甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化

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(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江西南昌 330045;2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330045)

甜葉菊別名甜草、甜菊和甜茶等,含有14種微量元素和32種營養(yǎng)成分,是優(yōu)質(zhì)糖源的原料[1]。其甜味活性物質(zhì)是甜菊糖,主要成分為甜菊糖苷和萊鮑迪苷,甜度是蔗糖的300倍,熱量僅為蔗糖的1/300,具有良好的熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性與非發(fā)酵性,被譽(yù)為最有發(fā)展前途的新糖源[2-5]。甜葉菊經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,1 hm2甜葉菊產(chǎn)糖量相當(dāng)于甘蔗6～7 hm2、甜菜11～12 hm2,莖稈還可用于藥品、肥料及飼料等[6-7]。甜葉菊干燥是甜菊糖生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),含水量降低至10%時(shí)可延長保質(zhì)期[6-7]。國內(nèi)甜葉菊干燥主要采用陽光晾曬和烘干房干燥2種方式,南方以陽光晾曬為主,受7～9月雨季影響,晾曬時(shí)間長,易氧化變質(zhì);北方以烘干房干燥為主,因烘干不均勻易導(dǎo)致甜葉菊氧化變黑,且干燥效率較低。因此,亟需開展甜葉菊的干燥特性的研究,以獲取高效干燥的工藝方法。

紅外輻射干燥主要是依靠介于可見光與微波之間的電磁波輻射傳遞能量的干燥技術(shù),波長為0.76～1000 μm。紅外加熱輻射能穿透物料表層,直接加熱內(nèi)部,具有高效、節(jié)能、環(huán)保、干燥品質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于烘干、燒烤和干燥食品原料[11-13]。已有研究結(jié)果表明,紅外與熱風(fēng)聯(lián)合干燥具有良好的協(xié)同性。謝小雷等[14]采用紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥制作牛肉干,比單獨(dú)采用紅外的干燥時(shí)長降低30%,能耗降低10%;羅劍毅[15]應(yīng)用遠(yuǎn)紅外與熱風(fēng)組合干燥稻谷,發(fā)現(xiàn)組合干燥能夠顯著縮短干燥時(shí)長并提高稻谷品質(zhì);汪喜波[16]對紅外輻射與對流聯(lián)合干燥進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究,證明在對流干燥的基礎(chǔ)上加入紅外輻射,有利于提高物料內(nèi)部溫度,提升干燥效率。目前,暫未見紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥方法應(yīng)用在甜葉菊干燥上的相關(guān)研究報(bào)道。

本文在研制的甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置基礎(chǔ)上,提出將紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥應(yīng)用于甜葉菊干燥,采用單因素實(shí)驗(yàn)研究熱風(fēng)溫度、輻射距離、排濕速率對甜葉菊干燥特性的影響;根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),以干燥時(shí)長和能耗為試驗(yàn)指標(biāo),對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,為研發(fā)甜葉菊干燥方法和技術(shù)裝備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜葉菊 守田3號(hào),來自江西吉安。

紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置 實(shí)驗(yàn)室自制;MS-100型鹵素?zé)羲譁y定儀 哈爾濱宇達(dá)電子科技有限公司;JYC-412型人工氣候箱 上海佳語科學(xué)儀器有限公司;AntarisII傅里葉近紅外光譜分析儀 賽默飛世爾;WT20002型方特電子天平 深圳市艾柯特電子有限公司;AW550型手持式紅外測溫儀 東莞萬創(chuàng)電子制品有限公司;KWD-T10型電力監(jiān)測儀 慈溪科沃德電子有限公司。

1.2 甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置由紅外系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,如圖1所示。干燥箱內(nèi)設(shè)有碳纖維紅外加熱板,其通過螺栓固定安裝在干燥箱內(nèi)的兩根輥軸上,加熱板厚度為2～3 mm,導(dǎo)電紙通電(220 V)后激發(fā)紅外電磁波,紅外波長為1～30 μm,集中在5～15 μm,表面溫度為0～120 ℃,溫差在10 ℃以內(nèi),輻射功率為1.1 kW/m2;紅外加熱板與物料盤之間的距離可通過棘輪升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為140～170 mm。工作時(shí),外界空氣自鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入電加熱器內(nèi),電加熱器出口處設(shè)有一溫度傳感器,加熱至設(shè)定溫度后,由熱風(fēng)管經(jīng)法蘭導(dǎo)入干燥箱內(nèi),碳纖維紅外加熱板和熱風(fēng)共同加熱物料盤上的甜葉菊;稱重傳感器安裝在物料盤正下方,實(shí)時(shí)監(jiān)測加熱過程中甜葉菊的重量變化;加熱后的高溫高濕廢氣通過熱風(fēng)出口排出,出口處裝有板翅式熱交換器,通過高溫離心風(fēng)機(jī)達(dá)到排濕的效果,同時(shí)將廢氣通入板翅式熱交換器內(nèi),與新鮮空氣進(jìn)行熱交換,用于余熱回收。

