应巧玲 励建荣 傅玉颖 李学鹏 陆海霞

(浙江工商大学食品与生物工程学院,杭州 310035)

食品薄层干燥技术的研究进展

应巧玲 励建荣 傅玉颖 李学鹏 陆海霞

(浙江工商大学食品与生物工程学院,杭州 310035)

随着干燥技术的发展,使用数学模型来表达和描述干燥过程己成为干燥技术研究的重要内容。为了优化干燥过程、控制产品质量,通常需要建立干燥过程的数学模型,并借助模型对干燥过程进行分析。目前,用来描述干燥过程的数学模型已有上百种,其中薄层干燥模型是一类应用十分广泛的模型,被用来描述水果、蔬菜、水产品和其他一些农作物的干燥过程。本文阐述了食品薄层干燥的原理,介绍了薄层干燥模型的种类及国内外的研究进展,并对其在食品加工中的应用前景做了展望,旨在为食品薄层干燥技术的应用及过程优化提供一定参考。

食品 薄层干燥 模型 研究进展

干燥是最古老的食品保藏方法,是采用某种方式将热量传递给含水物料,且将此热量作为潜热而使水分蒸发分离的操作。去除食品中的水分可防止使食品腐败的微生物生长和繁殖,进而延长了食品的货架期[1]。同时干燥可使产品重量减少,进而降低包装费用和运输成本。但是,干燥对一些产品的质量会有影响,尤其是鱼类[2]。

目前,工业上大多是以经验为基础对干燥过程进行设计的,这样往往不能准确地优化工艺,以至于不能对产品质量进行很好地控制。食品物料的干燥取决于被干燥物料中热量和质量的传递特性。因此,对食品物料干燥过程中水分和温度的了解对于干燥过程的设计以及产品的质量控制是十分重要的。而干燥生产过程中在线检测水分含量及物料内部温度比较困难,为了达到辅助干燥器的设计、优化干燥过程、控制产品质量的目的,通常需要建立干燥过程的数学模型,并借助模型对干燥过程进行分析。

1 食品薄层干燥

1.1 食品干燥原理

食品干燥的基本过程是食品从外界吸取热量使食品内部水分向表面扩散,扩散到表面的水分又向周围空间蒸发的过程[3]。食品干燥比较复杂,首先是对食品加热使其水分汽化的传热过程,然后是汽化后的水蒸气由于其蒸汽分压较大而扩散进入气相的传质过程,而水分从食品内部由于扩散等的作用而到达食品表面,则是一个食品内部的传质过程。因此,干燥过程的特点是传热和传质过程同时并存,两者相互影响而又相互制约,有时传热可以加速传质过程的进行,有时传热又可减缓传质的速率[4]。因此,热量的传递和食品水分的外逸,即食品的湿热传递是食品干燥的基本原理,对食品物料干燥过程中水分和温度的了解尤其重要。

1.2 薄层干燥

薄层干燥是物料的每一部分都充分暴露在相同条件下的干燥,物料厚度一般小于 2 cm[5]。薄层干燥是食品物料干燥的基本形式,是深床干燥的基础。了解薄层干燥特性是了解其他干燥特性的基础。薄层干燥的研究是为了探讨在一定的风温、风速以及相对湿度的条件下,物料含水率随时间的变化规律,并进一步建立薄层干燥方程,以便利用计算机进行物料干燥过程模拟,为优化干燥工艺和指导物料干燥机设计提供依据。

1.3 影响薄层干燥速率的主要因素

影响食品薄层干燥速率的因素很多,主要有:干燥温度,干燥风速,空气湿度,物料本身特性等等。段振华等[6]对鳙鱼鱼片在 40、50和 60℃等不同干燥温度下的薄层干燥速率进行了研究,发现不同的干燥温度对鱼片的干燥速率影响很大,温度越高干燥越快。Miranda等[7]在芦荟凝胶的干燥试验中也发现了同样规律。张建军等[8]对辣椒进行热风干燥试验,发现干燥温度越高干燥速率越快,但温度过高会影响产品的质量,同时也发现干燥速率随着干燥风速的增大而增大。李珂等[9]研究了熟化甘薯热风干燥主要工艺参数 (干燥温度、干燥风速等)对干燥速率的影响,发现干燥速率均随着干燥温度和干燥风速的增加而提高,但干燥温度和干燥风速两者相互影响,并不是两者数值都最高时,干燥速率才最大。李洪江等[10]通过花生仁薄层干燥试验,探讨了各因素对花生仁干燥速率的影响,结果表明,风温是影响干燥速率的主要因素,其次是风速,而相对湿度和物料初始水分对干燥速率的影响最小。

2 薄层干燥模型

2.1 薄层干燥模型种类

目前,用来描述干燥过程的数学模型已有上百种[11],其中薄层干燥模型是一种应用十分广泛的模型。在水果、蔬菜、水产品和其他一些农作物的干燥中,已经使用薄层干燥模型来进行数学模拟。薄层干燥模型主要分成三类:理论、半经验和经验模型[12]。半经验模型把干燥的理论和实践联系在一起,因此得到广泛的应用。主要的薄层干燥模型见表1。

