相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中水分迁移和蒸发的影响

巨浩羽，邹燕子，肖红伟，张卫鹏，于贤龙，高振江

•农产品加工工程•

相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中水分迁移和蒸发的影响

巨浩羽1，邹燕子1，肖红伟2※，张卫鹏3，于贤龙4，高振江2

（1. 河北经贸大学生物科学与工程学院，石家庄 050061；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048；4.山东省农业机械科学研究院，济南 250100）

为揭示相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中内部水分迁移和表面水分蒸发的影响，以及物料表面结壳的成因，该研究在干燥温度60 ℃、风速3.0 m/s时，研究了恒定相对湿度（relative humidity，RH）（20%、30%、40%和50%）、第一阶RH 50%保持不同时间（10、30、60和90 min）而后降为20%，以及基于物料温度自动控制相对湿度干燥条件下的内部水分迁移量（）、表面水分蒸发量（）、表面水分累积量（）、物料微观结构和复水率。结果表明，恒定RH干燥条件下，随干燥时间逐渐增大而后趋于稳定，随干燥时间逐渐增大而后降低。RH越高，物料升温速率越快，越大；RH越低，越大。RH为20%、30%和40%时，=0的时间分别为1.11、1.36和1.70 h，并在此时刻之后物料表面出现明显结壳现象，且RH越大，出现结壳时机越晚；RH为50%时未出现<0，可能未出现明显的结壳现象。>0时，干燥速率与值变化趋势一致；<0时，对应干燥速率减小。RH为50%保持30 min后降为20%时，=0的时间为1.39 h，相对于RH 20%的干燥条件能够提高物料温度和内部水分迁移速率，延迟结壳发生的时机，干燥时间缩短了18.5%。自动控湿干燥条件下，在0～0.25 h内迅速增大，对应干燥速率迅速升高。在0.25～0.50 h内逐渐下降，在0.78～2.00 h内，值共出现3个零点，且在=0处上下波动。此RH调控方式使得内部迁移至表面的水分会及时蒸发，并未在表面产生积累，对应物料温度呈现出阶梯上升的变化趋势，延缓了结壳出现时间，保留了较多的水分迁移孔道，干燥时间最短，为6.1 h，复水比最高为(4.39±0.07) g/g，收缩率最低为28.55%±1.71%，为最优的阶段降湿干燥方式。研究结果对于分析水分的内部迁移和表面蒸发过程，表面结壳的成因及优化调控相对湿度控制方式提供了理论依据和技术支持。

干燥；相对湿度；内部水分迁移；表面水分蒸发；水分累积量；结壳

0 引 言

阶段降湿热风干燥是指在热风干燥过程中，逐渐降低干燥介质的相对湿度（relative humidity，RH），以达到提高干燥效率和品质的目的。例如，薛韩玲等[1]研究发现，干燥温度60 ℃时，相对于恒定10%RH，保持RH 50% 20 min后降为10%的干燥条件能够显著提高大红袍花椒的干燥速率，且干制色泽较好。巨浩羽等[2]等研究得出，干燥温度60 ℃，12 mm厚度的胡萝卜片，相对于连续排湿，RH 50% 保持30 min后降低至20%能够显著缩短干燥时间。此外阶段降湿热风干燥还成功应用于山药[3-5]、苹果片[6]、西洋参[7]等物料的干燥加工中。

研究表明，阶段降湿前期高RH可促使物料迅速升温且提高内部水分的迁移速率，使得内部水分迅速迁移扩散至物料表面；另一方面高RH降低了干燥介质和物料表面水蒸气分压差，抑制了表面水分蒸发速率，防止表面干燥过快而发生结壳现象[8]。张卫鹏等[9]研究发现，干燥温度60 ℃，12 mm的山药片在RH 15%干燥时，表面水分蒸发过快而发生结壳硬化，而RH 45%保持25 min后降为15%时，物料表面呈清晰的蜂窝状多孔结构，且提高了干燥效率。JU等[10]等研究同样得出，干燥温度60 ℃，木瓜片在RH 50%保持30 min后降为20%，相对于RH 20%时，物料表面更容易维持疏松的多孔结构，且干燥时间缩短了21.4%。干燥过程中，物料水分脱除包括内部水分迁移至表面和表面水分蒸发两个过程。当表面水分蒸发过快而内部水分不能及时供给至表面时，物料表面率先皱缩，是结壳硬化产生的直接原因[11-12]。物料表面结壳硬化后，导致干燥时间延长，降低复水率及其他干制品质。阶段降湿前期高相对湿度一方面可以提高内部水分的迁移速率，另一方面降低表面水分蒸发速率，待物料具有较高温度及迁移至表面足够水分后降低相对湿度，可能会缓解物料表面结壳并提高干燥速率，复水率等。然而现有文献关于物料内部水分迁移和表面水分蒸发大多是定性的表述，缺乏定量的比较，关于结壳形成的过程和机理尚不明确。因此定量描述物料内部水分和表面水分蒸发的相关关系，对于结壳的形成过程，阐明结壳机理，从而优化调控相对湿度以提高干燥效率和品质调控策略具有重要意义。