圖1 紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared-hotair combined drying device注:1.廢氣出口;2.棘輪升降機(jī)構(gòu);3.碳纖維紅外加熱板;4.法蘭;5.高溫離心風(fēng)機(jī);6.板翅式熱交換器;7.電加熱器;8.鼓風(fēng)機(jī);9.電控箱;10.干燥室溫度傳感器;11.稱重傳感器;12.物料盤。

1.3 紅外輻射-對流復(fù)合換熱理論

描述紅外輻射-對流復(fù)合換熱中,在對流能量方程中添加一個(gè)輻射源項(xiàng)[16],以二維為例,復(fù)合換熱連續(xù)性方程為:

式(1)

動(dòng)量方程為:

式(2)

式(3)

能量方程為:

式(4)

式中:μ為流體的粘滯系數(shù),Pa·s;p為壓力,Pa;ux、uy分別為x、y方向的流體速度,m/s;cp為流體的定壓比熱容,kJ/(kg·K);λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);qrx、qry分別為x、y方向上的輻射熱流密度,J/(m2·s);φ為流體的粘性耗散函數(shù)。

當(dāng)紅外輻射-對流換熱為平板層流邊界層時(shí),根據(jù)邊界層理論[18-20],忽略體積力、粘性耗散,簡化動(dòng)量方程為:

式(5)

能量方程為:

式(6)

式中:v為運(yùn)動(dòng)粘度,m2·s;;qr為輻射流密度,J/(m2·s);T為輻射溫度,K;

由紅外輻射-對流組合換熱控制方程可知,流體速度u、流體的導(dǎo)熱系數(shù)λ、輻射溫度T、輻射流密度qr為組合換熱的主要影響因素。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 單因素實(shí)驗(yàn) 從人工氣候箱內(nèi)取出甜葉菊,挑選品相好、無腐爛的甜葉菊葉片,依據(jù)GB5009.3-2016規(guī)定的食品中水分的測定方法[17],測定其初始干基含水率為2.195 g/g(濕基含水率68.7%),將其均勻平鋪于物料盤中。由于試驗(yàn)影響因子較多,參考薄層類物料干燥常用熱風(fēng)風(fēng)速,選取固定風(fēng)速0.5 m/s;本研究中紅外輻射熱源為碳纖維紅外板,紅外輻射功率為1.1 kW/m2;將物料平鋪于物料盤上,測得載料量50 g,平鋪厚度為40 mm。根據(jù)甜葉菊實(shí)際生產(chǎn)需要,試驗(yàn)分別以熱風(fēng)溫度、排濕功率和輻射距離為變量因素,以甜葉菊干基含水率達(dá)到0.111 g/g(濕基含水率10%),所用干燥時(shí)長和能耗為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行干燥試驗(yàn)[8,21],數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔2 s讀取1次重量數(shù)據(jù),直至干燥恒重(重量數(shù)據(jù)曲線趨于平直),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Design table of single factor experimental tests

1.4.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取熱風(fēng)溫度(100、110、120 ℃)、排濕功率(140、240、340 W)和輻射距離(140、150、160 mm)的三個(gè)較優(yōu)水平,以干燥時(shí)長和能耗為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),以確定最佳干燥條件。選擇L9(34)正交表,各因素水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 2 Orthogonal test factor level design

1.5 測試指標(biāo)及計(jì)算方法

1.5.1 干基含水率 干基含水率[23-24]按如下公式計(jì)算:

式(7)

式中:Mt-試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率,g/g;mt-試樣干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量,g;mg-試樣干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量,g。

1.5.2 干燥速率 干燥速率[25-26]按如下公式計(jì)算:

式(8)