表 1 主要薄层干燥模型[13-16]

2.2 几种模型的介绍

在各种薄层干燥模型中,国内最常用来描述物料干燥的数学模型有 Newton模型:MR=exp(-kt); Henderson and Pabis模型:MR=aexp(-kt);Page模型:MR=exp(-ktN)。

2.2.1 Newton模型

Newton模型,又称指数模型,是借鉴传热过程中Newton冷却速率方程的形式来描述物料的薄层干燥过程的[17]。假定在恒温条件下,物料干燥速率与物料含水率和平衡含水率之差成正比,则物料干燥速率可用方程(1)表示:

对方程(1)进行积分可得薄层干燥方程 (2),称为Newton方程:

Newton模型忽略了湿组分移动的内部阻力,仅考虑表面阻力,往往低估了初始阶段的干燥速度,而又高估了接近平衡含水率时的干燥速度,是一个典型的半经验半理论模型。该方程用于描述干燥过程的后期较为准确,而不能对物料整个干燥过程进行准确的描述。

2.2.2 Henderson and Pabis方程

Henderson and Pabis模型,又称单项扩散模型。在大多数情况下,物料内部传质阻力比传热阻力大得多,这时降速干燥阶段湿份扩散是控制干燥速率的主要因素,可以用菲克 (Fick’s)第二扩散定律描述的模型来计算干燥速率:

式中:M为干燥时刻 t的含水率,m水/m干基;t为时间/s;Deff为固体物料中水分的扩散系数/m2/s;x为物料厚度/m。

在干燥过程中,若满足以下条件:①初始湿含量分布均匀;②一维等温扩散;③湿份迁移中物料无体积变化;④忽略外部阻力。

则式 (3)有解析解如下[18]:

①无限大平板

式中:L为板厚/m;Mt为 t时刻物料含水率, m水/m干基;M0为初始含水率,m水/m干基;Me为平衡含水率,m水/m干基;n为无穷级数。

②无限长圆柱

式中:λn为常数数列;r为圆柱体半径/m。

③球体(颗粒)

式中:r为球体半径/m。

式(4)、(5)、(6)均为无穷级数展开式,通常为简化计算只取此第一项即能满足精度要求,分别可得:在式 (7)、(8)、(9)中,分别令 a=8/π2,k= π2Deff/L2;a=4/λk=λ12,Deff/r2;a=6/π2,k= π2Deff/r2,均能得到进一步简化的方程:

式中:a为干燥模型的经验系数;k为干燥常数/ s-1,其中包含有扩散系数 Deff的含义。

Henderson and Pabis模型是根据液态扩散理论,在上述各种假设条件成立的前提下,经过简化后推导出的、描述干燥过程的近似模型。实际干燥情况有可能与假设不符,如存在水分扩散系数随物料的含水率和温度的变化而改变、或干燥过程中物料发生收缩变形等情况,导致 Henderson and Pabis方程可能拟合不够精确,或只能分阶段拟合。

2.2.3 Page模型

1949年,Page提出了 Newton模型的改进形式,即 Page模型。Page模型是在Newton模型的基础上,考虑了平衡含水率与湿物料种类的相关性,干燥方法和工艺参数的相关性,其描述的范围最为广泛,尤其适合于组成成分和结构复杂的生物材料。

仅从表达式来看,Newton方程也可以视为 Hen2 derson and Pabis模型 (a=1时)或 Page方程 (N=1时)的特殊形式。

3 薄层干燥模型在食品加工中的研究进展

各种薄层干燥模型在性质上都存在着差异,不同的模型适合不同的物料和干燥方式,许多研究人员已经成功地使用各种薄层干燥模型来描述一些食品的干燥特性。在农产品、水产品以及其他一些食品中均有相关的研究报道。

3.1 薄层干燥模型在农产品中的研究进展

近年来,国内外对薄层干燥模型在农产品干燥过程中的应用研究比较多。根据不同的干燥物料,干燥过程中的不同工艺及干燥条件,选择不同的干燥模型。常学东等[19]对板栗切片和磨粉在真空条件下的干燥进行了研究,通过回归分析,发现板栗薄层干燥的数学模型符合 Page模型。闻陶等[20]在研究马铃薯吸附干燥,杨金英等[21]在研究春笋微波干燥,以及 Doymaz[22-23]在研究黄秋葵干燥动力学和黑葡萄的薄层干燥试验时,都发现了相似的结果,说明Page模型在农产品干燥中的模拟性较好,得到广泛应用。Pehlivan等[24]对一些水果的户外日光干燥过程进行模拟,结果发现,在多种模型中,Approxi2 mation of diffusion模型能较好地模拟无花果的干燥过程,而 Modified Henderson and Pabis模型能较好地模拟葡萄和李子的干燥过程。Akpinar[25]对一些蔬菜和水果 (土豆、苹果、南瓜片等)的薄层干燥进行研究,并用数学模型进行模拟,发现M idilli-Ku2 cuk模型是最佳的,能较准确地预测物料在干燥过程中的水分变化。Akpinar[26]还对生长在土耳其的芳香类植物 (欧芹、薄荷等)进行了日光干燥研究,发现Modified page模型能很好地解释薄荷的干燥特性,而由Verma等提供的模型能较好地解释欧芹的干燥特性。Wang等[27]研究了苹果渣的热风对流干燥特性,用不同的数学模型进行模拟,发现Loga2 rithmic模型能较好地模拟其干燥过程。Roberts等[28]使用薄层干燥模型对一些葡萄种子的干燥过程进行模拟,发现 Newton模型、Page模型和 Hen2 derson and Pabis模型均能很好地模拟葡萄种子的干燥过程,其中 Newton模型最能准确地预测干燥过程中其水分变化。薄层干燥模型在农产品中的应用还有很多,如:青椒、绿豆和洋葱[29]、蘑菇和花粉[30]、仙人掌[31]和茄子[32]等。

