基于Weibull函數的玉米冷風干燥實驗研究

張天澤,劉建學

(河南科技大學食品與生物工程學院,河南省食品原料工程技術研究中心,河南洛陽 471023)

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基于Weibull函數的玉米冷風干燥實驗研究

張天澤,劉建學*

(河南科技大學食品與生物工程學院,河南省食品原料工程技術研究中心,河南洛陽 471023)

實驗以玉米為研究對象,對其進行冷風干燥處理,研究了不同干燥溫度和風速對玉米干燥特性、裂紋率和膳食纖維性質的影響,同時利用Weibull分布函數對干燥曲線進行擬合并分析干燥過程。結果表明:Weibull分布函數決定系數R2和卡方檢驗值χ2分別在0.984～0.997和6.22×10-4～9.43×10-4之間,其尺度參數隨溫度和進口風速的升高而降低,不同干燥條件下玉米冷風干燥的形狀參數均小于1;冷風干燥得到的玉米產品裂紋率及膳食纖維的破壞率均處于較低水平。因此,Weibull分布函數能夠準確描述不同干燥條件下玉米的冷風干燥過程;冷風干燥可以提升干燥玉米產品的品質。

玉米,冷風干燥,裂紋率,膳食纖維,Weibull分布函數

我國是玉米產出大國,但收獲后的玉米水分含量高,直接堆放入庫極易造成腐爛變質,影響玉米產后價值。因此,高水分玉米的干燥是玉米儲藏前的重要環節[1]。目前常用的干燥方法中熱風干燥消耗的時間長,產品品質低[2];冷凍干燥能夠得到顏色好、營養損失少的高質量農作物干制品,但是這種干燥方式需要的時間長、消耗的能量高[3]。

熱泵干燥是一種利用熱泵除濕原理來除去空氣中所含水分,調節空間溫度和濕度,從而干燥實驗物料的節能干燥實驗設備。具有能耗小、可靠性高、操作簡便等特點。熱泵干燥溫度控制在5～40 ℃時的干燥方式稱為熱泵式冷風干燥,簡稱冷風干燥。由于物料干燥時環境溫度較低,這種干燥方式得到的產品品質相對較好。目前還未見關于冷風干燥在玉米干燥中應用的報道。

物料干燥涉及質熱傳遞、產品質量、能源消耗等重要指標。對干燥過程進行模擬預測具有重要的意義。一般線性函數很難準確擬合出整個干燥過程,而傳統的經驗模型能夠準確、簡單的模擬出物料的干燥過程,但缺乏物理意義[4]。Weibull分布函數具有適用性廣、覆蓋性強的特點,通過分析Weibull分布函數中的尺度參數(α)和形狀參數(β),能夠掌握整個干燥過程中的水分擴散機制。

本文采用冷風干燥方式處理玉米,對不同干燥溫度、風速下玉米的干燥特性、裂紋率和膳食纖維性質進行研究,同時利用 Weibull 分布函數對干燥曲線進行擬合并分析干燥過程。以期為冷風干燥在玉米干燥領域中的應用與發展提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

玉米購于河南洛陽當地農貿市場。采用105 ℃烘箱法[5]測得所購玉米初始濕基含水率為26.37%。

LFGZX-3型冷風干燥機浙江省湖州歐勝電器有限公司;UV2600A型紫外可見分光光度計美國UNIC公司;102-2型電熱鼓風干燥箱北京科偉永興儀器有限公司;JA-2003N型電子天平上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1實驗設計將采購的玉米放入冷風干燥箱物料盤內,每次實驗放入2 kg。進行以下干燥實驗:固定進風速度為1.5 m/s,改變干燥溫度為:10、20、30 ℃;固定干燥溫度為20 ℃,改變進風速度為:1、1.5、2 m/s。干燥過程中,每隔1 h將物料取出稱量,記錄數據后迅速放回繼續干燥,直至物料濕基含水率不變時,干燥結束。每個干燥組同時設置兩組平行實驗。

1.2.2樣品含水率測定樣品含水率采用GB/T 5009.3-2010中介紹的直接干燥法[5]。

1.2.3干燥過程中物料濕基含水率測定干燥過程中物料濕基含水率按式(1)計算:

