干燥介质相对湿度对红枣热风干燥特性的影响

刘品，刘寅，张艳，酒曼

(中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州，450000)

我国是红枣的生产大国，种植面积高达133.3万hm2，年产量达25亿kg，占世界总产量的90%以上[1-2]。大枣以其高营养和功能价值而闻名，包括糖类、矿物质、蛋白质、维生素C[3]。但是，红枣采摘后保质期非常短，在非控制条件下储存时间不能超过10 d[4]。干燥可以用来去除食物中的水分，因此它可以抑制微生物的生长，延长食物的保存时间。热风干燥，因其结构简单、成本低,是目前最流行的干燥方法之一[5-6]。

红枣热风干燥是一个复杂的过程，同时涉及传热和传质。目前一些学者主要研究干燥温度、风速、恒定相对湿度和装载量等对红枣热风干燥特性的影响[7-9]。而分阶段降湿干燥对红枣干燥特性的影响研究较少。变温干燥作为一种干燥方式，可以有效地减少物料干燥时间和干燥过程中的能量消耗，并保持产品干燥品质。王庆惠等[10]在圣女果热风干燥特性研究中发现，采用分段式变温变湿干燥工艺，即干燥前期采用低温高湿，缓慢增温并降低湿度，能有效减少圣女果营养成分的损失和色泽变化，并缩短干燥时间。DAI等[11]在研究基于干燥温度和湿度综合控制对杏干燥特性的影响中发现，与相同温度下连续除湿相比，控制湿度可以提高杏的干燥速率，干燥时间与连续排湿相比缩短了18.75%。KOWALSKI等[12]在研究间歇干燥对能耗和物料干燥品质的影响中发现，间歇干燥能提高物料的干燥品质。据悉，关于红枣的变温变湿干燥的研究主要针对温度的变化，而对于相对湿度的变化研究几乎空白。因此，本文研究了控湿阶段不同相对湿度(持续排湿，40%，50%，60%)对干燥速率、能耗、干燥品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新郑新鲜红枣(湿基含水率为(80±1)%[13])，郑州市新郑市阿里菜市场。

热风干燥试验台由加热室、干燥室、加湿室、物料架、物料盘(规格：650 mm×350 mm)、循环风机(SF-15051，SMS)、温湿度控制装置(HS-668，民熔)、风速控制装置(KTS-A8，惠丰)等组成。温度控制范围为0～100 ℃，热风速度控制范围为0～3 m/s。试验台的结构如图1所示。

1-排湿口;2-加湿室;3-控制箱;4-新风口;5-加热室;6-循环风机;7-物料架;8-物料盘;9-加热室图1 热风干燥试验台结构图Fig.1 Structure diagram of hot air drying test bench

其他设备：UTP-313型电子秤，上海花潮电器有限公司； TESTO 425型高精度风速仪，德图仪器国际贸易有限公司；Ms-7310型温湿度传感，上海搜博实业有限公司；T型热电偶，上海南浦仪表厂；34972A型数据采集仪器，美国安捷伦科技有限公司；DDS161型电子式单相电能表，上海人民高低压成套设备有限公司；HH171010型雾化器，浙江和享科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验前准备

将无破损、虫蛀、霉烂，个头饱满的红枣用水洗净后晾干并分成几乎相同质量的4份进行试验。每份分成3等份，均匀地铺放在3个物料盘中。开启循环风机并设定好初始温度对干燥室进行预热。

1.2.2 热风干燥过程红枣内部温度测定

红枣内部温度是干燥过程中最重要的过程参数之一，可以有效地观察红枣各个阶段的内部温度情况。试验采用T型热电偶和KEYSIGHT数据采集仪作为红枣内部温度测定和采集的装置。将T型热电偶插入到红枣的中心处，每隔1 h记录1次数据。

1.2.3 红枣热风干燥曲线的测定

目前红枣的热风干燥温度主要集中在50～70 ℃[14-15]，升温时间维持在5～8 h。在已有的研究[7-9,16-17]基础上，本试验为保证红枣的干燥品质，风速设定为1 m/s。热风温度分三段变温，第一段为升温阶段，温度从35 ℃升温到65 ℃，每小时升温5 ℃；第二段温度恒定在65 ℃，持续14 h；第三段温度恒定在55 ℃，持续到干燥结束。