综上所述，本文在作者前期研究得出的阶段降湿有助于缓解胡萝卜物料表面结壳及提高干燥效率的基础之上[2,13-14]，在恒定RH、阶段降湿及基于物料温度自动控制相对湿度干燥条件下（本文简称为自动控湿），进一步定量研究内部水分迁移和表面水分蒸发的相关关系，分析结壳产生的过程，揭示结壳形成的原因；并对比不同干燥条件下的复水比及微观结构，以期为揭示物料干燥过程中，相对湿度对物料结壳产生的影响机理及为相对湿度的调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

箱式热风干燥试验装置（中国农业大学工学院农产品加工技术与装备实验室自制），如图1所示。

1.加湿水箱 2.湿帘 3.风箱装配体 4.触摸屏 5.配电箱 6.门把手 7.风扇支架 8.干燥室门 9.排湿离心风机 10.料篮支架 11.门合页 12.回风道 13.加热管装配体 14.进风口 15.铁纱网 16.轴流风机 17.称量模块

1.2 试验原料

试验选用胡萝卜为原料，购买自当地农贸市场。平均直径为（3±0.5）cm，长度为（15±1）cm。初始湿基含水率为89.31%±0.51%，采用GB5009.3-2016测定。试验前将胡萝卜放置于（4±1）℃的冰箱中保存。

1.3 试验方法

开启温湿度控制热风干燥设备预热至设定温度和相对湿度。为保证每次试验原料的统一性，试验中胡萝卜物料取规则的长方体形状。将胡萝卜切分为厚度为（1.20±0.01）cm的薄片，再取长（2.0±0.1）cm、宽（2.0±0.1）cm 的中心部分，放置于干燥机的料盘中，干燥物料质量为（300±4）g。在胡萝卜干燥过程中，采用Pt100 温度传感器（北京优普斯科技中心，量程0～100 ℃，精度0.1 ℃）测量物料表面和中心的温度。采用RHAT-301 型风速仪（精度0.1 m/s，清华同方）测定干燥介质的风速。干燥过程温度设定为60 ℃，风速为3.0 m/s[13-14]，当物料质量变化小于0.2 g/h 时干燥结束[13]。每次试验重复3次，结果取平均值。试验设计如表1所示。

表1 试验设计

1.4 内部水分迁移和表面水分蒸发的定量描述

1.4.1 内部水分迁移量

胡萝卜内部的水分迁移至表面使得表面水分浓度发生变化，直观表现为表面水分活度发生变化。因此表面水分活度的大小可反映出内部水分迁移的多少。表面水分浓度和水分活度的关系由下式确定[15-16]

式中C为物料表面水分浓度，kg/m3；A为物料表面水分活度；P为物料表面饱和水蒸气分压，Pa；T为物料表面温度，K。其中，A和P分别由下式确定[15,17]

式中为温度值，K；M为干燥时间时刻的干基含水率，g/g，计算方法为

式中W为干燥时间时刻物料的总质量，g；为物料中干物质的质量，g。

1.4.2 表面水分蒸发量

干燥介质水分和物料表面水分的浓度梯度为表面水分蒸发的驱动力，表面水分蒸发量由下式确定[18-19]

式中表示物料表面单位面积水分蒸发量，kg/m2；C为干燥介质中水分浓度，kg/m3；h为对流传质系数，m/s；为干燥时间，s；C和h分别由下式确定[15,20]

式中RH为干燥介质相对湿度，%；T为干燥介质的温度，K；M为平衡干基含水率，g/g；0为物料初始干基含水率，g/g；为物料的蒸发面积，m2；为物料体积，m3。

1.4.3 表面水分累积量

在胡萝卜干燥过程中存在着水分蒸发界面，它将物料分为湿区和干区。从物料内部至蒸发截面定义为湿区。在湿区内，水分以液态形式迁移；从蒸发表面到物料表面，水分以气态形式扩散[12]。假定干燥过程中水分蒸发界面厚度不变，为1 mm，则内部水分迁移量可由下式计算得出

式中表示单位面积内部水分迁移量，kg/m2；为水分蒸发界界面的厚度，1 mm。

单位面积迁移至表面的水分在表面蒸发，所剩余的水分在表面累积，故此以单位面积水分迁移量和单位面积水分蒸发量的差值表示单位面积的水分累积量。

式中表示物料表面单位面积水分累积量，kg/m2。

1.4.4 干燥速率计算

干燥速率D计算公式为[21]