式(1)

式中,ωt,ω0分別為在任意干燥t時刻物料濕基含水率和物料的初始濕基含水率,%;mt,m0分別為在任意干燥t時刻的質量和物料初始質量,g。

1.2.4有效水分擴散系數測定水分比(moistureratio,MR)按式(2)計算[6]:

式(2)

式中,M0,Me,Mt分別為初始干基含水率、干燥到平衡時的干基含水率、在任意干燥 t 時刻干基含水率,g/g。Me相對于M0和Mt來說很小可近似為0。因此式(2)可以改寫為:

式(3)

實驗所用物料的厚度遠小于其直徑,所以能夠把物料看做平板,其水分擴散特性為一維軸向擴散。因此,根據Fick第二擴散定律精簡式得[7]:

式(4)

式中,Deff為有效水分擴散系數,m2/s;L為物料厚度的一半(約為0.0035 m),m;t為時間,s;M0為初始干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥t時刻的干基含水率,g/g。

(4)式兩端取自然對數得:

式(5)

有效水分擴散系數(Deff)可由其斜率求出[8]。

干基含水率與濕基含水率按式(6)轉換:

式(6)

式中,M和ω分別表示物料干基含水率,g/g,和濕基含水率,%。

1.2.5物料膳食纖維制備采用酶化學法制備高品質膳食纖維,參照萬萍等[9]的方法。

1.2.6膳食纖維理化特性分析方法持水力和膨脹力的測定參照李麗[10]等的方法,吸附不飽和脂肪(花生油)脂肪能力的測定參照Sangnark[11]的方法。不同干燥條件下產品膳食纖維的特性按其保留率計算(干燥產品相應指標值與原始物料相應指標值的比值)。

1.2.7裂紋率測定從經過冷風干燥處理的玉米籽粒中隨機取出50粒,挑出有裂紋的粒數,即為玉米的裂紋率(%)(每個樣品做3次實驗,結果取平均值)。

1.2.8Weibull函數模型參數計算方法干燥過程中MR變化動力學模型用威布爾分布函數表示[12]:

式(7)

式中,MR為水分比;α為尺度參數(h);β為形狀參數;t為干燥時間(h)。擬合精度驗證采用決定系數R2和卡方檢驗值(χ2)來表示。R2值越大,χ2值越小表示擬合越好。

式(8)

式(9)

式中:N為實驗點數;MRi為實測水分比;MRpi為預測水分比。在Weibull分布函數中α為尺度參數,表示干燥過程中的速率常數,約等于干燥過程中物料脫去 63%水分所需要的時間;β為形狀參數,其值與干燥過程開始時的干燥速率有關,當β>1 時,干燥速率會先升高后降低;當 0.3<β<1 時,為降速干燥,干燥過程由內部水分擴散控制[4]。

1.3數據處理與統計分析

Weibull模型擬合采用Datafit 9.0軟件的自定義非線性函數擬合功能擬合,數據分析與畫圖采用Origin 8.5軟件。每項實驗重復3次,取其平均值進行分析。

