4種薯類作物熱風干燥特性的比較

張　鵬，趙士杰，趙滿全

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　 010018)

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4種薯類作物熱風干燥特性的比較

張鵬，趙士杰，趙滿全

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

摘要：為了考察薯類作物的熱風干燥特性的異同點、優化薯類作物熱風干燥工藝，本文選取4種薯類作物(紅薯、馬鈴薯、芋頭和山藥)，在不同溫度(55、70、85℃)、切片厚度(3、5、7mm)和切法(橫切、縱切)條件下進行比較，研究其熱風干燥特性。結果表明：溫度與切片厚度對4種物料的干燥特性影響一致，切法對4種物料的干燥特性影響略有差別，但不明顯。通過比較，發現它們在熱風干燥過程中各類指標變化基本一致，具有共性，在工業生產上可以進行歸類，為薯類作物產業化生產提供了理論依據。

關鍵詞：薯類作物；熱風干燥；特性

0引言

薯類作物因其收獲的產品為地下根或塊莖，又稱根莖類作物，主要包括紅薯、馬鈴薯、芋類和山藥等[1]。薯類作物的塊莖中含有大量碳水化合物、胡蘿卜素和花青素等次生代謝營養物。其高產耐旱，不僅是我國的主要糧食作物之一，可保障我國糧食安全，為我國很多地區的農民提供了重要的收入和糧食來源；也是重要的飼料以及工業原料，特別是隨著我國生產生物乙醇燃料的主要原料：玉米的價格上漲、陳糧的消耗殆盡，我國已經開始發展薯類燃料乙醇[1-4]。2015年1月6日，在北京舉辦的馬鈴薯主糧化發展戰略研討會認為，馬鈴薯作為三大主糧的補充，主糧化成為必然的選擇。因此，薯類作物產業對我國的穩定發展起到了至關重要的作用；但由于薯類作物儲藏、運輸不便，加工環節落后，人們對薯類作物的重視程度不高[5]。農產品的干燥技術是食品保藏的一項重要手段，熱風干燥技術操作簡單、成本低，雖然對干后品質有一定影響，但依然是我國食品生產中最常用到的一種干燥方式[6]。孟岳成等(2011)研究了熟化紅薯熱風干燥過程中熱風溫度、風速、切片厚度三者對干燥環節的影響，為紅薯熱風干燥工業化提供理論依據，并且比較了12種數學模型在熟化紅薯熱風干燥中的適用性[7]。江曉(2011)建立了馬鈴薯熱風干燥過程中的傳熱傳質模型和收縮模型，對馬鈴薯熱風干燥過程進行了模擬，對熱風干燥工藝進行了優化[8]。

任廣躍等(2010)對懷山藥采用熱風、微波和真空干燥3種方法進行干燥，比較了3種方式對懷山藥的干燥速率、復水率和多糖得率的影響[9]。匙寶成等(2009)利用自制微波干燥裝置對芋頭片進行了微波干燥試驗，研究了芋頭片干燥過程中的失水特性，為進一步了解芋頭的干燥特性提供了依據[10]。本筆者選擇4種有代表性的薯類作物，在固定風速下對它們進行熱風干燥，研究熱風溫度、切片厚度和切法(橫切和縱切)3種因素對其熱風干燥特性的影響，旨在優化干燥工藝，并找出它們在干燥過程特性變化的一些共性，提出對農產品加工進行分類的思想。

1材料和方法

1.1　實驗材料

選擇表皮光滑，個頭大小一致，形狀相似的新鮮紅薯、馬鈴薯、山藥和芋頭，購于當地市場。

1.2　主要設備

GZ-1型熱風干燥機，華南理工大學科技實業總廠制造；電子天平，精確度0.001g。

1.3　干燥試驗方法

取4種物料，用清水洗凈，去皮，以干燥溫度、熱風風速和切法作為熱風干燥的3個因素，按表1進行熱風干燥試驗。

1.4　水分測定

按GB5009.3-2001測得4種物料的初始含水率[11]，分別為：紅薯約為82%，馬鈴薯約為80%，芋頭約為78%，山藥約為76%。

含水率是用來表示物料在干燥過程中某一時刻的水分含量。物料干燥過程中含水率(M)為

(1)