式中DR为干燥过程时间为t和时间t之间的干燥速率，g/(g·h)；M1和M2分别为干燥时间为1和2时刻的干基含水率，g/g。

1.5 物料微观结构的观测

采用扫描电镜观察胡萝卜的微观组织结构。将干燥过程中的胡萝卜中央部位的表皮部分切分成3 mm× 3 mm×3 mm的立方体小样品，样品首先被安装在磁控溅射仪（英国Quorum科技有限公司，SC7640）上，进行5 min喷金处理以固定组织结构，并在10 kV加速电压下对其表面组织微观结构用扫描电镜（日本东京日立集团，S3400）进行观察。重复观看不同区域的组织结构，并选择具有代表性图片进行保存与进一步分析。

1.6 复水比

将称好的一定质量的样品放入40℃恒温蒸馏水中，30 min后，取出沥干20 min，并用吸水纸拭干表面水分，称取复水后的质量[22-23]。复水比R由下式确定：

式中R为复水比，g/g；2为复水后质量，g；1为复水前质量，g。

1.7 收缩率

采用体积排除法测量胡萝卜片的收缩率[24]。在量筒中放入细沙表面抹平读出体积，再分别将干燥前后胡萝卜片埋入细沙摇匀抹平读出体积，按照式（12）计算收缩率。收缩率越小表明干制后样品的体积越大。

式中S为收缩率，%；0为胡萝卜的初始体积，mL；V为干燥后胡萝卜片的体积，mL。

2 结果与分析

2.1 恒定RH对内部水分迁移（D）和表面水分蒸发（E）的影响

干燥温度60 ℃，相对湿度20%、30%、40%和50%干燥条件下，胡萝卜干燥过程中的和的相关关系及物料表面温度如图2所示，干燥时间分别为8.1、8.6、10.6和11.2 h。当RH为20%时，在0～0.5 h内，物料温度迅速上升；在0.5～3.0 h内物料温度缓慢上升，3.0 h以后物料温度逐渐趋于干燥介质温度。由式（1）～（3）和式（8）可知，物料内部向表面的水分迁移量主要由物料表面温度和干基含水率所决定。在0～0.5 h内，物料脱除水分较少，温度迅速上升，最终体现为迅速上升，表明在干燥初期，大量水分由内部迁移至表面。在0.5～3.0 h内，变化趋势和物料温度变化趋势相类似；在3 h以后，物料温度趋于定值，对应趋于稳定。且在30%、40%和50%时，变化规律相一致。特别的，当RH为50%时，在0～15 min 内物料升温速率最快，急剧上升，且整个干燥过程中，内部水分迁移量显著大于RH为20%、30%和40%条件下的值。

家庭教育在孩子心理品质形成过程中起着重要作用，家长关于心理健康教育的认识和观念将直接影响孩子心理健康的发展和学校心理健康教育的开展。因此，发挥家庭的辅助作用是开展心理健康教育的重要途径。

不同恒定RH下，随干燥时间呈先增大后减小的变化趋势。这可能是因为一方面，在恒定RH下，对流传质系数h先上升后下降[20]；另一方面，先上升后趋于平稳，物料表面和干燥介质的水分浓度梯度会逐渐减小。并且RH 越小，越大。这与SASONGKO等[25]干燥洋葱片和OGAWA等[26]干燥面条时所得结论相一致。综上，RH对内部水分和表面水分蒸发的影响总结为：RH 越高，物料升温速率越快，内部水分迁移量越大；RH 越低，表面水分蒸发量越大。

恒定RH下胡萝卜表面水分累积量（）和干燥速率的变化规律如图3所示。当RH 20%、30%和40%时，逐渐上升而后降低，与内部水分蒸发量曲线产生1个交点。故存在1个零点。当>0时，表明大于，物料表面被一层水膜包裹；当=0时，表明和在此时刻相等，但不会维持一段时间；当<0时，内部迁移至表面的水分蒸发完毕，逐渐小于，物料表面会因干燥过快可能出现结壳现象[27-29]。RH 20%、30%和40%时，=0的时间分别为1.11、1.36和1.70 h，即在此时刻之后物料表面可能会出现明显的结壳现象，且RH越大，出现结壳现象的时机越晚。在干燥后期由于逐渐减小，使得呈现上升趋势。特殊的，当RH为50%时，由于物料表面和干燥介质的水分浓度差异小，始终大于，并未出现<0。故在RH 50%时，物料表面可能没有明显的结壳现象。因此，高RH有助于缓解干燥过程中结壳现象的发生。

注：纵坐标单位面积水分量表示对应的单位面积的水分迁移量D或单位面积的水分蒸发量E的值，10-3 kg·m-2，下同。

注：Q为单位面积水分累积量，DR为干燥速率。

不同RH下，干燥速率D随干燥时间呈现先升高后降低的趋势。当>0时，增大，D也随之增大；减小，DR也随之减小，呈现出相同的变化趋势。特别的当RH 50%时，在0～15 min时，迅速增大，对应干燥速率迅速上升；在0.5～1.5 h内，变化幅度较小，表明和接近，对应干燥速率也表现为恒速干燥。当<0时，大于，内部迁移至表面的水分会即刻蒸发，而不会产生积累的现象，对应干燥速率呈下降趋势。因此，值可以体现出干燥速率的变化规律。当>0时，干燥速率与值变化趋势一致，当<0时，对应干燥速率减小。

