山药切片热风干燥动力学试验

樊迎

（山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

山药切片热风干燥动力学试验

樊迎

（山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

在风速和风量一定的条件下，研究山药在不同切片厚度和不同干燥温度的热风干燥过程；拟合出其干燥曲线，计算其XC值（临界含水量）、α值（传热膜系数）、KH值（传质系数）及其他动力学参数。结果表明，温度在60℃、山药切片厚度为3 mm时干燥情况较好，同时其对应干制品的复水性也较好，其干燥方程也符合Page模型；并且随切片厚度增大，α值与KH值均减小，但温度对二者影响并不大。

山药；切片干燥；复水比；动力学模型；参数

山药属薯蓣科多年蔓生草本植物薯蓣的块茎，是一种良好的药食同源性植物[1]。因其营养丰富，自古以来就被视为物美价廉的补虚佳品，既可作主粮，又可作蔬菜，还可以制成糖葫芦之类的小吃。山药含有黏液蛋白、微量元素、维生素以及皂苷、多酚氧化酶和淀粉酶等活性物质，具有很高的食用价值[2-5]；味甘、性平，入肺、脾、肾；不燥不腻，具有健脾补肺、益胃补肾等功效[6-9]。故常食山药，对人体具有一定的好处。

但是山药对贮藏温度、通风等条件的要求较高，管理不好容易坏、烂，不易贮藏，人们通常将山药制成干品来存放。本试验重点研究山药切片干燥过程的动力学[10]，以期为工农业生产及相关研究提供一些数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

新鲜市售长山药，产自山西临汾乡宁下县村。

1.2 主要试剂和仪器设备

柠檬酸、NaCl和Vc均为国产分析纯。

GZX-9140MBE型数显鼓风恒温干燥箱，上海博迅实业有限公司；GL-Z型恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

由于山药切片在空气中易氧化变色，故要先用NaCl，Vc和柠檬酸配成的混合溶液（各成分浓度分别为NaCl 0.7%，Vc 0.3%，柠檬酸0.6%）浸泡4 h[11]。先采用数显鼓风干燥箱干燥山药切片至恒质量，再用恒温加热磁力搅拌器干燥至绝干。物料质量随着时间的变化采用减重法测量[12]，进而得出物料的干基含水量（X，g/g，是指湿物料中的水分质量与其中绝干物料质量的比值）和其干燥速度（U）的变化趋势，分别绘出不同切片厚度和不同干燥温度下时间与干基含水量以及干基含水量与干燥速度的关系曲线图，计算出干燥过程的α值和KH值，并进行关联[13-14]。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件的比较

2.1.1 不同山药切片厚度对于干燥过程的影响

2.1.1.1 干燥曲线和干燥速度曲线的绘制将山药去皮后切成一定厚度（直径约为3.5 cm）的圆片状，在温度为60℃的条件下考察切片厚度分别为1，2，3，4 mm时的干燥过程，得到其干燥曲线（图1）及其干燥的速度曲线（图2）。

从图1，2可以看出，在其余条件一致时，山药的切片厚度越小，经同样的时长处理之后其含水量就会越低。因为切片厚度越小，传质阻力越小，干燥速度就越快。因此，较薄的切片对干燥过程有利。2.1.1.2复水比测定在以上试验过程中，直至干燥到物料恒质量，立即将绝干物料放入盛好蒸馏水的烧杯中吸水30 min，取出沥干表面并称质量、计算复水比（表1）。

表1 不同切片厚度的复水比（Rf）

从表1可以看出，不同切片厚度对复水比有一定的影响，在厚度较小时（≤3 mm时），随着山药切片厚度加大，复水性变化不是太大，且切片厚度为3 mm时复水性最好；当山药切片厚度继续增加时，复水比反而会减小。

2.1.2 不同温度对于干燥过程的影响

2.1.2.1 不同温度下干燥曲线、干燥速度曲线的绘制将山药切成厚度为3 mm（直径约为3.5 cm）的圆片状，分别测定40，50，60，70℃这4个固定温度对于干燥整个过程的影响，经绘制得到其相应的干燥曲线（图3）和干燥速度曲线（图4）。

从图3，4可以看出，温度与干燥物料的含水量成反比。因为干燥的温度越高，其产生的传热跟传质的推动力就相应地越大，干燥速度自然也就会越快，所需时间就会越短。所以，提高干燥温度对该过程有利，但若温度过高，营养成分又可能会被过多地破坏[15]。

2.1.2.2 复水比测定其测定参照2.1.1.2的方法进行。从表2可以看出，不同干燥温度对复水性也有一定影响，60℃效果最好，温度高或低的复水比均会下降。

表2 不同干燥温度的复水比（Rf）

2.2 山药切片干燥过程的动力学分析

2.2.1 干燥方程的拟合[16-17]物料薄层切片的干燥方程曲线模型一般均符合Page方程，那么，接下来就对试验数据开始进行拟合。Page方程如下：

对上式线性化计算后得到：ln（-ln（X－X*）/（X0－X*））＝NlnT＋lnK

式中，T代表时间（s）；K，N是常数；X，X0，X*分别表示物料的干基含水量、初始含水量和平衡含水量（g/g）。

分别对60℃时切片厚度为1，2，3，4 mm和切片厚度为3 mm时干燥温度分别是40，50，60，70℃的这8组数据，用最小二乘法进行线性回归分析，其结果分别列于表3，4。从表3，4可以看出，每个条件试验点线性关系都在误差范围内，均较好；同时不同的切片厚度和干燥温度变化都对方程的2个参数K和N的值有影响，且厚度变化对K和N的影响更明显。另外，山药切片越厚，XC值越大、X*值越小，这也符合干燥原理。

