香菇热管射流干燥动力学研究

肖旭霖，袁华聪，高晓丽，郑姗姗

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安710062）

香菇含有十多种氨基酸，其中有异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、撷氨酸等7种人体必需的氨基酸；还含有维生素B1、B2、PP及无机盐[1]。祖国传统医学认为，香菇性味甘、平、凉，入肝、经胃，有润肝肾、健脾胃、益智安神、养颜美容之功效[2]。香菇中的香菇多糖具有免疫调节功能；抗肿瘤、抗突变、抗感染、抗疲劳、抗衰老、抗氧化、降血脂、降胆固醇等作用[3]。因此，香菇成为天然的植物保健食品。通常食用的香菇大多为干制品。目前，香菇干制多采用热风对流干燥，其干燥时间长，温度和湿度较难控制，香菇营养成分流失严重，干燥后色泽极易变深[4]。气体射流冲击技术是将具有一定压力的加热气体，经喷嘴喷出，并直接冲击加热物料的一种新的加热方法。由于喷出的热气流具有很高的速度，当它冲击到湿物料的表面时，高速气流冲击使物料表面边界层破坏而非常薄，减小了热质转换的阻力，提高了热质交换速率，传热系数比普通热风干燥要高出几倍，加强了水分的排除，因而大大缩短了干燥时间，提高了干燥速度[5]。热管导热效率及余热回收率高，非常适合于回收连续生产工艺中的余热。射流干燥采用热管技术回收余热，对减少能耗有重要作用。气体射流冲击节能技术在农产品加工方面，国外除干燥外主要应用于食品烘焙，并实现了工业化生产；国内应用研究主要有北京烤鸭加工[6]，甘薯烘烤[7]，海参加工[8]，果蔬烫漂[9-10]，苹果、无核葡萄及鲜肉苁蓉干燥[11-13]，板栗脱壳加工[14]等，在香菇干燥方面未见报道。本实验采用热管和射流冲击节能干燥技术相结合的方法，对新鲜香菇进行干燥，探讨不同射流温度、介质风速和喷嘴高度对香菇干燥特性的影响，同时建立干燥动力学模型，并应用DPS数据处理软件[15]对实验数据进行拟合。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

原料品种 939新鲜香菇，购买于西安市朱雀农贸批发市场，选择大小一致，无病虫害子实体，于低温存放。鲜香菇含水率在90%～93%。

自制气体射流冲击实验机 配有双排管喷嘴和热管，喷嘴间距85mm，喷嘴内直径16mm，结构见图1；风速计AVM-03/AVM-01 泰仪电子工业股份有限公司；电子天平BS224S 北京赛多利斯系统有限公司；电冰箱海尔BCD-206T 青岛海尔股份有限公司；手压式塑料封口机SG-300 上海申广办公设备有限公司。

图1 气体射流冲击实验机示意图Fig.1 Schematic diagram of air impingement jet testing machine

1.2 实验方法

采用热管射流冲击干燥方法进行实验[11]，温度由温度控制器控制，干燥介质流速由变频器控制。实验各参数水平范围为：温度50～70℃，介质风速36～40km/h，喷嘴高度100～130mm，干燥盒宽度固定为150mm，物料厚度固定为一个香菇去柄伞面厚度。为了分析各因素对干燥速率的影响，对以上条件进行了单因素实验，实验测得的质量换算成水分比和干燥速率。平衡水分按文献[16]介绍的方法进行确定。在开始实验前，调节干燥器使干燥室温度达到要求的干燥温度并达到稳定时取一定质量的香菇，单层均匀平铺于热管射流干燥箱的干燥盒内分别采用不同温度、介质流速及喷嘴高度进行干燥，每隔30min记录样品质量直至样品含水率达到12%～13%为止。