2.2 阶段降湿对内部水分迁移（D）和表面水分蒸发（E）的影响

阶段降湿干燥条件下，胡萝卜物料的和的相关关系如图4所示。RH 50%保持10、30、60和90 min后降为20%时，干燥时间分别为8.1、6.6、8.6和10.1 h，和随干燥时间的变化趋势与恒定RH干燥条件下相一致。RH 50%保持10、30、60和90 min时，=0的时间分别为1.32、1.39、1.42和1.85 h。当<0出现的时机越早时，说明结壳发生的越早，物料表面结壳后，不利于后期干燥的进行；而当<0的时机出现越迟时，虽然缓解了结壳现象，但物料表面积累了大量水分，降低RH后表面水分不能够及时脱除，同样导致干燥时间延长。因此<0出现的时机应当恰当。当RH 50%保持30 min后降为20%的干燥条件提高物料温度和内部水分迁移速率，使得更多的水分迁移至物料表面，延迟结壳发生的时机，降低RH后增大了。干燥时间为6.6 h，相对于恒定RH 20%干燥时间缩短了18.5%。故阶段降湿有助于提高胡萝卜的热风干燥效率。

图4 阶段降湿对内部水分迁移量和表面水分蒸发量的影响

进一步的，在RH 50%保持10或30 min时，当RH降低后，内部水分迁移量呈现短暂的降低趋势，这可能是因为RH降低后，表面水分大量蒸发，使得物料温度降低。RH 50%保持10或30 min时，物料具有较高温度且表面积累了一定量水分，但降低RH后，温度和内部水分迁移量出现短暂的降低趋势，表明物料温度、内部水分迁移量和外界相对湿度之间的关系并不匹配。虽然在试验范围内RH 50%保持30 min后降为20%干燥速率最高，但可能仍不是最优阶段降湿调控参数。理想的RH调控方式应使得在>0干燥期间，阶段降湿应当调控RH使得物料温度缓慢上升，且和趋于相等，且值接近于0，内部迁移至表面的水分及时在表面蒸发，不会产生表面水分积累。

2.3 自动控湿对内部水分迁移（D）和表面水分蒸发（E）的影响

自动控湿干燥条件为基于物料温度的角度对RH进行调控。在干燥前期，设定RH 50%，利用高RH强化传热过程的特性，使得物料温度迅速上升。在干燥中期，降低RH提高表面水分蒸发速率并监测物料温度，当物料温度具有上升趋势时，表明此时物料温度不足以使内部水分迁移至表面，物料吸收的热量大部分用于升温，少量用于蒸发水分，故应升高RH令物料温度上升1～2℃后再降低RH。如果当物料温度上升至趋近于干燥介质温度或升高RH后，物料温度不再上升时，进入干燥后期。在干燥后期，设定为连续排湿（RH<15%）。关于自动控湿的详细控制流程见巨浩羽等[14]研究的描述。

自动控湿干燥条件下，胡萝卜物料内部的和随干燥时间的变化规律及表面水分累积量、干燥速率和物料表面温度的变化规律如图5和图6所示。随干燥时间逐渐上升而后趋于稳定，随干燥时间逐渐上升而后降低。在0～0.25 h内，和缓慢上升，0.25～2.00 h内，和较为接近。在0～0.25 h内，物料温度迅速增大，对应干燥速率迅速升高。在0.25～0.50 h内，>且表面积累的水分逐渐蒸发，逐渐下降，在0.78～2.00 h内，值共出现3个零点，且在=0上下波动，这表明此RH调控方式使得内部迁移至表面的水分会及时蒸发，并未在表面产生积累。相对应的物料温度呈现出阶梯上升的变化趋势（图6温度曲线中箭头所示）。当温度保持不变时，表明物料吸收的热量几乎完全用于了蒸发水分；当物料温度上升时，表明物料吸收热量大部分用于了加热物料，干燥介质提供至物料的热量被充分利用。最后一次=0的时间为1.58 h，此时大约去除57.3%的水分。因此在1.58 h以后，胡萝卜表面可能出现结壳现象。干燥所需时间6.1 h，相对于RH 50%后降为20%的干燥时间缩短了7.5%。综上，在>0干燥期间，自动控湿干燥条件可使得物料温度阶梯上升，和趋于相等，且值接近于0，延缓了结壳出现的时间，提高了干燥效率，为较优的阶段降湿干燥方式。

