洋蔥真空干燥動力學研究

占 丹，廖傳華

（南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009）

洋蔥真空干燥動力學研究

占 丹，廖傳華

（南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009）

為研究洋蔥在真空干燥條件下的干燥特性，選用不同干燥條件對洋蔥進行脫水處理，測定不同工藝條件下洋蔥的干燥曲線和干燥速率曲線。結果表明，溫度和真空度對洋蔥真空干燥過程都有明顯的影響，且洋蔥真空干燥的動力學模型符合Page方程，并得到本試驗條件下的動力學模型。

洋蔥；真空干燥；干燥特性；動力學

洋蔥營養價值極高，含有豐富的磷、鈣、鐵等礦物質，被譽為“蔬菜皇后”。不僅如此，洋蔥還具有多種保健和藥用價值。經研究發現，洋蔥含有硫化物、黃酮類化合物、含氮化合物和前列腺素類等化學成分[1]。由于這些成分，洋蔥具有抑菌消炎、防癌抗癌、降血壓、抗血小板凝聚、預防心腦血管疾病和抗氧化等作用[2]。隨著生活水平的提高，人們保健養生的意識越來越強，日益強調食品原料及添加劑的天然性和功能性，具有保健和醫療功能的蔬菜受到廣大人民的喜愛[3,4]。

我國是洋蔥生產量較大的四個國家之一，采收后的貯運過程中，洋蔥容易發生腐爛和生根導致儲藏失敗。干燥作為蔬菜便于貯藏的重要手段在生產上被廣泛應用，洋蔥的傳統干燥法一般采用熱風干燥或日曬法，不僅干燥時間長而且干燥品質差。真空干燥具有干燥時間短，效率高，綠色環保等優點，最關鍵是真空干燥能克服熱風干燥所造成的溶質失散和品質下降問題，得到的干制品能保全營養成分，品質好[5,6]。本實驗采用真空干燥法對洋蔥進行脫水試驗，分析洋蔥的干燥特性，并得到了洋蔥真空干燥動力學模型。

1 材料和方法

1.1 材料

紫皮洋蔥：市售

1.2 主要設備

DF-非標型真空箱式干燥機：南京永興設備廠；

RXH-F型箱式熱風干燥機：南京永興設備廠。

1.3 方法

1.3.1 洋蔥真空干燥工藝流程

工藝流程：原料→清洗→去皮→切片→晾干→真空干燥→密封包裝

1.3.2 操作要點

（1）原料選擇：選用大小基本一致，無破損腐爛的果實；

（2）切片：厚度應控制在3～6 mm之間；

（3）真空干燥：將切好的洋蔥按順序擺好裝入真空干燥箱中進行干燥，每半小時稱重一次。

1.4 實驗指標

干基含水率[7]：

式中：X—濕物料的干基含水率，g水/g絕干料；

Wt—干燥過程中t時刻洋蔥的質量，g；

Ws—洋蔥中絕干物料的質量（烘箱法），g。

干燥終了時洋蔥的干基含水率應小于3%。

2 結果與分析

2.1 影響因素對洋蔥真空干燥過程的影響

2.1.1 真空度對干燥特性的影響

洋蔥在60 ℃溫度，4種不同真空度下的干燥曲線及干燥速率曲線如圖1和圖2所示。由圖1可見，在60 ℃溫度下進行干燥，當洋蔥含水率為3%左右時，0.07 MPa僅用時約2.5 h，0.06 MPa用時約3.5 h，0.05 MPa和0.04 MPa則大約需用4.5 h。由此可知真空度越高，干燥時間越短。由圖2可知，洋蔥經過初期加熱，干燥速率由零增至最高值后，進入到恒速干燥階段，此時除去的水分主要為非結合水，內分水面遷移到物料表面的速率較快，表面足夠潮濕，干燥速率為表面水分汽化速率所控制。

圖1 不同真空度下洋蔥真空干燥特性曲線Fig.1 Drying curves of onion at different vacuum levels

圖2 不同真空度下洋蔥干燥速率變化曲線Fig.2 Drying rate curves of onion at different vacuum levels

從圖2中可以看出，真空度越低，恒速干燥階段越長且恒速階段速率較小；反之真空度越高，恒速干燥階段越短且恒速階段速率較大。在真空度為0.07 MPa和0.06 MPa時，因其真空度較高，恒速階段較短暫，所以在圖中顯示不明顯。因為真空度越高，物料表面層膜內的蒸汽分壓與干燥室內蒸汽分壓之差越大，水分在干燥介質中傳遞的推動力越大，干燥速率就越大。而且真空度越高，水分蒸發所需的溫度更低，物料失水速率就會越快。