试验采用单因素分析法，将35～65 ℃升温阶段热风相对湿度作为唯一变量。相对湿度通过温湿度自动控制装置进行控制。控制装置可以通过控制雾化器的开启达到控湿的目的。JANJAI等[18]在荔枝的干燥过程中研究发现，当热风温度维持在50～70 ℃且相对湿度在10%～25%时，相对湿度对干燥速率没有显著影响。巨浩羽等[19]在胡萝卜热风干燥研究中发现，前期预热阶段保持较高的恒定相对湿度值，能快速提高物料温度。中后期干燥阶段保持低的相对湿度进行干燥，可以增大物料表面和干燥介质的水蒸汽分压差，加快干燥速率，能有效缩短干燥时间。CUROCIO等[20]在胡萝卜热风干燥试验中发现，当热风温度为45 ℃，相对湿度在10%～30%干燥条件下，胡萝卜的干燥时间基本相同。这可能是由于相对湿度改变的范围太低。所以本试验在35～65 ℃升温阶段采用较高恒定湿度，并增加了湿度的调控范围，后期维持低的恒定相对湿度。进行4组干燥试验，第一组为持续排湿干燥试验，干燥室内相对湿度控制在20%。剩下的3组为两段式变湿干燥试验，即35～65 ℃升温阶段为控湿阶段，3组相对湿度分别控制在40%、50%、60%，后续干燥阶段为排湿阶段，相对湿度控制在20%。对上述4种不同工况的试验结果进行比较，研究两段式变湿干燥对红枣热风干燥特性的影响。试验前对红枣进行取样标记，称重。试验过程中每隔1 h对样品测1次质量。

1.3 试验参数

(1)采用常压烘箱干燥法(GB 5009·3—2016)计算红枣的初始含水量：

(1)

式中:X0，初始含水量，%；m0，初始质量，g；mg，绝干质量，g。

(2)红枣干燥过程的干基含水量：

(2)

式中:Mt，红枣t时刻的干基含水量，kg/kg；mt，红枣t时刻的质量，g；mg，红枣的绝干质量，g。

(3)红枣干燥过程的干燥速率[21]：

(3)

式中：Vt，干燥速率，kg/(kg·h)；Tt-Tt-1，t时刻与t-1时刻之差；Mt，红枣在t时刻的干基含水量，kg/kg；Mt-1，红枣在t-1时刻的干基含水量，kg/kg。

1.4 评价指标

(1)干燥持续时间：在4种不同干燥条件下红枣样品达到安全含水率时所需的时间。

(2)感官品质：按国家标准GB/T 5835-2009《干制红枣》的要求。干枣应明亮有光泽，形状应良好无裂缝且果实饱满。本文采用模糊评判方法得到综合评分，由9人小组对干燥后红枣的色泽、气味、糖析出量进行感官评分，评分标准如表1所示[22]。

(3)红枣在4种不同干燥条件下干燥过程的单位能量消耗。

2 结果与分析

2.1 红枣热风干燥特性试验研究

2.1.1 红枣内部温度测定

表1 感官评分标准Table 1 Sensory scoring criteria

4种不同情况下红枣内部温度曲线如图2所示。红枣内部温度随着干燥室内温度的上升而逐渐上升，随后趋于稳定。待物料温度稳定后，红枣内部温度和干燥室内温度相差13 ℃左右。当干球温度一定时，相对湿度越高，空气焓值越高[23]。根据傅里叶导热定律可知，当干燥介质焓值越高时，物料升温越快。在控湿阶段，相对湿度恒定为60%时，物料升温速度最快。控湿阶段提高相对湿度能使物料内部尽快达到一个较高的温度。控湿阶段结束，该阶段相对湿度为60%时，红枣内部温度最高为53.5 ℃左右；该阶段相对湿度为50%时，红枣内部温度最高为51.5 ℃左右；该阶段相对湿度为40%时，红枣内部温度最高为49.5 ℃左右。持续排湿情况下，红枣内部温度最高为47.5 ℃左右。

图2 红枣内部温度曲线Fig.2 Red jujube internal temperature curve

2.1.2 红枣热风干燥曲线的测定

初始含水率相同的红枣在4种不同干燥条件下，干燥过程中不同时刻的干基含水率的变化如图3所示。

4种情况的干燥时间分别为32.5、30.8、28.3和27.5 h。当控湿阶段维持热风相对湿度为60%,后续阶段排湿干燥的干燥时间比持续排湿干燥缩短了5 h并节约了15.38%，由此可见，提高控湿阶段的热风相对湿度可以缩短整体的干燥时间。由相对湿度为50%和60%的干燥时间比较可知，持续提高控湿阶段热风相对湿度对干燥时间减少无显著影响。

