苦瓜片氣體射流沖擊干燥特性及干燥模型

薛珊，趙武奇，高貴田，吳忠

（陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，西安 710119）

苦瓜片氣體射流沖擊干燥特性及干燥模型

薛珊，趙武奇，高貴田，吳忠

（陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，西安 710119）

【目的】提高苦瓜片的干制品質(zhì)、縮短干燥時間，通過研究不同條件下氣體射流沖擊技術(shù)對苦瓜片干燥特性的影響，并根據(jù)干燥過程中水分的變化規(guī)律確定最適干燥模型。【方法】利用實(shí)驗(yàn)室自制氣體射流沖擊干燥機(jī)干燥苦瓜片，探討不同風(fēng)溫（40、50、60、70和80℃）、風(fēng)速（9、10、11、12和13 m·s-1）和切片厚度（2、3、4、5和6 mm）對物料干燥特性和水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響，計(jì)算出干燥活化能。以確定系數(shù)（R2）、卡方（χ2）及均方根誤差（RMSE）為評價(jià)指標(biāo)，并利用Origin 8.0軟件將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與5個常用的干燥模型進(jìn)行擬合，篩選出最適干燥模型，建立模型參數(shù)與干燥條件之間的關(guān)系，并檢驗(yàn)干燥模型的預(yù)測效果。【結(jié)果】苦瓜片的氣體射流沖擊干燥屬于降速干燥，沒有明顯的恒速干燥階段。在試驗(yàn)條件下，風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度對苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中的干燥特性均有一定影響，風(fēng)溫越大、切片厚度越小、風(fēng)速越大，物料的干燥速率越大，水分比下降越快，干燥所需時間越短，但風(fēng)速的影響遠(yuǎn)不如風(fēng)溫和切片厚度明顯。通過費(fèi)克第二定律可以計(jì)算出苦瓜片在干燥過程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，且隨著風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度的增加而增加，最高的有效擴(kuò)散系數(shù)為2.9668 ×10-9m2·s-1。通過阿倫尼烏斯公式可以計(jì)算出苦瓜片干燥過程中所需的活化能Ea為29.89 kJ·mol-1。所選的5個模型均具有較高的擬合度（R2＞0.98），都能較好的預(yù)測苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中水分的變化規(guī)律，其中Two term exponential模型具有最大的確定系數(shù)R2（0.99937）、最小的卡方值χ2（0.00876）和均方根誤差RMSE（0.000077），是苦瓜片氣體射流沖擊干燥的最適模型。【結(jié)論】風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度對苦瓜片氣體射流沖擊干燥過程中的干燥曲線、干燥速率曲線和水分?jǐn)U散系數(shù)均有影響，且風(fēng)溫＞切片厚度＞風(fēng)速。在風(fēng)溫40—80℃，風(fēng)速9—13 m·s-1，切片厚度2—6 mm范圍內(nèi)，Two term exponential模型的擬合度最高，模型可有效描述苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中的水分變化規(guī)律。