式中M—物料t時刻的含水率(%)；

mt—t時刻物料的質量(g)；

md—絕干物料的質量(g)。

物料熱風干燥速率為

(2)。

式中DR—熱風干燥速率(%/h)；

Mt—t時刻物料的含水率(%)；

Mt+dt—t+dt時刻物料的含水率(%)。

表1　干燥實驗方案

1.5　數據處理

運用Excel軟件對數據記錄和計算，Origin 8.0軟件繪圖。

2結果與分析

2.1　不同熱風溫度對4種物料熱風干燥特性的影響

在橫切(沿著短軸切片)、試樣厚度為7mm的條件下，考察熱風溫度分別為55、70、85℃時，對試樣的干燥特性的影響。圖1顯示的是4種物料在不同干燥溫度下，含水率隨時間的變化曲線。

(a)　紅薯在不同干燥溫度下的含水率曲

(b)　馬鈴薯在不同干燥溫度下的含水率曲線

(c)　芋頭在不同干燥溫度下的含水率曲線

(d)　山藥在不同干燥溫度下的含水率曲線

由圖1可以看出：4種物料在干燥過程中，達到平衡含水率需要的時間與干燥溫度成反比，85℃時需要的時間明顯低于其它兩種溫度。溫度越高，空氣濕度就越低，在干燥時與物料接觸的過程中就容易帶走水分，要達到一定的含水率需要的時間就越少。

4種物料在不同干燥溫度條件下的干燥速率曲線如圖2所示。

(a)　紅薯在不同溫度條件下干燥速率曲線

(b)　馬鈴薯在不同溫度條件下干燥速率曲線

(c)　芋頭在不同溫度條件下干燥速率曲線

(d)　山藥在不同溫度條件下干燥速率曲線

由圖2可知：4種物料在干燥過程中均沒有出現明顯的恒速階段，干燥發生在降速階段；干燥速率隨著水分下降而降低，隨著溫度升高而升高；85℃時干燥速率明顯高于其他兩個溫度，但是物料表面結殼較嚴重，因此選擇70℃作為干燥溫度；溫度對4種物料的干燥特性影響一致。

2.2　不同切片厚度對4種物料熱風干燥特性的影響

不同切片對4種物料熱風干燥特性的影響如圖3和圖4所示。由圖3可知：在切法和溫度恒定時，達到平衡含水率需要的時間與厚度成反比；厚度3mm時需要時間明顯比其他兩個厚度要少。這是因為厚度小，水分從內部向外遷移就容易，但是物料卷曲較為嚴重。

由圖4可知：4種物料的干燥速率隨著厚度的增加而減小，3mm厚度時的干燥速率明顯高于其他兩個厚度；5mm和7mm的干燥速率差距不大，這在4種物料之間表現一致。

(a)　紅薯在不同切片厚度下的含水率曲線

(b)　馬鈴薯在不同切片厚度下的含水率曲線

(c)　芋頭在不同切片厚度下的含水率曲線

(d)　山藥在不同切片厚度下的含水率曲線

(a)　紅薯在不同厚度條件下干燥速率曲線

(b)　馬鈴薯在不同厚度條件下干燥速率曲線

(c)　芋頭在不同厚度條件下干燥速率曲線

(d)　山藥在不同厚度條件下干燥速率曲線

2.3　不同切法對4種物料熱風干燥特性的影響

在干燥溫度和切片厚度一定時，切法對4種物料的干燥過程影響不明顯，如圖5所示。4種物料在橫切(沿著短軸切)和縱切(沿著長軸切)兩種切法下的含水率曲線幾乎重合；紅薯和馬鈴薯在橫切時水分散失要比縱切時要快，而芋頭和山藥正好相反。通過對4種物料的切面觀察發現，紅薯和馬鈴薯縱切面是順著生長紋理，而芋頭和山藥的橫切面是順著生長紋理的。因此，影響其干燥過程水分散失的主要因素是內部紋理結構，切面與紋理垂直時，有利于水分的散失。