2　結果與分析

2.1不同干燥條件對玉米干燥特性的影響

當進口風速固定為1.5 m/s,調節干燥溫度為10,20,30 ℃,不同溫度下玉米干燥曲線如圖1A所示。由圖1可知干燥溫度為10,20,30 ℃時玉米冷風干燥的平均時間分別為14,11,10 h。與干燥溫度為10 ℃對比,干燥溫度為20、30 ℃時玉米冷風干燥時間顯著降低(p<0.05),且分別減少了21.43%和28.57%,這表明提升干燥溫度能夠加快玉米冷風干燥速率,從而減少干燥消耗的時間。當干燥溫度固定為20 ℃,調節進口風速為1,1.5,2 m/s,不同風速下玉米干燥曲線如圖1B所示,進口風速為1,1.5,2 m/s時玉米冷風干燥的平均時間分別為12,11,10 h。與風速為1 m/s對比,進口風速為1.5,2 m/s時玉米冷風干燥時間顯著降低(p<0.05),且分別縮短了8.33%和16.67%。說明加快進口風速能夠提升干燥速率。從圖1中可以看出增加干燥溫度和進口風速對玉米冷風干燥的中期階段(2～5 h)影響較大,這是因為,在干燥初始階段,物料處于預熱狀態,水分主要是由物料內部擴散至物料表面,由于干燥時間短,此時溫度在物料內部遞減衰弱傳遞,因此該階段受環境影響較小;之后物料內部溫度積累到一定程度,干燥過程為由外部水分擴散控制因此該階段受外部環境影響較大;最后的干燥過程為內部水分擴散控制的降速階段。對比圖1A和圖1B能夠發現,溫度對玉米干燥時間的影響要比風速更為顯著。觀察圖1可以發現無論增加干燥溫度還是增大進口風速,玉米冷風干燥曲線均呈現出兩個明顯的階段:開始的下降階段及干燥后期的平穩階段。本實驗得到的低溫條件下的干燥溫度與進口風速對玉米干燥速率的影響規律同很多文獻結果一致[13-14]。

圖1　不同干燥溫度和風速下玉米冷風干燥曲線Fig.1　The drying curves of corn under different drying conditions

為了進一步探究玉米冷風干燥行為,采用Weibull分布函數對實驗結果進行擬合。圖2給出了不同干燥條件下玉米水分比與時間之間的關系圖。由圖2能夠看出,不同干燥條件下玉米冷風干燥的中期階段水分比變化有著明顯的差異,該結論進一步證明了干燥溫度和進口風速對玉米冷風干燥的中期階段(2～5 h)影響較大。表1顯示了Weibull分布函數對實驗數據的擬合情況。由決定系數R2和卡方檢驗值χ2可知,Weibull 函數可準確描述不同干燥條件下玉米的冷風干燥過程。由表1可知,當固定進口風速為1.5 m/s,調節干燥溫度為10、20、30 ℃,不同溫度下尺度參數α值分別為:1.979,1.571、1.358 h。α值越大,則干燥時間越長,此結論與張衛鵬等[8]、Uribe等[15]的研究結果相一致。相對于干燥溫度為10 ℃,干燥溫度為20、30 ℃時α值分別減少了20.61%和31.37%;α值隨著進口風速的增加而減少,與風速為1 m/s對比,進口風速為1.5,2 m/s時α值分別減少了9.5%和19.30%。由以上結果同樣能夠看出溫度對玉米冷風干燥速率的影響較風速對其的影響大。形狀參數β能夠解釋干燥過程中物料水分的遷徙機理,由表1中的,β值均小于1,這說明,玉米冷風干燥過程為降速干燥,主要由內部水分擴散控制。不同溫度及不同風速下β值差別較小,表明溫度和風速對玉米冷風干燥中的水分擴散機制有著相同的影響。

圖2　不同干燥溫度和風速下玉米水分比曲線Fig.2　The MR curves of corn under different drying conditions

干燥條件αβR2χ2(×10-4)10℃,1.5m/s1.9790.8810.9918.5720℃,1.5m/s1.5710.8020.9979.4330℃,1.5m/s1.3580.8900.9977.2120℃,1m/s1.7360.8620.9866.2220℃,2m/s1.4010.8610.9848.71

結合圖3和圖4可知,玉米冷風干燥過程中有效水分擴散系數為:5.5676×10-10～7.1059×10-10m2/s,在10-12～10-9m2/s的食品通常有效水分擴散系數范圍之內[16]。有效水分擴散系數隨著溫度的升高而增加,隨著風速的加大而略微上升,說明風速對玉米冷風干燥影響較小。這同劉云宏等[16]對金銀花熱泵氣調干燥和巨浩羽等[4]對胡蘿卜片降濕熱風干燥的結果一致。

圖3　不同干燥溫度和風速下ln MR與時間的關系圖Fig.3　The relationship curves of ln MR vs drying time under different drying conditions

圖4　不同干燥溫度(A)和風速(B)下玉米有效水分擴散系數值Fig.4　The Deff values of corn under different drying conditions

