無核白葡萄箱式熱風干燥特性及干燥模型研究

楊嘉鵬 閆圣坤 徐立軍 劉 巖

(1. 新疆工程學院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830022；2. 新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

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無核白葡萄箱式熱風干燥特性及干燥模型研究

楊嘉鵬1閆圣坤2徐立軍1劉 巖1

(1. 新疆工程學院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830022；2. 新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

分析熱風溫度(30～45 ℃)、熱風風速(0.5～2 m/s)等因素對無核白葡萄干燥特性的影響，計算不同條件下水分有效擴散系數(Deff)及干燥活化能(Ea)，再采用4種薄層干燥模型對不同試驗條件進行非線性擬合，并比較不同條件的R2、RMSE和χ2值。結果表明：在干燥過程中，隨著干燥溫度及風速的升高，Deff也隨之升高，利用阿倫尼烏斯公式計算出無核白葡萄的干燥活化能為22.95 kJ/mol。通過4種模型的R2、RMSE和χ2值比較，Parabolic模型的擬合結果最好，最能描述葡萄干燥過程中水分比的變化規律，可為無核白葡萄干燥生產提供理論依據。

熱風干燥；無核白葡萄；水分擴散率；活化能；模型

葡萄是世界四大水果之一，由于具有易豐產、結果早、適應性強等優點，被廣泛栽植于世界各地。中國是世界葡萄主產區，尤其是吐魯番葡萄干年產量占全國葡萄干產量的60%以上，已成為中國葡萄干最大的產區。干燥是無核白葡萄產后加工處理的重要環節之一。熱風干燥葡萄干時間較傳統自然晾曬可以縮短約1/3，同時提高了葡萄干的色澤品質。傳統自然晾曬的干燥方法具有場所簡單、不需專用設備的優點，但受氣候條件的影響，干燥周期長、粉塵及鳥鼠污染嚴重，產品品質難以保證。熱風干燥技術與其他干燥技術相比具有設備結構簡單、制作成本低、物料批次處理量大等優點，已被廣泛應用于煙葉[1]、杏子[2]、枸杞[3]、番木瓜[4]、葡萄干[5]等物料的干燥，并且產品品質也都有所提高。因此，開展熱風干燥技術研究，提高無核白葡萄干制品品質、縮短干燥時間是今后葡萄產業發展的必由之路。

目前，國內外研究人員對葡萄熱風干燥主要開展了熱風干燥特性、水分擴散特性及干燥模型等的研究，如康彥等[6]利用熱風干燥技術，研究用碳酸鉀和橄欖油浸泡處理對無核白葡萄熱風干燥特性的影響，得出干燥前預處理可以提高葡萄干的品質、同時縮短干燥時間。Azzouz等[7]研究了兩種地中海種植的葡萄在對流熱風干燥時的干燥動力學和水分擴散系數，評價了有效擴散系數，建立了干燥固體和約束物質的運動模型。孟陽[8]研究了熱風干燥和貯藏包裝方法對無核白葡萄干品質的影響，得出溫度對無核白葡萄干干燥時間具有重要的影響，同時研究出充氮包裝和真空包裝對葡萄干貯藏效果較好。Togrul等[9]研究了熱風干燥黑葡萄干，通過計算水分有效擴散系數，發現Page模型最能描述黑葡萄干干燥曲線。

本試驗擬利用自制的熱風干燥裝置對無核白葡萄進行干燥，研究溫度和風速對無核白葡萄干燥特性的影響，掌握無核白葡萄熱風干燥干燥過程中水分的擴散規律，并在此基礎上，確定擬合度較好的干燥模型，最終達到縮短干燥時間、提升產品品質的目的，為葡萄干制品的工業化生產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

本研究中采用的熱風干燥裝置見圖1，主要由控制系統(控制系統、溫濕度傳感器)、加熱系統(翅片管散熱器)、循環系統(風機、排濕系統、進風系統)和機架等組成。設定好各個干燥階段的參數后，開啟加熱系統和風機。當干燥溫度達到設定溫度時，將擺放在托盤內的物料放入干燥裝置內，開始干燥。工作時，風機將空氣吹至翅熱管散熱器處，加熱后的空氣經一側條形風道進入到干燥室內，在風機的作用下，熱風從另一側的條形風道排出干燥室再一次運動到風機處形成循環風。

