折射窗干燥試驗臺設計與干燥品質評價*

何敬宇，宋衛東，王教領，丁天航，王明友

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

折射窗干燥于1986年由Magoon首次提出，并申請專利。一般來說折射窗干燥都是將物料均勻的鋪展在Mylar薄膜上，Mylar薄膜是一種聚脂薄膜，在薄膜下方通過加熱后的液體將熱量通過Mylar薄膜傳給物料，來達到干燥的目的[1]。大部分的傳統工業干燥設備都是通過熱空氣為媒介來達到干燥的目的[2]，但在加熱的過程中一些熱敏性物質，如維生素、益生菌等都會因高溫而受到破壞，造成物質的損失或失活，這對食品的品質造成重要影響[3]，折射窗干燥以液體作為主要的傳熱介質可以很好地控制溫度，避免產品過熱，有效地保留熱敏性物質[4]。折射窗干燥的產品干燥品質良好，干燥成本低，設計折射窗干燥試驗臺，對折射窗干燥技術進行深入研究具有重要意義。

目前對于折射窗干燥的研究主要集中在干燥效果與其他干燥方式的對比上[5-9]，對于理論的深入探究比較少，哥倫比亞大學的Ortiz-Jerez等[10]以南瓜薄片作為研究材料，在南瓜上中下部分別用溫度傳感器獲得溫度作為數據來源手段，對比了物料上部空氣自然對流與強制對流，以及Mylar薄膜是否覆蓋鋁箔的不同試驗條件，通過方差分析得出了上部空氣強制對流對南瓜片的溫度分布在0.95的置信度下有顯著的影響，強制對流會使南瓜片的整體溫度偏低；同時鋁箔的覆蓋使得南瓜薄片在底部溫度上具有顯著差異，這表明熱水與南瓜之間的輻射對于南瓜底部的升溫是具有積極作用的。Franco等[11]以鮭魚、牛肉、蘋果為干燥材料，研究折射窗干燥時發現對于瘦牛肉與鮭魚來說并沒有比傳統干燥效果好，干燥水果時與傳統干燥方式相比可以獲得更快的干燥速度，折射窗干燥技術更適合用來干燥水果，并且發現在折射窗干燥的過程中往往都存在與菲克第二定律預測不相同的擴散行為即異常擴散行為。國內對于折射窗干燥的研究還較少。王東峰等[12]研究了姜漿狀物料的折射窗干燥特性，漿液溫度較加熱溫度低15 ℃～20 ℃，提高物料表面風速可降低物料的濕度。張衛鵬等[13]制造了以碳纖維紅外板為熱源的折射窗干燥裝置，對比了傳統折射窗干燥、紅外熱源折射窗干燥與熱風干燥的效果，結果顯示兩種折射窗干燥方式均能較快地完成干燥，相較于熱風干燥時間縮短了150%，且保留了更多的胡蘿卜素。

目前對于折射干燥設備具體應該如何設計的相關研究較少。折射窗干燥設備常見的加熱方式為循環型，即在干燥水箱外設置加熱水箱，再通過泵系統將熱水在干燥水箱與加熱水箱間循環，這一方式相較于固定加熱型在溫度分布均勻性上的差異值得深入探討。本文針對這一情況利用仿真軟件進行折射窗干燥試驗臺不同加熱方式與參數的對比研究，旨在設計適用于實驗室的折射窗干燥試驗臺。

1 折射窗干燥熱流耦合仿真

1.1 折射窗干燥仿真理論分析

折射窗干燥技術適用于薄片狀物料以及漿液物料的干燥，是一種典型的薄層干燥技術。物料干燥過程中涉及熱量的傳遞，對流以及輻射。輻射在干燥過程中的總能量占比小于5%[14]，為簡化仿真模型，不討論輻射傳熱問題。對流換熱的邊界層理論表明，熱邊界層厚度與流動邊界層的關系取決于流體的特性，且流體的流動狀態對換熱起決定性作用。故在本文中需要考慮流體流動與傳熱的耦合作用。