苦瓜；氣體射流沖擊；干燥特性；干燥模型

0 引言

【研究意義】苦瓜，又稱之為涼瓜、錦荔枝、賴葡萄，系葫蘆科苦瓜屬植物，是一種日常生活中十分常見的蔬菜，屬一年生草質(zhì)藤木植物，原產(chǎn)于亞熱帶，現(xiàn)在熱帶、亞熱帶和溫帶都能夠種植[1]。苦瓜營養(yǎng)豐富，含蛋白質(zhì)、糖類、多種氨基酸、粗纖維、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分,其中Vc含量高達(dá)（56—120）mg/100 g，居于瓜類蔬菜之首[2-3]。現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)研究表明，苦瓜具有降低血糖、抗腫瘤以及提高人體免疫力等功能，是一種藥食兼用的保健食品[4-7]。新鮮的苦瓜水分含量較高，且不耐冷藏，貨架期短[8]，而苦瓜干制是苦瓜貯藏的重要手段之一。將苦瓜干制不僅能平衡淡旺季需求、縮減存儲空間、豐富產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而且可以使人們充分利用苦瓜的保健價(jià)值[3]。氣體射流沖擊技術(shù)是近幾年才引入中國的一種干燥技術(shù)，在干燥過程中，由于噴出的氣體具有極高的速度，使得氣流與物料表面產(chǎn)生非常薄的邊界層，從而提高了傳熱效率和熱質(zhì)交換速率，縮短了干燥時間。已有研究表明，氣體射流沖擊干燥的換熱系數(shù)比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的換熱系數(shù)要高出幾倍甚至一個數(shù)量級[9-10]。因此，氣體射流沖擊干燥技術(shù)對于提高干制品品質(zhì)、節(jié)約能耗、縮短干燥時間等均具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】現(xiàn)有的苦瓜干制方法主要有熱風(fēng)干燥、真空干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥、微波干燥以及聯(lián)合干燥等[3,11-12]。但已有的研究大多數(shù)都探討的是不同干燥條件對苦瓜中各種營養(yǎng)成分的影響，這些營養(yǎng)成分主要包括苦瓜多糖、多肽、皂苷、Vc、葉綠素、黃酮等，而關(guān)于苦瓜干燥過程中干燥特性和干燥模型的研究較少。氣體射流沖擊干燥技術(shù)是一種新型干燥技術(shù)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于紫薯[10]、無核紫葡萄[13]、哈密瓜[14]、杏子[15]、胡蘿卜[16]、種子[17]、板栗[18]、黨參[19]的研究中，并且取得了顯著的效果。其中，李文峰等[10]通過對紫薯干燥模型的建立，很好的描述了干燥過程中紫薯的水分散失規(guī)律；楊文俠等[13]通過對無核紫葡萄干燥模型的建立，為在線監(jiān)測無核紫葡萄的含水率提供了理論依據(jù)；張茜等[14]通過對哈密瓜干燥模型的建立，為哈密瓜片的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)等。現(xiàn)有文獻(xiàn)未見到將氣體射流沖擊技術(shù)應(yīng)用于苦瓜干制的報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】目前，苦瓜片的制備方法主要是傳統(tǒng)的曬干法和烘干法，但其存在干燥周期長、品質(zhì)難以控制或能耗高等不足，且對于苦瓜片干燥過程中的傳質(zhì)特性還不清楚；而氣體射流沖擊干燥技術(shù)不僅具有傳熱速度快，能耗低，產(chǎn)品品質(zhì)佳的優(yōu)勢，還可以為苦瓜片的新型干燥技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究采用氣體射流沖擊干燥技術(shù)對苦瓜片進(jìn)行干燥，并探究風(fēng)溫、切片厚度和風(fēng)速對苦瓜片干燥特性的影響，確定最適的干燥模型，為進(jìn)一步研究苦瓜片干燥過程中質(zhì)的傳遞提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2016年3月在陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院食品工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)原料

苦瓜購買于壽光市農(nóng)圣莊園農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，挑選無腐爛、成熟度適中、直徑為5 cm左右的鮮苦瓜（品種為賽碧綠F1），在3℃條件下貯藏。鮮苦瓜樣品的平均干基濕含量為95.3%（烘干法測定，105℃烘干至恒重[20]）。

1.2 主要儀器及試驗(yàn)裝置

電子天平：BS224S型，北京賽多利斯系統(tǒng)有限公司；風(fēng)速計(jì)：AVM-03，泰儀電子工業(yè)股份有限公司；電冰箱：海爾BCD-210G/C，青島海爾股份有限公司；烘箱：常州遠(yuǎn)宇干燥設(shè)備有限公司；刀具和尺子。

本研究所用的氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)設(shè)備為陜西師范大學(xué)食品工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)原理見文獻(xiàn)[10]。

1.3 干燥試驗(yàn)

