豆薯片熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)研究

劉軻　劉建華　李方　趙林杰　衛(wèi)星　包春菊　張志健

摘要：研究豆薯片在熱風(fēng)干燥過程中水分、溫度、干燥速率的變化規(guī)律，并建立水分變化規(guī)律回歸方程。結(jié)果表明，豆薯片的熱風(fēng)干燥過程可分為預(yù)熱期、恒速干燥期和降速干燥期3個(gè)階段；升高干燥溫度和增大風(fēng)量，均會(huì)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(huì)使豆薯片第一臨界含水量增大；加大風(fēng)量，會(huì)使干燥初期豆薯片溫度較加大風(fēng)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(fēng)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(shí)間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

關(guān)鍵詞：豆薯片；熱風(fēng)干燥；動(dòng)力學(xué)；溫度；含水量；干燥速率

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

收稿日期：2013-04-25

基金項(xiàng)目：2012年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：201210720009）；2012年度陜西省教育廳科研計(jì)劃（編號(hào)：12JK0819）；陜西理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練（編號(hào)：UIRP122062）。

作者簡介：劉軻（1989—），男，陜西延安人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與資源開發(fā)。E-mail：13891662131@163.com。

通信作者：張志健，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與資源開發(fā)。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(zhì)塊根，原產(chǎn)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(tái)灣等地生產(chǎn)較多。豆薯食用部分為肥大的塊根，富含淀粉、糖分、蛋白質(zhì)及礦質(zhì)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(duì)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(fā)的豆薯加工產(chǎn)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(chǎn)品。有關(guān)豆薯的工業(yè)化深加工產(chǎn)品在國內(nèi)市場(chǎng)上尚未見到。筆者以陜西漢中產(chǎn)的豆薯為原料，研究了豆薯片熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，旨在為豆薯片熱風(fēng)干燥工藝和設(shè)備的開發(fā)或選擇提供理論依據(jù)，為豆薯食品加工提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料與儀器

豆薯：產(chǎn)于陜西漢中。

電熱鼓風(fēng)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(cè)溫度計(jì)、熱風(fēng)機(jī)等。

1.2試驗(yàn)方法

鮮豆薯經(jīng)清洗去皮后，切成2 mm厚的薄片，稱重后置于干燥箱網(wǎng)盤上，在一定溫度（試驗(yàn)取箱溫為70、80、90、100、110、120 ℃）、一定通風(fēng)量下進(jìn)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(shí)間內(nèi)單位干燥面積上的水分蒸發(fā)量，單位kg/（m2·s）[13]。由于豆薯片干燥面積難以準(zhǔn)確測(cè)量，故本研究將干燥速率定義為：單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量物料所蒸發(fā)的水分量，單位kg/（kg·s），物料質(zhì)量采用測(cè)定點(diǎn)豆薯片的總質(zhì)量，即平衡質(zhì)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(guān)系曲線[13]。由于在干燥過程中，物料干基含水量隨干燥時(shí)間而變，且成對(duì)應(yīng)關(guān)系，故為方便比較，本研究給出的是物料干燥速率與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線[14]。

2結(jié)果與分析

2.1豆薯片熱風(fēng)干燥水分變化規(guī)律與擬合方程

各試驗(yàn)溫度下豆薯片干基含水量隨時(shí)間的變化規(guī)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(shì)，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(shì)，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(shí)可以看出，隨著溫度升高，干燥曲線變陡，斜率絕對(duì)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(shí)間縮短，但在整個(gè)干燥過程中，90 ℃和100 ℃之間的差異不大；在前30 min內(nèi)，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(xiàng)式工具可繪出各干燥曲線的趨勢(shì)曲線，如圖2至圖7所示。可以看出，在試驗(yàn)溫度下，擬合曲線與試驗(yàn)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(yàn)溫度下的擬合方程和r2值如表1所示。