(a)　紅薯在不同切法條件下含水率曲線

(b)　馬鈴薯在不同切法條件下含水率曲線

(c)　芋頭在不同切法條件下含水率曲線

(d)　山藥在不同切法條件下含水率曲線

3結論

4種物料的干燥試驗表明：薯類作物的干燥發生在降速階段，干燥速率與切片厚度成反比，與溫度成正比，切法對薯類作物熱風干燥影響不明顯；85℃時干燥速率最快，但是物料表面結殼嚴重，營養損失較多，因此選擇70℃為最佳干燥溫度；3mm厚度的物料干后卷曲嚴重，5mm和7mm厚度干燥速率差別不大，考慮到工業生產的效率，選擇7mm為最佳干燥厚度。

切片厚度和干燥溫度對4種物料在熱風干燥過程的影響表現一致，切法上的影響有所不同，但是影響不明顯。農業物料的特性差異較大，復雜多變，但在某些具體問題上具有共性，薯類作物在熱風干燥過程中的研究就可以歸為一類，這為農業物料的研究提出了歸類的思想。

參考文獻：

[1]張鵬.關于薯類作物儲藏根和塊莖的差異[J].植物學報，2015(3)：279.

[2]郭華春.云南薯類作物生產現狀與產業化前景分析[J].西南農業學報，2004(S1)：384-387.

[3]劉合光，謝思娜.我國薯類作物生產周期波動測定及影響因素分析[J].中國蔬菜，2013(22)：15-19.

[4]程艷軍，鄭風田.中國薯類燃料乙醇發展現狀與前景[J].林業經濟，2009(3)：59-64.

[5]張順.論青海高原山區旱地薯類作物的生產[J].農業科技通訊，2013(6)：34-36.

[6]徐小東，崔政偉.農產品和食品干燥技術及設備的現狀和發展[J].農業機械學報，2005(12)：171-174.

[7]孟岳成，王君，房升，等.熟化紅薯熱風干燥特性及數學模型適用性[J].農業工程學報，2011(7)：87-392.

[8]江曉.馬鈴薯熱風干燥過程中物性變化的數值模擬及可視化研究[D]. 湛江：廣東海洋大學，2011.

[9]任廣躍，陳艷珍，張仲欣，等.懷山藥熱風、微波及真空干燥的實驗研究[J].食品科技，2010(7)：111-115.

[10]匙寶成，連政國，梁潔，等.芋頭片微波干燥失水特性試驗研究[J].農機化研究，2009，31(6)：121-125.

[11]GB 5009.3-2010，食品中水分的測定[S].

Comparative Study for Drying Characteristics of Hot Air Drying of Four Root and Tuber Crops

Zhang Peng， Zhao Shijie， Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to examine the differences and similarities between hot air drying characteristics of root and tuber crops,opeimize the hot air drying process, this paper selected four root and tuber crops(sweet potato, potato, taro, yam), comparative study for their drying characteristics under different temperature(55℃, 70℃, 85℃), slice thickness(3mm, 5mm, 7mm) and mode of cutting(transverse and longitudinal cutting). The results shows that impact of temperature and slice thickness on drying characteristics of four material are same, the mode of cutting affects slightly different, but not obvious. By comparison, they have same index change in the process of hot air drying, have similarity, can be classified in the industrial production, provides theoretical basic for root and tuber crops on industrialization production.

Key words：root and tuber crops; hot air drying; characteristics

中圖分類號：S375

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0239-05

作者簡介：張鵬(1989- )，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)742943101@qq.com。通訊作者：趙士杰(1956- )，男，內蒙古固陽人，教授，碩士生導師，(E-mail)nmzsj@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(31260409)

收稿日期：2015-09-02