豆薯片熱風干燥動力學研究

劉軻　劉建華　李方　趙林杰　衛星　包春菊　張志健

摘要：研究豆薯片在熱風干燥過程中水分、溫度、干燥速率的變化規律，并建立水分變化規律回歸方程。結果表明，豆薯片的熱風干燥過程可分為預熱期、恒速干燥期和降速干燥期3個階段；升高干燥溫度和增大風量，均會使干燥速率增大，恒速干燥期縮短，降速期干燥速率下降加快，升高干燥溫度，還會使豆薯片第一臨界含水量增大；加大風量，會使干燥初期豆薯片溫度較加大風量前有所降低，而在干燥后期豆薯片溫度有所升高。豆薯片熱風干燥水分變化曲線回歸方程為：y=ax2+bx+c，其中，y為豆薯片干基含水量（kg/kg），x為干燥時間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

關鍵詞：豆薯片；熱風干燥；動力學；溫度；含水量；干燥速率

中圖分類號： TS215；TS201.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0227-03

收稿日期：2013-04-25

基金項目：2012年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃（編號：201210720009）；2012年度陜西省教育廳科研計劃（編號：12JK0819）；陜西理工學院大學生創新創業訓練（編號：UIRP122062）。

作者簡介：劉軻（1989—），男，陜西延安人，碩士研究生，研究方向為食品化學與資源開發。E-mail：13891662131@163.com。

通信作者：張志健，教授，碩士生導師，研究方向為食品科學與資源開發。E-mail：969775452@qq.com。豆薯別名涼薯、地瓜、沙葛、土瓜等，屬豆科蝶形花亞科（Papilionaceae）豆薯屬（Pachyrhizus）纏繞性或直立草本植物，具有肉質塊根，原產熱帶美洲，全球共有6種，我國東南部至西南部引入栽培有1種[1]。中國長江以南普遍栽培，以貴州、四川、湖南、廣東、廣西、陜南和臺灣等地生產較多。豆薯食用部分為肥大的塊根，富含淀粉、糖分、蛋白質及礦質元素，老熟塊根中淀粉含量較高，可提制淀粉作為食品添加劑使用[2]。種子及莖葉中含魚藤酮（C23H22O6），對人畜有劇毒，可制成敵敵畏等殺蟲劑[3]。目前，我國豆薯加工水平還比較落后，70%以上的豆薯作為蔬菜鮮食，年加工消化率僅在25%左右，目前研究開發的豆薯加工產品主要有豆薯脯[4]、豆薯蜜餞[5]、豆薯罐頭[6]、豆薯果凍[7]、豆薯汁飲料[8-11]、豆薯酒[12]、豆薯粉等一些粗加工產品。有關豆薯的工業化深加工產品在國內市場上尚未見到。筆者以陜西漢中產的豆薯為原料，研究了豆薯片熱風干燥動力學變化規律，旨在為豆薯片熱風干燥工藝和設備的開發或選擇提供理論依據，為豆薯食品加工提供理論基礎。

1材料與方法

1.1材料與儀器

豆薯：產于陜西漢中。

電熱鼓風干燥箱DHG-9055A（上海一恒科技有限公司）；電子天平AL-6051（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；遙測溫度計、熱風機等。

1.2試驗方法

鮮豆薯經清洗去皮后，切成2 mm厚的薄片，稱重后置于干燥箱網盤上，在一定溫度（試驗取箱溫為70、80、90、100、110、120 ℃）、一定通風量下進行恒溫干燥，每隔5 min稱重或讀取豆薯片溫度值1次，直至豆薯片趨于恒重。

干燥速率通常定義為：單位時間內單位干燥面積上的水分蒸發量，單位kg/（m2·s）[13]。由于豆薯片干燥面積難以準確測量，故本研究將干燥速率定義為：單位時間內單位質量物料所蒸發的水分量，單位kg/（kg·s），物料質量采用測定點豆薯片的總質量，即平衡質量[14]。干燥速率曲線通常是指物料干燥速率與物料干基含水量的關系曲線[13]。由于在干燥過程中，物料干基含水量隨干燥時間而變，且成對應關系，故為方便比較，本研究給出的是物料干燥速率與干燥時間的關系曲線[14]。

2結果與分析

2.1豆薯片熱風干燥水分變化規律與擬合方程

各試驗溫度下豆薯片干基含水量隨時間的變化規律如圖1所示。從圖1可以看出，在干燥前期，干燥曲線幾乎呈直線下降趨勢，其斜率即為豆薯片干燥速率，而干燥后期干燥曲線則呈緩慢下降趨勢，直至趨于水平，說明豆薯片干燥具有較明顯的恒速期和降速期。同時可以看出，隨著溫度升高，干燥曲線變陡，斜率絕對值增大，說明豆薯片水分含量降低的速率加快，恒速干燥速率增大，干燥時間縮短，但在整個干燥過程中，90 ℃和100 ℃之間的差異不大；在前30 min內，90、100、110 ℃ 三者的差異不大，30 min后，110 ℃下豆薯片水分含量降低的速率明顯快于90 ℃和100 ℃。

從圖1還可以看出，各溫度下的干燥曲線特征類似于二次曲線，因此，用 Excel多項式工具可繪出各干燥曲線的趨勢曲線，如圖2至圖7所示。可以看出，在試驗溫度下，擬合曲線與試驗曲線具有較好的吻合性，且干燥溫度越高，吻合程度也越高。各試驗溫度下的擬合方程和r2值如表1所示。