從冰箱中取出保存的鮮苦瓜，先用自來水沖洗干凈，然后用紙巾將其表面的水吸干，待其恢復(fù)到室溫；用刀切去苦瓜兩端，并從中間縱向切成兩半，去瓤，并按照試驗(yàn)要求切片。為節(jié)省稱重時間，將處理好的苦瓜片均勻平鋪于自制金屬網(wǎng)篩中。干燥試驗(yàn)風(fēng)溫設(shè)置在40—80℃范圍內(nèi)以每10℃為間隔（溫度太低，干燥時間太長；溫度太高，干燥產(chǎn)品色澤差）；風(fēng)速由變頻器控制并在9—13 m·s-1范圍內(nèi)可調(diào)；切片厚度為2—6 mm（苦瓜片太薄干燥后易破碎，太厚干燥耗時太長），以1 mm為間隔。具體試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment design and parameters

本試驗(yàn)固定噴嘴到物料托盤的距離為15 cm，在開始試驗(yàn)前先預(yù)熱設(shè)備約30 min，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后將裝有苦瓜片的金屬網(wǎng)篩（15 cm×15 cm×10 cm）放入干燥室內(nèi)，在不同時間間隔取出金屬網(wǎng)篩，并測定樣品質(zhì)量，從而得出樣品的質(zhì)量變化。具體稱重時間為：干燥過程前15 min內(nèi)每3 min測定一次，15—30 min時每5 min測定一次，30—60 min時每10 min測定一次，之后每30 min測定一次，直至相隔兩次的質(zhì)量變化不大于0.005 g為止[21]，每次稱重時間不超過20 s，且稱重時間不計(jì)入干燥時長。所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，取平均值。

1.4 水分比、干燥速率

干燥試驗(yàn)中的水分比（MR）表示一定干燥條件下物料的剩余水分率。水分比按式（1）計(jì)算[22]：

式中：M0為物料初始干基含水量（g·g-1）；Mt為任意t時刻的干基含水量（g·g-1）；Me為干燥達(dá)到平衡時的干基含水量（g·g-1）。

干燥速率（drying rate）按式（2）計(jì)算：

式中：Mt1為t1時刻物料的干基含水量（g·g-1）；Mt2為t2時刻物料的干基含水量（g·g-1）。

干基含水率（M）按式（3）計(jì)算：

式中：Wt為任意t時刻物料的總質(zhì)量（g）；G為干物質(zhì)質(zhì)量（g）。

1.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）描述的是物料在干燥過程中內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移的重要參數(shù)，反應(yīng)了水分在物料內(nèi)部擴(kuò)散遷移的難易程度。其值越大，表明水分在物料內(nèi)部擴(kuò)散遷移越容易；反之，則表示擴(kuò)散遷移越困難。其值可通過菲克第二擴(kuò)散方程[23]來計(jì)算，如下式：

式中：Deff為物料干燥過程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)（m2·s-1）；L為苦瓜的切片厚度（mm）；t為干燥時間（s）。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)還可以利用斜率法計(jì)算，通過LnMR對時間t 繪圖確定斜率后再由式 （5）計(jì)算[9]。

1.6 干燥活化能

干燥活化能（Ea）表示的是物料在干燥過程中，脫除1 mol的水分所需要的能量，活化能越大表示物料越難被干燥。物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和溫度的依賴關(guān)系可以用阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation）來描述，通過阿倫尼烏斯公式可以估算出水分?jǐn)U散活化能，如公式（6）[16,20]

式中：D0為物料中的擴(kuò)散基數(shù)，是定值（m2·s-1）；Ea為物料的干燥活化能（kJ·mol-1）；R為氣體摩爾常數(shù)，其值為8.314 J·mol-1·K-1；T為物料的干燥溫度（℃）。

