展

應巧玲 勵建榮 傅玉穎 李學鵬 陸海霞

(浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310035)

食品薄層干燥技術的研究進展

應巧玲 勵建榮 傅玉穎 李學鵬 陸海霞

(浙江工商大學食品與生物工程學院,杭州 310035)

隨著干燥技術的發(fā)展,使用數(shù)學模型來表達和描述干燥過程己成為干燥技術研究的重要內(nèi)容。為了優(yōu)化干燥過程、控制產(chǎn)品質(zhì)量,通常需要建立干燥過程的數(shù)學模型,并借助模型對干燥過程進行分析。目前,用來描述干燥過程的數(shù)學模型已有上百種,其中薄層干燥模型是一類應用十分廣泛的模型,被用來描述水果、蔬菜、水產(chǎn)品和其他一些農(nóng)作物的干燥過程。本文闡述了食品薄層干燥的原理,介紹了薄層干燥模型的種類及國內(nèi)外的研究進展,并對其在食品加工中的應用前景做了展望,旨在為食品薄層干燥技術的應用及過程優(yōu)化提供一定參考。

食品 薄層干燥 模型 研究進展

干燥是最古老的食品保藏方法,是采用某種方式將熱量傳遞給含水物料,且將此熱量作為潛熱而使水分蒸發(fā)分離的操作。去除食品中的水分可防止使食品腐敗的微生物生長和繁殖,進而延長了食品的貨架期[1]。同時干燥可使產(chǎn)品重量減少,進而降低包裝費用和運輸成本。但是,干燥對一些產(chǎn)品的質(zhì)量會有影響,尤其是魚類[2]。

目前,工業(yè)上大多是以經(jīng)驗為基礎對干燥過程進行設計的,這樣往往不能準確地優(yōu)化工藝,以至于不能對產(chǎn)品質(zhì)量進行很好地控制。食品物料的干燥取決于被干燥物料中熱量和質(zhì)量的傳遞特性。因此,對食品物料干燥過程中水分和溫度的了解對于干燥過程的設計以及產(chǎn)品的質(zhì)量控制是十分重要的。而干燥生產(chǎn)過程中在線檢測水分含量及物料內(nèi)部溫度比較困難,為了達到輔助干燥器的設計、優(yōu)化干燥過程、控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的,通常需要建立干燥過程的數(shù)學模型,并借助模型對干燥過程進行分析。

1 食品薄層干燥

1.1 食品干燥原理

食品干燥的基本過程是食品從外界吸取熱量使食品內(nèi)部水分向表面擴散,擴散到表面的水分又向周圍空間蒸發(fā)的過程[3]。食品干燥比較復雜,首先是對食品加熱使其水分汽化的傳熱過程,然后是汽化后的水蒸氣由于其蒸汽分壓較大而擴散進入氣相的傳質(zhì)過程,而水分從食品內(nèi)部由于擴散等的作用而到達食品表面,則是一個食品內(nèi)部的傳質(zhì)過程。因此,干燥過程的特點是傳熱和傳質(zhì)過程同時并存,兩者相互影響而又相互制約,有時傳熱可以加速傳質(zhì)過程的進行,有時傳熱又可減緩傳質(zhì)的速率[4]。因此,熱量的傳遞和食品水分的外逸,即食品的濕熱傳遞是食品干燥的基本原理,對食品物料干燥過程中水分和溫度的了解尤其重要。

1.2 薄層干燥

薄層干燥是物料的每一部分都充分暴露在相同條件下的干燥,物料厚度一般小于 2 cm[5]。薄層干燥是食品物料干燥的基本形式,是深床干燥的基礎。了解薄層干燥特性是了解其他干燥特性的基礎。薄層干燥的研究是為了探討在一定的風溫、風速以及相對濕度的條件下,物料含水率隨時間的變化規(guī)律,并進一步建立薄層干燥方程,以便利用計算機進行物料干燥過程模擬,為優(yōu)化干燥工藝和指導物料干燥機設計提供依據(jù)。