式中:Dr-干燥速率,g/(g·min);Mt+Δt-試樣干燥至t+Δt時(shí)刻的干基含水率,g/g;Δt-干燥時(shí)間間隔,min。

1.5.3 能耗測定 能耗由熱風(fēng)及排濕系統(tǒng)能耗與碳纖維紅外板能耗組成,其中熱風(fēng)及排濕系統(tǒng)能耗由三相電表測定,碳纖維紅外板能耗由電力監(jiān)測儀測定[27-29]。

W=wr+wh

式(9)

式中:W-總能耗,kW·h;wr-熱風(fēng)及排濕系統(tǒng)能耗,kW·h;wh-碳纖維紅外板能耗,kW·h。

1.5.4 綜合評(píng)價(jià) 根據(jù)甜葉菊的生產(chǎn)綜合經(jīng)濟(jì)效益,以干燥時(shí)長與能耗按權(quán)重比作為甜葉菊干燥效益的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[22],干燥時(shí)長(T)占比約為60%,總能耗(W)占比約為40%,綜合評(píng)價(jià)得分(K)的計(jì)算公式如下:

K=100-(0.6×T+0.4×W)

綜合評(píng)價(jià)得分越高,則干燥效果越好。

1.6 數(shù)據(jù)處理

每組干燥試驗(yàn)重復(fù)3次,作圖及數(shù)據(jù)分析均采用平均值,采用MATLAB 2014a和OriginPro9進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

采用OriginPro9和MATLAB進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜葉菊紅外-熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 熱風(fēng)溫度對甜葉菊干燥特性的影響 如圖2a可知,在排濕功率240 W和輻射距離150 mm條件下,熱風(fēng)溫度在120、110、100、90 ℃溫度下甜葉菊干基含水率達(dá)到0.111 g/g所用干燥時(shí)長分別為11.2、12.9、15.4、16.0 min,干燥時(shí)長隨著熱風(fēng)溫度升高而減小,熱風(fēng)溫度120 ℃甜葉菊干燥時(shí)長比熱風(fēng)90 ℃縮短了30%。此外,在干燥前期(0～2 min),不同熱風(fēng)溫度下干燥曲線基本一致;在干燥中期(2～10 min),熱風(fēng)溫度越高,含水率下降越明顯,主要由于前期甜葉菊葉片中水分處于加熱階段,水分揮發(fā)較少,隨著干燥時(shí)間推移,溫度越高,熱擴(kuò)散速度越快,曲線出現(xiàn)差異。因此,適當(dāng)提高熱風(fēng)溫度能有效縮短甜葉菊干燥時(shí)長。

由圖2b可知,不同熱風(fēng)溫度下甜葉菊曲線差異較大,在干燥時(shí)長4 min內(nèi),差異尤為明顯。主要由于前期甜葉菊表面水分需加熱至沸點(diǎn),熱風(fēng)溫度對干燥速率影響較大。在整體上,存在一段短暫恒速干燥階段,主要由于前期水分處于加熱階段,升溫較慢,當(dāng)表面水分至沸點(diǎn)時(shí),干燥速率達(dá)到最快,干燥速度保持一段時(shí)間,表面液膜向甜葉菊內(nèi)部移動(dòng),不僅與水分揮發(fā)速度有關(guān),還取決于水分子自內(nèi)部向外部的遷移速度,從而轉(zhuǎn)為降速干燥階段。因此,在不同熱風(fēng)溫度條件下甜葉菊干燥過程包括加速干燥、短暫恒速干燥和降速干燥三個(gè)階段;熱風(fēng)溫度越高,整體干燥速率越快。

圖2 不同熱風(fēng)溫度下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.2 Drying characteristic curve of Steviarebaudiana under different hot air temperatures

2.1.2 排濕功率對甜葉菊干燥特性的影響 如圖3a可知,在熱風(fēng)溫度100 ℃和輻射距離150 mm條件下,排濕功率為340、240、140、0 W所需干燥時(shí)長分別為16.6、14.6、14.7、18.8 min。相較于不排濕處理(即排濕功率為0 W),排濕功率為340、240、140 W干燥時(shí)長分別縮短了11.7%、22.3%、21.8%。這是因?yàn)楦稍锵鋬?nèi)空氣中水汽快達(dá)到飽和時(shí),排濕風(fēng)機(jī)的作用加快了干燥箱內(nèi)空氣與外界空氣互換,降低了干燥介質(zhì)的濕度,有利于干燥過程進(jìn)行[30];當(dāng)排濕功率較大時(shí),干燥介質(zhì)溫度降低,干燥速率隨之下降。可見,排濕功率可以縮短甜葉菊干燥時(shí)長,且合理的排濕功率水平能取得更好的綜合效果。