3.2 薄层干燥模型在水产品中的研究进展

在水产品干燥中,关于模型研究的报道也有许多。娄永江[33]对龙头鱼进行了热风薄层干燥试验,用Newton、Page和 Henderson and Pabis三种模型对其进行模拟,结果表明,Page模型比其他两种模型的拟合程度高,能较好地描述其薄层干燥过程。段振华等[34-35]在鳙鱼的热风干燥规律研究和罗非鱼片的热风薄层干燥试验中,以及 Djendoubi等[36]在研究风干过程对沙丁鱼肌肉脱水动力学影响的试验中均发现了类似的结果。说明 Page模型在水产品干燥中的应用也很广泛。孙妍[37]对海参干燥动力学进行研究时,发现 Two-term模型能很好地模拟海参干燥过程,这与Mohapatra等[38]在研究小麦干燥时发现的结果一样。曾令彬等[39]对腌制后的白鲢进行热风干燥试验,研究鱼块干燥曲线及内部水分扩散特性,发现Henderson and Pabis模型具有较高的拟合精度。这与 Kilic[40]在虹鳟鱼的低温薄层干燥研究中发现的结果一致。

3.3 薄层干燥模型在其他方面的研究进展

除了在农产品和水产品方面的应用外,薄层干燥模型在肉制品、乳制品等一些方面也有相关的应用报道。张厚军等[41]在猪通脊肉热风干燥特性的研究中,用 10种模型对干燥曲线进行了模拟,结果表明 Modified Henderson and Pabis模型最为适合。Hayaloglu等[42]在研究酸奶在对流盘式干燥器内的干燥过程时,用 9种模型对其干燥曲线进行了模拟,结果表明Midilli-Kucuk模型最佳。欧春艳等[43-44]在红外干燥条件下,对壳聚糖和甲壳素的干燥特性进行了研究,采用线性回归分析程序,分析比较了不同干燥模型,结果表明,Page模型能较好地描述壳聚糖和甲壳素红外干燥过程,可以准确地预测各干燥阶段的干燥速率及含水率。此外,邹积琴等[45]在碱式碳酸镁纳米花干燥动力学的研究中,也发现了Page模型能较准确地模拟碱式碳酸镁纳米花的干燥过程。

4 展望

经过食品工作者几十年的不断研究,至今无论是在食品干燥理论还是实践方面都已取得了不少重要的研究成果。但是,由于食品干燥是一个复杂的传热传质过程,仅靠经验对其进行控制比较困难,存在一定的局限性。所以使用数学模型来表达和描述干燥过程己成为干燥技术研究的重要内容。在众多模型中,薄层干燥模型是一类应用十分广泛的模型,被广泛用来描述农产品、水产品等一些物料的干燥过程。目前,薄层干燥模型在农产品中的应用最多,其次是水产品,而在其他一些食品物料中的应用较少。因此,使用数学模型来模拟水产品、肉制品、乳制品及其他一些食品的干燥过程将是今后食品干燥技术研究的重要方向。

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Research Progress of Food Thin LayerDrying Technology

Ying Qiaoling Li Jianrong Fu Yuying Li Xuepeng Lu Haixia
(College of Food Science and Biotechnology,Zhejiang GongshangUniversity,Hangzhou 310035)

W ith the development of drying technology,applying mathematical models to express and describe the drying process has become an important field in the study on drying technology.Mathematicalmodels usually need to be established and be used to analyze the drying process in order to optimize drying process and control product quality.At present,overone hundred kindsofmathematicalmodel have been established,amongwhich thin layer dr2 yingmodel has been widely applied in food processing,such as describing the drying process of some fruits,vegeta2 bles,aquatic products and some other crops.In this paper,the principle of food thinlayer drying is described briefly. Then the types of thinlayer drying model are introduced,and the research progress of its applications in food drying both inland and oversea is reviewed.Finally,the prospect of the application of thinlayer dryingmodel in food drying process is discussed.The goal of thiswork is to provide reference for the application and process optimization of thin layer drying technology.

food,thinlayer drying,model,research progress

TS205.1 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)05-0115-06

浙江省科技厅计划项目(2008C21012)

2009-05-22

应巧玲,女,1986年出生,硕士,食品科学与工程

励建荣,男,1964年出生,博士,教授,博导,农水产品贮藏加工与安全控制、功能因子和保健食品及食品生物技术