1.3 影響薄層干燥速率的主要因素

影響食品薄層干燥速率的因素很多,主要有:干燥溫度,干燥風速,空氣濕度,物料本身特性等等。段振華等[6]對鳙魚魚片在 40、50和 60℃等不同干燥溫度下的薄層干燥速率進行了研究,發(fā)現(xiàn)不同的干燥溫度對魚片的干燥速率影響很大,溫度越高干燥越快。Miranda等[7]在蘆薈凝膠的干燥試驗中也發(fā)現(xiàn)了同樣規(guī)律。張建軍等[8]對辣椒進行熱風干燥試驗,發(fā)現(xiàn)干燥溫度越高干燥速率越快,但溫度過高會影響產(chǎn)品的質(zhì)量,同時也發(fā)現(xiàn)干燥速率隨著干燥風速的增大而增大。李珂等[9]研究了熟化甘薯熱風干燥主要工藝參數(shù) (干燥溫度、干燥風速等)對干燥速率的影響,發(fā)現(xiàn)干燥速率均隨著干燥溫度和干燥風速的增加而提高,但干燥溫度和干燥風速兩者相互影響,并不是兩者數(shù)值都最高時,干燥速率才最大。李洪江等[10]通過花生仁薄層干燥試驗,探討了各因素對花生仁干燥速率的影響,結果表明,風溫是影響干燥速率的主要因素,其次是風速,而相對濕度和物料初始水分對干燥速率的影響最小。

2 薄層干燥模型

2.1 薄層干燥模型種類

目前,用來描述干燥過程的數(shù)學模型已有上百種[11],其中薄層干燥模型是一種應用十分廣泛的模型。在水果、蔬菜、水產(chǎn)品和其他一些農(nóng)作物的干燥中,已經(jīng)使用薄層干燥模型來進行數(shù)學模擬。薄層干燥模型主要分成三類:理論、半經(jīng)驗和經(jīng)驗模型[12]。半經(jīng)驗模型把干燥的理論和實踐聯(lián)系在一起,因此得到廣泛的應用。主要的薄層干燥模型見表1。

表 1 主要薄層干燥模型[13-16]

2.2 幾種模型的介紹

在各種薄層干燥模型中,國內(nèi)最常用來描述物料干燥的數(shù)學模型有 Newton模型:MR=exp(-kt); Henderson and Pabis模型:MR=aexp(-kt);Page模型:MR=exp(-ktN)。

2.2.1 Newton模型

Newton模型,又稱指數(shù)模型,是借鑒傳熱過程中Newton冷卻速率方程的形式來描述物料的薄層干燥過程的[17]。假定在恒溫條件下,物料干燥速率與物料含水率和平衡含水率之差成正比,則物料干燥速率可用方程(1)表示:

對方程(1)進行積分可得薄層干燥方程 (2),稱為Newton方程:

Newton模型忽略了濕組分移動的內(nèi)部阻力,僅考慮表面阻力,往往低估了初始階段的干燥速度,而又高估了接近平衡含水率時的干燥速度,是一個典型的半經(jīng)驗半理論模型。該方程用于描述干燥過程的后期較為準確,而不能對物料整個干燥過程進行準確的描述。

2.2.2 Henderson and Pabis方程

Henderson and Pabis模型,又稱單項擴散模型。在大多數(shù)情況下,物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力比傳熱阻力大得多,這時降速干燥階段濕份擴散是控制干燥速率的主要因素,可以用菲克 (Fick’s)第二擴散定律描述的模型來計算干燥速率:

式中:M為干燥時刻 t的含水率,m水/m干基;t為時間/s;Deff為固體物料中水分的擴散系數(shù)/m2/s;x為物料厚度/m。

在干燥過程中,若滿足以下條件:①初始濕含量分布均勻;②一維等溫擴散;③濕份遷移中物料無體積變化;④忽略外部阻力。

則式 (3)有解析解如下[18]:

①無限大平板

式中:L為板厚/m;Mt為 t時刻物料含水率, m水/m干基;M0為初始含水率,m水/m干基;Me為平衡含水率,m水/m干基;n為無窮級數(shù)。

②無限長圓柱

式中:λn為常數(shù)數(shù)列;r為圓柱體半徑/m。

③球體(顆粒)

式中:r為球體半徑/m。

式(4)、(5)、(6)均為無窮級數(shù)展開式,通常為簡化計算只取此第一項即能滿足精度要求,分別可得:在式 (7)、(8)、(9)中,分別令 a=8/π2,k= π2Deff/L2;a=4/λk=λ12,Deff/r2;a=6/π2,k= π2Deff/r2,均能得到進一步簡化的方程:

