无核白葡萄箱式热风干燥特性及干燥模型研究

杨嘉鹏 闫圣坤 徐立军 刘 岩

(1. 新疆工程学院电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830022；2. 新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)



无核白葡萄箱式热风干燥特性及干燥模型研究

杨嘉鹏1闫圣坤2徐立军1刘 岩1

(1. 新疆工程学院电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830022；2. 新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

分析热风温度(30～45 ℃)、热风风速(0.5～2 m/s)等因素对无核白葡萄干燥特性的影响，计算不同条件下水分有效扩散系数(Deff)及干燥活化能(Ea)，再采用4种薄层干燥模型对不同试验条件进行非线性拟合，并比较不同条件的R2、RMSE和χ2值。结果表明：在干燥过程中，随着干燥温度及风速的升高，Deff也随之升高，利用阿伦尼乌斯公式计算出无核白葡萄的干燥活化能为22.95 kJ/mol。通过4种模型的R2、RMSE和χ2值比较，Parabolic模型的拟合结果最好，最能描述葡萄干燥过程中水分比的变化规律，可为无核白葡萄干燥生产提供理论依据。

热风干燥；无核白葡萄；水分扩散率；活化能；模型

葡萄是世界四大水果之一，由于具有易丰产、结果早、适应性强等优点，被广泛栽植于世界各地。中国是世界葡萄主产区，尤其是吐鲁番葡萄干年产量占全国葡萄干产量的60%以上，已成为中国葡萄干最大的产区。干燥是无核白葡萄产后加工处理的重要环节之一。热风干燥葡萄干时间较传统自然晾晒可以缩短约1/3，同时提高了葡萄干的色泽品质。传统自然晾晒的干燥方法具有场所简单、不需专用设备的优点，但受气候条件的影响，干燥周期长、粉尘及鸟鼠污染严重，产品品质难以保证。热风干燥技术与其他干燥技术相比具有设备结构简单、制作成本低、物料批次处理量大等优点，已被广泛应用于烟叶[1]、杏子[2]、枸杞[3]、番木瓜[4]、葡萄干[5]等物料的干燥，并且产品品质也都有所提高。因此，开展热风干燥技术研究，提高无核白葡萄干制品品质、缩短干燥时间是今后葡萄产业发展的必由之路。

目前，国内外研究人员对葡萄热风干燥主要开展了热风干燥特性、水分扩散特性及干燥模型等的研究，如康彦等[6]利用热风干燥技术，研究用碳酸钾和橄榄油浸泡处理对无核白葡萄热风干燥特性的影响，得出干燥前预处理可以提高葡萄干的品质、同时缩短干燥时间。Azzouz等[7]研究了两种地中海种植的葡萄在对流热风干燥时的干燥动力学和水分扩散系数，评价了有效扩散系数，建立了干燥固体和约束物质的运动模型。孟阳[8]研究了热风干燥和贮藏包装方法对无核白葡萄干品质的影响，得出温度对无核白葡萄干干燥时间具有重要的影响，同时研究出充氮包装和真空包装对葡萄干贮藏效果较好。Togrul等[9]研究了热风干燥黑葡萄干，通过计算水分有效扩散系数，发现Page模型最能描述黑葡萄干干燥曲线。

本试验拟利用自制的热风干燥装置对无核白葡萄进行干燥，研究温度和风速对无核白葡萄干燥特性的影响，掌握无核白葡萄热风干燥干燥过程中水分的扩散规律，并在此基础上，确定拟合度较好的干燥模型，最终达到缩短干燥时间、提升产品品质的目的，为葡萄干制品的工业化生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验装置

本研究中采用的热风干燥装置见图1，主要由控制系统(控制系统、温湿度传感器)、加热系统(翅片管散热器)、循环系统(风机、排湿系统、进风系统)和机架等组成。设定好各个干燥阶段的参数后，开启加热系统和风机。当干燥温度达到设定温度时，将摆放在托盘内的物料放入干燥装置内，开始干燥。工作时，风机将空气吹至翅热管散热器处，加热后的空气经一侧条形风道进入到干燥室内，在风机的作用下，热风从另一侧的条形风道排出干燥室再一次运动到风机处形成循环风。