2.2熱風(fēng)干燥豆薯片溫度變化規(guī)律

豆薯片在不同溫度下干燥時(shí)片溫變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，豆薯片在試驗(yàn)溫度下干燥時(shí)，豆薯片溫度變化規(guī)律表現(xiàn)為：先經(jīng)過一段快速升溫期，再經(jīng)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(gè)干燥周期越短，但片溫遠(yuǎn)低于箱溫，如當(dāng)箱溫在100～120 ℃時(shí)，片溫只在60 ℃左右。

2.3豆薯片熱風(fēng)干燥速率變化趨勢(shì)

以看出，干燥溫度對(duì)干燥速率變化具有明顯的影響，并表現(xiàn)出一定的規(guī)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(rèn)為，隨著干燥溫度的升高，豆薯片表面水分蒸發(fā)速率加快，并在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)超過內(nèi)部水分向外轉(zhuǎn)移的速率，使豆薯片表面開始干枯，從而導(dǎo)致上述結(jié)果。endprint

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

干燥溫度為70～80 ℃時(shí)，風(fēng)量幾乎對(duì)干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時(shí)，大風(fēng)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(fēng)干燥的適宜條件為110 ℃、大風(fēng)量。

3結(jié)論

豆薯片熱風(fēng)干燥過程具有明顯的預(yù)熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對(duì)較長。

豆薯片熱風(fēng)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(shí)間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度越高、風(fēng)量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時(shí)間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風(fēng)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(huì)出現(xiàn)焦化現(xiàn)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(chǎn)地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質(zhì)的流量及流動(dòng)方式、溫度和濕度等。本試驗(yàn)僅研究了溫度和風(fēng)量2個(gè)因素的影響，因此，所總結(jié)出的干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律還需進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

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[14]張志健，耿敬章，孫海燕，等. 魔芋片熱風(fēng)對(duì)流干燥動(dòng)力學(xué)研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(yōu)化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（1）：230-232.endprint

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

干燥溫度為70～80 ℃時(shí)，風(fēng)量幾乎對(duì)干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時(shí)，大風(fēng)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(fēng)干燥的適宜條件為110 ℃、大風(fēng)量。

3結(jié)論

豆薯片熱風(fēng)干燥過程具有明顯的預(yù)熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對(duì)較長。

豆薯片熱風(fēng)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(shí)間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度越高、風(fēng)量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時(shí)間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風(fēng)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(huì)出現(xiàn)焦化現(xiàn)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(chǎn)地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質(zhì)的流量及流動(dòng)方式、溫度和濕度等。本試驗(yàn)僅研究了溫度和風(fēng)量2個(gè)因素的影響，因此，所總結(jié)出的干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律還需進(jìn)一步完善。

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

干燥溫度為70～80 ℃時(shí)，風(fēng)量幾乎對(duì)干燥速率無影響，而在干燥溫度為110 ℃和120 ℃時(shí)，大風(fēng)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(fēng)干燥的適宜條件為110 ℃、大風(fēng)量。

3結(jié)論

豆薯片熱風(fēng)干燥過程具有明顯的預(yù)熱期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相對(duì)較長。

豆薯片熱風(fēng)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(shí)間（×5 min），c為豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度越高、風(fēng)量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥時(shí)間越短；豆薯片適宜干燥條件為：110 ℃、大風(fēng)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(huì)出現(xiàn)焦化現(xiàn)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(chǎn)地和年齡（水分及其他成分有差異），豆薯片厚度，干燥介質(zhì)的流量及流動(dòng)方式、溫度和濕度等。本試驗(yàn)僅研究了溫度和風(fēng)量2個(gè)因素的影響，因此，所總結(jié)出的干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律還需進(jìn)一步完善。

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

[12]秦捷. 涼薯酒生產(chǎn)工藝的研究[D]. 長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

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

[14]張志健，耿敬章，孫海燕，等. 魔芋片熱風(fēng)對(duì)流干燥動(dòng)力學(xué)研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(yōu)化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（1）：230-232.endprint