豆薯片热风干燥动力学研究

摘要：研究豆薯片在热风干燥过程中水分、温度、干燥速率的变化规律，并建立水分变化规律回归方程。结果表明，豆薯片的热风干燥过程可分为预热期、恒速干燥期和降速干燥期3个阶段；升高干燥温度和增大风量，均会使干燥速率增大，恒速干燥期缩短，降速期干燥速率下降加快，升高干燥温度，还会使豆薯片第一临界含水量增大；加大风量，会使干燥初期豆薯片温度较加大风量前有所降低，而在干燥后期豆薯片温度有所升高。豆薯片热风干燥水分变化曲线回归方程为：y=ax2+bx+c，其中，y为豆薯片干基含水量（kg/kg），x为干燥时间（×5 min），c为豆薯片初含水量（kg/kg）。

关键词：豆薯片；热风干燥；动力学；温度；含水量；干燥速率

中图分类号： TS215；TS201.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）01-0227-03

收稿日期：2013-04-25

基金项目：2012年地方高校国家级大学生创新创业训练计划（编号：201210720009）；2012年度陕西省教育厅科研计划（编号：12JK0819）；陕西理工学院大学生创新创业训练（编号：UIRP122062）。

作者简介：刘轲（1989—），男，陕西延安人，硕士研究生，研究方向为食品化学与资源开发。E-mail：13891662131@163.com。

通信作者：张志健，教授，硕士生导师，研究方向为食品科学与资源开发。E-mail：969775452@qq.com。豆薯别名凉薯、地瓜、沙葛、土瓜等，属豆科蝶形花亚科（Papilionaceae）豆薯属（Pachyrhizus）缠绕性或直立草本植物，具有肉质块根，原产热带美洲，全球共有6种，我国东南部至西南部引入栽培有1种[1]。中国长江以南普遍栽培，以贵州、四川、湖南、广东、广西、陕南和台湾等地生产较多。豆薯食用部分为肥大的块根，富含淀粉、糖分、蛋白质及矿质元素，老熟块根中淀粉含量较高，可提制淀粉作为食品添加剂使用[2]。种子及茎叶中含鱼藤酮（C23H22O6），对人畜有剧毒，可制成敌敌畏等杀虫剂[3]。目前，我国豆薯加工水平还比较落后，70%以上的豆薯作为蔬菜鲜食，年加工消化率仅在25%左右，目前研究开发的豆薯加工产品主要有豆薯脯[4]、豆薯蜜饯[5]、豆薯罐头[6]、豆薯果冻[7]、豆薯汁饮料[8-11]、豆薯酒[12]、豆薯粉等一些粗加工产品。有关豆薯的工业化深加工产品在国内市场上尚未见到。笔者以陕西汉中产的豆薯为原料，研究了豆薯片热风干燥动力学变化规律，旨在为豆薯片热风干燥工艺和设备的开发或选择提供理论依据，为豆薯食品加工提供理论基础。

1材料与方法

1.1材料与仪器

豆薯：产于陕西汉中。

电热鼓风干燥箱DHG-9055A（上海一恒科技有限公司）；电子天平AL-6051（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；遥测温度计、热风机等。

1.2试验方法

鲜豆薯经清洗去皮后，切成2 mm厚的薄片，称重后置于干燥箱网盘上，在一定温度（试验取箱温为70、80、90、100、110、120 ℃）、一定通风量下进行恒温干燥，每隔5 min称重或读取豆薯片温度值1次，直至豆薯片趋于恒重。

干燥速率通常定义为：单位时间内单位干燥面积上的水分蒸发量，单位kg/（m2·s）[13]。由于豆薯片干燥面积难以准确测量，故本研究将干燥速率定义为：单位时间内单位质量物料所蒸发的水分量，单位kg/（kg·s），物料质量采用测定点豆薯片的总质量，即平衡质量[14]。干燥速率曲线通常是指物料干燥速率与物料干基含水量的关系曲线[13]。由于在干燥过程中，物料干基含水量随干燥时间而变，且成对应关系，故为方便比较，本研究给出的是物料干燥速率与干燥时间的关系曲线[14]。

