山藥切片熱風干燥動力學試驗

樊迎

（山西農業大學信息學院，山西太谷030800）

山藥切片熱風干燥動力學試驗

樊迎

（山西農業大學信息學院，山西太谷030800）

在風速和風量一定的條件下，研究山藥在不同切片厚度和不同干燥溫度的熱風干燥過程；擬合出其干燥曲線，計算其XC值（臨界含水量）、α值（傳熱膜系數）、KH值（傳質系數）及其他動力學參數。結果表明，溫度在60℃、山藥切片厚度為3 mm時干燥情況較好，同時其對應干制品的復水性也較好，其干燥方程也符合Page模型；并且隨切片厚度增大，α值與KH值均減小，但溫度對二者影響并不大。

山藥；切片干燥；復水比；動力學模型；參數

山藥屬薯蕷科多年蔓生草本植物薯蕷的塊莖，是一種良好的藥食同源性植物[1]。因其營養豐富，自古以來就被視為物美價廉的補虛佳品，既可作主糧，又可作蔬菜，還可以制成糖葫蘆之類的小吃。山藥含有黏液蛋白、微量元素、維生素以及皂苷、多酚氧化酶和淀粉酶等活性物質，具有很高的食用價值[2-5]；味甘、性平，入肺、脾、腎；不燥不膩，具有健脾補肺、益胃補腎等功效[6-9]。故常食山藥，對人體具有一定的好處。

但是山藥對貯藏溫度、通風等條件的要求較高，管理不好容易壞、爛，不易貯藏，人們通常將山藥制成干品來存放。本試驗重點研究山藥切片干燥過程的動力學[10]，以期為工農業生產及相關研究提供一些數據參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮市售長山藥，產自山西臨汾鄉寧下縣村。

1.2 主要試劑和儀器設備

檸檬酸、NaCl和Vc均為國產分析純。

GZX-9140MBE型數顯鼓風恒溫干燥箱，上海博迅實業有限公司；GL-Z型恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

由于山藥切片在空氣中易氧化變色，故要先用NaCl，Vc和檸檬酸配成的混合溶液（各成分濃度分別為NaCl 0.7%，Vc 0.3%，檸檬酸0.6%）浸泡4 h[11]。先采用數顯鼓風干燥箱干燥山藥切片至恒質量，再用恒溫加熱磁力攪拌器干燥至絕干。物料質量隨著時間的變化采用減重法測量[12]，進而得出物料的干基含水量（X，g/g，是指濕物料中的水分質量與其中絕干物料質量的比值）和其干燥速度（U）的變化趨勢，分別繪出不同切片厚度和不同干燥溫度下時間與干基含水量以及干基含水量與干燥速度的關系曲線圖，計算出干燥過程的α值和KH值，并進行關聯[13-14]。

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件的比較

2.1.1 不同山藥切片厚度對于干燥過程的影響

2.1.1.1 干燥曲線和干燥速度曲線的繪制將山藥去皮后切成一定厚度（直徑約為3.5 cm）的圓片狀，在溫度為60℃的條件下考察切片厚度分別為1，2，3，4 mm時的干燥過程，得到其干燥曲線（圖1）及其干燥的速度曲線（圖2）。

從圖1，2可以看出，在其余條件一致時，山藥的切片厚度越小，經同樣的時長處理之后其含水量就會越低。因為切片厚度越小，傳質阻力越小，干燥速度就越快。因此，較薄的切片對干燥過程有利。2.1.1.2復水比測定在以上試驗過程中，直至干燥到物料恒質量，立即將絕干物料放入盛好蒸餾水的燒杯中吸水30 min，取出瀝干表面并稱質量、計算復水比（表1）。

表1 不同切片厚度的復水比（Rf）

從表1可以看出，不同切片厚度對復水比有一定的影響，在厚度較小時（≤3 mm時），隨著山藥切片厚度加大，復水性變化不是太大，且切片厚度為3 mm時復水性最好；當山藥切片厚度繼續增加時，復水比反而會減小。

2.1.2 不同溫度對于干燥過程的影響

2.1.2.1 不同溫度下干燥曲線、干燥速度曲線的繪制將山藥切成厚度為3 mm（直徑約為3.5 cm）的圓片狀，分別測定40，50，60，70℃這4個固定溫度對于干燥整個過程的影響，經繪制得到其相應的干燥曲線（圖3）和干燥速度曲線（圖4）。

從圖3，4可以看出，溫度與干燥物料的含水量成反比。因為干燥的溫度越高，其產生的傳熱跟傳質的推動力就相應地越大，干燥速度自然也就會越快，所需時間就會越短。所以，提高干燥溫度對該過程有利，但若溫度過高，營養成分又可能會被過多地破壞[15]。

2.1.2.2 復水比測定其測定參照2.1.1.2的方法進行。從表2可以看出，不同干燥溫度對復水性也有一定影響，60℃效果最好，溫度高或低的復水比均會下降。

表2 不同干燥溫度的復水比（Rf）

2.2 山藥切片干燥過程的動力學分析

2.2.1 干燥方程的擬合[16-17]物料薄層切片的干燥方程曲線模型一般均符合Page方程，那么，接下來就對試驗數據開始進行擬合。Page方程如下：

對上式線性化計算后得到：ln（-ln（X－X*）/（X0－X*））＝NlnT＋lnK

式中，T代表時間（s）；K，N是常數；X，X0，X*分別表示物料的干基含水量、初始含水量和平衡含水量（g/g）。

分別對60℃時切片厚度為1，2，3，4 mm和切片厚度為3 mm時干燥溫度分別是40，50，60，70℃的這8組數據，用最小二乘法進行線性回歸分析，其結果分別列于表3，4。從表3，4可以看出，每個條件試驗點線性關系都在誤差范圍內，均較好；同時不同的切片厚度和干燥溫度變化都對方程的2個參數K和N的值有影響，且厚度變化對K和N的影響更明顯。另外，山藥切片越厚，XC值越大、X*值越小，這也符合干燥原理。

表3 不同山藥切片厚度的干燥參數

表4 不同山藥干燥溫度的干燥參數

然后將不同厚度和不同溫度的干燥參數帶入Page方程中，計算出各條件下的干燥方程。

切片厚度：1 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 179 08 T1.0534）；2 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 222 88 T1.0161）；3 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 270 76 T0.9295）；4 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 360 04 T0.8680）；溫度：40℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.00049295T0.9660）；50℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 402 15 T0.9207）；60℃，（XX*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 270 76 T0.9295）；70℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 259 02 T0.8369）。

2.2.2 XC值（臨界含水量）的推算據文獻[18]報道，恒速干燥速率的方程式為：U1＝GC（X0－XC）/ ST1；降速干燥速率的方程式為：U2＝GC（X0－X*）/ ST2ln（（XC－X*）/（X2－X*））。

式中，GC代表絕干物料質量（kg）；S代表干燥面積（m2）；在臨界點處滿足U1＝U2，即有：

GC（X0－XC）/ST1＝GC（X0－X*）/ST2ln（（XC－X*）/（X2－X*））；

則：（X0－XC）/T1＝（X0－X*）/T2ln（（XC－X*）/（X2－X*））。

現對山藥且切片干燥的最適條件（即溫度60℃、切片厚度3 mm）下的數據進行XC值的推算，由表3可得出，該條件下X*＝0.21 g/g，X0＝7.51 g/g。干燥時間T1，T2由干燥方程能求出：（5.35－0.21）/（7.51－0.21）＝exp（-0.000 270 76 T10.9295），可計算得出：T1＝1 116 s；（1.02－0.21）/（5.35－0.21）＝exp（-0.000 270 76T20.9295），可算得：T2＝13 284 s。

從而推算出該條件下XC＝5.29 g/g，與經試驗所得到的XC值（5.35 g/g）基本符合。

2.2.3 恒速干燥階段α值的計算及關聯根據已查文獻[19]得出，α（t－tw）＝NWrw,不難得出：α＝NWrw/（t－tw）。式中，t和tw分別代表干球溫度跟濕球溫度（℃）；NW代表水分汽化的速率（kg/（m2·s））；rw代表在tw條件下的比汽化熱（KJ/kg）。

分別計算山藥不同切片厚度和溫度下的α值，其結果列于表5，6。

表5 不同山藥切片厚度所對應的α值

表6 不同山藥干燥溫度所對應的α值

表5顯示，山藥切片厚度越大，α值越小，由相應數據可得出α與L的關聯式：α＝0.074 3L-0.4365（R2＝0.966 1）；而從表6也可以看出，溫度對α值影響不大。

2.2.4 恒速干燥階段KH值的計算及關聯[20]由公式NW＝KH（HW－H）得到KH＝NW/（HW－H）。

式中，HW代表在tw下空氣的飽和濕度；H代表濕度（二者單位為：kg/kg）。

根據上面公式，計算出不同山藥切片厚度和不同干燥溫度對應的KH值（表7，8）。

表7 不同山藥切片厚度對應的KH

表8 不同山藥切片干燥溫度對應的KH

表7數據提示，山藥切片隨著厚度的增大，傳質系數的KH值反而減小，由其對應數據可計算出KH和L的關聯式：KH＝0.041 3L－0.4372（R2＝0.967）；而表8數據則顯示，溫度對KH值的影響不大。

3 結論

本試驗研究了山藥切片的熱風干燥動力學過程，通過工藝條件的比較，發現溫度在60℃、切片厚度為3 mm時，干燥情況較好，同時其干制品的復水性也較好；不同條件下，山藥切片干燥曲線、干燥速度曲線圖像趨勢基本相同，且切片越薄、溫度越高，曲線就越陡；通過計算不同條件下山藥切片的傳熱膜系數α與傳質系數KH，發現每個條件下的干燥曲線均符合Page方程；通過推算臨界含水量XC，發現理論與試驗的XC數據吻合程度較好；通過比較不同溫度和不同山藥切片與傳熱膜系數α與傳質系數KH的影響，發現α與KH均受切片厚度的影響較明顯，且均是隨厚度增大反而減小，干燥溫度則對二者影響不大。

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Study on the Dynamics Test of Sirocco Drying of Sliced Yam

FANYing
（College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

It had been studied that the influence of the wind speed and the wind quantity on sliced yam with hot air under certain condition.The dryequations ofsliced yam were fitted,and it was correlation dynamics parameter,such as XC（the critical water content）, α（heat transmission membrane coefficient）,and KH（quality transmission coefficient）,were also calculated.The results showed that the dry condition of sliced yam was best under 60℃and 3 mm,at the same time,the rehydration rate was also better than other conditions. The dryequation alsoaccorded with the Page model well.Both α and KHwere increased when the sliced yamthickness rised,but the dry temperature had little effect on the twoparameters.

yam;dryingofsliced;rehydration ratio;dynamics model;parameter

TS255.3

A

1002-2481（2016）04-0528-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.04.27

2015-12-10

樊迎（1987-），女，山西運城人，助教，碩士，主要從事食品新資源開發與功能性食品研究工作。