1.1.1 流體數值計算理論

在本文中由于水流在干燥水箱中溫度變化較小，且流動連續，壓強與大氣壓強相同，故為了計算的簡便將其視為不解壓縮流體，對于不可壓縮流體由質量守恒定律可以得出流體的連續性方程

(1)

式中：u——流體在x方向的流動速度；

v——流體在y方向的流動速度。

同時任何流體在流動的過程中都應該滿足動量守恒定律，以二維流體為例可以得到流體在笛卡爾坐標系下的動量方程[15]。

(2)

式中：ρ——流體的密度；

τ——時間常數；

p——靜壓力；

Fx——外力；

η——運動黏度。

流體對流換熱的邊界層理論表明流體的流動狀態對換熱起決定性作用，流體流動主要有層流與湍流兩種流動狀態。層流是指在流體流動過程中層與層之間沒有相互混滲，而湍流是指流體不是出于分層流動狀態。一般依據雷諾數來判斷流體流動狀態[16]。

(3)

式中：Re——雷諾數；

d——特征長度。

1.1.2 折射窗干燥傳熱理論

在折射窗干燥中熱量傳遞是多層次進行的。在水與膜的下表面，對流換熱占據主要地位。對于對流換熱一般采用牛頓冷卻公式進行熱量傳遞的計算，牛頓冷卻公式如式(4)所示。

Φ=AhΔt

(4)

式中：Φ——傳遞的熱量；

A——換熱面積；

h——表面傳熱系數；

Δt——流體與傳熱面之間的溫差。

牛頓冷卻公式雖然表達形式簡單，但是只能看作換熱系數的一個定義形式，它沒有揭示表面傳熱系數與影響它的物理量之間的內在聯系。流體的熱物理性質對于傳熱系數有很大的影響，對于折射窗干燥的對流傳熱問題可以簡化為無相變的強制對流傳熱。流體的密度ρ、運動黏度η、導熱系數λ、定壓熱容Cp以及換熱表面的特征長度l都會影響流體中的速度分布以及熱量傳遞，在無相變強制對流換熱問題中可以把表面傳熱系數[17]表示為

h=f(u，l，ρ，η，λ，Cp)

(5)

為更好地求解對流傳熱問題，將問題簡化，一般都會做出以下假設：(1)流動是二維；(2)流體是不可壓縮的牛頓流體，即切應力應該服從牛頓黏性定律τ=ητ?u/?y，一般來講空氣、水以及許多工業用油都是牛頓流體，一些高分子溶液如泥漿、油漆等是非牛頓流體；(3)流體是常物性的；(4)黏性耗散產生的散熱可以忽略不計。對于折射窗干燥在聚酯薄膜下表面進行的對流換熱完全滿足上述假設，連續性方程、動量守恒方程與質量守恒方程構成了完整的數學描述。

能量守恒方程

(6)

式中：t——溫度。

在熱量通過對流傳熱從熱水傳遞到聚脂薄膜之后，薄膜和物料之間需要進行進一步的熱量交換，來達到熱物料受熱并使水分減少的目的。一般可采用傅里葉導熱定律來進行求解[18]。

(7)

1.2 仿真模型的建立與分析

1.2.1 仿真目標

折射窗干燥設備存在兩種加熱方式，一種是循環型即水箱內不設加熱裝置，而是在水箱外部利用加熱器對水進行加熱，再用水泵將熱水在水箱與加熱器間不斷的循環，這種方式一般常見于大型折射窗干燥設備，一臺干燥設備可配合多個加熱器，也可引用其他工業余熱，這種方式可以快速啟動設備，無須等待設備升溫。另一種為加熱型，在水箱內部設計加熱裝置，從低溫開始對水進行加熱，到達設定溫度再進行干燥。在本折射窗干燥試驗臺設計中不考慮利用工業余熱，加熱都需要采取電加熱的方式。本文著重圍繞折射窗干燥品質進行研究，考慮到番茄漿液需要在一個很大的面積上進行展開，不同區域的干燥程度應該盡可能相同，這樣才能保證物料干燥的一致性。Mylar薄膜溫度分布均勻是干燥程度相近的基本保障，故在仿真中以薄膜溫度分布均勻性作為重要研究指標，擬探究這兩種加熱方式對薄膜層的溫度均勻性的影響，在薄膜上表面間隔均勻的選取9個測溫點，計算這9個點溫度的總體標準差S，用以評價上表面溫度分布的均應性，計算公式見式(8)。