1. 风机 2. 排湿系统 3. 保温层 4. 控制系统 5. 翅片管散热器 6. 托盘 7. 机架 8. 温湿度传感器 9. 进风口

图1 热风干燥装置结构简图

Figure 1 Hot air drying device structure diagram

1.2 试验原料

试验所用的无核白葡萄购于乌鲁木齐市北园春市场，无核白葡萄的几何平均直径为(1.3±0.1) cm，平均质量为(3.0±0.2) g，初始湿基含水率为(77.21±0.3)%(热风干燥箱内105 ℃，干燥24 h[10])，原料要求新鲜、大小均匀、无表面破损和病虫害等。购置回来的无核白葡萄立即放入(5±1) ℃的冷库内进行保存。试验前需将外形尺寸基本相似无核白葡萄在质量浓度为3.5%的促干剂溶液(新疆惠普园艺新技术公司专利产品)中浸泡1 min，取出后清洗干净作为试验对象。

1.3 试验气候条件

试验在新疆乌鲁木齐市，日最高温度31 ℃，最低温度18 ℃；相对湿度最大35%，最小20%；最大风力Ⅱ级。

1.4 试验方法

将无核白葡萄浸泡在预处理溶液中3 min，取出后晾干，放入热风干燥装置中进行试验。热风干燥条件为：热风温度分别设定为30，35，40，45 ℃，风速1.0 m/s；风速分别为0.5，1.0，1.5，2.0 m/s，温度45 ℃。放入样品前，先对热风干燥设备进行调试，约2 h达到稳定的设定条件后再进行试验。从放入样品开始计时，每隔1 d用电子天平记录一次无核白葡萄的质量，计算干基含水率。直到葡萄干基含水率降到(0.25±0.30) g/g以下结束试验。每组试验重复2次，取平均值[6]。

1.5 试验计算方法

不同干燥时间无核白葡萄的水分比按式(1)计算：

(1)

式中：

MR——水分比；

M0——葡萄初始干基含水率，g/g；

Me——葡萄干燥到平衡时干基含水率，g/g；

Mt——葡萄在任意t时刻的干基含水率，g/g。

干燥速率的计算如式(2)所示：

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt1——t1时刻葡萄的干基含水率，g/g；

Mt2——t2时刻葡萄的干基含水率，g/g。

干基含水率Mt计算按式(3)计算：

(3)

式中：

Mt——干基含水率，g/g；

Wt——葡萄在t时刻的总质量，g；

G——葡萄干物质质量，g。

水分有效扩散系数Deff按式(4)计算[11-13]：

(4)

式中：

MR——水分比；

t——干燥时间，s；

r——葡萄当量半径，m；

Deff——水分有效扩散系数，m2/s。

干燥活化能按式(5)计算[14-15]：

(5)

式中：

D0——扩散基数，m2/s；

Ea——干燥活化能，kJ/mol；

t——干燥时间，s；

Deff——水分有效扩散系数，m2/s；

R——气体摩尔常数，8.314 kJ/mol。

1.6 数据处理与模型分析

利用MATLAB软件进行试验数据处理，数学模型的拟合程度可以由R2、χ2和RMSE表示[3]。R2与χ2和RMSE均呈负相关，描述无核白葡萄薄层干燥特性数学模型拟合程度较好。R2、χ2和RMSE分别按式(6)～(8)计算：

(6)

(7)

(8)

式中：

MRexp，i——实测水分比；

MRpre，i——预测水分比；

N——试测组数；

z——第z项；

N——常数的个数。

2 结果与分析

2.1 干燥条件对无核白葡萄干燥速率的影响

2.1.1 干燥温度的影响 当风速为1 m/s，不同干燥温度对无核白葡萄干燥速率的影响见图2。由图2可知，随着干燥温度的增加，水分比呈逐渐降低的趋势。干燥时间随干燥温度的升高而缩短，是因为温度越高，物料中水分汽化扩散到干燥介质中速度越快，从而加快了水分迁移的速度[16]。

图2 干燥温度对无核白葡萄干燥速率的影响

2.1.2 干燥风速的影响 当温度为40 ℃，不同风速对无核白葡萄干燥速率的影响见图3。由图可3知，无核白葡萄的水分比随着干燥时间的延长而呈现降低的趋势。风速越高，干燥时间越短，主要是因为增加风速，也就增加了无核白葡萄表面接触干热空气的量，增加了无核白葡萄内水分的蒸发，所以干燥时间越短。

2.2 无核白葡萄水分有效扩散系数

水分有效扩散系数主要用于判断干燥过程中，物料中水分迁移速度的情况。由于无核白葡萄在整个干燥过程中只存在降速阶段[17-18]，因此，可以用费克第二定律来计算无核白葡萄干燥过程中的水分有效扩散系数。