图5 自动控湿对内部水分迁移量和表面水分蒸发量的影响

图6 自动控湿对水分累积量、干燥速率和物料温度的影响

2.4 微观结构、复水比和收缩率

不同湿度控制干燥条件下胡萝卜表面微观结构和复水比如图7和表2所示。选取了RH 20%和自动控湿干燥条件下分别在30、70和100 min时作为代表样品进行对比。两种干燥条件下在30 min内，物料表面均保持着原有的水分迁移孔道，而RH 20% 在干燥时间为70 min时开始出现结壳，到100 min时结壳愈加明显。自动控湿干燥条件下，干燥时间为70 min时仍能保持较好的水分迁移孔道结构，到100 min时开始出现结壳。微观结构表明高RH 能够延迟结壳现象出现的时机，使得更多的水分迁移至表面[26]。RH 20%的=0时间为1.11 h和自动控制的=0时间为1.85 h相一致，并在时刻之后物料表面可能出现结壳现象，理论分析和观测结果基本一致。

图7 不同干燥条件对物料表面结构的影响

不同干燥条件下胡萝卜的复水比和收缩率如表2所示。自动控湿干燥条件下，复水比最高为（4.39±0.07）g/g，收缩率最低为28.55%±1.71%。RH 20%干燥条件下，复水比最低为（3.28±0.11）g/g，而收缩率最大为43.25%±2.25%。复水能力的强弱代表了样品的结构完整性[30-31]。虽然RH 50%干燥条件可能未出现明显的结壳现象，但在此干燥条件下平衡含水率较高，导致复水比较低[13]。RH 20%时，胡萝卜表面发生明显的结壳现象，致使水分迁移孔道紧缩，故收缩率较大。自动控湿干燥条件结壳出现时间较晚且干燥速率较快，保留了较多的水分迁移孔道，因此表现出较高的复水比和较低的收缩率。

表2 不同干燥条件下胡萝卜复水比和收缩率

注：具体干燥条件见表1；不同字母a～g表示不同干燥条件下差异性显著（<0.05），相同字母表示差异不显著。

Note: The detail drying condition can be seen in Table 1; Different letters a-g indicate significant difference (< 0.05) of difference drying methods and no significant difference with same letter.

3 结 论

1）恒定相对湿度（relative humidity，RH）干燥条件下，内部水分迁移量（）随干燥时间逐渐增大而后趋于稳定，表面水分蒸发量（）随干燥时间逐渐增大而后降低。RH 越高，物料升温速率越快，越大；RH 越低，越大。RH 20%、30%和40%时，表面水分累积量=0的时间分别为1.11、1.36和1.70 h，并在此时刻之后物料表面可能会出现明显的结壳现象，且RH越大，出现结壳现象的时机越晚；RH 50%时未出现<0，可能未出现明显的结壳现象。当>0时，干燥速率与值变化趋势一致；当<0时，对应干燥速率减小。

2）阶段降湿RH 50%保持30 min时，=0的时间为1.39 h，相对于RH 20%的干燥条件能够提高物料温度和内部水分迁移速率，使得更多的水分迁移至物料表面，延迟结壳发生的时机，降低RH后增大了，相对于恒定RH 20%干燥时间缩短了18.5%。阶段降湿有助于提高胡萝卜的热风干燥效率。

3）自动控湿干燥条件下，在0～0.25 h内迅速增大，对应干燥速率迅速升高。在0.25～0.50 h内逐渐下降，在0.78～2.00 h内，值共出现3个零点，且在=0上下波动。延缓了结壳出现时间，保留了较多的水分迁移孔道，此RH调控方式使得内部迁移至表面的水分会及时蒸发，并未在表面产生积累，对应物料温度呈现出阶梯上升的变化趋势，延缓了结壳出现时间，保留了较多的水分迁移孔道，干燥时间最短，为6.1 h，复水比最高为（4.39±0.07）g/g，收缩率最低为28.55%±1.71%。

自动控湿干燥条件可使得物料温度阶梯上升，和趋于相等，且值接近于0，延缓了结壳出现的时间，提高了干燥效率，为较优的阶段降湿干燥方式。本文对于分析水分的内部迁移和表面蒸发过程，表面结壳的成因及优化调控相对湿度控制方式提供了理论依据和技术支持。

[1] 薛韩玲，廖帮海，拓雯, 等. 基于湿度控制的大红袍花椒热风干燥动力学与品质研究[J]. 食品与发酵工业，2022，[2022-11-24]https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20220921.1151.013.html.

XUE Hanling, LIAO Banghai, Tuo WEN, et al. Study on hot air drying kinetics and quality of Dahongpao Zanthoxylum bungeanum Maxim based on humidity control[J]. Food and Fermentation Industries, 2022, [2022-11-24]https://kns.cnki.net/ kcms/detail/11.1802.TS.20220921.1151.013.html. (in Chinese with English abstract)

[2] 巨浩羽，张卫鹏，张鹏飞，等. 基于毕渥数的果蔬阶段降湿热风干燥特性[J]. 农业工程学报，2022，38(12)：317-324.