由圖3b可知,不同排濕功率下甜葉菊的干燥曲線均包含加速干燥和降速干燥兩個(gè)階段。在排濕功率340、240、140 W條件下3條干燥特性曲線趨勢基本一致,明顯不同于不排濕處理的干燥曲線。主要由于隨著干燥時(shí)長增加,甜葉菊的水分逐漸揮發(fā)出來,干燥箱內(nèi)空氣含水率明顯增加,濕度接近飽和,導(dǎo)致干燥速率下降;當(dāng)風(fēng)機(jī)開始排濕作業(yè)時(shí),干燥箱內(nèi)空氣與外界空氣的交換速度加快,降低了箱內(nèi)空氣含水率。此外,在加速干燥階段甜葉菊的排濕遠(yuǎn)大于不排濕;進(jìn)入降速干燥階段時(shí),受物料水分?jǐn)U散速度的影響,明顯下降,不排濕的下降更平緩。因此,采用排濕處理可加快空氣循環(huán),從而提高干燥效率。

圖3 不同排濕速率下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristic curve ofStevia rebaudiana under different drainage rates

圖4 不同輻射距離下甜葉菊的干燥特性曲線Fig.4 Drying characteristic curve ofStevia rebaudiana under different radiation distances

2.1.3 輻射距離對甜葉菊干燥特性的影響 如圖4a可知,在熱風(fēng)溫度100 ℃和排濕功率240 W的條件下,甜葉菊干基含水率達(dá)到0.111 g/g所需干燥時(shí)長隨著輻射距離減小而縮短。輻射距離為140、150、160、170 mm所需干燥時(shí)長分別為11.6、12.4、14.2、15.2 min。相較于輻射距離170 mm,輻射距離140 mm所需干燥時(shí)長縮短了23.7%。因此,干燥時(shí)間有隨著輻射距離減小而縮短的趨勢。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 3 Orthogonal test factor level design

由圖4b可知,輻射距離越小,越快,加速干燥階段越明顯,主要由于物料所吸收的紅外輻射能量與輻射間距呈逆二次方關(guān)系[31-32],輻射距離越小,甜葉菊內(nèi)部溫度越高,干燥效率越高。此外,在干燥前期輻射距離越小,加速階段持續(xù)時(shí)間越長,主要由于物料內(nèi)部溫度越高,內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面越容易,液膜向內(nèi)部移動(dòng)速度越慢,從而加速階段維持的時(shí)間越長。因此,輻射距離越小,更有利于甜葉菊干燥。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

如表3所示,最佳水平組合為A3B2C1,即在熱風(fēng)溫度為120 ℃、排濕功率240 W、輻射距離為140 mm工藝參數(shù)下,甜葉菊干燥時(shí)長為6.57 min,能耗為1.25 kW·h;如表4所示,影響甜葉菊干燥的因素順序?yàn)?熱風(fēng)溫度>輻射距離>排濕功率,熱風(fēng)溫度為主要影響因素。

表4 正交試驗(yàn)極差分析Table 4 Orthogonal test range analysis

3 結(jié)論

在恒定條件下,通過對甜葉菊不同熱風(fēng)溫度、排濕功率和輻射距離的試驗(yàn)研究,建立了含水率、干燥速率與時(shí)間關(guān)系的曲線,并研究不同水平下甜葉菊干燥時(shí)長和能耗的變化規(guī)律,獲取了甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥特性曲線及試驗(yàn)條件下最佳工藝參數(shù)。發(fā)現(xiàn)提高熱風(fēng)溫度與減小輻射距離,能有效的縮短干燥時(shí)長,合理的排濕功率有利于干燥過程進(jìn)行;甜葉菊干燥過程包括預(yù)熱加速干燥階段和降速干燥階段;且甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥最佳工藝參數(shù),即熱風(fēng)溫度120 ℃,排濕功率240 W、輻射距離140 mm時(shí),甜葉菊干燥時(shí)長為6.57 min,能耗為1.25 kW·h;影響因素順序?yàn)?熱風(fēng)溫度>輻射距離>排濕功率。

紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥對甜葉菊干燥效果明顯,具有能耗低、效率高、成本低等特點(diǎn)。但本文暫未開展風(fēng)速、載料量、紅外輻射強(qiáng)度等變化對干燥效果的影響研究,后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化甜葉菊紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝。