食用干米粉熱風(fēng)干燥特性及干燥數(shù)學(xué)模型研究

胡文明，嚴(yán)中俊

（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000）

米粉是我國南方人民群眾喜愛的傳統(tǒng)米制品之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年用于米粉加工的大米約100萬t，約占食品加工用米總量的1/3。干燥是米粉生產(chǎn)的一個重要工序，是延長米粉保質(zhì)期、提高米粉生產(chǎn)質(zhì)量的重要途徑。米粉目前常用的干燥方法包括自然風(fēng)干（晾、曬）、熱風(fēng)干燥、微波干燥、冷凍干燥和聯(lián)合干燥等方法，熱風(fēng)干燥技術(shù)由于具有操作簡單、成本低、速度快等特點(diǎn)，在食用干米粉的生產(chǎn)過程中得到了大量的應(yīng)用。

米粉干燥過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)定傳熱、傳質(zhì)過程，在干燥過程中，隨著米粉含水量的下降米粉體積產(chǎn)生收縮、質(zhì)構(gòu)發(fā)生變化、水分子與物料的結(jié)合力增大，從而影響米粉在食用過程中的拉抻力、咀嚼度、蒸煮損失率及硬度等產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)。近年來，隨著米粉生產(chǎn)工業(yè)化的發(fā)展，米粉的熱風(fēng)干燥過程受到研究人員的廣泛關(guān)注，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙思明、劉友明等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，建立了米粉在高溫高濕條件下的干燥模型，并通過控制干燥過程中的干球溫度和濕球溫度對米粉在干燥過程中的水分?jǐn)U散特性進(jìn)行了定性分析及研究，得出在適宜的干燥條件下，可以提高米粉的水分?jǐn)U散系數(shù)，降低米粉干燥過程中的能耗；河南工業(yè)大學(xué)高靜丹、陳潔等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，通過測定在不同主干燥溫度條件下米粉的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)及色澤等指標(biāo)，對主干燥溫度下米粉的品質(zhì)進(jìn)行了研究，得出在綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，米粉干燥溫度在65℃時干燥效果較好；劉成梅、左艷娜等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對干燥過程中米粉的老化情況進(jìn)了研究，說明了干燥過程中參數(shù)的控制直接影響到米粉最終的產(chǎn)品質(zhì)量。Chian A、Shei H J及Ece M C等通過實(shí)驗(yàn)研究的方法證實(shí)了干燥條件和干燥動力學(xué)特性與食品的感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值之間的密切關(guān)系。

文章通過研究不同溫度條件下米粉熱風(fēng)干燥特性，并在常用干燥模型的基礎(chǔ)上，對食用干米粉熱風(fēng)干燥模型進(jìn)行了研究，為米粉熱風(fēng)干燥過程的優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。

1 米粉干燥特性實(shí)驗(yàn)

1.1 干燥指標(biāo)

含水量參照GB 5009.3-2010《食品中水分的測定》進(jìn)行測量，每個樣品以條狀米粉進(jìn)行截取，質(zhì)量為20g，通過設(shè)置干燥箱不同干燥溫度，干燥至恒重量，以w0為干基含水量，則含水量M采用分式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖1 米粉恒溫干燥系統(tǒng)圖

其中：M表示為含水量，%；m為米粉的質(zhì)量，g；m0是初始時刻的米粉質(zhì)量，g。

米粉內(nèi)部干燥過程中含水量的多少（含水率）和水分消失的快慢（干燥率）可以分別用MR和DR來表示：

其中：Mt表示的是t時刻的含水量，Me表示的是干燥過程達(dá)到相對穩(wěn)定的一個狀態(tài)時的含水量，Mo表示的是米粉還沒進(jìn)行干燥之前的含水量，通過國家規(guī)定的方法測得。由于Me比Mt和Mo要小得多，所以可以把Me忽略，從而MR的表達(dá)式可以化簡成：

其中 Md，d垣dt和 Md，t分別是 t0垣dt和 t0時刻的去除米粉內(nèi)水分后米粉的質(zhì)量（也稱干物質(zhì)量）。

1.2 干燥數(shù)學(xué)模型

文章選擇了以下幾個常用的干燥模型對食用干米粉熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型進(jìn)行了研究，如表1所示。