1. 風機 2. 排濕系統 3. 保溫層 4. 控制系統 5. 翅片管散熱器 6. 托盤 7. 機架 8. 溫濕度傳感器 9. 進風口

圖1 熱風干燥裝置結構簡圖

Figure 1 Hot air drying device structure diagram

1.2 試驗原料

試驗所用的無核白葡萄購于烏魯木齊市北園春市場，無核白葡萄的幾何平均直徑為(1.3±0.1) cm，平均質量為(3.0±0.2) g，初始濕基含水率為(77.21±0.3)%(熱風干燥箱內105 ℃，干燥24 h[10])，原料要求新鮮、大小均勻、無表面破損和病蟲害等。購置回來的無核白葡萄立即放入(5±1) ℃的冷庫內進行保存。試驗前需將外形尺寸基本相似無核白葡萄在質量濃度為3.5%的促干劑溶液(新疆惠普園藝新技術公司專利產品)中浸泡1 min，取出后清洗干凈作為試驗對象。

1.3 試驗氣候條件

試驗在新疆烏魯木齊市，日最高溫度31 ℃，最低溫度18 ℃；相對濕度最大35%，最小20%；最大風力Ⅱ級。

1.4 試驗方法

將無核白葡萄浸泡在預處理溶液中3 min，取出后晾干，放入熱風干燥裝置中進行試驗。熱風干燥條件為：熱風溫度分別設定為30，35，40，45 ℃，風速1.0 m/s；風速分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m/s，溫度45 ℃。放入樣品前，先對熱風干燥設備進行調試，約2 h達到穩定的設定條件后再進行試驗。從放入樣品開始計時，每隔1 d用電子天平記錄一次無核白葡萄的質量，計算干基含水率。直到葡萄干基含水率降到(0.25±0.30) g/g以下結束試驗。每組試驗重復2次，取平均值[6]。

1.5 試驗計算方法

不同干燥時間無核白葡萄的水分比按式(1)計算：

(1)

式中：

MR——水分比；

M0——葡萄初始干基含水率，g/g；

Me——葡萄干燥到平衡時干基含水率，g/g；

Mt——葡萄在任意t時刻的干基含水率，g/g。

干燥速率的計算如式(2)所示：

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt1——t1時刻葡萄的干基含水率，g/g；

Mt2——t2時刻葡萄的干基含水率，g/g。

干基含水率Mt計算按式(3)計算：

(3)

式中：

Mt——干基含水率，g/g；

Wt——葡萄在t時刻的總質量，g；

G——葡萄干物質質量，g。

水分有效擴散系數Deff按式(4)計算[11-13]：

(4)

式中：

MR——水分比；

t——干燥時間，s；

r——葡萄當量半徑，m；

Deff——水分有效擴散系數，m2/s。

干燥活化能按式(5)計算[14-15]：

(5)

式中：

D0——擴散基數，m2/s；

Ea——干燥活化能，kJ/mol；

t——干燥時間，s；

Deff——水分有效擴散系數，m2/s；

R——氣體摩爾常數，8.314 kJ/mol。

1.6 數據處理與模型分析

利用MATLAB軟件進行試驗數據處理，數學模型的擬合程度可以由R2、χ2和RMSE表示[3]。R2與χ2和RMSE均呈負相關，描述無核白葡萄薄層干燥特性數學模型擬合程度較好。R2、χ2和RMSE分別按式(6)～(8)計算：

(6)

(7)

(8)

式中：

MRexp，i——實測水分比；

MRpre，i——預測水分比；

N——試測組數；

z——第z項；

N——常數的個數。

2 結果與分析

2.1 干燥條件對無核白葡萄干燥速率的影響

2.1.1 干燥溫度的影響 當風速為1 m/s，不同干燥溫度對無核白葡萄干燥速率的影響見圖2。由圖2可知，隨著干燥溫度的增加，水分比呈逐漸降低的趨勢。干燥時間隨干燥溫度的升高而縮短，是因為溫度越高，物料中水分汽化擴散到干燥介質中速度越快，從而加快了水分遷移的速度[16]。

圖2 干燥溫度對無核白葡萄干燥速率的影響

2.1.2 干燥風速的影響 當溫度為40 ℃，不同風速對無核白葡萄干燥速率的影響見圖3。由圖可3知，無核白葡萄的水分比隨著干燥時間的延長而呈現降低的趨勢。風速越高，干燥時間越短，主要是因為增加風速，也就增加了無核白葡萄表面接觸干熱空氣的量，增加了無核白葡萄內水分的蒸發，所以干燥時間越短。

2.2 無核白葡萄水分有效擴散系數

水分有效擴散系數主要用于判斷干燥過程中，物料中水分遷移速度的情況。由于無核白葡萄在整個干燥過程中只存在降速階段[17-18]，因此，可以用費克第二定律來計算無核白葡萄干燥過程中的水分有效擴散系數。