图3 干燥特性曲线Fig.3 Drying characteristic curve

在4种不同干燥条件下，大枣的收缩均匀性不同。这是因为，在控湿阶段提高相对湿度，可以加快物料内部温度上升，使物料中心和表面的温度、湿度趋于接近。当后续干燥阶段降低干燥介质的相对湿度时，物料中心到表面的温度梯度和湿度梯度也是一致的，这样有利于加速干燥速度，并减少结壳现象的发生[24]。如图4-a所示，在持续排湿干燥条件下，枣的收缩不明显，枣皮变硬、变黑，枣有焦味，小组评定分数为4分。这是由于红枣前期在高温低湿条件下造成表皮干硬，内外水扩散不平衡，内部水汽不容易向外扩散，使之充气膨胀，形成了“坐囤枣”。如图4-b所示，当控湿阶段保持相对湿度为40%时，枣成品表皮发黑，这是由干燥时间过长导致，部分枣表皮有较多糖分析出，枣香味一般、微甜，小组评定分数为6分。如图4-c所示，当控湿阶段保持相对湿度为50%时，红枣外皮变的明亮，少部分表皮有糖分析出，枣味道较甜，小组评定分数为8分。如图4-d所示，当控湿阶段保持相对湿度为60%时，枣的干燥品质最好。无干裂，色泽鲜亮，肉质肥厚，无糖分析出，小组评定分数为9分。

图4 红枣干燥品质对比Fig.4 Comparison of dry quality of jujube

2.1.3 红枣干燥速率曲线的测定

在热风温度和风速相同，控湿阶段热风相对湿度不同的情况下，干基含水率与干燥速率的关系如图5所示。

由图5可知，红枣的干燥过程大致可以分为3个阶段，预热干燥阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段。

预热干燥阶段从烘干开始一般持续8～9 h。这个阶段红枣从热风中吸收热量，红枣内部温度升高，红枣中的水分变化很少，随着干燥室内温度的升高，干燥速率逐渐增大。

图5 四种工况干燥速率对比Fig.5 Comparison of drying rates in four working conditions

恒速干燥阶段持续10～12 h，这个阶段红枣中心的温度低于表面温度，水分会在毛细管力的作用下不断向红枣表面迁移，并从表面蒸发，这个过程中红枣的温度基本不变，降水速率基本为定值，因此干燥速率为定值[25]。在恒速干燥阶段，由于红枣表面含有自由水分，当水分完全汽化时，表皮就会从红枣表面向内退缩，红枣开始发生收缩现象。

降速干燥阶段为红枣干燥过程主要干燥阶段，在此阶段红枣表面没有充足的自由水分，红枣内外存在温度梯度，热量从外向内迁移，红枣内的水分蒸发从内向外迁移，这个阶段红枣中自由水减少，剩余的半结合水、结合水难以析出，故干燥速率逐渐降低。

通过比较4种不同条件下的干燥速率曲线，可以看出控湿阶段不同的热风相对湿度对枣的干燥速率有很大影响。控湿阶段热风相对湿度越大，红枣后期干燥速率越大，相对湿度为60%时的干燥速率最大。根据菲克定律及其边界条件，环境的相对湿度越低，物料与环境之间的蒸汽压差越大，干燥速率越高[26]。大枣有一层表皮，因此在控湿阶段，大枣在高温和低湿条件下干燥，会使表皮失水过快，变干变硬，阻止大枣内部水分迁移到表面[27]。高温高湿干燥环境可以减缓控湿阶段红枣表面水分蒸发的速度，使红枣在控湿阶段内部温度快速升高，从而使大枣的内部水分和枣皮的水分均匀蒸发，从而提高大枣的干燥品质。

2.2 能耗比较

通过接入到线路中的电表对4种不同工况下干燥过程中的耗电量进行统计，见表2。

表2 四种工况能耗Table 2 Energy consumption of four working conditions

由表2可知，在干燥过程中干燥温度、风速相同，控湿阶段相对湿度不同的条件下，耗电量不尽相同。随着控湿阶段热风相对湿度的增加，能耗逐渐减小。主要是因为控湿阶段热风相对湿度增加，导致红枣最终干燥时间减少，从而降低了整体能耗。例如当干燥介质相对湿度为60%时比相对湿度为40%时节约能耗34.78%。

3 结论

本文研究了干燥介质相对湿度对红枣热风干燥特性的影响。研究得出，在控湿阶段提高干燥介质的相对湿度可以加快物料内部的升温速度，使枣内外水分均匀蒸发，减少结壳现象的发生。同时也有利于枣后期的水分迁移和均匀收缩。在控湿阶段提高干燥介质相对湿度、排湿阶段降低相对湿度，可以有效地减少红枣的烘干时间，从而降低整个干燥过程的能耗。当控湿阶段相对湿度为60%时，干燥时间比整个阶段持续排湿干燥减少了15.38%，能耗降低了34.78%。