1.7 干燥模型的擬合

所選的5種干燥模型如表2所示，將試驗(yàn)獲得的苦瓜干燥曲線數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合篩選。確定系數(shù)（R2）是篩選樣品干燥曲線最佳干燥模型的首要因素，除確定系數(shù)外，卡方（χ2）和均方根誤差（RMSE）也可用于確定擬合程度。通常認(rèn)為最適模型應(yīng)具有較高的R2，較低的χ2和RMSE[14]。這些統(tǒng)計(jì)參量根據(jù)式（7）—（9）進(jìn)行計(jì)算：

（7）—（9）式中：MRexp,i表示第i個試驗(yàn)測得的水分比；MRpre,i表示第i個預(yù)測的水分比；N為試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的組數(shù)；n為模型常數(shù)的個數(shù)。

表2 干燥曲線擬合的數(shù)學(xué)模型Table 2 Drying mathematical models

1.8 模型的驗(yàn)證

將苦瓜片分別在風(fēng)速為11 m·s-1、切片厚度為4 mm、風(fēng)溫55℃條件下（Ⅰ條件下）和風(fēng)溫為60℃、風(fēng)速為11 m·s-1、切片厚度為3.5 mm條件下（Ⅱ條件下）按1.3進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)分別與1.7中所確定的最適模型的預(yù)測值進(jìn)行比較分析，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合效果。

1.9 統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel和Origin8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪圖及模型擬合分析，顯著性水平取0.05。

2 結(jié)果

2.1 苦瓜片氣體射流沖擊干燥特性

2.1.1 風(fēng)溫對苦瓜片射流沖擊干燥特性的影響 將風(fēng)速固定為11 m·s-1，切片厚度固定為4 mm，在不同風(fēng)溫條件下進(jìn)行氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)，并將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成干燥曲線和干燥速率曲線，如圖1、圖2所示。由圖1可以看出，在干燥初期，物料的水分比變化比較大，隨著干燥時間的增加，苦瓜片的水分比呈現(xiàn)降低的趨勢，且風(fēng)溫越高，干燥所需時間越短，水分比下降越快。在風(fēng)溫分別為40、50、60、70和80℃條件下，苦瓜片干燥時間分別為210、180、150、90和60 min，與40℃時的干燥時間相比，80℃時所需的干燥時間縮短了71.4%，說明風(fēng)溫對苦瓜片的干燥時間有明顯的影響，適當(dāng)?shù)奶岣唢L(fēng)溫可縮短苦瓜片的干燥時間，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮干燥效率、產(chǎn)品品質(zhì)及能耗等，從而確定合理的干燥風(fēng)溫。

圖1 溫度對干燥曲線的影響Fig. 1 Effects of temperature on drying curves

由圖2可以看出，風(fēng)溫越高，苦瓜片的干燥速率越大。這是因?yàn)殡S著風(fēng)溫的增加，使得物料中的水分子運(yùn)動加劇，從而加快了物料的水分散失。苦瓜片的干燥過程主要為降速階段，未見明顯的恒速干燥階段，且隨著干燥時間的延長，干燥速率逐漸下降。這可能是因?yàn)榭喙掀诟稍镞^程中，隨著干燥時間的延長，水分蒸發(fā)的界面不斷向內(nèi)部遷移，使得水分遷移的距離不斷增加，從而導(dǎo)致干燥速率的不斷降低[28]。

圖2 溫度對干燥速率曲線的影響Fig. 2 Effects of temperature on drying rate curves

2.1.2 風(fēng)速對苦瓜片射流沖擊干燥特性的影響 將風(fēng)溫固定為60℃，切片厚度固定為4 mm，在不同風(fēng)速條件下進(jìn)行氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)，并將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成干燥曲線和干燥速率曲線，如圖3、圖4所示。由圖3可以看出，隨著干燥時間的增加，苦瓜片的水分比呈現(xiàn)降低的趨勢，且風(fēng)速越高，干燥所需時間越短，水分比下降越快。在風(fēng)速分別為9、10、11、12和13 m·s-1條件下，苦瓜片干燥時間分別為180、180、150、120和120 min，風(fēng)速在13 m·s-1比9 m·s-1時的干燥時間縮短了33.3%。由此可知，在試驗(yàn)的風(fēng)速條件范圍內(nèi)，風(fēng)速對苦瓜片的干燥時間有一定影響，但不如風(fēng)溫影響明顯。