(8)

式中：Xi——第i個測溫點的溫度；

n——樣本個數。

1.2.2 模型建立與參數設置

在NX12中建立折射窗干燥試驗臺三維模型，通過LiveLink接口將模型導入COMSOL軟件中。兩者水箱設計長寬高尺寸均為500 mm，水箱體表面為304不銹鋼，箱體保溫層為泡沫材質，箱體中為純凈水，上表面設置0.25 mm厚度的Mylar薄膜層，在薄膜表層均勻設置9個點，用于仿真后計算上表面的溫度分布。考慮到保溫層隔熱效果較好，側壁為絕熱壁，只考慮聚脂薄膜上表面的空氣自然對流散熱[19]。

循環型試驗臺進出水口交錯設置，避免水流直接流向排水口，管道半徑5 cm，管道長度20 cm。仿真接口選擇共軛傳熱下的非等溫流動。在流體接口中將水箱進口處設置為速度條件，速度設置為0.5 m/s，出口處為避免與連續性方程造成沖突而導致不收斂只設置壓力條件，出口壓力設為50 kPa，為避免管道內熱水的湍流將管道內流體設置為經過充分發展的流體，在流場中開啟重力。傳熱接口中將入口處溫度設置為70 ℃，其他溫度設置為環境溫度，薄膜薄層設置為熱薄近似，等壓熱容Cp參考軟件中其他參考案例設置為1.17 J/(kg·K)，聚脂薄膜上表面設置為自然對流換熱，輸入特征長度50 cm，利用軟件調用經驗公式從而得到換熱系數。其他模型參數保持軟件默認設置。

加熱型試驗臺加熱棒設置在水箱底部。仿真接口選擇共軛傳熱下的非等溫流動。在流場設置中將水箱邊界與加熱棒設置為固體，其余部分設置為流體，初始速度設置為0。在流場設置中開啟重力，因不確定各邊界的流動情況，將各邊界設置為開放邊界，為避免流場不收斂將右下角點設置為等壓力點。在傳熱接口中添加等溫域，將加熱棒設置為等溫域，設置加熱溫度為70 ℃，等溫域邊界設為連續，聚脂薄膜設置及其他設置與循環式試驗臺相同。

劃分單元網格時，單元的形狀、尺寸與網格布置，對計算速度和精確度有重要影響，單元尺寸太小，計算精確度高，但是計算時間長；單元劃分太大，計算精確度低，也可能導致計算結果不收斂。因此要通過設置單元尺寸上下限、單元生長率、曲率因子和狹窄區域解析度，調整單元的尺寸和布置，使網格劃分合理，既保證計算出精確的結果，又盡量縮短計算時間。整體上遵循先設置結構化網格再設置非結構化網格的原則，由于液體上表面是主要傳熱界面，所以網格設置為較精細，網格劃分如圖1所示。

(a) 循環型試驗臺網格劃分

(b) 加熱型試驗臺網格劃分

在研究中選擇瞬態求解器，通過在薄膜面添加探針觀測到仿真進行1 700 s后聚脂薄膜層溫度基本穩定，故選擇1 800 s作為仿真總時間，為減小計算量將仿真存儲步長設置為10 s。在默認求解器中將起始步長也設置為10 s，其他保持默認設置。在后處理的派生值中添加點計算，選取薄膜上表面繪制的9個點作為計算點，顯示1 800 s時各點溫度。

1.2.3 仿真結果與分析

選取加熱溫度為70 ℃的加熱型試驗臺在仿真開始后不同階段的等溫面分布圖來表達加熱型試驗臺的升溫情況，如圖2所示。

(a) 時間=10 s (b) 時間=40 s

(c) 時間=120 s (d) 時間=560 s

從圖2中可以看出，開始時加熱棒上方的水首先被加熱，加熱后的水由于密度降低向上流動，將溫度向上傳播，較熱的水在向上傳播的過程中由于受到周圍水的阻礙，開始向中間部位擴散，較熱的水在上升到頂部時匯聚在一起，由于熱水的不斷上升中間較冷的部分逐漸向下沉，帶動整個區域的升溫，也形成頂部中間區域等溫面的向下凹陷，經過一段時間的發展最后整個上表面區域溫度基本趨于一致。在加熱棒的下方由于溫度較低水的密度較大會形成一個低溫底層。流線圖(圖3)也從流場角度印證了上述現象。

循環型試驗臺輸入端熱水溫度較高，無須等待試驗臺預熱，不再選取不同時間的等溫面圖，而是選取溫度分布圖來分析，溫度分布圖如圖4所示。為更加直觀地觀察溫度分布，采用溫度漸變圖，右側為進水口，左側為出水口。熱水從進水口進入水箱，由于進入時具有一定的速度，直接會沖擊到進水口對側壁上，然后在對側壁上鋪展開，沿著側壁向上下流動，在上下壁面又形成回流，使得溫度擴散到其他空間，由于出水口也與循環系統相連接，熱水并不能完整覆蓋整個區域就從出水口排出，這導致上表面進水口側溫度持續低于出水口側，造成上表面的溫度分布不均勻。

圖3 加熱型試驗臺流線圖

圖4 循環型試驗臺溫度分布圖

為了更加直觀地描述兩種加熱方式上表面溫度分布的差異，在上表面間隔均勻的選取9個測溫點，9個點的坐標為(-20，5，50)、(-20，25，50)、(-20，45，50)、(0，5，50)、(0，25，50)、(0，45，50)、(20，5，50)、(20，25，50)、(20，45，50)，利用COMSOL軟件后處理中派生值的點計算得出9個點的具體溫度，點位分布圖與點計算見圖5。考慮到不同加熱溫度對上表面溫度分布的均勻性具有影響，本文中采用隨機化區組設計，設置60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃四個區組，每個區組下都分別采用兩種加熱方式進行仿真，將得到的溫度數據導入Excel中再計算出9個點的總體標準差(表1)。

采用Duncan法進行均值比較，來評價兩種加熱方式對上表面溫度分布均勻性的影響。在本文的計算中，采用SAS軟件進行相應的數值計算。結果顯示兩種加熱方式對上表面溫度分布的均勻性存在顯著差異(P=0.05)，其中循環型樣本標準差為0.723 5，加熱型總體標準差為0.263 4，加熱型試驗臺Mylar薄膜溫度總體標準差更小，也就是溫度分布更均勻，故在試驗臺設計中加熱方式采用直接加熱型。

圖5 測溫點分布與點計算結果

表1 試驗臺溫度分布對比Tab. 1 Experiment bench temperature distribution comparison table ℃

2 試驗臺加熱棒參數仿真優化

2.1 加熱棒參數優化試驗方案

在試驗臺的結構設計中，加熱棒的布置至關重要。圖2顯示加熱棒上方的水更容易被加熱，等溫面的分布與加熱棒的參數有關。故本文中將加熱棒布置參數作為優化參數，旨在找到使Mylar薄膜表層溫度分布更均勻即總體標準差S最小的參數。在參數設置上設置加熱棒距側壁距離a，距下壁距離b，加熱棒長度L三個參數。

為使多項式模型具有更好的擬合特性，采用D最優混合設計[20]，以側邊距a、底邊距b、加熱棒長度L為變量，以上表面溫度均勻性為因變量值進行試驗設計，采用R311 D最優試驗設計表進行試驗。

試驗臺需要布置兩個加熱棒，為避免加熱棒與側壁之間過近造成加熱棒裝配困難，側邊距a取值范圍設置為50～200 mm。加熱液面高度需要在后續研究中探究，加熱棒底邊距不能超過箱體高的一半，底邊距b取值范圍設置為50～200 mm。加熱棒長度L取值范圍設置為100～400 mm。

2.2 加熱棒參數優化試驗與響應面分析

在70 ℃的溫度下按照隨機順序共進行了11次仿真試驗，由軟件給出聚脂薄膜上表面9個點的溫度，計算出總體標準差S，結果如表2所示。

由于各因變量與總體標準差之間數值差距較大，如果直接用表2中的數據進行分析，會導致各項回歸系數的估計值均較小，不利于方程的建立。將a、b、L的數據單位換算成米后再將數據導入SAS中，利用SAS中RSreg命令進行多元回歸分析，并進行方差分析，再利用嶺脊搜索來尋找耗電量最小工藝參數。建立回歸模型的各項參數估計如表3所示。

表3中Pr值小于0.1的參數可認為在置信度為90%的情況下是顯著參數，根據顯著參數的估計值可給出聚脂薄膜上表面溫度總體標準差S與側邊距a、底邊距b、加熱棒長度L之間的回歸關系式。

S=0.520-1.855b-0.839L+3.738ab+14.757b2-2.407Lb+1.485L2

表2 加熱棒參數優化數據表Tab. 2 Heating rod parameter optimization data sheet

該模型的R2為0.999，可認為模型的擬合性較高，能夠滿足加熱棒參數估計要求。同時總模型顯著性Pr=0.019 6遠小于0.05，可認為模型顯著。

為更好地觀察不同因素對上表面總體標準差的影響，由于a與b、L與b交互作用顯著，分別在樣本中心固定a與L繪制溫度總體標準差與因素間的響應曲面，如圖6所示。

在加熱棒長度固定于245.5 mm時，聚脂薄膜上表面的溫度的總體標準差隨著側邊距a的減小而減小，溫度分布趨向于均勻。加熱型試驗臺流線圖表明水箱內的水受熱開始上升，隨后在頂部匯聚，隨后推著中部低溫的水向下流動，形成循環，由于不銹鋼壁面與水之間具有黏性力，會形成速度為0的黏性底層不利于水的流動，低溫的水更容易從水箱中部流動。較小的側邊距為中部留出了足夠的空間有助于水箱內液體的循環，從一定程度上避免了因流動受阻造成上表面的溫度不均。

表3 加熱棒優化參數估計表Tab. 3 Heating rod optimization parameter estimation table

(a) L=245.5 mm (b) a=125 mm

在加熱棒長度固定于245.5 mm時，聚脂薄膜上表面的溫度的總體標準差隨著底邊距b的增加呈現出先減小后增大的趨勢，在b約為70 mm時溫度的總體標準差出現最小值，即上表面溫度最均勻。加熱棒距離上表面越遠，熱水在向上流動的過程中擴散時間就越長，有助于溫度擴散到其他部位，使得上表面溫度更加均勻。但當加熱棒布置過低時，加熱棒下方留給水循環的空間過小不利于流動，導致上表面溫度分布均勻性降低。

在側邊距a固定于125 mm時，聚脂薄膜上表面的溫度的總體標準差隨著加熱棒長度L的增加而減小，溫度分布趨向于均勻，加熱棒長度越長水箱內同時被加熱的水越多，高溫水流動時遇到的低溫阻力就越小，有助于上表面溫度分布趨向于均勻。但加熱棒長度趨向于400 mm時樣本總體標準差幾乎保持不變，甚至還有些上升，這是由于過長的加熱棒在水中同樣會阻礙液體流的流動。

為了更好地搜尋加熱棒布置的最優參數，對回歸模型進行嶺脊分析，嶺脊分析編碼半徑設置為0～2，以保證覆蓋各因素的所有水平范圍，步長設置為0.05，以保證既涵蓋大多數點又不會造成過多計算負擔。嶺脊分析結果顯示側邊距為154 mm，底邊距為76 mm，加熱棒長L為340 mm時，上表面測溫點總體標準差取得最小值0.252，上表面溫度分布最均勻。

3 干燥品質對比評價

為驗證本文設計的折射窗干燥試驗臺(圖7)的干燥效果，以西紅柿為干燥物料制備折射窗干燥樣品，并對比其與真空凍干、熱風干燥樣品在維生素C、可溶性糖、可滴定酸方面的差異。番茄采購于南京市某超市，番茄采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中的直接干燥法[21]，干燥溫度設置為105 ℃，測量20組試驗所用的番茄的含水量，經測量含水量平均值為95.80%。

圖7 試驗臺整體圖

3.1 折射窗干燥試驗臺設計

試驗臺聚脂薄膜尺寸長寬均為500 mm，確保能夠完成2 000 g物料的干燥任務。水箱內部設置調節螺栓，可通過調整螺栓高度調節水面高度。在托膜板與薄膜之間設置橡膠層起到防水的作用，試驗臺整體如圖7所示。其主要由進水管、緊固螺栓、膜托板、壓膜板、聚脂薄膜、加熱水槽、調節螺栓、加熱棒和出水口組成。加熱棒側邊距為154 mm，底邊距為76 mm，加熱棒長為340 mm。

3.2 樣品的制備

3.2.1 折射窗干燥樣品的制備

先將折射窗干燥試驗臺添加試驗條件要求的水，接通試驗臺電源然后對試驗臺進行預熱處理，設定到試驗需要的溫度。對聚脂薄膜與膜托板、壓膜板形成的框架(下稱框架)進行稱重，將番茄用適量清水沖洗干凈，然后將番茄在小托盤中切成大小約為20 mm的塊，將托盤中的番茄塊與汁液全部倒入打漿機中，運行打漿機5 min，將番茄攪打成細膩均勻無肉眼可見顆粒的漿狀物。然后將番茄漿液倒入框架中，用鋼片將漿液刮平，調整倒入的漿液重量直到達到試驗條件要求的漿液厚度。然后將框架與漿液進行稱重并計算出漿液的重量。當溫度達到設定溫度時將框架放入試驗臺中，調整定位螺栓的位置使得聚脂薄膜與液面完全接觸。隨后每隔15 min將框架與番茄漿液整體取下來稱重，直至重量不再變化為止。干燥后的樣品為質地脆硬的薄片。共制備15組折射窗干燥樣品用于對比研究。

3.2.2 真空凍干燥樣品的制備

真空凍干設備采用FD-1A-50型，設備工作溫度設置為-50 ℃，真空度設置為100 Pa，搭配2XZ-2型旋片式真空泵，抽速為2 L/s，能夠滿足設備真空度要求。制作干燥樣品首先將西紅柿攪打成無肉眼可見顆粒的漿液，將300 g漿液平鋪在干燥盤中。將干燥盤與漿液放入低溫冷凍室，靜止4 h至漿液完全凍結，隨后將設備通電，關閉設備通氣閥，設置干燥參數，讓設備充分預冷，半小時后設備顯示溫度達到-50 ℃，打開玻璃罩將盛有冷凍物料的干燥盤置于干燥架上，隨后扣緊有機玻璃罩，打開真空泵。可以觀測到冷凍后的漿液表面迅速出現大量氣泡，表明干燥已經開始。真空凍干干燥十分緩慢，為了不影響干燥效果盡量減少開啟玻璃罩的次數，每4 h進行一次稱重，直至重量不再變化停止干燥。

真空凍干樣品顏色鮮艷，接近番茄漿液的顏色，整體顏色一致不存在分層色差，整體充滿了孔隙，質地較軟，酥松多孔且易碎，上表層分布了大量的糖分結晶，共制作3組真空凍干樣品用于對比研究。

3.2.3 熱風干燥樣品的制備

熱風干燥設備采用電熱鼓風干燥箱。為了更好地保留番茄的營養物質，熱風干燥溫度設定為70 ℃[22]，首先將干燥箱預熱到70 ℃，然后將盛有300 g番茄漿液的干燥盤放入干燥箱的中間層進行干燥。每隔1 h取出干燥盤進行稱重，直至重量不再變化。

經過12 h的干燥樣品重量不再變化，最后重量為13 g，干燥后的樣品已經失去了番茄原有的紅色，整體顏色較深，呈現焦褐狀，質地堅硬而脆，無氣泡孔，共制作3組熱風干燥樣品用于對比研究。