图3 风速对无核白葡萄干燥速率的影响

图 4、5分别为无核白葡萄在不同温度与风速条件下，lnMR随干燥时间t的变化曲线，通过线性回归计算Deff，见表1。

由表1可知，在干燥的过程中，随着干燥温度的升高，Deff也随之升高，主要是由于随着温度的升高，物料中水分子的运动不断加剧，造成水分有效扩散系数也不断提高，进而加快了干燥的进程。相同温度时，随着风速的升高，Deff值介于4.66～5.18。说明干燥温度对Deff值的影响更为显著。

图4 不同干燥温度下无核白葡萄lnMR与干燥时间的关系

图5 不同风速下无核白葡萄lnMR与干燥时间的关系

干燥条件线性回归拟合公式R2Deff/(×10-6m2·s-1)30℃,1.0m/slnMR=-0.2336t+0.35220.93504.0035℃,1.0m/slnMR=-0.2515t+0.33160.93984.3140℃,1.0m/slnMR=-0.2966t+0.28080.95295.0845℃,1.0m/slnMR=-0.3777t+0.32840.96386.4740℃,0.5m/slnMR=-0.2719t+0.24880.97484.6640℃,1.5m/slnMR=-0.3242t+0.32550.94265.5640℃,2.0m/slnMR=-0.3020t+0.23140.95745.18

2.3 不同温度条件下无核白葡萄的干燥活化能

2.4 干燥模型的确定

干燥模型主要是用于分析干燥规律，更加准确地分析不同工艺的干燥参数。表2列出了4种常见的薄层干燥模型、参数值及R2、RMSE和χ2值。

由表2可知， 4 个模型中，Parabolic模型的R2最大、χ2和RMSE相对较小，R2范围为0.994 5～0.998 8、χ2范围为0.000 05～0.008 36、RMSE范围为0.010 55～0.028 91。说明无核白葡萄的干燥特性与二次多项式Parabolic模型最符合，Parabolic模型可以用干燥温度表达为式(9)：

表2 无核白葡萄热风干燥模型参数及R2、RMSE和χ2值

图6 Deff与绝对干燥温度倒数的关系曲线

MR=(-0.003 6T3+0.026 4T2-0.056 1T+1.036 2)+(-0.009 3T3+0.071 4T2-0.141 7T+0.198 6)t+(-0.000 9T3+0.006 9T2-0.013 9T3+0.011 5)t2。

(9)

3 结论

(1) 本试验确定了不同干燥温度和风速下，无核白葡萄干热风干燥的干燥曲线。结果表明，热风温度和风速对无核白葡萄干的干燥特性影响较大，随着热风温度和风速的升高，干燥速率也增大，干燥时间缩短，并且在整个干燥过程中，随着干燥温度及风速的升高，Deff也随之升高，利用阿伦尼乌斯公式计算出无核白葡萄的Ea为22.95 kJ/mol。

(2) 通过4种模型的R2、RMSE和χ2值比较，Parabolic模型的拟合效果最好，最能描述葡萄干燥过程中水分比的变化规律，利用该模型预测并控制无核白葡萄干燥条件，优化葡萄干干燥工艺，为无核白葡萄干燥生产提供理论依据。

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Drying characteristics and mathematical model of hot air drying for white seedless grape

YANG Jia-peng1YAN Sheng-kun2XU Li-jun1LIU Yan1

(1. Department of Electrical and Information Engineering, Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi, Xinjiang 830022, China; 2. Agricultural Mechanization Institute, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi, Xinjiang 830091, China)

Analysed the drying characteristics of white seedless grape under the conditions of air temperatures(30～45 ℃) and air velocity(0.5～2 m/s)，and obtained the available moisture diffusion coeffi-cient and drying activation energy. Finally, non-linear regression analysis was used to develop four common agricultural thin layer-drying models based on the data, and these models were evaluated by coefficient of determination (R2), root mean squared error (RMSE) and chisquare value (χ2). Results: The available moisture diffusion coefficient were rising with the growth of air temperature and air velocity. The drying activation energy (Ea) is calculated to be 22.95 kJ/mol according to Arrhenius formula. According to the statistical parameters from four kinds of models, such as determination (R2), chisquare value (χ2) and root mean squared error (RMSE), the Parabolic model can well predict the moisture change law during drying process of white seedless grape. The results could provide a theoretical basis for white seedless grape drying production.

hot air drying; white seedless grape; moisture diffusivity; activation energy; model

国家自然科学基金地区基金项目(编号：31460397)；新疆工程学院科研基金项目(编号：2016xgy151812)

杨嘉鹏，男，新疆工程学院讲师，硕士。

徐立军(1978—)，男，新疆工程学院副教授，博士。 E-mail:183742493@163.com

2017—03—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.016