由圖4可以看出，隨著風(fēng)速的增加，苦瓜片的干燥速率增大，但風(fēng)速的變化對苦瓜片干燥速率的影響不明顯，且呈現(xiàn)一定的波動。與風(fēng)溫的變化一樣，整個干燥過程為降速干燥，沒有明顯的恒速干燥階段。

2.1.3 切片厚度對苦瓜片射流沖擊干燥特性的影響將風(fēng)溫固定為60℃，風(fēng)速固定為11 m·s-1，在不同切片厚度條件下進(jìn)行氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)，并將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成干燥曲線和干燥速率曲線，如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，隨著干燥時間的增加，苦瓜片的水分比呈現(xiàn)降低的趨勢，且切片厚度越薄，干燥所需時間越短，水分比下降越快。在切片厚度分別為2、3、4、5和6 mm條件下，苦瓜片干燥時間分別為120、120、150、180和210 min，干燥風(fēng)溫在2 mm比6 mm時的干燥時間縮短了42.9%，說明切片厚度對苦瓜片的干燥時間有一定的影響。

圖3 風(fēng)速對干燥曲線的影響Fig. 3 Effects of air velocities on drying curves

圖4 風(fēng)速對干燥速率曲線的影響Fig. 4 Effects of air velocities on drying rate curves

由圖6可以看出，切片厚度越薄，苦瓜片的干燥速率越大，這可能是由于切片厚度變薄時，使得物料中水分的傳遞距離減少，樣品的比表面積增加所導(dǎo)致的[21]。與風(fēng)溫和風(fēng)速對干燥速率曲線的影響一致，切片厚度的干燥速率曲線也為降速干燥，沒有明顯的恒速干燥階段。

2.2 有效擴(kuò)散系數(shù)

圖5 切片厚度對干燥曲線的影響Fig. 5 Effects of slice thickness on drying curves

表3為不同試驗(yàn)條件下苦瓜片氣體射流沖擊干燥水分有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算值。由表3可以看出，當(dāng)風(fēng)溫分別為40、50、60、70和80℃時，水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為8.4300×10-10、9.8475×10-10、1.1681 ×10-9、2.1075×10-9和2.9667×10-9m2·s-1。風(fēng)溫越高，水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大，風(fēng)溫為80℃比40℃時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大了約2.52倍。當(dāng)風(fēng)速分別為9、10、11、12和13 m·s-1時，水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為9.4580×10-10、9.4334×10-10、1.1681×10-9、1.5395×10-9和1.5533×10-9m2·s-1。風(fēng)速越大，水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大，風(fēng)速為13 m·s-1比9 m·s-1時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大了約0.64倍。當(dāng)切片厚度分別為2、3、4、5和6 mm時，水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為3.5060×10-10、8.3840×10-10、1.1681×10-9、1.5318×10-9和1.8193×10-9m2·s-1。切片厚度越厚，水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大，切片厚度為6 mm比2 mm時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大了4.19倍。因此，切片厚度對水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響最為明顯。在所有試驗(yàn)組中，在風(fēng)溫為80℃、風(fēng)速11 m·s-1、切片厚度為4 mm時的水分有效擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最高值，為2.9667×10-9m2·s-1。

圖6 切片厚度對干燥速率曲線的影響Fig. 6 Effects of slice thickness on drying rate curves

表3 不同干燥條件苦瓜片的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of bitter gourd slice under different drying conditions

2.3 干燥活化能

圖7表示水分有效擴(kuò)散系數(shù)的自然對數(shù)lnDeff與1(T+273.15)的關(guān)系，由圖中的直線回歸方程可以求出苦瓜片的干燥活化能Ea為29.89 kJ·mol-1，說明在氣體射流沖擊干燥過程中，從苦瓜片中去除1 kg的水分所需要的最低能量約為1 660.56 kJ。