JU Haoyu, ZHANG Weipeng, ZHANG Pengfei, et al. Hot drying characteristics of fruits and vegetables during heat and mass transfer using Biot numbers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(12): 317-324. (in Chinese with English abstract)

[3] 陆学中，刘亚男，张德榜，等. 高湿预处理对怀山药热风干燥特性及复水性的影响[J]. 食品与机械，2017，33(11)：147-151，183.

LU Xuezhong, LIU Ya’nan, ZHANG Debang, et al. Effect of high humidity preconditioning on hot air drying and its rehydration of Chinese yam[J]. Food & Machinery, 2017, 33(11): 147-151, 183. (in Chinese with English abstract)

[4] 巨浩羽，赵士豪，赵海燕，等. 阶段降湿对山药热风干燥特性和品质的影响[J]. 中草药，2021，52(21)：6518-6527.

JU Haoyu, ZHAO Shihao, ZHAO Haiyan, et al. Influence of step-down relative humidity on drying characteristic and quality of hot air drying ofslices[J], Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2021, 52(21): 6518-6527. (in Chinese with English abstract)

[5] JU H Y, EI-MASHAD H M, FANG X M, et al. Drying characteristics and modeling of yam slices under different relative humidity conditions[J]. Drying Technology, 2016, 34(3): 296-306.

[6] 于贤龙，张宗超，赵峰，等. 基于介质湿度控制的苹果片红外漂烫传热模拟与试验[J]. 农业工程学报，2022，38(11)：326-334.

YU Xianlong, ZHANG Zongchao, ZHAO Feng, et al. Simulation and experiment on the heat transfer of infrared blanching for apple slices based on medium humidity control[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(11): 326-334. (in Chinese with English abstract)

[7] JU H Y, ZHAO S H, MUJUMDAR A S, et al. Step-down relative humidity convective air drying strategy to enhance drying kinetics, efficiency, and quality of American ginseng root ()[J]. Drying Technology, 2020, 38(7): 903-916.

[8] ZHANG W P, YANG X H, MUJUMDAR A S, et al. The influence mechanism and control strategy of relative humidity on hot air drying of fruits and vegetables: A review[J]. Drying Technology, 2021, 40(11): 2217-2234.

[9] 张卫鹏，韩梦悦，巨浩羽，等. 山药片阶段降湿促干特性及多物理场耦合模型[J]. 食品与机械，2022，38(1)：115-122，240.

ZHANG Weipeng, HAN Mengyue, JU Haoyu, et al. Drying efficient improvements with step-down relative humidity and multi-field coupling model construction during hot air drying of yam slices[J]. Food & Machinery, 2022, 38(1): 115-122, 240. (in Chinese with English abstract)

[10] JU H Y, VIDYARTHI S K, KARIM M A, et al. Drying quality and energy consumption efficient improvements in hot air drying of papaya slices by step-down relative humidity based on heat and mass transfer characteristics and 3D simulation[J]. Drying Technology, 2023, 41(3): 460-476.

[11] PASBAN A, SADRNIA H, MOHEBBI M, et al. Spectral method for simulating 3D heat and mass transfer during drying of apple slices[J]. Journal of Food Engineering, 2017, 212: 201-212.

[12] 唐欣，李远辉，谢好，等. 中药浸膏真空干燥过程中表面结壳行为的成因、影响因素与研究策略[J]. 中草药，2022，53(2)：619-626.

TANG Xin, LI Yuanhui, XIE Hao, et al. Discussion of causes, influencing factors and research strategies of surface crusting behavior of traditional Chinese medicine extracts during vacuum drying[J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2022, 53(2): 619-626. (in Chinese with English abstract)

[13] 巨浩羽，肖红伟，郑霞，等. 干燥介质相对湿度对胡萝卜片热风干燥特性的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(16)：296-304.

JU Haoyu, XIAO Hongwei, ZHENG Xia, et al. Effect of hot air relative humidity on drying characteristics of carrot slabs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 296-304. (in Chinese with English abstract)

[14] 巨浩羽，张茜，郭秀良，等. 基于监测物料温度的胡萝卜热风干燥相对湿度控制方式[J]. 农业工程学报，2016，32(4)：269-276.

JU Haoyu, ZHANG Qian, GUO Xiuliang, et al. Control method of relative humidity of carrot hot air drying based on detecting material’s temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 269-276. (in Chinese with English abstract)

[15] YU X L, ZIELINSKA M, JU H Y, et al. Multistage relative humidity control strategy enhances energy and exergy efficiency of convective drying of carrot cubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020,149:119231.