式中:a為干燥模型的經(jīng)驗系數(shù);k為干燥常數(shù)/ s-1,其中包含有擴散系數(shù) Deff的含義。

Henderson and Pabis模型是根據(jù)液態(tài)擴散理論,在上述各種假設條件成立的前提下,經(jīng)過簡化后推導出的、描述干燥過程的近似模型。實際干燥情況有可能與假設不符,如存在水分擴散系數(shù)隨物料的含水率和溫度的變化而改變、或干燥過程中物料發(fā)生收縮變形等情況,導致 Henderson and Pabis方程可能擬合不夠精確,或只能分階段擬合。

2.2.3 Page模型

1949年,Page提出了 Newton模型的改進形式,即 Page模型。Page模型是在Newton模型的基礎上,考慮了平衡含水率與濕物料種類的相關性,干燥方法和工藝參數(shù)的相關性,其描述的范圍最為廣泛,尤其適合于組成成分和結構復雜的生物材料。

僅從表達式來看,Newton方程也可以視為 Hen2 derson and Pabis模型 (a=1時)或 Page方程 (N=1時)的特殊形式。

3 薄層干燥模型在食品加工中的研究進展

各種薄層干燥模型在性質(zhì)上都存在著差異,不同的模型適合不同的物料和干燥方式,許多研究人員已經(jīng)成功地使用各種薄層干燥模型來描述一些食品的干燥特性。在農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品以及其他一些食品中均有相關的研究報道。

3.1 薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的研究進展

近年來,國內(nèi)外對薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中的應用研究比較多。根據(jù)不同的干燥物料,干燥過程中的不同工藝及干燥條件,選擇不同的干燥模型。常學東等[19]對板栗切片和磨粉在真空條件下的干燥進行了研究,通過回歸分析,發(fā)現(xiàn)板栗薄層干燥的數(shù)學模型符合 Page模型。聞陶等[20]在研究馬鈴薯吸附干燥,楊金英等[21]在研究春筍微波干燥,以及 Doymaz[22-23]在研究黃秋葵干燥動力學和黑葡萄的薄層干燥試驗時,都發(fā)現(xiàn)了相似的結果,說明Page模型在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的模擬性較好,得到廣泛應用。Pehlivan等[24]對一些水果的戶外日光干燥過程進行模擬,結果發(fā)現(xiàn),在多種模型中,Approxi2 mation of diffusion模型能較好地模擬無花果的干燥過程,而 Modified Henderson and Pabis模型能較好地模擬葡萄和李子的干燥過程。Akpinar[25]對一些蔬菜和水果 (土豆、蘋果、南瓜片等)的薄層干燥進行研究,并用數(shù)學模型進行模擬,發(fā)現(xiàn)M idilli-Ku2 cuk模型是最佳的,能較準確地預測物料在干燥過程中的水分變化。Akpinar[26]還對生長在土耳其的芳香類植物 (歐芹、薄荷等)進行了日光干燥研究,發(fā)現(xiàn)Modified page模型能很好地解釋薄荷的干燥特性,而由Verma等提供的模型能較好地解釋歐芹的干燥特性。Wang等[27]研究了蘋果渣的熱風對流干燥特性,用不同的數(shù)學模型進行模擬,發(fā)現(xiàn)Loga2 rithmic模型能較好地模擬其干燥過程。Roberts等[28]使用薄層干燥模型對一些葡萄種子的干燥過程進行模擬,發(fā)現(xiàn) Newton模型、Page模型和 Hen2 derson and Pabis模型均能很好地模擬葡萄種子的干燥過程,其中 Newton模型最能準確地預測干燥過程中其水分變化。薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的應用還有很多,如:青椒、綠豆和洋蔥[29]、蘑菇和花粉[30]、仙人掌[31]和茄子[32]等。