圖7 水分有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線Fig. 7 The relation curves of moisture effective diffusion coefficients and drying temperatures

2.4 干燥模型的擬合效果

通常選擇具有較高R2，較低χ2和RMSE的模型為最適模型，更適合于描述在干燥過程中物料的水分散失規(guī)律。本研究用苦瓜片氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對5個干燥模型方程進(jìn)行擬合，得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表4。

從表4中可以看出，所選模型的R2都在0.9900以上，均在可接受的范圍[29]。從模型1到模型5，R2的范圍分別是0.99788—0.99929、0.99788—0.99929、0.99378—0.99847、0.99312—0.99837和0.99811—0.99937；RMSE的范圍分別是0.00930—0.01609、0.00929—0.01609、0.01412—0.02815、0.01409—0.02835和0.00876—0.01522；χ2的范圍分別是0.000086—0.000259、0.000086—0.000259、0.000199—0.000792、0.000199—0.000804和0.000077—0.000232。其中5號模型，即Two term exponential模型的具有最高的R2（0.99937），最低的RMSE（0.00876）和最低的χ2（0.000077），從而此模型具有最高的擬合度。因此，在風(fēng)溫40—80℃、風(fēng)速9—13 m·s-1、切片厚度為2—6 mm內(nèi)，所選的5個模型中Two term exponential模型是最適合描述苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中的水分變化規(guī)律，并對此模型進(jìn)行擬合分析。

2.5 模型中參數(shù)的回歸結(jié)果

由2.4結(jié)果可知Two term exponential模型中的干燥常數(shù)a和k與干燥條件（風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度）呈現(xiàn)一定的線性變化，可表示為:

式中，T為干燥風(fēng)溫（℃）；V為干燥風(fēng)速（m·s-1）；D為切片厚度（mm）；x1、x2、x3、x4為常數(shù)；y1、y2、y3、y4為常數(shù)。

根據(jù)各次試驗(yàn)的風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度及Two term exponential模型中的a和k值，并用Origin 8.0數(shù)據(jù)處理軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，分別求出Two term exponential模型中的x1、x2、x3、x4和y1、y2、y3、y4的值，并代入式（10）、（11）得：

把（12）和（13）代入Two term exponential模型方程中，得到苦瓜片氣體射流沖擊干燥模型為：

2.6 模型的驗(yàn)證效果

利用在Ⅰ條件和Ⅱ條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，其中圖8和圖9分別是Ⅰ條件和Ⅱ條件下實(shí)測值和模型預(yù)測值的相關(guān)性結(jié)果。從圖中可以看出，R2均大于0.99，說明實(shí)測值與預(yù)測值具有較好的吻合度。因此，在試驗(yàn)條件下，Two term exponential模型能較好的預(yù)測苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中水分的散失規(guī)律。

3 討論

3.1 不同干燥條件對苦瓜片氣體射流沖擊干燥特性的影響

現(xiàn)有文獻(xiàn)少見將氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于苦瓜片干燥的報(bào)道，對苦瓜片的干燥特性、干燥動力學(xué)研究甚少。從圖1—圖6可知，改變風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度都會引起干燥曲線和干燥速率曲線的變化，但風(fēng)溫的影響最為明顯，說明物料在干燥過程中水分的散失主要是通過熱擴(kuò)散。在不同干燥條件下，苦瓜片在1—4 h內(nèi)基本完成干燥，所需干燥時間均較短，故將氣體射流沖擊技術(shù)應(yīng)用于苦瓜片干燥，不僅具有較高的干燥效率，還可有效降低干燥能耗。從苦瓜片的干燥曲線可以看出，在0—30 min內(nèi)物料的水分比急劇下降，隨著干燥時間的推移，水分比變化趨于緩慢，這與紫薯[10]、哈密瓜[14]、杏子[15]、板橋黨參片[19]等的氣體射流沖擊干燥曲線具有相似規(guī)律，但比它們具有更高的干燥速率和更短的干燥時間。這一方面可能是因?yàn)槲锪现g具有一定的差異性，另一方面則可能是由于新鮮苦瓜本身含水量較高。從苦瓜片的干燥速率曲線可以看出，苦瓜片的氣體射流沖擊干燥過程屬于降速干燥，未見明顯的恒速干燥階段，這與大多數(shù)食品物料干燥速率曲線相似[15,21,23,30]，可能是因?yàn)椋海?）物料在干燥初期，含水量較大，有較大的干燥速率，隨著干燥時間的不斷進(jìn)行，物料自身的含水量變少，干燥速率也隨之減少。（2）物料在干燥過程中，干燥前期的水分散失導(dǎo)致物料體積收縮，內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)遭到破壞。隨著干燥時間的不斷進(jìn)行，水分散失越多，物料體積收縮的程度也會越大：內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，內(nèi)層水分向外遷移受到的阻力也會越大，因此干燥速率也會下降。（3）物料在干燥過程中，首先被干燥的是外部及淺表層水分，這些水分?jǐn)U散遷移到空氣中的距離小，所需時間短，當(dāng)干燥到物料內(nèi)部水分時，由于內(nèi)部水分?jǐn)U散遷移到空氣中的距離相對增加從而使得干燥速率變小。本研究未對不同干燥條件下的干制品品質(zhì)及能耗進(jìn)行探索，有待進(jìn)一步完善。

表4 苦瓜片干燥模型參數(shù)值及R2、RMSE和χ2Table 4 Gourd bitter slice drying model parameters, R2, RMSE and χ2

續(xù)表4 Continued table 4

圖8 Ⅰ（A）、Ⅱ（B）條件下預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)性Fig. 8 Correlation between the actual and predicted values underⅠ (A) and Ⅱ (B) conditions

3.2 有效擴(kuò)散系數(shù)

苦瓜片氣體射流沖擊干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度的增加而增加，該結(jié)果與紫薯[10]的氣體射流沖擊干燥具有相似的結(jié)果。從表3可以看出，風(fēng)溫、切片厚度對水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響較風(fēng)速明顯。在用氣體射流沖擊干燥技術(shù)的相關(guān)研究中，李文峰等[10]研究的紫薯的有效擴(kuò)散系數(shù)范圍在0.7086×10-9—3.5431×10-9m2·s-1，張茜等[14]研究的哈密瓜片的有效擴(kuò)散系數(shù)為2.38× 10-9—4.55×10-9m2·s-1，而本研究中苦瓜片的有效擴(kuò)散系數(shù)的范圍3.5060×10-10—2.9667×10-9m2·s-1，其有效擴(kuò)散系數(shù)變化范圍較大，占了2個數(shù)量級。一部分原因可能與苦瓜物料本身的性質(zhì)有關(guān)；一部分原因可能是苦瓜本身的含水量較高，用來散失的水分高于其他果蔬類；也可能是因?yàn)榭喙系淖杂伤趾枯^大，導(dǎo)致其散失的水分不穩(wěn)定，變化范圍較大。

3.3 干燥模型的擬合

許多研究發(fā)現(xiàn)，很多物料在進(jìn)行氣體射流沖擊干燥時，在相應(yīng)的試驗(yàn)條件下，Modified page模型和Page模型為最適合的干燥模型，如哈密瓜[14]、黨參[19]等的氣體射流沖擊干燥。但由于物料的差異性和所選模型種類的不同，本研究所得到的最適模型為Two term exponential模型。

4 結(jié)論

4.1 苦瓜片的氣體射流沖擊干燥主要為降速干燥。

4.2 風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度對苦瓜片的氣體射流沖擊干燥特性都有影響，且風(fēng)溫＞切片厚度＞風(fēng)速。其中，風(fēng)溫和切片厚度的影響較風(fēng)速明顯。但在實(shí)際情況下，由于風(fēng)溫太高，會導(dǎo)致苦瓜片外觀變黃，營養(yǎng)成分大量損失，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中干燥溫度不宜超過60℃。