2结果与分析

2.1豆薯片热风干燥水分变化规律与拟合方程

各试验温度下豆薯片干基含水量随时间的变化规律如图1所示。从图1可以看出，在干燥前期，干燥曲线几乎呈直线下降趋势，其斜率即为豆薯片干燥速率，而干燥后期干燥曲线则呈缓慢下降趋势，直至趋于水平，说明豆薯片干燥具有较明显的恒速期和降速期。同时可以看出，随着温度升高，干燥曲线变陡，斜率绝对值增大，说明豆薯片水分含量降低的速率加快，恒速干燥速率增大，干燥时间缩短，但在整个干燥过程中，90 ℃和100 ℃之间的差异不大；在前30 min内，90、100、110 ℃ 三者的差异不大，30 min后，110 ℃下豆薯片水分含量降低的速率明显快于90 ℃和100 ℃。

从图1还可以看出，各温度下的干燥曲线特征类似于二次曲线，因此，用 Excel多项式工具可绘出各干燥曲线的趋势曲线，如图2至图7所示。可以看出，在试验温度下，拟合曲线与试验曲线具有较好的吻合性，且干燥温度越高，吻合程度也越高。各试验温度下的拟合方程和r2值如表1所示。

2.2热风干燥豆薯片温度变化规律

豆薯片在不同温度下干燥时片温变化情况如图8所示。

由图8可以看出，豆薯片在试验温度下干燥时，豆薯片温度变化规律表现为：先经过一段快速升温期，再经过一段恒温期（即恒速干燥期），然后是一段升温期（即降速干燥期）；且箱温越高，片温也越高，恒温期及整个干燥周期越短，但片温远低于箱温，如当箱温在100～120 ℃时，片温只在60 ℃左右。

2.3豆薯片热风干燥速率变化趋势

以看出，干燥温度对干燥速率变化具有明显的影响，并表现出一定的规律性，即随着干燥温度的升高，干燥速率增大，但恒速干燥期缩短，降速干燥速率下降加快（曲线变陡）。分析认为，随着干燥温度的升高，豆薯片表面水分蒸发速率加快，并在相对较短的时间内超过内部水分向外转移的速率，使豆薯片表面开始干枯，从而导致上述结果。

比较图9和图10可以看出，风量大小对干燥速率也有重要影响，且干燥温度越高，风量对干燥速率的影响越显著。在

干燥温度为70～80 ℃时，风量几乎对干燥速率无影响，而在干燥温度为110 ℃和120 ℃时，大风量下两者的干燥速率不仅显著增大，且十分相近。

综合干燥过程豆薯片水分的变化（图1）和豆薯片温度的变化（图8），豆薯片热风干燥的适宜条件为110 ℃、大风量。

3结论

豆薯片热风干燥过程具有明显的预热期、恒速干燥期和降速干燥期，且恒速干燥期相对较长。

豆薯片热风干燥水分变化曲线的回归方程式为：y=ax2+bx+c；y为豆薯片干基含水量（kg/kg），x为干燥时间（×5 min），c为豆薯片初含水量（kg/kg）。

在70～120 ℃温度范围内，温度越高、风量越大，豆薯片干燥速度越大，干燥时间越短；豆薯片适宜干燥条件为：110 ℃、大风量，在此条件下干燥，恒速干燥期豆薯片的温度在 60 ℃ 左右，不会出现焦化现象，且褐变程度较低，干片色泽较好。

影响豆薯干燥曲线的因素较多，如豆薯的种类、产地和年龄（水分及其他成分有差异），豆薯片厚度，干燥介质的流量及流动方式、温度和湿度等。本试验仅研究了温度和风量2个因素的影响，因此，所总结出的干燥动力学规律还需进一步完善。

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