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植物性原料薄层热风干燥技术的研究进展1前言1.1薄层干燥原理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2cm。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[应巧玲，励建荣，傅玉颖，等.食品薄层干燥技术的研究进展[J].中国粮油学报，2010，25（5）：115-120]。热风干燥是传统的干燥方法，是依据热传导效应，将热量从干燥介质传递给物料，物料吸收热量后，产生两个扩散，即水分由物料表面到干燥介质中的外扩散，以及物料内部水分到物料表面的内扩散，两个扩散持续进行，直到物料中水分下降到一定程度而达到干燥的目的。热风干燥是在高温(55℃以上)和有氧条件下进行的，干燥过程中，发生许多化学变化，如酚类物质会在氧化酶的催化下发生氧化，维生素类在高温下易被破坏，氨基酸和糖高温下发生美拉德反应等。热风干燥的温度和时间是影响物料中营养成分变化的主要因素[陈鑫.不同干燥方法对姬松茸干品品质特性的研究[D].福州：福建农林大学，2008]。在热风干燥过程中，传热和传质同进发生。热能以对流方式传给物料表面，然后再由物料表面传至内部；物料内部水分向表面扩散，被激化后由物料表面扩散至气相主体。传热的推动力是温度差，传质的推动力是水的浓度差，或水蒸气的分压差，传热和传质的方向相反，但密切相关[竹文礼.海芦笋干燥工艺研究[D].无锡：江南大学，2008]。干燥过程中物料表面水分受热后首先有水分蒸发，而后水蒸气从物料表面向周围空气介质中扩散，此时表面水分含量较内部水分含量低，即存在水分梯度。由于水分梯度的存在，水分就从水分含量高的部位向水分含量低的部位扩散。与此同时物料表面受热高于它的中心，因而在物料内部会建立一定的温度梯度，温度梯度会促使水分从高温处向低温处转移。在干制过程中，物料内部同时会有水分梯度和温度梯度存在。对于热风干燥而言，温度由物料表面向中心传递，而水分流向正好相反，即水分梯度和温度梯度的方向恰好相反。则，温度梯度将成为水分沿水分梯度扩散的阻碍因素，水分扩散受阻。若水分梯度比温度梯度强，水分将按照物料水分减少的方向转移。若温度梯度比水分梯度强，水分则随热流方向转移，并向水分增加方向发展，则物料水分含量减少变慢或停止，达不到干燥的目的，而且会出现物料表面硬化、结壳现象，所以在热风干燥过程中尽量避免这种情况的出现[贾清华.鸡腿菇热风干燥数学模型及其干品贮藏条件的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2010]。2热风干燥工艺研究李珂等采用可旋转中心组合设计和响应面法研究熟化甘薯热风干燥主要工艺参数(干燥温度、干燥风速、铺料密度)对干燥速率、单位能耗和淀粉、还原糖、Vc等主要营养成分含量的影响。研究表明：干燥温度、风速、铺料密度的对干燥速率、单位能耗、VC含量及综合指标的影响最大，而对淀粉、还原糖、粗蛋白、粗纤维含量的影响较小。采用SAS软件进行优化，确定最优工艺参数为干燥温度73.89℃、干燥风速4.91m/s、铺料密度2.54kg/m2。在此干燥条件下，干燥速率为1046.333g/min、干燥能耗为0.583W/g，所得干燥样品的淀粉、还原糖、粗蛋白、粗纤维及VC含量分别为50.435%、29.428%、6.288%、6.271%及2.509mg/100g，综合指标为5.026863[李珂，王蒙蒙，沈晓萍，等.熟化甘薯热风干燥工艺参数优化及数学模型研究[J].食品科学，2008，29（8）：363-368]。张晶晶等对蒜片进行热风干燥的试验研究，通过分析热风温度、切片厚度和装载量对单位能耗的影响规律，确定因素的适宜范围分别为：热风温度45-75℃，切片厚度1-5mm、装载量1.5-3.5kg/m2；通过二次正交旋转组合设计，分别建立了单位能耗、产量与各因素之间的回归方程，其最佳工艺参数为：干燥介质温度62.3℃，切片厚度2.38mm，装料量2.69kg/m2，预测理论最小能耗1.96kWh/kg。