4.3 苦瓜片氣體射流沖擊干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著風(fēng)溫、風(fēng)速、切片厚度的增加而增加。最高的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為2.9668×10-9m2·s-1，活化能為29.89 kJ·mol-1。

4.4 在風(fēng)溫為40—80℃、風(fēng)速為9—13 m·s-1、切片厚度為2—6 mm條件下，對所選的5個模型與所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)所選模型都能較好地描述苦瓜片在氣體射流沖擊干燥過程中水分的變化規(guī)律，但Two term exponential模型的擬合度最好，是苦瓜片氣體射流沖擊干燥的最適模型。

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（責(zé)任編輯 趙伶俐）

Drying Characteristics and Model of Bitter Melon Slice in Air-Impingement Jet Dryer

XUE Shan, ZHAO WuQi, GAO GuiTian, WU Zhong
(College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119)

【Objective】In order to improve the drying quality of the bitter melon slice(BMS), shorten the drying time, the effects of the air-impingement drying conditions on the drying characteristics of the BMS were studied and the drying kinetics model was established to predict the moisture change in the drying process. 【Method】The BMS were dried by the air-impingement jet dryer made by the authors’ laboratory. The effects of different air temperatures (40, 50, 60, 70 and 80℃), air velocities (9, 10, 11, 12 and 13 m·s-1) and slice thickness (2, 3, 4, 5 and 6 mm) on the drying characteristics of materials and effective moisture diffusion coefficient of water were studied, and the activation energy was calculated. With the R2, χ2and RMSE as the evaluation indexes, the optimum model was screened within the five commonly used dry models fitting the experimental data by Origin 8.0 software, then the relationships between the model parameters and drying conditions was establish and the prediction effect of the optimum dryingmodel was verified.【Result】The air-impingement jet drying of BMS occurred in the falling rate drying period, and there was no constant drying rate stage. Under the experimental condition, air temperature, air velocities and slice thickness all had a certain effect on dry characteristics of BMS in air-impingement jet drying process. With the increase of air temperature and air velocities, the decrease of the slice thickness, the moisture of material decreased more fast and the drying rate was rising, the drying time was short, but the influence of air velocities was less significant than air temperature and slice thickness. The water effective diffusion coefficient of the BMS during drying process could be calculated by Fick’s second law, and it increased with the increase of air temperature, air velocities and slice thickness. The maximum effective diffusion coefficient was 2.9668×10-9m2·s-1. Arrhenius was used to calculate the activation energy of BMS in drying process and the value of Ea was 29.89 kJ·mol-1. The five selected models all had good fitness (R2＞0.98), they could predict the moisture change of the BMS in air-impingement jet drying process. Of the five models, the Two term exponential model had the highest coefficient of determinationR2(0.99937), the lowest chi-square χ2(0.00876) and root mean square RMSE (0.000077), and it is the optimum model of the BMS in air-impingement jet drying. 【Conclusion】All the factors including the air temperature, air velocities and slice thickness had influence on the drying curve, the drying rate curve and moisture effective diffusion coefficient, and their influences were in an order of the air temperature＞air velocities＞slice thickness. Two term exponential model could properly describe the air-impingement jet drying behavior of BMS and could be used to predict the moisture change of the BMS in air-impingement jet drying process under the condition that the air temperatures between 40 and 80℃, air velocities between 9 and 13 m·s-1and slice thickness between 2 and 6 mm.

bitter melon; air-impingement jet; drying characteristics; drying model

10.3864/j.issn.0578-1752.2017.04.014

2016-07-04；接受日期：2016-10-18

陜西省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與攻關(guān)項(xiàng)目（2016NY-188）

聯(lián)系方式：薛珊，Tel：029-85310517；E-mail：sannyshann@163.com。通信作者趙武奇，Tel：029-85310517；E-mail：zwq65@163.com