[16] TZEMPELIKOS D A, MITRAKOS D, VOUROS A P, et al. Numerical modeling of heat and mass transfer during convective drying of cylindrical quince slices[J]. Journal of Food Engineering, 2015, 156: 10-21.

[17] AVERSA M, CURCIO S, CALABRÒ V, et al. An analysis of the transport phenomena occurring during food drying process[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 78: 922-932.

[18] ONWUDE D I, HASHIM N, ABDAN K, et al. Modelling of coupled heat and mass transfer for combined infraredand hot-air drying of sweet potato[J]. Journal of Food Engineering, 2018, 228: 12-24.

[19] ABEDINI E, HAJEBZADEH H, MIRZAI M A, et al. Modeling transport phenomena in the shrimp drying process[J]. Solar Energy, 2022, 241: 396-403.

[20] 巨浩羽，赵海燕，张卫鹏，等. 相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中热质传递特性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：295-302.

JU Haoyu, ZHAO Haiyan, ZHANG Weipeng, et al. Effects of relative humidity on heat and mass transfer characteristics of carrot during hot air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 295-302. (in Chinese with English abstract)

[21] 赵亚，朱智壮，石启龙，等. 成膜预处理提高扇贝柱超声波辅助热泵干燥效率及品质[J]. 农业工程学报，2022，38(18)：274-283.

ZHAO Ya, ZHU Zhizhuang, SHI Qilong, et al. Coating pretreatment improved drying efficiency and quality attributes of ultrasonic assisted heat pump dried scallop adductors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of theCSAE), 2022, 38(18): 274-283. (in Chinese with English abstract)

[22] 刘嫣红，李梦佳，艾子平，等. 倾斜料盘式气体射流冲击干燥机优化设计及试验验证[J]. 农业工程学报，2022，38(5)：269-278.

LIU Yanhong, LI Mengjia, AI Ziping, et al. Optimal design and experimental verification of tilted tray air-impingement dryers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(5): 269-278. (in Chinese with English abstract)

[23] 巨浩羽，赵士豪，赵海燕，等. 光皮木瓜真空脉动干燥特性及神经网络模型[J]. 食品与机械，2022，38(3)：147-153.

JU Haoyu, ZHAO Shihao, ZHAO Haiyan, et al. Drying characteristics of Chaenomeles sinensis with different drying methods based on Dincer model[J]. Food & Machinery, 2022, 38(3): 147-153. (in Chinese with English abstract)

[24] 屈展平，张小燕，宋淑亚，等. 变异系数法评价预处理方式对黄秋葵热风干燥品质特性的影响[J]. 食品与机械，2022，38(4)：150-155.

QU Zhanping, ZHANG Xiaoyan, SONG Shuya, et al. Evaluation of the influence of pretreatment methods on the quality characteristics of okra hot-air drying based on the coefficient of variation method[J]. Food & Machinery. 2022, 38(4): 150-155. (in Chinese with English abstract)

[25] SASONGKO S B, HADIYANTO H, DJAENI M, et al. Effects of drying temperature and relative humidity on the quality of dried onion slice[J]. Heliyon, 2020, 6(7): e04338.

[26] OGAWA T, CHUMA A, AIMOTO U, et al. Effects of drying temperature and relative humidity on spaghetti characteristics[J]. Drying Technology, 2017, 35(10): 1214-1224.

[27] 牛玉宝，姚雪东，肖红伟，等. 射频辅助热风干燥对红枣脆片质构特性和微观结构的影响[J]. 农业工程学报，2022，38(2)：296-306.

NIU Yubao, YAO Xuedong, XIAO Hongwei, et al. Effects of radio frequency assisted hot air drying on the texture and microstructure of jujube slices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(2): 296-306. (in Chinese with English abstract)

[28] 巨浩羽，赵士豪，赵海燕，等. 中草药干燥加工现状与发展趋势[J]. 南京中医药大学学报，2021，37(5)：786-798.

JU Haoyu, ZHAO Shihao, ZHAO Haiyan, et al. Present situation and developing trend on drying of Chinese herbs[J]. Journal of Nanjing University of Traditional Chinese Medicine, 2021, 37(5): 786-798. (in Chinese with English abstract)

[29] JU H Y, ZHANG Q, MUJUMDAR A S, et al. Hot-air drying kinetics of yam slices under step change in relative humidity[J]. International Journal of Food Engineering, 2016, 12(8): 783-792.

[30] XIE L, MUJUMDAR A S, FANG X M, et al. Far-infrared radiation heating assisted pulsed vacuum drying (FIR-PVD) of wolfberry (L.): Effects on drying kinetics and quality attributes[J]. Food and Bioproducts Processing, 2017, 102: 320-331.

[31] BISWAS R, HOSSAIN M A, ZZAMAN W. Thin layer modeling of drying kinetics, rehydration kinetics and color changes of osmotic pre-treated pineapple () slices during drying: Development of a mechanistic model for mass transfer[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2022, 80: 103094.