验证试验表明，与国内一般生产的平均能耗相比较，可节能27%左右[张晶晶，曹鹏，乔旭光.脱水蒜片干燥工艺的节能优化[J].农业工程学报，2009，25（7）：279-282][张晶晶.脱水蒜片干燥模型与节能生产技术研究[D].泰安：山东农业大学，2009]。高扬等为研究新鲜切碎紫花苜蓿茎叶干燥分离过程中，入口温度、入口风速、转筒转速和喂料速度对出机叶料含水率、出机茎料含水率、茎叶分离率的影响，采用9GFQA-600型苜蓿干燥茎叶分离设备进行试验，设计了四因素二次正交旋转组合试验进行回归分析，建立了相应的数学模型并进行了优化。当入口温度400℃、入口风速14m/s、转筒转速为12r/min、喂料速度8kg/min时，出机叶料含水率、出机茎料含水率和茎叶分离率分别达到了13.42%、14.24%和77.38%，说明回归模型具有较好的拟合度,能较好地预测苜蓿茎叶干燥分离的效果[高扬，王德成，王光辉，等.紫花苜蓿干燥和茎叶分离效果预测模型与工艺优化[J].农业机械学报，2010，41（6）：113-118]。常虹等对菠萝粉进行了热风干燥的研究，考察加热温度、风速和物料量对Vc含量和色泽的影响，通过正交试验设计方法，确定影响因素的主次顺序为：加热温度物料量风速，确定最优工艺参数为：温度为70℃、物料量为60g、风速为2.5m/s[常虹，李远志，杨璇璇.菠萝粉干燥特性的研究[J].现代食品科技，2008，24（1）：5-7]。龚平以笋片为对象，在最佳漂烫预处理工艺条件下进行热风干燥试验，考察热风温度、风速和笋片厚度对干燥效果的影响，并确定竹笋热风干燥的较佳工艺条件为：漂烫温度90℃、漂烫时间8min，笋片厚度1cm、长度约8cm，在风速2.lm/s、温度90℃下热风干燥5h[龚平.高复水性无硫竹笋干的生产技术研究[D].重庆：西南大学，2009]。张西敏以枸杞嫩茎叶为对象进行热风干燥试验研究，考察漂烫工艺、护绿工艺和热风干燥工艺对干燥速率、复水率、干燥时间和色泽等的影响；通过正交试验设计方法，确定最优工艺参数为：护绿剂为Na2SO3+Zn(CH3COO)2，漂烫温度为100℃、漂烫时间为100s，干燥温度为85℃[张西敏.枸杞嫩茎叶干制工艺研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2008]。王海霞在辣椒热风干燥工艺研究中，根据干燥特性，确定影响失水率的因素主次顺序是干燥时间、温度、风速、装载厚度，最优工艺参数为：温度55℃、风速2.0m/s、装载厚度60mm、干燥时间20h[王海霞.辣椒热风干燥特性研究[D].重庆：西南大学，2006]。3干燥动力学模型的研究物料干燥受干燥介质温度、湿度、物料本身物理化学结构、外部形状等的影响，是一个复杂的传热、传质过程。建立干燥模型对研究干燥规律、预测干燥工艺参数有重要作用。目前，用来描述农业物料整个薄层干燥过程的模型一般有三种，即单项扩散模型)exp(rtAMR、指数模型)exp(rtMR和Page方程)exp(NrtMR。李瑜等以乙醇法提取蒜油后的蒜渣为对象，考察热风温度对其干燥动力学的影响，并采用Page模型对试验数据进行拟合，得到50-70℃下蒜渣热风干燥的动力学方程：MR=exp[-exp(-6.8510+0.2370T-0.0018T2)t0.1793][李瑜，宋会歌.蒜渣干燥动力学研究[J].江苏农业科学，2010（2）：294-295]。魏巍根据绿茶的干燥特性，认为绿茶热风干燥的动力学模型符合Page方程，即ln(-lnMR)=0.6085-0.0077T+0.0002T2+(0.7644-0.0060T+0.0001T2)lnt，其中r=exp（0.6085-0.0077T+0.0002T2），N=0.7644-0.0060T+0.0001T2[魏巍.