2.1.2 溫度對干燥特性的影響

為研究加熱溫度對干燥過程的影響，在真空度為0.05 MPa條件下，加熱溫度分別為40、50、60和70 ℃進行試驗，所得干燥曲線和干燥速度曲線如圖3和圖4所示。

圖3 不同加熱溫度下洋蔥真空干燥特性曲線Fig.3 Drying curves of onion at different temperatures

圖4 不同加熱溫度下洋蔥干燥速率變化曲線Fig.4 Drying rate curves of onion at different temperature

由圖3可見，在0.05 MPa真空度下，隨著溫度的升高，干燥時間縮短。當洋蔥含水率為 3%左右時，70 ℃僅用時約2.5h，60 ℃和50 ℃用時大約4.5 h，而40 ℃用時約5 h。由圖4可以看出洋蔥干燥過程三階段加速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段更為明顯。并且加熱溫度越低，恒速干燥階段越長，最大干燥速率越?。患訜釡囟仍礁?，恒速干燥階段越短，最大干燥速率越大。因為溫度越高，空氣相對濕度越低，吸濕能力就越強，同時物料表面溫度與干燥室溫度差越大，傳熱推動力大，物料表面水汽會快速蒸發，從而物料內部水分與表面水分濕度差較大，傳質推動力大 ，從而干燥速率加快。但是加熱溫度過高，物料表面水分蒸發太快，會在物料表面形成干點（干點即不能潤濕的點）從而導致物料內部水分到表面傳遞的面積減少，影響整個干燥過程，所以在圖4中可以看出，溫度較低的條件下，干燥后期的干燥速率反正偏大，這是因為溫度較低物料表面水汽蒸發較慢，基本能保持整個干燥過程中物料表面比較濕潤。溫度較高的情況下，若干點形成過多，物料表面會發生硬化，導致干制品質量差。并且雖然在真空度較高的條件下進行干燥，洋蔥酶促褐變基本可以抑止，但是若加熱溫度較高，洋蔥在干燥末期會發生非酶促褐變即我們所說的發黃。加熱溫度過高，洋蔥中熱敏性成分亦會分解從而破壞營養成分，并且溫度高會使得干燥熱損增大。所以溫度雖然能明顯縮短干燥時間，但是過高的溫度不僅會增加干燥能耗而且會影響干制品的質量。通過試驗結果與分析，加熱溫度較佳的范圍為40 ℃到60 ℃。

2.2 洋蔥真空干燥動力學模型

2.2.1 干燥動力學模型介紹

目前用來描述干燥過程的動力學模型一般有以下3種：

（1）指數模型：MR=e-rt

（2）單項擴散模型：MR=Ae-rt

t—干燥時間；

Mt—干燥中t時刻物料含水率；

M0—物料初始含水率；

Me—物料平衡含水率；

A、r、N—待定系數。

由于Me為物料平衡含水率，與Mt和M0相比很小，設定 Me為零，則簡化為。

2.2.2 建立洋蔥真空干燥動力學模型

指數模型其實是單項擴散模型和 Page方程模型的特殊形式，所以用單項擴散模型和Page方程模型來模擬洋蔥真空干燥過程。

為便于分析將單項擴散模型和 Page方程模型取對數為線性模型如下：

單項擴散模型：ln(MR)=lnA-rt

Page方程模型：ln(-lnMR)=lnr+Nln t

分別繪制不同真空度、加熱溫度的-ln(MR)—t曲線和ln(-lnMR)—lnt曲線，如圖5-8所示。

圖5 不同真空度下-ln(MR)—t曲線Fig.5 Relationship between t and -ln(MR) at different vacuum levels

圖6 不同真空度下ln(-lnMR)—lnt曲線Fig.6 Relationship between lnt and ln(-lnMR) at different vacuum levels

圖7 不同加熱溫度下-ln(MR)—t曲線Fig.7 Relationship between t and -ln(MR) at different temperature

圖8 不同加熱溫度下ln(-lnMR)—lnt曲線Fig.8 Relationship between lnt and ln(-lnMR) at different temperature

由圖5-8可以看出，-ln(MR) 與t呈非線性關系，ln(-lnMR)與lnt呈線性關系，因此選用Page方程作為洋蔥真空干燥動力學模型。

則ln(-lnMR)=lnr+N ln t ，

令：lnr=a +bx1+cx2

N=d +ex1+fx2

式中：x1表示真空度/MPa , x2表示溫度/℃；a、b、c、d、e、f為待定系數，則：ln(-ln MR)=a +bx1+cx2+(d +ex1+fx2)lnt

