生姜熱風(fēng)干燥動力學(xué)研究

葛玉全，和法濤，東莎莎

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東 濟南 250014）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）屬于蘘荷科姜屬多年生草本單子葉種子植物[1]，原產(chǎn)于中國，可一種二收，初秋收嫩姜，老秋收老姜，以肉質(zhì)根莖供食用，肉質(zhì)根狀莖可食用，是一種非常重要的香料[2]。生姜營養(yǎng)豐富，含蛋白質(zhì)、粗脂肪、碳水化合物、各種維生素、礦物質(zhì)、姜辣素、姜醇、天門冬素和谷氨酸等，可作調(diào)味品和食品，具有抗氧化、抗腫瘤、殺菌、防腐等作用[3-4]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和工業(yè)領(lǐng)域[5-7]。

新鮮生姜含水量超過90%，在貯藏過程中極易出現(xiàn)失水萎縮、纖維化、冷害等現(xiàn)象。生姜干制是一種重要的加工手段，生姜干制品在市場上占有很大的份額，主要加工品為姜片和姜粉等，不僅解決了生姜的貯藏和運輸難題，而且提高了生姜的商品價值。目前常用的干燥方法有熱風(fēng)干燥技術(shù)，與其他干燥方法相比，熱風(fēng)干燥因其成本低、易放大、操作簡單而得到廣泛應(yīng)用[8]。但熱風(fēng)干燥速率相對較低，僅僅依靠熱空氣作為介質(zhì)蒸發(fā)水分，物料表面水分散失快，組織內(nèi)部水分的散失緩慢，水分分布不均勻；且長時間加熱干燥，使生姜中的揮發(fā)性損失大，干制過程中產(chǎn)品易發(fā)生褐變和變形，使品質(zhì)下降。本研究以生姜為原料，比較了不同干燥溫度、厚度下姜片的干燥特性，通過姜片在干燥過程中水分的變化規(guī)律，繪制干燥曲線，并采用幾種干燥數(shù)學(xué)模型擬合試驗數(shù)據(jù)，以期為生姜的熱風(fēng)干燥提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗用生姜為9 月在萊蕪采摘的的姜塊，挑選無機械損傷、無病蟲害的新鮮生姜。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9053A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)；ME204E/02 電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

將姜去皮后，切成厚度為2 mm、4 mm、6 mm的姜片，放于干燥箱中，風(fēng)速為2 m/s，干燥溫度分別設(shè)定為50℃、60℃、70℃，每15 min稱1次姜片的質(zhì)量，直至達到穩(wěn)定，結(jié)束干燥，分別做3 次平行試驗，記錄干燥過程中姜片質(zhì)量的變化。依據(jù)不同溫度下的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的含水量隨干燥時間的變化曲線。

姜片的初始水分含量測定采用直接干燥法，即稱取一定量的姜片，置于（103±2）℃干燥箱內(nèi)進行干燥，至質(zhì)量不變時停止試驗。姜片初始水分含量M0計算公式見式1。

式中：M0——姜片的初始水分含量，g；m0——姜片初始質(zhì)量，g；m1——姜片干燥后的質(zhì)量，g。

1.4 水分比的計算

水分比（moisture rate，MR）表示一定干燥條件下物料還有多少水分未被干燥去除，計算公式見式（2）[8-9]。

式中：M——姜片任意時間的含水量，g；M0——姜片最初含水量，g；Me——姜片平衡含水量，g。

一般情況下，由于物料的平衡含水量Me不易測得，可以用最終含水量代替，而最終含水量與M0和Me相比可以忽略不計[10-11]，因此式（2）變?yōu)槭剑?）。

1.5 干燥動力學(xué)模型的研究

利用Origin 8.0軟件，對試驗所得的干燥曲線進行非線性回歸擬合，選擇幾種常用的干燥動力學(xué)模型用于擬合姜片的干燥過程，選出擬合程度最好的曲線[12-14]，見表1。

表1 干燥曲線模型Tab.1 The models of drying curve

試驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型的匹配程度用相關(guān)系數(shù)R2和X2、SSE 衡量，其中R2越高，X2越小，數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好。R2和X2相差不大時，SSE越小，數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好，R2和X2、SSE的計算公式分別為（4）、（5）、（6）[15-17]。

式中：MRexp，i——任意時刻含水率的試驗值；MRpre，i——任意時刻含水率的預(yù)測值；MRexp，i——含水率試驗值的平均值；N——觀察值的個數(shù)。

