隧道式烘房挂面干燥工艺特征分析

王 杰 张影全 刘 锐 张 波 魏益民

隧道式烘房挂面干燥工艺特征分析

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综合性重点实验室，北京 100193）

为了解隧道式烘房挂面干燥温度、相对湿度以及挂面水分含量的动态变化，确定工艺参数及其关键控制点。采用179A-TH智能温度湿度记录仪在线监测隧道式烘房挂面干燥过程的温度和相对湿度；测定挂面的水分含量，绘制干燥脱水曲线。结果显示，隧道式烘房挂面干燥温度呈现近似抛物线的形式，相对湿度随着挂面干燥时间不断降低；烘房不同空间位置（上、中、下及左、中、右）的温度和相对湿度存在显著性差异（P＜0.05）；三次多项式回归方程对挂面干燥脱水曲线的拟合效果最好（R2＝0.999 4）。结果认为，隧道式烘房挂面干燥工艺参数符合挂面干燥工艺技术规程；三次多项式回归方程-数学模型对实现挂面干燥工艺标准化和自动化有重要的指导意义。

挂面 干燥工艺 干燥曲线 温度 相对湿度 在线监测

挂面干燥工艺是挂面生产的关键工序［1］。干燥工艺的合理性与产品产量、质量及生产成本有着极为重要的关系［2-4］。在线监测挂面干燥工艺参数，分析工艺参数特征，了解挂面含水量的动态变化，对优化挂面干燥工艺，确定挂面干燥工艺关键控制点，节能降耗，提高产品质量和生产效益有着重要的指导意义。

国内外学者对面条的干燥特性及其理论研究较为深入，特别是对意大利杜伦麦面条和日本乌冬面的研究已有大量报道［5-16］。研究表明，面条属于内部扩散控制性物料，当干燥介质的温度和相对湿度差异过大、干燥速率过快时，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，且发生收缩，使面条内部受压、外表紧绷，会产生变形、酥条、裂纹等不良后果［17］。Hills等［7］研究认为，面条在高温干燥的同时，应当保持一定的相对湿度，以减少面条表面和内部之间的水分差距，这样就能有效地防止由于干燥过快而导致的应力性龟裂。陆启玉［2］认为，防止挂面酥条，关键是要避免湿面条表面由于干燥过快而导致的“结膜”，要防止表面“结膜”，必须在干燥前期保持较高的相对湿度，使挂面的水分在一定的相对湿度下缓慢地蒸发，保持外扩散与内扩散的速度基本平衡，即“保湿烘干”。挂面干燥通常分为预干燥阶段、主干燥阶段和最后干燥阶段［18-19］。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质量、产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质量和干燥速率的影响较大［2］。由于面粉质量、产品规格以及烘房结构的差异，挂面生产企业在烘房结构设计、干燥工艺参数控制、烘房节能降耗等方面一直存在合理性问题，这些问题已成为限制挂面行业发展的重要技术瓶颈。近年来，高精度数字化或在线温度湿度测量仪器已经广泛用于生产，其特点是直读、灵敏、准确，具有自动存储数据和绘图功能，其所能耐受的工作环境及用途也越来越广泛。将此类测量仪器应用于挂面干燥过程的在线监测，分析烘房的挂面干燥工艺参数，指导烘房工艺参数控制，在国内还不多见。

目前，挂面加工企业对于挂面干燥工艺既没有标准化的工艺参数可依，又缺少自动化或智能化的控制系统。挂面干燥工艺主要依靠技术人员的经验和精心操作来实现，且烘房内的温度和湿度容易受到季节和天气变化的影响，导致产品质量不稳定（劈条、酥条、水分含量超标），能耗利用不合理，企业效益受到影响。对于挂面干燥工艺参数，应准确及时地测定其数据，掌握变化规律，建立挂面干燥脱水曲线模型，以便操作人员及时监控和调整生产工艺参数。

本研究采用179A-TH智能温度湿度记录仪在线监测隧道式烘房挂面干燥的温度和相对湿度；测定挂面的水分含量，绘制干燥脱水曲线；分析挂面干燥过程中温度、相对湿度及挂面水分含量的动态变化，确定工艺参数及其关键控制点；为挂面干燥工艺的过程控制提供依据和方法。

1 材料与方法

1.1 时间和地点

试验于2013年3月1日至4日在挂面生产企业隧道式烘房实施。

隧道式烘房长60 m、宽6 m、高3.5 m。主要由烘道、供热系统、通风系统和传动系统等组成。挂面在传动系统的控制下匀速运行；挂面上方为供热系统，采用循环导热油通过管式散热器向烘房提供热量；通风系统主要由吊扇和风机构成，分别用于产生热对流和排除挂面蒸发的水汽（图1）。