利用MATLAB軟件對試驗所得數據進行多元回歸，并求得方程線性擬合中的各待定系數，計算結果見表1所示。

表1 洋蔥真空干燥動力學模型Table 1 Vacuum drying kinetics model of onion

由表1可知，復相關系數R2=0.965 0近似于1，表明該回歸方程顯著，此外 F值對應的P=0.000＜0.01也表明所求得回歸方程顯著，實驗誤差小。可得回歸方程即洋蔥動力學模型如下:

圖9 相同干燥條件下試驗值與預測值比較Fig.9 Comparison between experimental and predicted data at the same drying condition

2.2.3 驗證洋蔥真空干燥動力學模型

為進一步驗證動力學模型的準確性，在加熱溫度為60 ℃，真空度為0.06 MPa條件下進行實驗，得到水分比MR與時間t的關系曲線。將該組所得試驗值與模型預測值相比較，結果如圖9所示。

由圖9可知，洋蔥真空干燥Page方程預測值與實測值基本吻合，因此洋蔥真空干燥的水分變化規律可通過 Page方程進行描述。在本試驗條件范圍內，洋蔥真空干燥過程中水分變化規律可以由此方程表述。

3 結 論

（1）真空度和加熱溫度對洋蔥真空干燥過程的影響很明顯，真空度越高，加熱溫度越高，所需干燥時間越短，干燥速率越快，干燥速率最大值越大。加熱溫度對干燥所需時間的影響比真空度的影響大。且洋蔥真空干燥過程分為加速、恒速及降速三個階段。

（2）通過試驗數據分析，發現洋蔥真空干燥過程符合Page方程。

（3）得到洋蔥真空干燥的動力學模型,在本試驗條件范圍內，可用該動力學模型對洋蔥真空干燥的水分變化規律進行較準確的描述。

［1］馮長根,吳悟賢,等.洋蔥的化學成分及藥理作用研究進展[J].上海中醫藥雜志,2003,37(7):63-65.

［2］廖春龍,阮征,等.洋蔥的化學成分、生理保健功能和我國洋蔥加工現狀與發展趨勢[J].食品工業科技,2010,31(8):409-412.

［3］付學軍,金海珠,等.系列洋蔥深加工研究及其產為化前景探析[J].農產品加工,2006(6):4-10.

［4］Yamada K, Naemura A, Sawashita N, Noguchi Y, Yamaoto J. An onion variety has natural antithrombotic effect as assessed by thrombosis models in rodents [J]. Thrombosis Research, 2004,114 (3):213-220.

［5］申保慶,趙祥濤,何翔.低溫真空干燥技術與設備的發展前景與適用范圍[J].糧食流通技術,2004(4):32-42.

［6］Leonid A, Vladimir P, Andrew V, Alexander M, Valeriy L, Vladimir A. The investigation of low temperature vacuum drying Processes of agricultural materials [J].Journal of Food Engineering, 2006, 74:410-415.

［7］徐成海,張世偉,關奎之.真空干燥[M].北京:化學工業出版社,2004.

來自安徽省國土廳的消息，日前，蕪湖下揚子西部區塊頁巖氣勘查第一口鉆探井順利完工，并通過國土資源部頁巖氣勘查開采專項督察組抽查。該區域具有良好的含氣性，展現出比較可觀的勘探開發前景。

頁巖氣是指從頁巖層中開采出來的天然氣。此次啟動的“安徽蕪湖下揚子西部區塊頁巖氣勘查項目”，工區范圍涉及我省合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵和宣城五市。據了解，中海石油有限公司于2010年12月10日就取得了下揚子西部頁巖氣區塊探礦權，面積為4839.95平方公里。為切實加快頁巖氣勘查進展，盡早探明該區塊頁巖氣地質儲量，加速推進頁巖氣規?；虡I開發，該公司投入資金1.464億元，在廣泛開展前期踏勘、分析化驗、地震采集、測井調查、取芯鉆探、綜合研究的基礎上，于2014年3月1日在緊鄰蕪湖市鳩江區沈巷鎮的馬鞍山市含山縣銅閘鎮上，開鉆第一口頁巖氣探井，共完成井深3001米。

Study on the Dynamics of Onion Vacuum Drying

ZHAN Dan, LIAO Chuan-hua
(College of Machinery and Power Engineering，Nanjing Tech University，Jiangsu Nanjing 210009, China)

In order to study the drying characteristics of onion vacuum drying, onion was dehydrated under different drying conditions to determine the drying curves and drying rate curves. The results showed that the drying process was influenced by temperature and vacuum degree, and the onion vacuum drying equation accords with the Page model; the dynamic model under this experimental condition has been obtained.

Onion; Vacuum drying; Drying characteristics; Dynamics

TS 255.3

A

1671-0460（2014）12-2535-04

2014-05-21

占丹（1991-），女，江西鄱陽人，在讀研究生，研究方向：傳熱傳質強化技術。E-mail：zhandan1226@yeah.net。