2.2熱風干燥豆薯片溫度變化規律

豆薯片在不同溫度下干燥時片溫變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，豆薯片在試驗溫度下干燥時，豆薯片溫度變化規律表現為：先經過一段快速升溫期，再經過一段恒溫期（即恒速干燥期），然后是一段升溫期（即降速干燥期）；且箱溫越高，片溫也越高，恒溫期及整個干燥周期越短，但片溫遠低于箱溫，如當箱溫在100～120 ℃時，片溫只在60 ℃左右。

2.3豆薯片熱風干燥速率變化趨勢

以看出，干燥溫度對干燥速率變化具有明顯的影響，并表現出一定的規律性，即隨著干燥溫度的升高，干燥速率增大，但恒速干燥期縮短，降速干燥速率下降加快（曲線變陡）。分析認為，隨著干燥溫度的升高，豆薯片表面水分蒸發速率加快，并在相對較短的時間內超過內部水分向外轉移的速率，使豆薯片表面開始干枯，從而導致上述結果。endprint

比較圖9和圖10可以看出，風量大小對干燥速率也有重要影響，且干燥溫度越高，風量對干燥速率的影響越顯著。在

干燥溫度為70～80 ℃時，風量幾乎對干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時，大風量下兩者的干燥速率不僅顯著增大，且十分相近。

綜合干燥過程豆薯片水分的變化（圖1）和豆薯片溫度的變化（圖8），豆薯片熱風干燥的適宜條件為110 ℃、大風量。

3結論

豆薯片熱風干燥過程具有明顯的預熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對較長。

豆薯片熱風干燥水分變化曲線的回歸方程式為：y=ax2+bx+c；y為豆薯片干基含水量（kg/kg），x為干燥時間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內，溫度越高、風量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風量，在此條件下干燥，恒速干燥期豆薯片的溫度在 60 ℃ 左右，不會出現焦化現象，且褐變程度較低，干片色澤較好。

影響豆薯干燥曲線的因素較多，如豆薯的種類、產地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質的流量及流動方式、溫度和濕度等。本試驗僅研究了溫度和風量2個因素的影響，因此，所總結出的干燥動力學規律還需進一步完善。

參考文獻：

[1]中國科學院植物志編輯委員會.中國植物志：第四十一卷[M]. 北京：科學出版社，1995：212-213.

[2]Fernandez M V，Warid A，Loaiza J M，et al. Developmental patterns of jicama[Pachyrhizus erosus （L.） Urban] plant and the chemical constituents of roots grown in Sonora，Mexico[J]. Plant Foods for Human Nutrition，1997，50：279-286.

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[10]傅偉昌，成紅巧，麻成金.涼薯汁飲料生產工藝及經濟效益分析[J]. 吉首大學學報：自然科學版，1996，17（4）：73-75.

[11]麻成金，李加興，姚茂君. 全天然復合涼薯汁飲料的研究[J]. 軟飲料工業，1996（3）：21-22，34.

[12]秦捷. 涼薯酒生產工藝的研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2010.

[13]馮骉.食品工程原理[M]. 北京：中國輕工業出版杜，2005：539.

[14]張志健，耿敬章，孫海燕，等. 魔芋片熱風對流干燥動力學研究[J]. 江蘇農業科學，2011，39（6）：457-459.張勇，周麗明. 廢啤酒酵母中堿不溶性胞壁多糖提取工藝的優化[J]. 江蘇農業科學，2014，42（1）：230-232.endprint

比較圖9和圖10可以看出，風量大小對干燥速率也有重要影響，且干燥溫度越高，風量對干燥速率的影響越顯著。在

干燥溫度為70～80 ℃時，風量幾乎對干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時，大風量下兩者的干燥速率不僅顯著增大，且十分相近。

綜合干燥過程豆薯片水分的變化（圖1）和豆薯片溫度的變化（圖8），豆薯片熱風干燥的適宜條件為110 ℃、大風量。

3結論

豆薯片熱風干燥過程具有明顯的預熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對較長。

豆薯片熱風干燥水分變化曲線的回歸方程式為：y=ax2+bx+c；y為豆薯片干基含水量（kg/kg），x為干燥時間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內，溫度越高、風量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風量，在此條件下干燥，恒速干燥期豆薯片的溫度在 60 ℃ 左右，不會出現焦化現象，且褐變程度較低，干片色澤較好。

影響豆薯干燥曲線的因素較多，如豆薯的種類、產地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質的流量及流動方式、溫度和濕度等。本試驗僅研究了溫度和風量2個因素的影響，因此，所總結出的干燥動力學規律還需進一步完善。

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比較圖9和圖10可以看出，風量大小對干燥速率也有重要影響，且干燥溫度越高，風量對干燥速率的影響越顯著。在

干燥溫度為70～80 ℃時，風量幾乎對干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時，大風量下兩者的干燥速率不僅顯著增大，且十分相近。

綜合干燥過程豆薯片水分的變化（圖1）和豆薯片溫度的變化（圖8），豆薯片熱風干燥的適宜條件為110 ℃、大風量。

3結論

豆薯片熱風干燥過程具有明顯的預熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對較長。

豆薯片熱風干燥水分變化曲線的回歸方程式為：y=ax2+bx+c；y為豆薯片干基含水量（kg/kg），x為干燥時間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內，溫度越高、風量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風量，在此條件下干燥，恒速干燥期豆薯片的溫度在 60 ℃ 左右，不會出現焦化現象，且褐變程度較低，干片色澤較好。

影響豆薯干燥曲線的因素較多，如豆薯的種類、產地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質的流量及流動方式、溫度和濕度等。本試驗僅研究了溫度和風量2個因素的影響，因此，所總結出的干燥動力學規律還需進一步完善。

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[11]麻成金，李加興，姚茂君. 全天然復合涼薯汁飲料的研究[J]. 軟飲料工業，1996（3）：21-22，34.

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