图1 挂面干燥过程温度湿度在线监测示意图

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。

1.3 试验方法

1.3.1 挂面工艺参数在线监测

根据挂面在面杆上的悬挂长度（1.30 m），制作3个宽0.05 m的不锈钢钩条。将179A-TH智能温度湿度记录仪分别固定在不锈钢钩条的上、中、下位置；在挂面切条上架后，将准备好的仪器与设备并排悬挂在烘房隧道的第1、3、5道挂面传送装置上，即左、中、右位置；仪器设备跟随挂面的链条传动装置一起运行，在线监测烘房隧道9个空间位置的温度和相对湿度（图1）。干燥的产品为2 mm精粉挂面。监测试验重复3次。

反思：铝和氢氧化钠溶液反应的实质是铝先和H2O反应生成Al(OH)3和H2,生成的Al(OH)3再和氢氧化钠反应生成NaAlO2和H2O。为什么铝单质平时不和水反应?是因为生成的Al(OH)3难溶于水,阻止了铝和水的反应,铝表面的氧化物也阻止了铝和水的反应。铝是不能将氢氧化钠中的H置换出来的,所以下列表示法是错误的:

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位置变化的曲线，且与挂面干燥的温度湿度在线监测同步进行。设定干燥挂面的取样位置为1、15、30、45和59 m，并且与9个温度湿度记录仪所处的空间位置相对应。对应不同干燥位置挂面的水分含量（Ws），如下式所示：

式中：ms为挂面在任意干燥s位置的总质量／g；m为挂面的干物质质量／g。水分含量测定参照GB／T 5009.3—2010，重复3次。

1.4 数据处理

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为隧道式烘房9个监测位置挂面的干燥温度曲线。烘房温度呈现近似抛物线，初始干燥温度为22℃，持续20 min后温度开始上升，上升过程烘房的温度均匀性较差；102 min时温度达到了最高值，为45.07℃；150 min后烘房温度开始降低，在181～201 min时间段内烘房降温速率较快；烘房末尾的干燥温度稍高于初始干燥温度。

图2 隧道式烘房挂面干燥温度曲线

烘房9个监测位置的温度参数如表1所示。烘房内不同位置的平均温度表现出一定的差异，右上位置的平均温度最高（34.0℃），右下位置的平均温度最低（32.2℃），最大差值达1.8℃。不同位置温度的变异系数比较接近。

对烘房空间位置上、中、下及左、中、右的温度值进行配对方差分析认为（表2），上、中、下及左、中、右位置间的温度均存在显著差异。基本趋势为从上到下、从右到左温度逐渐降低。可见，即使在有对流风扇的同一开放空间，不同位置的空气介质温度仍然具有显著差异。初步分析认为，这与烘房的管式散热器位置及循环导热油的进出口位置有关。

表1 隧道式烘房空间位置的温度特征

表2 隧道式烘房空间位置的温度差异分析

2.2 挂面干燥湿度曲线及特征

图3 隧道式烘房挂面干燥湿度曲线

烘房各监测位置的湿度特征如表3所示。9个空间位置的平均湿度在74%～82%之间，各位置湿度的变异较大，为16.41%～22.29%。在前期干燥的部分时间段内，烘房部分位置的相对湿度达到了100%的饱和状态。

表3 隧道式烘房空间位置的湿度特征

对烘房空间位置上、中、下及左、中、右的相对湿度值进行配对方差分析。结果如表4所示。烘房上、中、下及左、中、右位置间的相对湿度均存在显著差异。中、下位置的相对湿度显著高于上部；右边显著高于左边。

表4 隧道式烘房空间位置的湿度差异分析

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，定点测定挂面干燥脱水曲线（图4）。

图4 隧道式烘房空间位置挂面的干燥脱水曲线

挂面干燥过程的含水量变化如表5所示。挂面干燥的初始和末尾平均含水量分别为28.71%和11.88%，干燥过程4个阶段的脱水率（脱水率＝阶段脱水量／总脱水量）分别为 13.79%、38.68%、33.09%、14.44%，多数（71.77%）挂面水分在烘房15～45 m的干燥过程中被脱去。

表5 隧道式烘房挂面干燥过程的含水量

另外，从表5可以看出，烘房初始（1 m）和末端（59 m）取样点9个空间位置挂面的水含量非常接近，变异系数仅为0.93%和1.45%；其他取样点（15、30、45 m）的含水量变异系数也均小于10%。表明烘房不同空间位置挂面的水分含量差异不大，干燥过程的脱水速率较为一致。