Effects of relative humidity on water diffusion and evaporation during hot air drying of carrot

JU Haoyu1, ZOU Yanzi1, XIAO Hongwei2※, ZHANG Weipeng3, YU Xianlong4, GAO Zhenjiang2

(1.,,050061,; 2.,,100083,;3,,100048,;4250100,)

Relative humidity (RH) can be gradually reduced to improve the drying efficiency and quality of materials inhot air drying. The high RH in the early drying stage can rapidly heat up for better diffusion of internal moisture in the material. The internal water can migrate and then spread to the surface of the material. The high RH can reduce the water vapor partial pressure difference between the drying medium and the material surface, in order to inhibit the evaporation rate of water on the surface, and then prevent the surface from drying and crusting. The moisture removal includes two procedures during drying: the internal moisture diffusion to the surface, and the evaporation of surface moisture. Once the surface moisture evaporates too fast, and the internal moisture cannot be supplied to the surface in time, the surface of the material is the first to shrink, which is the direct cause of crust hardening. After the material surface crusts harden, the drying time is prolonged to reduce the rehydration rate and the drying qualities. In the early drying stage, the high RH can improve the internal moisture diffusion rate. Additionally, the surface evaporation rate is reduced. A surface with enough moisture can alleviate the crusting of the material surface for a better drying and rehydration rate. However, it is still lacking in the quantitative comparison of internal moisture diffusion and surface water evaporation. It is also unclear about the process and mechanism of crust formation. Therefore, it is very necessary for the quantitative description of the correlation between the internal moisture diffusion and surface water evaporation on the crusting, in order to optimize the relative humidity for better drying efficiency and quality. In this study, the internal moisture diffusion quality (), moisture evaporation quality (), material surface moisture accumulation (), material microstructure, and rehydration ratio were investigated under three RH control strategies, including the constant RH (20%, 30%, 40%, and 50%), the RH 50% with different time (10, 30, 60, and 90 min), and the auto RH control strategy using material temperature. The results showed that theincreased gradually with the drying time, and then remained stable under constant RH drying. Theincreased gradually with the drying time and then decreased. Specifically, the higher RH was, the faster the material heating rate was, and the largerwas. The lower RH was, the greaterwas. When the RH was 20%, 30%, and 40%, the time of=0 was 1.11, 1.36, and 1.70 h, respectively. After this time, the material surface presented outstanding crusting. Besides, the higher RH was, the later the time of crusting was. When the RH was 50%, there was no<0, indicating no outstanding crusting. When>0, the drying rate was consistent with the changing trend ofvalue. When<0, the corresponding drying rate decreased. When the RH 50% was maintained for 30 min and then reduced to 20%, the time whenequals 0 was 1.39 h. Compared with the drying condition of RH 20%, the material temperature and internal moisture diffusion rate increased to delay the timing of crust formation. After decreasing the RH,increased, and the drying time was shortened by 18.5%. Under automatically controlled RH,increased rapidly within 0-0.25 h, corresponding to a rapid increase in the drying rate.gradually decreased within 0.25-0.50 h. Within 0.78-2.00 h, there were three zeros invalue, indicating the fluctuation at=0. This RH control mode can be expected to serve as the moisture migrating from the inside to the surface evaporate in time without accumulation on the surface. The temperature of the material showed a stepwise upward trend, and then postponed the appearance time of crusting, to retain more water migration channels. In this optimal drying condition, the shortest drying time was 6.1 h, and the highest rehydration ratio was (4.39±0.07) g/g, as well as the lowest shrinkage ratio was 28.55%±1.71%. The automatically controlled RH was the optimal RH controlling drying. This finding can provide a theoretical basis and technical support for the internal migration and surface evaporation of water, particularly for the cause of surface crusting and the optimization of the RH control during drying.

drying; relative humidity; internal moisture diffusion; surface water evaporation; water accumulation; crust

10.11975/j.issn.1002-6819.202210032

TS255.1

A

1002-6819(2023)-01-0232-09

巨浩羽，邹燕子，肖红伟，等. 相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中水分迁移和蒸发的影响[J]. 农业工程学报，2023，39(1)：232-240.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210032 http://www.tcsae.org

JU Haoyu, ZOU Yanzi, XIAO Hongwei, et al. Effects of relative humidity on water diffusion and evaporation during hot air drying of carrot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 232-240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210032 http://www.tcsae.org

2022-10-07

2022-11-24

国家自然科学基金项目（32202233；32102141；32201691）；河北省自然科学基金资助项目（C2020207004）；河北省高等学校科学技术研究项目（BJK2023047）

巨浩羽，博士，副教授，研究方向为农产品干燥技术和装备。Email：ju56238@163.com

肖红伟，博士，博士生导师，副教授，研究方向为农产品干燥技术与装备。Email：xhwcaugxy@163.com