表3 不同山药切片厚度的干燥参数

表4 不同山药干燥温度的干燥参数

然后将不同厚度和不同温度的干燥参数带入Page方程中，计算出各条件下的干燥方程。

切片厚度：1 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 179 08 T1.0534）；2 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 222 88 T1.0161）；3 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 270 76 T0.9295）；4 mm，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 360 04 T0.8680）；温度：40℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.00049295T0.9660）；50℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 402 15 T0.9207）；60℃，（XX*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 270 76 T0.9295）；70℃，（X－X*）/（X0－X*）＝exp（-0.000 259 02 T0.8369）。

2.2.2 XC值（临界含水量）的推算据文献[18]报道，恒速干燥速率的方程式为：U1＝GC（X0－XC）/ ST1；降速干燥速率的方程式为：U2＝GC（X0－X*）/ ST2ln（（XC－X*）/（X2－X*））。

式中，GC代表绝干物料质量（kg）；S代表干燥面积（m2）；在临界点处满足U1＝U2，即有：

GC（X0－XC）/ST1＝GC（X0－X*）/ST2ln（（XC－X*）/（X2－X*））；

则：（X0－XC）/T1＝（X0－X*）/T2ln（（XC－X*）/（X2－X*））。

现对山药且切片干燥的最适条件（即温度60℃、切片厚度3 mm）下的数据进行XC值的推算，由表3可得出，该条件下X*＝0.21 g/g，X0＝7.51 g/g。干燥时间T1，T2由干燥方程能求出：（5.35－0.21）/（7.51－0.21）＝exp（-0.000 270 76 T10.9295），可计算得出：T1＝1 116 s；（1.02－0.21）/（5.35－0.21）＝exp（-0.000 270 76T20.9295），可算得：T2＝13 284 s。

从而推算出该条件下XC＝5.29 g/g，与经试验所得到的XC值（5.35 g/g）基本符合。

2.2.3 恒速干燥阶段α值的计算及关联根据已查文献[19]得出，α（t－tw）＝NWrw,不难得出：α＝NWrw/（t－tw）。式中，t和tw分别代表干球温度跟湿球温度（℃）；NW代表水分汽化的速率（kg/（m2·s））；rw代表在tw条件下的比汽化热（KJ/kg）。

分别计算山药不同切片厚度和温度下的α值，其结果列于表5，6。

表5 不同山药切片厚度所对应的α值

表6 不同山药干燥温度所对应的α值

表5显示，山药切片厚度越大，α值越小，由相应数据可得出α与L的关联式：α＝0.074 3L-0.4365（R2＝0.966 1）；而从表6也可以看出，温度对α值影响不大。

2.2.4 恒速干燥阶段KH值的计算及关联[20]由公式NW＝KH（HW－H）得到KH＝NW/（HW－H）。

式中，HW代表在tw下空气的饱和湿度；H代表湿度（二者单位为：kg/kg）。

根据上面公式，计算出不同山药切片厚度和不同干燥温度对应的KH值（表7，8）。

表7 不同山药切片厚度对应的KH

表8 不同山药切片干燥温度对应的KH

表7数据提示，山药切片随着厚度的增大，传质系数的KH值反而减小，由其对应数据可计算出KH和L的关联式：KH＝0.041 3L－0.4372（R2＝0.967）；而表8数据则显示，温度对KH值的影响不大。

3 结论

本试验研究了山药切片的热风干燥动力学过程，通过工艺条件的比较，发现温度在60℃、切片厚度为3 mm时，干燥情况较好，同时其干制品的复水性也较好；不同条件下，山药切片干燥曲线、干燥速度曲线图像趋势基本相同，且切片越薄、温度越高，曲线就越陡；通过计算不同条件下山药切片的传热膜系数α与传质系数KH，发现每个条件下的干燥曲线均符合Page方程；通过推算临界含水量XC，发现理论与试验的XC数据吻合程度较好；通过比较不同温度和不同山药切片与传热膜系数α与传质系数KH的影响，发现α与KH均受切片厚度的影响较明显，且均是随厚度增大反而减小，干燥温度则对二者影响不大。

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Study on the Dynamics Test of Sirocco Drying of Sliced Yam

FANYing
（College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

It had been studied that the influence of the wind speed and the wind quantity on sliced yam with hot air under certain condition.The dryequations ofsliced yam were fitted,and it was correlation dynamics parameter,such as XC（the critical water content）, α（heat transmission membrane coefficient）,and KH（quality transmission coefficient）,were also calculated.The results showed that the dry condition of sliced yam was best under 60℃and 3 mm,at the same time,the rehydration rate was also better than other conditions. The dryequation alsoaccorded with the Page model well.Both α and KHwere increased when the sliced yamthickness rised,but the dry temperature had little effect on the twoparameters.

yam;dryingofsliced;rehydration ratio;dynamics model;parameter

TS255.3

A

1002-2481（2016）04-0528-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.04.27

2015-12-10

樊迎（1987-），女，山西运城人，助教，硕士，主要从事食品新资源开发与功能性食品研究工作。