1.2.1 水分测定 水分按文献[17]方法进行测定。干燥实验中的水分比MR表示一定干燥条件下物料的剩余水分率，由式（1）表示[18-19]：

式中，Mt、M0、Me分别表示t时刻含水量、初始含水量、平衡含水量。由于Me的值相对Mt与M0来说较小，简化后的误差可忽略不计，因此水分比可简化为式（2）表示：

干燥速率可用式（3）计算：

式中，Mt+dt为样品在t+dt时刻的含水率，%；Mt为样品在t时刻的含水率，%；dt表示相邻2次测量的时间间隔。

1.2.2 干燥模型 选择3种运用较多的干燥基础数学模型对干燥数据进行拟合验证，用R2（correlation coeffcient），χ2（reduced chi-square），RMSE（root mean square error）3个参数评价模型拟合结果的好坏。三种干燥基础数学模型见表1，三个参数计算方法见式（4）～式（6）[19-20]。

表1 三种干燥基础数学模型Table 1 The math model of three kinds of drying basic

式中，MRexp，i和MRpre，i分别为第i个数据点的实验所得MR和模型预测所得MR；N为实验数据点的个数；n为模型中参数的个数。

R2是评价模型拟合程度好坏的一个最重要的指标，R2越大，χ2和RMSE越小，说明模型拟合程度越高。

1.2.3 数据分析 应用Excel和DPS数据处理软件对数据进行模型拟合分析。

2 结果与分析

2.1 香菇热管射流干燥特性

2.1.1 射流温度对香菇热管射流干燥特性的影响

图2、图3表示介质风速为38km/h、喷嘴高度为100mm恒定条件下，温度对香菇干燥特性的影响。从图2不同温度下香菇射流干燥特性曲线可知，物料水分比随温度增加下降，物料干燥所需时间随着温度提高而减少，在50、60、70℃干燥条件下，至安全含水量（12%～13%）所需时间分别为180、150、120min。随着温度增高，干燥时间缩短，说明温度提高，干燥速率增大。

图2 不同温度干燥曲线Fig.2 Drying curves under different temperature

图3 不同温度干燥速率曲线Fig.3 Drying rate curves under different temperature

不同温度下香菇射流干燥速率曲线如图3所示，干燥速率随着干燥温度提高明显加快，干燥过程大体分为3个阶段：加速、恒速、降速干燥阶段。在干燥加速阶段，由于物料初始含水率较高，干燥介质相对湿度与物料湿度差较大，而且喷出的气体具有极高的速度，且流体的流程短，直接冲击到需加热的物料表面时，气流与物料表面之间产生非常薄的边界层，使传质推动力增大，水分蒸发快，干燥速率也随之增大。恒速干燥阶段，水分由物料内部向表面迁移的速率与水分迁移到表面后的蒸发速率相等，干燥速率基本保持恒定，不随物料含水率变化，但70℃时恒速段干燥速率变化幅度较大，可能是在高温射流冲击下外部蒸发速率大于内部迁移速率所致。降速阶段随着物料内部含水量的减少，水分由物料内部向表面迁移速率减小，导致干燥速率逐渐减小。温度低，干燥时间长，温度高，易褐变，影响外观色泽，所以干燥温度以60℃为宜。

2.1.2 介质风速对香菇热管射流干燥特性的影响图4、图5表示干燥温度为60℃、喷嘴高度为100mm恒定条件下风速对香菇干燥特性的影响。从图4不同风速下香菇射流干燥特性曲线可知，物料水分比随风速增加而下降，物料干燥所需时间随着风速提高而减少，在36、38、40km/h干燥条件下，至安全含水量（12%～13%）所需时间分别为270、150、120min。随着风速增高，干燥时间缩短，干燥速率增大。

图4 不同风速干燥曲线Fig.4 Drying curves under different air velocities

图5 不同风速干燥速率曲线Fig.5 Drying rate curves under different air velocities

不同风速下香菇射流干燥速率曲线如图5所示，随着干燥风速提高，干燥速率明显加快，风速越大，使得空气中湿度增加越少，空气与物料间的湿度差就越大，同时传热与传质边界层减薄，传热系数、传质系数均增大，干燥速率也就越大。因此提高风速对干燥过程有利[21]，但风速过大物料在高速气流冲击下相互撞击加大，干燥后期物料边缘出现破损。因此，干燥介质风速取40km/h为宜。

