王 杰 张影全 刘 锐 张 波 魏益民

（中国农业科学院农产品加工研究所／农业部农产品加工重点实验室，北京 100193）

挂面干燥工艺对挂面质量和生产效率有重要影响。在线监测烘房的挂面干燥工艺参数，测定产品质量，分析挂面干燥工艺及参数对挂面质量的影响，确定干燥工艺关键控制点，对稳定和提升挂面产品质量、保证生产效率有重要意义。

挂面干燥一般采用对流热力干燥法，即利用热源加热干燥室的空气，并借助风力使热空气产生对流，用以加热湿面条，同时带走湿面条中蒸发出来的水分，其中包含着复杂的能量传递和质量变化过程［1］。根据挂面的干燥特性，挂面干燥工艺通常分为3个阶段，即预干燥阶段、主干燥阶段和最后干燥阶段［2-3］。也有学者在此基础上提出4阶段或5阶段干燥的概念或方案。各阶段挂面干燥介质（空气）的湿热状态和动力学参数对挂面产量、质量和能耗具有重要的影响，特别是干燥介质的温度和相对湿度对挂面干燥速率和干燥质量的影响较大。大量研究表明［4-10］，面条属于内部扩散控制性物料，当干燥介质的温度和湿度控制不当，就会使面条表面的水分迅速蒸发，从而使面条表面和内部的水分梯度增大；同时，由于面条表面失水过多而结膜，且易收缩，使面条内部受压、外表紧绷，会产生变形、酥条、抗弯强度差等不良后果。因此，挂面干燥工艺的关键是要控制干燥过程温度和相对湿度，使面条表面水分的蒸发速度与内部水分扩散速度达到动态平衡。

目前，挂面加工企业对于挂面干燥还没有标准化的工艺参数和设备模型，而是根据厂房建设需要，以及凭借生产经验来调整和控制。挂面干燥工艺参数控制不当，或者关键控制点不明确时，容易导致挂面产品出现水分含量超标、酥面、劈条、条型不直、色泽不均匀、抗弯强度差等问题，给企业造成较大的损失。本研究通过在线监测烘房挂面的干燥温度和相对湿度，同时测定挂面产品的水分含量、色泽和抗弯强度；通过相关性和逐步回归分析，明确干燥工艺参数与挂面质量的关系，确定挂面干燥工艺参数和关键控制点。

1 材料与方法

1.1 时间和地点

试验于2013年5月7日至10日在大型挂面生产企业索道式烘房实施。

索道式烘房也叫单排回行式烘房，即单排挂面在烘房中往复运行，依次经过由隔墙划分的若干（3～4）区域进行分段热力干燥（图1）。

图1 烘房平面及取样位置示意图

1.2 仪器和设备

179A -TH智能温度湿度记录仪：美国Apresys精密光电有限公司；BSA323S-CW电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；DHG-9140电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司；DA7200近红外分析仪：瑞典Perten公司；CR-400彩色色差计：日本柯尼卡美能达公司。

1.3 试验方法

1.3.1 挂面干燥工艺参数在线监测

根据挂面在面杆上的悬挂长度，制作长1.30 m、宽0.05 m的不锈钢钩条。将智能温度湿度记录仪分别固定在不锈钢钩条的上、中、下，即三等分位置；挂面切条上架后，将温度湿度记录仪悬挂于烘房挂面的传送装置上；温度湿度记录仪跟随挂面的链条传送装置一起运行，动态在线监测烘房上、中、下位置挂面干燥过程的温度和相对湿度。被监测产品为2 mm精粉挂面。监测试验重复3次。

1.3.2 干燥曲线的计算方法

干燥曲线为挂面水分含量随干燥时间变化的曲线。挂面干燥过程的取样位置如图1圆点所示。根据挂面的上、中、下位置分别取样。水分含量测定参照GB／T 5009.3—2010，重复3次。挂面样品的水分含量（Wt）计算如下式所示：

式中：mt为挂面在任意干燥t时间的总质量／g；m为挂面的干物质质量／g。

1.3.3 挂面产品质量性状测定

被监测的挂面运行至烘房末端时，将温度湿度记录仪的前、后两杆挂面取下，在上、中、下位置取样；每个位置取样500 g，截取的挂面长度不得小于20 cm；密封包装，室温存放24 h，测定其产品质量。

水分含量测定：采用近红外分析仪测定，每份样品重复测量3次，取平均值。

色泽测定：将挂面均匀摆放在长方形的平底托盘里，用遮光布将彩色色差计的探头和挂面罩住测量，每份样品重复测量5次，取平均值。

抗弯强度测定［11-12］：截取长度为20 cm的挂面，用自制的测量仪将挂面左端固定于零刻线位置，右端以恒定速度沿刻度尺的水平方向缓慢向左移动；记录挂面断裂时的轴向压缩距离；该距离的大小则表示挂面的抗弯强度。轴向压缩量越大则挂面抗弯强度越大；反之，则挂面抗弯强度越小。每份样品重复测量10次，取平均值。

1.4 数据处理方法

采用SPSS18.0和Excel 2007处理数据，做统计分析。

2 结果与分析

2.1 挂面干燥温度曲线及特征

图2为烘房某一班次挂面干燥温度曲线。干燥温度曲线呈现近似抛物线形状。初始干燥温度为28℃，此后逐渐上升；上升过程的烘房上、中、下温度差异较为明显。40 min时，烘房温度上升到40℃，挂面进入主干燥区（二区和三区）；主干燥区的烘房温度保持在（45±2）℃。80 min和160min时段出现的“U”型波动是由于挂面在回行转弯时，烘房的保温性较差导致。188 min时，挂面进入烘房四区，其温度不但没有下降，反而有所升高，在205 min达到最高的52.83℃后温度开始降低，降温速率小于0.5℃／min，末尾干燥温度为38℃。

图2 挂面干燥过程温度曲线

烘房4个区域的上、中、下位置温度参数如表1所示。烘房一区温度平均值较低，变幅较大，其标准差和变异系数均大于其他3个区域；烘房二、三、四区温度平均值较为接近；但烘房二区温度的变幅、标准差和变异系数均小于三区和四区。另外，对烘房4个区域上、中、下位置的温度值进行配对方差分析认为，上、中、下位置间的温度均存在显著差异，其基本规律为从上到下温度逐渐降低。

表1 烘房空间位置的温度特征及差异分析

2.2 挂面干燥湿度曲线及特征

图3为与温度曲线相对应的挂面干燥湿度曲线。从图3中可以看出，挂面干燥的起始湿度为70%；20 min后，烘房中、上位置的相对湿度达到90%以上，而烘房下位置的相对湿度达到了100%（饱和状态）。在主干燥阶段，烘房相对湿度保持在（90±5）%。80 min和160 min时段出现的“V”型波动与温度参数的波动原因相同；但与温度相比，相对湿度的波动幅度更大。195 min烘房湿度开始下降，下降速率约每分钟1%；烘房末尾的相对湿度与车间内的相对湿度接近，为（40±5）%。

图3 挂面干燥过程湿度曲线

烘房4个区域的上、中、下位置湿度参数如表2所示。烘房一、二、三区的湿度平均值较高，在80%～95%之间，其标准差和变异系数均小于烘房四区。烘房四区湿度的平均值较低，变幅、标准差及变异系数较大。另外，对烘房4个区域上、中、下位置的湿度值进行配对方差分析认为，烘房下位置的湿度均显著高于上、中位置；烘房三区上、中位置间的相对湿度无显著差异。

2.3 挂面干燥脱水曲线及特征

在线监测挂面干燥温度和相对湿度的同时，测定挂面干燥过程脱水曲线（图4）。

图4 挂面干燥脱水曲线

由图4和表3可知，挂面干燥的初始水分含量为（28.34±0.91）%，变异系数仅为3.21%。随着挂面在烘房的运行，相同位置挂面水分含量表现出较大差异，标准差范围在±1.39%～±3.49%，变异系数均大于10%。其中，烘房上、中、下位置挂面的干燥速率存在规律性差异，表现为上＞中＞下；不同生产班次（1、2、3）挂面的干燥速率也存在较大差异。

表3 挂面干燥过程的水分含量特征

2.4 挂面产品的质量性状

对3个班次生产的9份挂面样品进行质量性状测定，结果如表4所示。挂面产品的水分含量、色泽a*值和抗弯强度的变异系数较大，色泽L*值和色泽b*值的变异系数较小。

表4 挂面产品的质量性状

2.5 挂面干燥工艺参数与产品质量的关系

2.5.1 产品质量与工艺参数的相关性

由相关分析可知（表5），挂面产品的水分含量、色泽a*值和抗弯强度与挂面干燥工艺参数关系最为密切。其中，水分含量与烘房的一区温度极显著负相关，与三、四区湿度极显著正相关；色泽a*值与烘房的三、四区湿度极显著负相关；抗弯强度与烘房一、二、三区的温度极显著正相关，而与一、二、三区的湿度显著负相关。

表5 产品质量与工艺参数的相关性分析

2.5.2 挂面干燥工艺参数与产品质量的回归分析

以挂面干燥工艺参数（一区温度X1、二区温度X2、三区温度X3、四区温度 X4、一区湿度 X5、二区湿度X6、三区湿度X7、四区湿度X8）为自变量，对挂面产品的质量（水分含量Y1、色泽a*值Y2、抗弯强度Y3）分别进行逐步回归分析，得到多元线性回归方程（表6）。

表6 工艺参数与产品质量的逐步回归分析

上述回归分析表明，烘房的四区相对湿度是影响挂面产品水分含量和色泽a*值的重要因素；四区平均相对湿度越高，则挂面产品的水分含量越高、色泽a*值越小。另外，烘房的一区温度与挂面产品抗弯强度关系密切，一区平均温度越高，则挂面产品的抗弯强度越大。因此，将烘房的一区温度和四区相对湿度作为挂面干燥工艺的关键控制点。

3 讨论

3.1 挂面干燥工艺及其研究方向

通过对索道式烘房挂面干燥工艺参数（温度、相对湿度、干燥时间等）在线监测显示，挂面干燥过程的温度为“升高、保持、降低”的近似抛物线形式；而相对湿度则整体呈现为“从高到低”的下降趋势；不同之处在于其下降的时间点和速率大小不同。干燥过程所用的时间为240～250 min。以上是烘房挂面干燥工艺的基本特征和规律。

控制和掌握挂面的干燥脱水速率是保证产品质量和提高生产效率的关键。然而，挂面干燥时的水分扩散是一个复杂的过程，包括分子扩散、毛细管流、Knudsen（努森）流、吸水动力学流和表面扩散等现象［13］。此外，挂面的干燥脱水速率会随着挂面含水量以及干燥介质温度和相对湿度的变化而变化。目前，干燥研究中常提及的测量物料水分有效扩散系数和物料剖面水分分布的方法包括吸附动力学法、干燥法、Regular regime法、数值解法—回归分析法、放射性示踪法、核磁共振法（NMR）和顺磁共振法（ESR）等［14］。采用上述方法来研究挂面在不同条件或阶段下的干燥脱水速率，以及挂面在干燥过程中的水分迁移、扩散和排除机理是今后确定挂面最佳干燥工艺及参数的有效技术方法。

3.2 关键控制点分析与确定

关键控制点（critical control point，CCP）是指能够控制并使某一危害因素得到预防、消除或降低到可以接受的水平的某一点、某一步骤或程序［15］。本研究在确定挂面干燥工艺的关键控制点时，选择挂面产品水分含量、色泽和抗弯强度作为质量控制指标，以挂面干燥4个阶段（烘房4个区域）的温度和相对湿度作为影响因素进行分析和探讨。结果表明，干燥产品的质量波动主要来源于烘房一区温度和四区相对湿度的波动。

烘房一区属于挂面的预干燥阶段。预干燥阶段的主要目的是蒸发面条表面水分，固定面条组织，防止挂面由自身重力而导致面条拉长或断裂［13，16］。由挂面干燥脱水曲线（图4）可知，挂面在烘房一区的干燥脱水范围为（22.91±2.76）%～（28.34±0.91）%。陆启玉［13］认为，引起面条干燥龟裂和断条的极限含水量为（25.5±0.5）%。该极限含水量正好介于烘房一区的挂面干燥脱水范围。因此，控制烘房一区的温度和相对湿度，特别是挂面在极限含水量时的干燥温度不能过高，相对湿度不能过低，否则由于面条表面水分梯度过大而产生较大的剪应力，使面条发生龟裂（劈条）和断条。另外，烘房一区的入口与外界相通，烘房温度和相对湿度容易受到季节和天气变化的影响而产生波动，使得挂面在起始时的干燥速率不能够保持一致，从而扰乱了后续阶段的挂面干燥脱水速率，增加了对后续工艺参数的调整难度。密切监测烘房一区的温度、相对湿度以及挂面的干燥脱水速率是保证产品质量的重要前提。

由烘房的挂面干燥温度和湿度曲线（图2、图3）可知，主干燥阶段（二区和三区）的干燥温度和相对湿度除了在回行转弯时受到一定的影响和波动外，其余时刻基本稳定在了较高的水平，分别为（45±2）℃和（90±5）%。因此，主干燥阶段的挂面干燥完全满足“保湿烘干”的工艺理论和技术要求，而且挂面在高温、高湿的环境下干燥，既减少了由于排湿而耗费的能量，同时又保证了产品质量。在此过程中，由于面条表面水分的汽化速度小于或等于内部水分向表面的迁移速度，从而使面条表层的水分不断积聚。当挂面进入烘房四区时，必须进一步升温，并且逐步降低烘房的相对湿度，使面条水分在高温低湿条件下全面及时地蒸发。否则，由于湿传导作用，使得面条“回湿”。此阶段虽然是面条脱水的高峰区，但由于面条自身温度较高，表层水分的汽化速度较快，而内部水分因湿传导和温湿传导作用并没有彻底迁往表层，仍有“结膜”的可能，使得面条“外干内湿”。因此控制该过程的排湿量，不能使烘房的相对湿度下降过快和过低。另外，在干燥末尾时，还需要对挂面进行降温和缓苏来平衡面条内外部的水分和温度。综合分析认为，烘房的一区和四区是挂面干燥过程的关键控制区域；一区温度和四区相对湿度是挂面干燥过程的关键控制参数。

4 结论

4.1 采用智能温度湿度记录仪在线监测烘房的挂面干燥温度和相对湿度，得到挂面干燥温度和相对湿度的变化曲线及分布特征，为研究挂面干燥工艺参数及其对产品质量的影响提供了方法和依据。

4.2 挂面产品的质量性状中，水分含量、色泽a*值和抗弯强度的变异系数较大，且与烘房干燥温度和相对湿度关系最为密切。因此，将挂面水分含量、色泽a*值和抗弯强度作为质量控制指标来研究挂面干燥工艺及其关键控制点。

4.3 通过分析烘房的挂面干燥工艺及参数特征，采用逐步回归分析方法建立挂面干燥工艺参数与产品质量性状之间的关系认为，烘房的一区温度和四区相对湿度是挂面干燥工艺的关键控制点。

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