3.2 薄層干燥模型在水產(chǎn)品中的研究進展

在水產(chǎn)品干燥中,關于模型研究的報道也有許多。婁永江[33]對龍頭魚進行了熱風薄層干燥試驗,用Newton、Page和 Henderson and Pabis三種模型對其進行模擬,結果表明,Page模型比其他兩種模型的擬合程度高,能較好地描述其薄層干燥過程。段振華等[34-35]在鳙魚的熱風干燥規(guī)律研究和羅非魚片的熱風薄層干燥試驗中,以及 Djendoubi等[36]在研究風干過程對沙丁魚肌肉脫水動力學影響的試驗中均發(fā)現(xiàn)了類似的結果。說明 Page模型在水產(chǎn)品干燥中的應用也很廣泛。孫妍[37]對海參干燥動力學進行研究時,發(fā)現(xiàn) Two-term模型能很好地模擬海參干燥過程,這與Mohapatra等[38]在研究小麥干燥時發(fā)現(xiàn)的結果一樣。曾令彬等[39]對腌制后的白鰱進行熱風干燥試驗,研究魚塊干燥曲線及內(nèi)部水分擴散特性,發(fā)現(xiàn)Henderson and Pabis模型具有較高的擬合精度。這與 Kilic[40]在虹鱒魚的低溫薄層干燥研究中發(fā)現(xiàn)的結果一致。

3.3 薄層干燥模型在其他方面的研究進展

除了在農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品方面的應用外,薄層干燥模型在肉制品、乳制品等一些方面也有相關的應用報道。張厚軍等[41]在豬通脊肉熱風干燥特性的研究中,用 10種模型對干燥曲線進行了模擬,結果表明 Modified Henderson and Pabis模型最為適合。Hayaloglu等[42]在研究酸奶在對流盤式干燥器內(nèi)的干燥過程時,用 9種模型對其干燥曲線進行了模擬,結果表明Midilli-Kucuk模型最佳。歐春艷等[43-44]在紅外干燥條件下,對殼聚糖和甲殼素的干燥特性進行了研究,采用線性回歸分析程序,分析比較了不同干燥模型,結果表明,Page模型能較好地描述殼聚糖和甲殼素紅外干燥過程,可以準確地預測各干燥階段的干燥速率及含水率。此外,鄒積琴等[45]在堿式碳酸鎂納米花干燥動力學的研究中,也發(fā)現(xiàn)了Page模型能較準確地模擬堿式碳酸鎂納米花的干燥過程。

4 展望

經(jīng)過食品工作者幾十年的不斷研究,至今無論是在食品干燥理論還是實踐方面都已取得了不少重要的研究成果。但是,由于食品干燥是一個復雜的傳熱傳質(zhì)過程,僅靠經(jīng)驗對其進行控制比較困難,存在一定的局限性。所以使用數(shù)學模型來表達和描述干燥過程己成為干燥技術研究的重要內(nèi)容。在眾多模型中,薄層干燥模型是一類應用十分廣泛的模型,被廣泛用來描述農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等一些物料的干燥過程。目前,薄層干燥模型在農(nóng)產(chǎn)品中的應用最多,其次是水產(chǎn)品,而在其他一些食品物料中的應用較少。因此,使用數(shù)學模型來模擬水產(chǎn)品、肉制品、乳制品及其他一些食品的干燥過程將是今后食品干燥技術研究的重要方向。

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Research Progress of Food Thin LayerDrying Technology

Ying Qiaoling Li Jianrong Fu Yuying Li Xuepeng Lu Haixia
(College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang GongshangUniversity,Hangzhou 310035)

W ith the development of drying technology,applying mathematical models to express and describe the drying process has become an important field in the study on drying technology.Mathematicalmodels usually need to be established and be used to analyze the drying process in order to optimize drying process and control product quality.At present,overone hundred kindsofmathematicalmodel have been established,amongwhich thin layer dr2 yingmodel has been widely applied in food processing,such as describing the drying process of some fruits,vegeta2 bles,aquatic products and some other crops.In this paper,the principle of food thinlayer drying is described briefly. Then the types of thinlayer drying model are introduced,and the research progress of its applications in food drying both inland and oversea is reviewed.Finally,the prospect of the application of thinlayer dryingmodel in food drying process is discussed.The goal of thiswork is to provide reference for the application and process optimization of thin layer drying technology.

food,thinlayer drying,model,research progress

TS205.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)05-0115-06

浙江省科技廳計劃項目(2008C21012)

2009-05-22

應巧玲,女,1986年出生,碩士,食品科學與工程

勵建榮,男,1964年出生,博士,教授,博導,農(nóng)水產(chǎn)品貯藏加工與安全控制、功能因子和保健食品及食品生物技術