圖3 風速對無核白葡萄干燥速率的影響

圖 4、5分別為無核白葡萄在不同溫度與風速條件下，lnMR隨干燥時間t的變化曲線，通過線性回歸計算Deff，見表1。

由表1可知，在干燥的過程中，隨著干燥溫度的升高，Deff也隨之升高，主要是由于隨著溫度的升高，物料中水分子的運動不斷加劇，造成水分有效擴散系數也不斷提高，進而加快了干燥的進程。相同溫度時，隨著風速的升高，Deff值介于4.66～5.18。說明干燥溫度對Deff值的影響更為顯著。

圖4 不同干燥溫度下無核白葡萄lnMR與干燥時間的關系

圖5 不同風速下無核白葡萄lnMR與干燥時間的關系

干燥條件線性回歸擬合公式R2Deff/(×10-6m2·s-1)30℃,1.0m/slnMR=-0.2336t+0.35220.93504.0035℃,1.0m/slnMR=-0.2515t+0.33160.93984.3140℃,1.0m/slnMR=-0.2966t+0.28080.95295.0845℃,1.0m/slnMR=-0.3777t+0.32840.96386.4740℃,0.5m/slnMR=-0.2719t+0.24880.97484.6640℃,1.5m/slnMR=-0.3242t+0.32550.94265.5640℃,2.0m/slnMR=-0.3020t+0.23140.95745.18

2.3 不同溫度條件下無核白葡萄的干燥活化能

2.4 干燥模型的確定

干燥模型主要是用于分析干燥規律，更加準確地分析不同工藝的干燥參數。表2列出了4種常見的薄層干燥模型、參數值及R2、RMSE和χ2值。

由表2可知， 4 個模型中，Parabolic模型的R2最大、χ2和RMSE相對較小，R2范圍為0.994 5～0.998 8、χ2范圍為0.000 05～0.008 36、RMSE范圍為0.010 55～0.028 91。說明無核白葡萄的干燥特性與二次多項式Parabolic模型最符合，Parabolic模型可以用干燥溫度表達為式(9)：

表2 無核白葡萄熱風干燥模型參數及R2、RMSE和χ2值

圖6 Deff與絕對干燥溫度倒數的關系曲線

MR=(-0.003 6T3+0.026 4T2-0.056 1T+1.036 2)+(-0.009 3T3+0.071 4T2-0.141 7T+0.198 6)t+(-0.000 9T3+0.006 9T2-0.013 9T3+0.011 5)t2。

(9)

3 結論

(1) 本試驗確定了不同干燥溫度和風速下，無核白葡萄干熱風干燥的干燥曲線。結果表明，熱風溫度和風速對無核白葡萄干的干燥特性影響較大，隨著熱風溫度和風速的升高，干燥速率也增大，干燥時間縮短，并且在整個干燥過程中，隨著干燥溫度及風速的升高，Deff也隨之升高，利用阿倫尼烏斯公式計算出無核白葡萄的Ea為22.95 kJ/mol。

(2) 通過4種模型的R2、RMSE和χ2值比較，Parabolic模型的擬合效果最好，最能描述葡萄干燥過程中水分比的變化規律，利用該模型預測并控制無核白葡萄干燥條件，優化葡萄干干燥工藝，為無核白葡萄干燥生產提供理論依據。

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Drying characteristics and mathematical model of hot air drying for white seedless grape

YANG Jia-peng1YAN Sheng-kun2XU Li-jun1LIU Yan1

(1. Department of Electrical and Information Engineering, Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi, Xinjiang 830022, China; 2. Agricultural Mechanization Institute, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi, Xinjiang 830091, China)

Analysed the drying characteristics of white seedless grape under the conditions of air temperatures(30～45 ℃) and air velocity(0.5～2 m/s)，and obtained the available moisture diffusion coeffi-cient and drying activation energy. Finally, non-linear regression analysis was used to develop four common agricultural thin layer-drying models based on the data, and these models were evaluated by coefficient of determination (R2), root mean squared error (RMSE) and chisquare value (χ2). Results: The available moisture diffusion coefficient were rising with the growth of air temperature and air velocity. The drying activation energy (Ea) is calculated to be 22.95 kJ/mol according to Arrhenius formula. According to the statistical parameters from four kinds of models, such as determination (R2), chisquare value (χ2) and root mean squared error (RMSE), the Parabolic model can well predict the moisture change law during drying process of white seedless grape. The results could provide a theoretical basis for white seedless grape drying production.

hot air drying; white seedless grape; moisture diffusivity; activation energy; model

國家自然科學基金地區基金項目(編號：31460397)；新疆工程學院科研基金項目(編號：2016xgy151812)

楊嘉鵬，男，新疆工程學院講師，碩士。

徐立軍(1978—)，男，新疆工程學院副教授，博士。 E-mail:183742493@163.com

2017—03—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.016