马铃薯干燥实验研究

廖超

（云南师范大学太阳能研究所，云南 昆明 650500）

高压电场干燥具有结构简易、稳定可靠的优点，易于在农村地区推广使用，其机理是通过向针电极施加高电压而发生局部电离，离子在电场力的作用下向负极移动并与中性粒子碰撞而产生离子风[1]。这种离子风扰乱潮湿物料边界层，加快物料与环境空气的传热传质[2]。离子风能有效促进物料脱水，但普遍存在干燥速率低、干燥时间长的问题[3]。相关报道高压电场干燥枸杞，含水率下降到到10%所用时间为40小时；高压电场干燥海参，干燥时间是烘箱干燥下的3.15倍，干燥速率仅为烘箱干燥下的30%。目前电场普遍采用针—板结构，离子风分布受限，只能作用于物料上表层，若能使离子风同时作用于物料上下表层，将提高干燥速率及减少干燥时间。为解决针-板结构的缺陷，设计针-网-针结构的电场（图1）。板电极换成网状电极，有利于下针尖电极产生的离子风作用在物料下表面。采用针-网-针结构的高压电场干燥时，离子风能同时作用在物料上下表面，更能促进水分的蒸发。

图1中将物料内部水分按Ⅰ、Ⅱ区域进行划分。采用针—板结构的高压电场干燥时，Ⅱ区域内的水分只能扩散到上表层后蒸发到环境中，其水分扩散路程较长，扩散阻力较大。而采用针—网—针结构的高压电场干燥时，Ⅱ区域水分可通过下表层蒸发到环境中，水分扩散路程及扩散阻力减小。因此，采用针—网—针结构的高压电场干燥时，物料内部水分扩散阻力更小，见图1。

本研究中，采用针-网-针结构的高压电场干燥系统。以马铃薯为对象，针—板结构的高压电场干燥系统作对照，研究不同电场强度对马铃薯干燥特性的影响，为优化电场结构提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料制备

马铃薯选用青薯9号，测得干基含水率为4.9～5.1。去皮后切成直径70 mm，厚度40 mm的圆片（约20 g）备用。

1.2 实验方法

图2是实验装置示意图，其中高压直流电源（ZGS-60KV/2mA）的最大输出电压、电流分别是60KV、2mA。电场为针—网—针结构，上下为多针电极（100mm×100 mm），针状电极用金属丝链接，接高压电源。针尖密度为20mm×20mm，针尖曲率半径为0.1mm，针长为50mm，针尖与网电极的间距是50mm。中间不锈钢网( 110mm×110mm) 作为负极，接地。电场放在高精度称重传感器（GJBLS-1）上，中间用聚苯乙烯隔开。排湿口处设置温湿度探头，用于记录相对湿度。使用风速仪测试上下针尖所产生的离子风。用将同样针尖密度和针板间距的针—板结构电场作为对照组。采用两种不同结构的电场，分别在4 kv/cm、25 kv/cm、6 kv/cm的电场强度下干燥，每隔20 min记录一次数据（质量、相对湿度），直至干基含水率降低到0.17时停止干燥。每组实验重复三次，结果用平均值表示。所有实验在环境温度 26±1℃，相对湿度 51%～53%的室内进行。

2 干燥特性

任意时刻干基含水率Mi、 水分比MR及干燥速率DR

式中,mi——第i时刻马铃薯的质量，g；mg——马铃薯干基质量，g；mo——初始时刻干基含水率，%；me——平衡时刻干基含水率，%；——第时刻干基含水率，%。

3 结果与讨论

图3是采用不同结构的高压电场干燥，不同电场强度下干基含水率随时间的变化。图3中，采用针—网—针结构的高压电场干燥时，随电场强度的增加，离子风增强，外部传质驱动力增加，薄层马铃薯由干基含水率5.025下降至0.17所用时长分别是：19h、10h、6.33h。与对照组相比，干燥时长分别减少38.7%、40%、41.9%。这是由于离子风同时作用于薄层马铃薯的上下表层，同一电压下与对照组相比，使其外部传质驱动力更强。

4 结语

通过搭建针—网—针结构的高压电场干燥系统，以薄层马铃薯为研究对象，分析不同电场强度下的干燥特性，得出以下结论：

采用针—网—针结构的高压电场干燥系统，随电场强度（4kv/cm～6kv/cm）的增加，平均干燥速率逐渐增加及干燥时长逐渐减少，平均干燥速率分别是0.255g·(g·h-1)、0.583g·(g·h-1)、0.766g·(g·h-1)，与对照组相比，分别提高63.4%、66.7%、68.3%。干燥时长分别是19h、10h、6.33h，与对照组相比，分别减少38.7%、40%、41.9%。