食用干米粉熱風(fēng)干燥特性及干燥數(shù)學(xué)模型研究

胡文明，嚴(yán)中俊

（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000）

米粉是我國(guó)南方人民群眾喜愛(ài)的傳統(tǒng)米制品之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年用于米粉加工的大米約100萬(wàn)t，約占食品加工用米總量的1/3。干燥是米粉生產(chǎn)的一個(gè)重要工序，是延長(zhǎng)米粉保質(zhì)期、提高米粉生產(chǎn)質(zhì)量的重要途徑。米粉目前常用的干燥方法包括自然風(fēng)干（晾、曬）、熱風(fēng)干燥、微波干燥、冷凍干燥和聯(lián)合干燥等方法，熱風(fēng)干燥技術(shù)由于具有操作簡(jiǎn)單、成本低、速度快等特點(diǎn)，在食用干米粉的生產(chǎn)過(guò)程中得到了大量的應(yīng)用。

米粉干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)定傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，在干燥過(guò)程中，隨著米粉含水量的下降米粉體積產(chǎn)生收縮、質(zhì)構(gòu)發(fā)生變化、水分子與物料的結(jié)合力增大，從而影響米粉在食用過(guò)程中的拉抻力、咀嚼度、蒸煮損失率及硬度等產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)。近年來(lái)，隨著米粉生產(chǎn)工業(yè)化的發(fā)展，米粉的熱風(fēng)干燥過(guò)程受到研究人員的廣泛關(guān)注，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙思明、劉友明等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，建立了米粉在高溫高濕條件下的干燥模型，并通過(guò)控制干燥過(guò)程中的干球溫度和濕球溫度對(duì)米粉在干燥過(guò)程中的水分?jǐn)U散特性進(jìn)行了定性分析及研究，得出在適宜的干燥條件下，可以提高米粉的水分?jǐn)U散系數(shù)，降低米粉干燥過(guò)程中的能耗；河南工業(yè)大學(xué)高靜丹、陳潔等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，通過(guò)測(cè)定在不同主干燥溫度條件下米粉的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)及色澤等指標(biāo)，對(duì)主干燥溫度下米粉的品質(zhì)進(jìn)行了研究，得出在綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，米粉干燥溫度在65℃時(shí)干燥效果較好；劉成梅、左艷娜等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)干燥過(guò)程中米粉的老化情況進(jìn)了研究，說(shuō)明了干燥過(guò)程中參數(shù)的控制直接影響到米粉最終的產(chǎn)品質(zhì)量。Chian A、Shei H J及Ece M C等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法證實(shí)了干燥條件和干燥動(dòng)力學(xué)特性與食品的感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值之間的密切關(guān)系。

文章通過(guò)研究不同溫度條件下米粉熱風(fēng)干燥特性，并在常用干燥模型的基礎(chǔ)上，對(duì)食用干米粉熱風(fēng)干燥模型進(jìn)行了研究，為米粉熱風(fēng)干燥過(guò)程的優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。

1 米粉干燥特性實(shí)驗(yàn)

1.1 干燥指標(biāo)

含水量參照GB 5009.3-2010《食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品以條狀米粉進(jìn)行截取，質(zhì)量為20g，通過(guò)設(shè)置干燥箱不同干燥溫度，干燥至恒重量，以w0為干基含水量，則含水量M采用分式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖1 米粉恒溫干燥系統(tǒng)圖

其中：M表示為含水量，%；m為米粉的質(zhì)量，g；m0是初始時(shí)刻的米粉質(zhì)量，g。

米粉內(nèi)部干燥過(guò)程中含水量的多少（含水率）和水分消失的快慢（干燥率）可以分別用MR和DR來(lái)表示：

其中：Mt表示的是t時(shí)刻的含水量，Me表示的是干燥過(guò)程達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)狀態(tài)時(shí)的含水量，Mo表示的是米粉還沒(méi)進(jìn)行干燥之前的含水量，通過(guò)國(guó)家規(guī)定的方法測(cè)得。由于Me比Mt和Mo要小得多，所以可以把Me忽略，從而MR的表達(dá)式可以化簡(jiǎn)成：

其中 Md，d垣dt和 Md，t分別是 t0垣dt和 t0時(shí)刻的去除米粉內(nèi)水分后米粉的質(zhì)量（也稱干物質(zhì)量）。

1.2 干燥數(shù)學(xué)模型

文章選擇了以下幾個(gè)常用的干燥模型對(duì)食用干米粉熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了研究，如表1所示。