2.2不同干燥條件對玉米干裂紋率和膳食纖維性質的影響

裂紋率是評價糧食干燥品質好壞的重要指標[17],由圖5能夠看出干燥溫度分別為10、20、30 ℃時玉米裂紋率分別為:29.37%、32.31%、35.33%;進口風速為1,1.5,2 m/s時,玉米裂紋率分別為:31.31%,32.31%,35.55%。對比溫度與進口風速對玉米裂紋率的影響發現,溫度對其影響顯著(p<0.05)。實驗所有干燥條件下玉米冷風干燥裂紋率均保持在32%左右,降低干燥溫度和進口風速能夠降低裂紋率。

圖5　不同干燥溫度和風速下玉米裂紋率對比圖Fig. 5　The cracking rate of corn under different drying conditions

圖6　不同干燥溫度和風速下玉米膳食纖維性質對比圖Fig.6　The characters of dietary fiber of corn under different drying conditions

不同干燥溫度和風速下玉米膳食纖維持水力、膨脹力、吸附不飽和脂肪酸能力保存率由圖6所示。綜合比較可知,冷風干燥對玉米膳食纖維有一定的破壞作用,其破壞程度隨著干燥溫度和進口風速的增加而增大。通過對比能夠發現,冷風干燥對玉米膳食纖維膨脹力影響最小,這是因為膨脹力的改變與物料干燥過程中收縮程度有關,冷風干燥環境溫度低,干燥時間長,干燥過程緩慢,導致干燥過程中水分應力較小,其對玉米結構破壞較小,玉米收縮不顯著、堆積密度變化不大,從而纖維素膨脹力變化不明顯[13]。該實驗結果與李麗等[13]的研究結果吻合。通過對玉米冷風干燥過程中裂紋率和膳食纖維性質的研究發現,較高溫度的冷風干燥還是會造成干燥產品質量下降,從而影響玉米在市場上的銷售及玉米干燥加工后的食用。張玉榮等[17]研究熱風和真空干燥玉米的品質評價與指標篩選時發現采用熱風和真空干燥的玉米裂紋率在35%～40%之間,其結果略高于本文結論,這說明冷風干燥能夠降低玉米干燥過程中裂紋現象的發生。

3　結論

通過玉米冷風干燥特性研究可知,增加干燥溫度與進口風速能夠提升干燥效率,從而降低干燥時間,但溫度的影響更為顯著(p<0.05)。Weibull分布函數能夠準確的描述不同干燥條件下玉米的冷風干燥過程,通過對α值 和β值分析發現玉米冷風干燥過程為降速干燥,主要由內部水分擴散控制,且溫度和風速對玉米冷風干燥中的水分擴散機制有著相同的影響。冷風干燥能夠很好的降低玉米的裂紋率及膳食纖維的破壞率。

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Study on cold air drying of corn based on Weibull distribution function

ZHANG Tian-ze,LIU Jian-xue*

(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology, Henan Engineering Research Center of Food Material,Luoyang 471023,China)

In this study,corn was used as experimental material,the drying characteristics,crack rate and properties of dietary fiber of corn which dried under different drying conditions of cold air drying were investigated. Meanwhile,the Weibull distribution function was used to fit the drying curves and to analyze the drying process. The results showed that the ranges of coefficient of determination(R2)and chi-square(χ2)were between 0.984 to 0.997 and between 6.22×10-4to 9.43×10-4,respectively. The scale parameter were decreased significantly with the increasing of drying temperature and inlet velocity. The shape parameters were all less than 1. Cold air drying could be used to reduce the crack rate and the damage rate of corn dietary fiber. Therefore,the Weibull distribution function could describe the cold air drying process of corn under different drying conditions,and cold air drying method could improve the quality of dried corn product quality efficiently.

corn;cold air drying;crack rate;dietary fiber;Weibull distribution function

2016-02-26

張天澤(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：農產品高值化利用，E-mail：ztz670676329@163.com。

劉建學(1964-)，男，博士，教授，研究方向：農產品高值化利用及質量檢測技術，E-mail：jx_liu@163.com。

河南省科技攻關項目(142102310262)“農產品加工副產物的高效增值和循環利用關鍵技術研究”。

TS201.1

A

1002-0306(2016)17-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.011