不同干燥技术对绿茶品质影响的研究[D].福州：福建农林大学，2009]。杨鸣娟采用电热恒温干燥箱对鲜辣椒进行干燥研究，建立了热风干燥的Page模型、指数模型和单项扩散模型，方差分析表明3种动力学模型都能较好地拟合试验数据，通过比较确定热风干燥的最优动力学模型为Page模型，即MR=exp（rtN），其中r=-8.801+1.806P1，N=0.989+2.198P1-4.266P12+3.281P14[杨鸣娟.干制技术与干辣椒品质变化相关性研究[D].贵阳：贵州大学，2009]。游敬刚等以柑橘皮渣为原料，研究了不同因素对热风干燥特性的影响，确立了柑橘皮渣热风干燥数学模型。根据试验数据，建立了Lewis、Page、Handerson-Pabis和Logarithmic四种热风干燥模型，结果显示基于Page方程ln[-ln(MR)]=lnk+nlnτ的柑橘皮渣热风干燥模型变量间相关性大，验证试验也说明该模型模拟效果较好[游敬刚，张其圣，余文华，等.柑橘皮渣热风干燥特性及数学模型研究[J].食品与发酵科技，2010，46（2）：51-55]。王根才以发酵后的芥菜为对象，进行热风干燥试验研究，在研究芥菜热风干燥特性的基础上，根据试验数据，确定单项扩散模型MR=Aexp(-kt)更适合描述发酵芥菜热风干燥过程规律，并分别建立了60℃和70℃条件下的单项扩散模型[王根才.闽西特产芥菜干加工新技术的研究[D].福州：福建农林大学，2009]。裴静在考察热风温度、风速对南瓜籽的热风干燥特性影响的基础上，根据试验数据，分别建立了Page方程和单项扩散模型，通过拟合比较，最终确定Page方程更适合描述南瓜籽薄层干燥过程，Page方程为[裴静.南瓜籽薄层干燥和振动流化干燥特性的试验研究[D].北京：中国农业大学，2001]。孙俊红研究了热风温度和初始含水率对苹果渣热风干燥速率的影响，通过Oringin软件对数据进行模拟，建立了Page模型、修正Page模型等五种薄层热风干燥数学模型；通过实验值与模拟值的比较，发现初始水分含量不同，最适合的模型也不同，初始含水率为80％时的最适合模型是Logarithmic模型，初始含水率为40％时的最适合模型则是Page模型[孙俊红.苹果渣干燥试验和数学模拟[D].北京：中国农业大学，2006]。牛智友等利用热风循环干燥试验台对苹果渣在不同的初始水分、风速和温度下，对苹果渣干燥特性进行了试验研究。根据干燥曲线进行了不同数学模型的拟合，通过比较发现改良的Page模型比其它模型能很好地预测和描述苹果渣的热风循环干燥特性，Logarithmic模型次之，Newton模型最差[牛智有，赵思明，姜开明.苹果渣干燥特性与模型的试验研究[J].农机化研究，2008（6）：134-137]。张美霞等通过考察干燥温度、风速和样品量对水分含量的影响，并通过正交试验设计方法确定了鲜切藕片热风薄层干燥的最佳工艺参数：温度70℃、装样量40g、风速0.3m/s。建立了最佳工艺参数条件下的干燥曲线，并对指数模型、单项扩散模型和Page方程进行了拟合，通过比较相关系数，最终确定单项扩散模型MR=0.857412114exp(-0.050102613t)(R2=0.96537)作为鲜切藕片热风薄层干燥的动力学数学模型，且试验验证表明该模型能较好地预测干燥过程[张美霞，琚争艳，阚建全.鲜切藕片热风薄层干燥工艺优化及数学模型建立[J].食品科学，2009，30（22）：184-187]。车刚根据Fick定律和质量守恒原理，建立了预测苜蓿茎秆干燥过程中内部水分分布的常压热风干燥的传质数学模型。通过对扩散模型边界条件的处理，结合紫花苜蓿茎秆内部水分扩散的试验结果，采用数值模拟方法确定了干燥苜蓿茎秆的传质系数。结果表明：干燥苜蓿样本的含水率与模拟分析含水率的决定系数为R2=0.927，模拟分析具有较高的准确度。在此基础上进行的苜蓿茎秆内部水分分布的模拟计算保证了与苜蓿非稳态干燥过程的一致性[车刚，李