干燥模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的擬合度（R2）來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，擬合度（R2）越接近1，就代表所用模型越符合米粉的干燥過(guò)程，計(jì)算公式如式（5）所示：

表1 數(shù)學(xué)模型及其表達(dá)式

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)干燥速率的影響

從圖2可以看出，從開(kāi)始失水到含水率達(dá)到10%（標(biāo)準(zhǔn)10%～14%），干燥溫度為 50℃時(shí)要花 42000s，60℃時(shí)要25000s，70℃ 時(shí) 要 19000，80℃ 時(shí) 要 13000s，90℃ 時(shí) 只 要9000s，干燥所需時(shí)間與干燥溫度的高低成反比。在只有溫度這一個(gè)變量時(shí)，干燥同樣質(zhì)量的水分所用的時(shí)間長(zhǎng)短與干燥溫度的高低成反比，因?yàn)闊峥諝馀c米粉的溫差越大，推動(dòng)米粉內(nèi)水分蒸發(fā)的推動(dòng)力就越大，水分減少的速度也就越快。

圖2 平鋪在7cm×7cm容器中不同恒溫條件下米粉含水量隨時(shí)間變化曲線

圖3 平鋪在7cm×7cm容器中不同恒溫條件下米粉干燥速率隨時(shí)間變化曲線

由圖3可知，每條曲線都有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為每條曲線的最高干燥速率點(diǎn)，同樣也是升速干燥階段與降速干燥階段之間的交點(diǎn)。第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為降速干燥階段與恒速干燥階段的交點(diǎn)。在改變米粉的干燥溫度時(shí)，米粉的升速干燥階段的時(shí)間沒(méi)有很大的變化，基本上都是在1000s左右，米粉的升速干燥階段與溫度這個(gè)變量沒(méi)有關(guān)系。然而，改變溫度對(duì)該曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置有很大的影響，因此，米粉干燥的最大干燥速率與溫度的高低成正比。

2.2 干燥模型性能研究

文章對(duì)各模型的擬合采用的是OriginPro 7.5軟件。表2表示的是米粉干燥模型在不同溫度下的擬合結(jié)果。從表2可知，當(dāng)干燥溫度為50℃、60℃時(shí)，蘊(yùn)ogarithmic模型的決定系數(shù)分別是0.99874、0.99953，為該溫度下7個(gè)模型的決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。當(dāng)干燥溫度為70℃時(shí)，Modified Page模型和Page模型的決定系數(shù)為0.99982，為該溫度下7個(gè)模型決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。當(dāng)溫度為80℃和90℃時(shí)，Two-term exponential模型的決定系數(shù)分別是0.99984、0.99907，為該溫度下7個(gè)模型的決定系數(shù)當(dāng)中的最大值。

表2 食用米粉干燥模型擬合結(jié)果

因此，通過(guò)比較統(tǒng)計(jì)參數(shù)可得：在干燥較低溫區(qū)（50℃、60℃）蘊(yùn)ogarithmic模型比較適合擬合米粉干燥過(guò)程；在中溫過(guò)渡區(qū)（70℃）Modified Page模型和Page模型比較適合擬合米粉干燥過(guò)程，而在較高溫區(qū)（80℃、90℃），則 Two-term exponential模型比較適合。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）米粉干燥的過(guò)程大致分為三段，首先是升速干燥階段，然后是降速干燥階段，最后是等速干燥階段。每個(gè)溫度條件下大致維持了1000s的升速干燥階段，各溫度對(duì)升速干燥階段的時(shí)間影響不大，只是影響最大的干燥速率。

（2）高干燥箱內(nèi)干燥溫度，可以提高米粉的干燥率，減少干燥時(shí)間。平鋪在7cm×7cm的容器中總質(zhì)量為20g的米粉，干燥溫度由50℃增加到90℃時(shí)，最大干燥速率由0.00005g/s增加到0.00025g/s。

（3）通過(guò)比較7種模型可得：在干燥較低溫區(qū)（50℃、60℃）蘊(yùn)ogarithmic模型比較適合擬合米粉干燥過(guò)程；在中溫過(guò)渡區(qū)（70℃）Modified Page模型和Page模型比較適合擬合米粉干燥過(guò)程，而在較高溫區(qū)（80℃、90℃），則 Two-term exponential模型比較適合。

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