1.6 活化能及有效水分擴散速率計算

活化能計算通過繪制Deff的自然對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)顯示在空氣中溫度影響范圍內(nèi)的直線，通過ln（MR）與t的關(guān)系圖像計算出斜率F，然后通過公式（6）計算出Deff進而求出ln（Deff），再利用阿倫尼布斯得到的方程求出Ea。公式為：

式中：H、F、R分別表示為厚度、斜率和摩爾氣體常量，取3.14，R取8.314[18-119。

2 結(jié)果與分析

2.1 姜片的干燥

本試驗中姜片的水分初始含量為95.88%，根據(jù)公式（2）計算出不同時刻姜片的水分含量，不同干燥溫度下，不同厚度姜片干燥動力學(xué)曲線，見圖1～3。

圖1 不同厚度的姜片50℃時水分比曲線圖Fig.1 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 50℃

圖2 不同厚度的姜片60℃時水分比曲線圖Fig.2 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 60℃

圖3 不同厚度的姜片70℃時水分比曲線圖Fig.3 The water ratio curve of ginger slices with different thickness at 70 ℃

從圖1～3可以看出，隨著干燥時間的延長，水分含量逐漸下降，相同干燥溫度下，不同厚度的姜片水分下降的速率均為先快后慢，原因是姜片中包含結(jié)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減少；在中期，水分含量下降的速率逐漸減慢，厚度越大，減慢的趨勢越明顯；到后期，水分含量趨于平穩(wěn)，姜片中的自由水逐漸揮發(fā)掉，只剩下不能揮發(fā)的結(jié)合水，這時水分含量與姜片的厚度沒有關(guān)系?？梢娗衅穸纫彩怯绊懮獰犸L(fēng)干燥特性的主要因素之一。從從干燥效率角度考慮生姜切片厚度不宜太大。

由圖1～3 對比可知，經(jīng)過相同的干燥時間，干燥溫度越高，最終姜片水分含量就越低。這是因為溫度越高，空氣的相對濕度較低，空氣和姜的水含量之間的差別越大，傳質(zhì)推動力越大，干燥速率越大，達到平衡所需要的時間短，即干燥所需要的時間就短。因此，提高干燥溫度對干燥有利，但出于對姜片中有效成分的保護，干燥溫度不宜過高。綜合圖1～3可知，厚度為2 mm水分下降較快，其次是4 mm。

2.2 姜片動力學(xué)曲線及擬合方程

從工廠化生產(chǎn)的角度來說，應(yīng)將姜片切成薄片，這樣水分能夠迅速地揮發(fā)掉，節(jié)省資源，降低成本。本試驗中姜片的水分初始含量為95.88%，根據(jù)公式（2）計算出MR繪制成動力學(xué)曲線并繪制擬合曲線，選出最優(yōu)擬合曲線，見表2。

表2 最優(yōu)擬合曲線Tab.2 The optimal fitting curve

2.3 活化能及有效水分擴散速率

ln（MR）-t曲線如圖4～6所示。

Deff隨著干燥溫度的增大而增大。一定厚度及風(fēng)速下，溫度越高，水分子運動越劇烈，水分遷移越快，有效水分擴散速率越大；根據(jù)活化能的比較選擇厚度小的更為理想。由圖4～6 及表3 可知，提高干燥溫度、減小厚度，均有利于加快姜片中的水分擴散，提高干燥速率。當(dāng)切片厚度為2 mm、干燥溫度為60℃時，干燥速率及Deff都較優(yōu)，適合實際生產(chǎn)。

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

圖4 厚度為2 mm姜片的-ln（MR）-t曲線Fig.4 The-ln(MR)-t curve of 2 mm ginger slices

圖5 厚度為4 mm姜片的-ln（MR）-t曲線Fig.5 The-ln(MR)-t curve of 4 mm ginger slices

圖6 厚度為6 mm姜片的-ln（MR）-t曲線Fig.6 The-ln(MR)-t curve of 6 mm ginger slices

3 結(jié)論

不同溫度、不同厚度下，應(yīng)該選擇厚度小，溫度高的環(huán)境下進行干燥，既節(jié)省了資源，降低了成本，又減少了人力物力。姜片的熱風(fēng)干燥過程滿足擬合方程模型MR=a×exp（k0t）+b×exp（-kit）、MR=a+bt+c×（t2），每個厚度下的活化能分別是14 692.73 kJ/mol（2 mm）、15 574.06 kJ/mol（4 mm）和15 759.90 kJ/mol（6 mm），這2 個模型能較好地描述水分含量隨干燥時間的變化關(guān)系。當(dāng)切片厚度為2 mm，干燥溫度為60 ℃時，干燥速率及Deff都較優(yōu)，適合實際生產(chǎn)。