2.4 隧道式烘房挂面干燥脱水模型

根据烘房9个不同位置处挂面的干燥脱水曲线数据，对挂面在烘房中的运行位置和水分含量进行回归分析。图5为隧道式烘房挂面干燥脱水模型曲线。

图5 隧道式烘房挂面干燥脱水模型曲线

结果显示，三次多项式回归方程的相关性最高，方程决定系数（R2）为0.999 4。回归方程如下：

式中：X为挂面在烘房中的运行距离／m；Y为挂面在烘房中运行至X（m）处的含水量／%。

3 讨论

采用179A-TH智能温度湿度记录仪对隧道式烘房挂面干燥过程的温度和相对湿度进行在线监测，能够直观显示和判断烘房温度、湿度的动态变化及其分布特征。与此同时，建立隧道式烘房挂面干燥脱水模型曲线，对优化挂面干燥工艺，改造挂面干燥设备，实现挂面干燥工艺标准化及自动化提供方法和参数依据。

生产中挂面干燥工艺基本是按照“三段式”挂面干燥理论设计和操作。预干燥阶段通常是指将面条含水量从（30±0.5）%降到（28±0.5）%的阶段［2］，干燥温度一般控制在15～25℃，相对湿度85%～95%。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，防止由自身重力而导致面条拉长和断裂。主干燥阶段通常是指将挂面含水量从（28±0.5）%降至（17±0.5）%的阶段，最高干燥温度一般在45℃以下，相对湿度不得低于75%。由于面条脱水量较大，脱水速率较快，因此，主干燥阶段既是挂面脱水干燥的主要阶段，又是防止产品质量出现问题的关键阶段。主干燥阶段的挂面干燥需要遵循“保湿烘干”原理，即保持烘房较高的相对湿度，使面条表层水分的汽化速率始终小于或等于内部水分向表面的迁移速率。最后干燥阶段属于降温散热阶段，要求挂面在缓慢降温的过程中继续脱水干燥，最终达到规定成品的水分要求（14.5%以下），并保持面条内外水分和温度的平衡。降温速率通常以每分钟降低0.5℃为宜［19］。对比分析挂面干燥工艺理论和隧道式烘房挂面干燥工艺参数的在线监测结果，认为该隧道式烘房挂面的干燥工艺特征基本满足挂面干燥工艺理论和技术要求。

挂面干燥工艺的标准化和自动化是未来挂面行业的发展方向［21-22］。本研究在在线监测挂面干燥工艺参数的同时，测定挂面的干燥脱水曲线，并针对挂面在烘房中的运行位置和水分含量进行回归分析，得到了决定系数较高的三次多项式回归方程，展现了挂面在烘房中的干燥脱水规律。进一步的研究还应验证及修正已建立的回归方程-数学模型，进而在挂面干燥生产线配备在线测量水分含量的仪器，再结合该回归方程-数学模型建立挂面干燥工艺参数（温度、相对湿度、干燥时间）的程序控制系统，从而实现挂面水分含量等质量特性的在线检测及干燥工艺的自动化控制。

4 结论

4.1 179A-TH智能温度湿度记录仪能够在线监测隧道式烘房挂面干燥过程的温度、相对湿度和干燥时间。

4.2 本研究的隧道式烘房挂面干燥工艺参数满足挂面干燥工艺技术规程。

4.3 三次多项式回归方程-数学模型对实现挂面干燥工艺标准化和自动化有重要的指导意义。

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Analysis on the Characteristics of Drying Process for Chinese Dried Noodle in the Tunnel-Type Drying Chamber

Wang Jie Zhang Yingquan Liu Rui Zhang Bo Wei Yimin
（Institute of Agro-Products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agriculture Sciences Key Laboratory of Agro-Products Processing，Ministry of Agriculture，Beijing 100193）

The purpose of this research was to understand the dynamic change of drying temperature，relative humidity and moisture content of the noodle in tunnel-type drying chamber in order to determine the parameters and critical control point during drying process.The 179A-TH intelligent temperature and relative humidity recorder has been adopted to monitor the on-line temperature and relative humidity of the tunnel-type drying chamber.Meanwhile，the moisture content of the noodle was measured，and the dehydrate curves has been drawn synchronously.The results showed that the variation of drying temperature was described approximately in a form of parabolic.The relative humidity decreased gradualy through the drying process.There were significant differences（P＜0.05）on the temperature and relative humidity among different spatial position（included upper，middle，lower and left，middle，right）in the tunnel-type drying chamber.The drying dehydrate curve could be well fitted by cubic polynomial regression equation（R2＝0.999 4）.It is concluded that the drying process parameters conform to the technical practice of the noodle drying process.The cubic polynomial regression equation-mathematical model have an important guiding effect for standardization and automation of the drying process of Chinese dried noodle.

Chinese dried noodle，drying process，drying curves，temperature，relative humidity，online monitoring

TS211.4

A

1003-0174（2014）03-0084-06

现代农业（小麦）产业技术体系专项（CARS-03），企业技术服务（2012-2013）

2013-05-07

王杰，男，1987年出生，硕士，农产品加工工程

魏益民，男，1957年出生，教授，食品质量与安全及加工技术