2.1.3 喷嘴高度对香菇热管射流干燥特性的影响

图6、图7表示射流温度和风速恒定的条件下喷嘴高度对香菇干燥特性的影响。从图6不同喷嘴高度下香菇射流干燥曲线可知，随着喷嘴高度增大，干燥时间越长，但不同喷嘴高度条件下的干燥时间差异不大，当喷嘴高度为130mm时，将香菇干燥至安全含水量（12%～13%）需255min，而在喷嘴高度为100、115mm时，干燥时间为210、240min。从图7干燥速率曲线图可知，干燥仍分为三个阶段，不同喷嘴高度条件下干燥速率差异不大。喷嘴高度小时，物料表面冲击气流流速快，干品表面弹性较差，喷嘴高度大时，各喷嘴冲击气流作用断面增加，在设备喷嘴间距固定情况下，射流作用区产生挟带，所以喷嘴高度以115mm为宜。

图6 不同喷嘴高度干燥曲线Fig.6 Drying curves under different nozzle height

图7 不同喷嘴高度干燥速率曲线Fig.7 Drying rate curves under different nozzle height

2.2 干燥动力学模型

2.2.1 动力学最佳模型的选择[18-20]运用3种模型对干燥温度为60℃、风速为40km/h、喷嘴高度为115mm的干燥实验数据进行拟合，结果见表2。

表2 薄层干燥数学模型及其拟合结果Table 2 Statistical results acquired from three thin-layer drying models

从表2可知，单项扩散模型、Logarithmic模型、Page模型的R2值为0.9857、0.9999、0.9990，Logarithmic模型的R2值最大，Logarithmic模型的χ2、RMSE值分别为0.00004和0.004，小于单项扩散模型和Page模型，因此选择Logarithmic模型作为香菇热管射流干燥的数学模型。

将实验数据代入所选Logarithmic模型MR=aexp（-kt）+c，用DPS数据处理软件进行非线性回归分析[22]，获得回归模型参数为a=0.89，k=0.03，c=0.11，故香菇热管射流干燥动力学模型为MR=0.89exp（-0.03t）+0.11。其方差分析见表3。经方差分析，得到回归方程极显著p＜0.05，回归方程系数也极显著p＜0.05，回归方程确定系数R2=0.9999，说明模型的拟合度良好，实验误差小，该模型能很好地描述香菇热管射流干燥规律。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.2.2 模型验证 为检验回归模型的准确度[23]，选取实验中的一组数据进行检验：射流温度60℃，介质风速40km/h，喷嘴高度115mm。用所选模型在该条件下进行预测，预测值与实际值的比较见图8。由图8可知，实际值与预测值基本吻合，说明Logarithmic模型较准确地反映了香菇热管射流干燥规律，对干燥过程可以起到预测作用。

图8 相同条件下实验值与预测值的比较Fig.8 Comparison of experimental and predicted moisture ratios under the same conditions

3 结论

香菇热管射流干燥过程总体上可分为加速、恒速以及降速3个阶段，但在温度和风速较高时，恒速段不明显，干燥速率变化幅度较大。射流温度与风速是影响香菇干燥速率的主要因素，随射流温度和风速的增大，干燥速率增大，干燥时间缩短。增加风速使传热与传质边界层减薄，有利于增加传热与传质效果，提高干燥速率，对干燥过程有利。不同喷嘴高度对干燥速率与干燥时间的影响差异不大。香菇热管射流干燥的适宜参数为温度60℃，风速40km/h，喷嘴高度115mm。

对干燥基础数学模型拟合分析表明，Logarithmic模型的拟合度最高，有最大的R2值、最小的χ2和RMSE值，其值分别为0.9999、0.00004和0.004，并且模型实验干燥曲线与预测干燥曲线基本吻合，说明Logarithmic模型较准确地反映了香菇热管射流干燥过程水分变化规律，对干燥过程可以起到预测作用。

用数据处理软件将实验数据对所选模型进行非线性回归分析，获得回归模型参数为a=0.89，k=0.03，c=0.11。所以得到适合香菇热管射流干燥动力学模型为M=0.89exp（-0.03t）+0.11。

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