3.3 干燥品質評價

維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定，可溶性糖含量采用酸水解苯酚—硫酸比色法測定，可滴定酸含量采用酸堿滴定法測定。將折射窗干燥制備的15組樣品，真空凍干與熱風干燥制備的各3組樣品，采用相同方法測定各物質含量，求出均值，為了更好地對比干燥后樣品營養物質的保留，選取3個試驗用新鮮番茄測量各物質的含量，并計算均值。將上述數據記錄在表4中。測量新鮮番茄主要用于計算干燥樣品各指標理論含量的最高值，新鮮番茄平均含水量為95.80%，100 g番茄漿液干燥后可得4 g干燥樣品。用每100 g新鮮番茄各指標的含量換算出每克干燥后樣品各指標的理論最大含量。換算后每克干燥樣品中維生素C的最大含量為3.75 mg/g，可溶性糖含量為1 135.50 mg/g，可滴定酸含量為34%。注意到可溶性糖含量的含量超過了正常值，但這是假定干燥過程中可溶性糖完全不損失的理論最大值。

表4 干燥品質均值比較Tab. 4 Comparison of average drying quality

折射窗干燥樣品維生素C含量平均值約占理論最大值的72.53%，真空凍干樣品維生素C含量約占理論最大值的86.13%，熱風干燥樣品維生素C含量約占理論最大值的60.80%。維生素C熱敏性較強，在較高的溫度下干燥，維生素C損失較多。在維生素C的保留方面真空凍干>折射窗干燥>熱風干燥。

折射窗干燥樣品可溶性糖含量平均值約占理論最大值的32.06%，真空凍干樣品可溶性糖含量約占理論最大值的27.38%，熱風干燥樣品可溶性糖含量約占理論最大值的28.59%。無論采用哪種方式對番茄漿液進行干燥，都會造成可溶性糖的大量損失，這可能是在加熱過程中部分糖分隨著水分的蒸發而散失，或轉換成了其他不可溶成分。相較而言折射窗干燥保留了更多的糖分。

折射窗干燥樣品可滴定酸含量平均值約占理論最大值的20.50%，真空凍干樣品可滴定酸含量約占理論最大值的29.65%，熱風干燥樣品可滴定酸含量約占理論最大值的20.00%。番茄漿液中的可滴定酸大部分為有機酸，部分有機酸具有揮發性且受熱會分解成水與其他有機物。真空凍干在較低的溫度下進行，有機酸保存含量較高，折射窗干燥可避免產品在干燥過程中樣品過熱而損失營養物質。

折射窗干燥與真空凍干相比在維生素C的保留上略遜色于真空凍干，但其最大保留量與真空凍干相比僅相差了8.6%。在可溶性糖的保留方面強于真空凍干，使得干燥后的樣品在口味上更甜，更受青睞。在可滴定酸的保留方面不如真空凍干。與熱風干燥相比折射窗干燥可保留更多的維生素C、可溶性糖和可滴定酸。

4 結論

折射窗干燥技術是一種節能高效且干燥品質與真空凍干相近的新型干燥技術，本文以番茄漿液為干燥物料進行折射窗干燥試驗臺的結構優化，并將折射窗干燥樣品與真空凍干、熱風干燥樣品進行干燥品質對比評價。

1) 以上表面溫度分布均勻性為評價指標，利用COMSOL進行仿真對比的結果顯示加熱型試驗臺溫度分布比循環型試驗臺更均勻，選取加熱型進行試驗臺的總體設計。針對加熱棒的布置進行參數優化，優化結果顯示加熱棒參數側邊距為154 mm，底邊距為76 mm，加熱棒長為340 mm時上表面溫度分布更均勻。

2) 根據仿真結果設計并制造了折射窗干燥試驗臺。分別測量折射窗干燥樣品、凍干樣品、熱風樣品和新鮮番茄的維生素C、可溶性糖、可滴定酸。結果顯示折射窗干燥樣品平均維生素C含量為2.72 mg/g，約為新鮮番茄中維生素C含量的72.53%，略低于真空凍干，但相較于熱風干燥維生素C保留效果較好；在可溶性糖保留方面折射窗干燥優于真空凍干和熱風干燥；在可滴定酸保留方面折射窗干燥小于真空凍干略大于熱風干燥。總的來說折射窗干燥技術是十分具有潛力的新型干燥技術。