干燥模型的評價標(biāo)準(zhǔn)采用模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的擬合度（R2）來進(jìn)行檢驗(yàn)，擬合度（R2）越接近1，就代表所用模型越符合米粉的干燥過程，計(jì)算公式如式（5）所示：

表1 數(shù)學(xué)模型及其表達(dá)式

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對干燥速率的影響

從圖2可以看出，從開始失水到含水率達(dá)到10%（標(biāo)準(zhǔn)10%～14%），干燥溫度為 50℃時要花 42000s，60℃時要25000s，70℃ 時 要 19000，80℃ 時 要 13000s，90℃ 時 只 要9000s，干燥所需時間與干燥溫度的高低成反比。在只有溫度這一個變量時，干燥同樣質(zhì)量的水分所用的時間長短與干燥溫度的高低成反比，因?yàn)闊峥諝馀c米粉的溫差越大，推動米粉內(nèi)水分蒸發(fā)的推動力就越大，水分減少的速度也就越快。

圖2 平鋪在7cm×7cm容器中不同恒溫條件下米粉含水量隨時間變化曲線

圖3 平鋪在7cm×7cm容器中不同恒溫條件下米粉干燥速率隨時間變化曲線

由圖3可知，每條曲線都有兩個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)為每條曲線的最高干燥速率點(diǎn)，同樣也是升速干燥階段與降速干燥階段之間的交點(diǎn)。第二個轉(zhuǎn)折點(diǎn)為降速干燥階段與恒速干燥階段的交點(diǎn)。在改變米粉的干燥溫度時，米粉的升速干燥階段的時間沒有很大的變化，基本上都是在1000s左右，米粉的升速干燥階段與溫度這個變量沒有關(guān)系。然而，改變溫度對該曲線第一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置有很大的影響，因此，米粉干燥的最大干燥速率與溫度的高低成正比。

2.2 干燥模型性能研究

文章對各模型的擬合采用的是OriginPro 7.5軟件。表2表示的是米粉干燥模型在不同溫度下的擬合結(jié)果。從表2可知，當(dāng)干燥溫度為50℃、60℃時，蘊(yùn)ogarithmic模型的決定系數(shù)分別是0.99874、0.99953，為該溫度下7個模型的決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。當(dāng)干燥溫度為70℃時，Modified Page模型和Page模型的決定系數(shù)為0.99982，為該溫度下7個模型決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。當(dāng)溫度為80℃和90℃時，Two-term exponential模型的決定系數(shù)分別是0.99984、0.99907，為該溫度下7個模型的決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。

表2 食用米粉干燥模型擬合結(jié)果

因此，通過比較統(tǒng)計(jì)參數(shù)可得：在干燥較低溫區(qū)（50℃、60℃）蘊(yùn)ogarithmic模型比較適合擬合米粉干燥過程；在中溫過渡區(qū)（70℃）Modified Page模型和Page模型比較適合擬合米粉干燥過程，而在較高溫區(qū)（80℃、90℃），則 Two-term exponential模型比較適合。

3 結(jié)語

（1）米粉干燥的過程大致分為三段，首先是升速干燥階段，然后是降速干燥階段，最后是等速干燥階段。每個溫度條件下大致維持了1000s的升速干燥階段，各溫度對升速干燥階段的時間影響不大，只是影響最大的干燥速率。

（2）高干燥箱內(nèi)干燥溫度，可以提高米粉的干燥率，減少干燥時間。平鋪在7cm×7cm的容器中總質(zhì)量為20g的米粉，干燥溫度由50℃增加到90℃時，最大干燥速率由0.00005g/s增加到0.00025g/s。

（3）通過比較7種模型可得：在干燥較低溫區(qū)（50℃、60℃）蘊(yùn)ogarithmic模型比較適合擬合米粉干燥過程；在中溫過渡區(qū)（70℃）Modified Page模型和Page模型比較適合擬合米粉干燥過程，而在較高溫區(qū)（80℃、90℃），則 Two-term exponential模型比較適合。

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