干燥介質相對濕度對紅棗熱風干燥特性的影響

劉品，劉寅，張艷，酒曼

(中原工學院 能源與環(huán)境學院，河南 鄭州，450000)

我國是紅棗的生產大國，種植面積高達133.3萬hm2，年產量達25億kg，占世界總產量的90%以上[1-2]。大棗以其高營養(yǎng)和功能價值而聞名，包括糖類、礦物質、蛋白質、維生素C[3]。但是，紅棗采摘后保質期非常短，在非控制條件下儲存時間不能超過10 d[4]。干燥可以用來去除食物中的水分，因此它可以抑制微生物的生長，延長食物的保存時間。熱風干燥，因其結構簡單、成本低,是目前最流行的干燥方法之一[5-6]。

紅棗熱風干燥是一個復雜的過程，同時涉及傳熱和傳質。目前一些學者主要研究干燥溫度、風速、恒定相對濕度和裝載量等對紅棗熱風干燥特性的影響[7-9]。而分階段降濕干燥對紅棗干燥特性的影響研究較少。變溫干燥作為一種干燥方式，可以有效地減少物料干燥時間和干燥過程中的能量消耗，并保持產品干燥品質。王慶惠等[10]在圣女果熱風干燥特性研究中發(fā)現(xiàn)，采用分段式變溫變濕干燥工藝，即干燥前期采用低溫高濕，緩慢增溫并降低濕度，能有效減少圣女果營養(yǎng)成分的損失和色澤變化，并縮短干燥時間。DAI等[11]在研究基于干燥溫度和濕度綜合控制對杏干燥特性的影響中發(fā)現(xiàn)，與相同溫度下連續(xù)除濕相比，控制濕度可以提高杏的干燥速率，干燥時間與連續(xù)排濕相比縮短了18.75%。KOWALSKI等[12]在研究間歇干燥對能耗和物料干燥品質的影響中發(fā)現(xiàn)，間歇干燥能提高物料的干燥品質。據(jù)悉，關于紅棗的變溫變濕干燥的研究主要針對溫度的變化，而對于相對濕度的變化研究幾乎空白。因此，本文研究了控濕階段不同相對濕度(持續(xù)排濕，40%，50%，60%)對干燥速率、能耗、干燥品質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鄭新鮮紅棗(濕基含水率為(80±1)%[13])，鄭州市新鄭市阿里菜市場。

熱風干燥試驗臺由加熱室、干燥室、加濕室、物料架、物料盤(規(guī)格：650 mm×350 mm)、循環(huán)風機(SF-15051，SMS)、溫濕度控制裝置(HS-668，民熔)、風速控制裝置(KTS-A8，惠豐)等組成。溫度控制范圍為0～100 ℃，熱風速度控制范圍為0～3 m/s。試驗臺的結構如圖1所示。

1-排濕口;2-加濕室;3-控制箱;4-新風口;5-加熱室;6-循環(huán)風機;7-物料架;8-物料盤;9-加熱室圖1 熱風干燥試驗臺結構圖Fig.1 Structure diagram of hot air drying test bench

其他設備：UTP-313型電子秤，上海花潮電器有限公司； TESTO 425型高精度風速儀，德圖儀器國際貿易有限公司；Ms-7310型溫濕度傳感，上海搜博實業(yè)有限公司；T型熱電偶，上海南浦儀表廠；34972A型數(shù)據(jù)采集儀器，美國安捷倫科技有限公司；DDS161型電子式單相電能表，上海人民高低壓成套設備有限公司；HH171010型霧化器，浙江和享科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗前準備

將無破損、蟲蛀、霉爛，個頭飽滿的紅棗用水洗凈后晾干并分成幾乎相同質量的4份進行試驗。每份分成3等份，均勻地鋪放在3個物料盤中。開啟循環(huán)風機并設定好初始溫度對干燥室進行預熱。

1.2.2 熱風干燥過程紅棗內部溫度測定

紅棗內部溫度是干燥過程中最重要的過程參數(shù)之一，可以有效地觀察紅棗各個階段的內部溫度情況。試驗采用T型熱電偶和KEYSIGHT數(shù)據(jù)采集儀作為紅棗內部溫度測定和采集的裝置。將T型熱電偶插入到紅棗的中心處，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)。

1.2.3 紅棗熱風干燥曲線的測定

目前紅棗的熱風干燥溫度主要集中在50～70 ℃[14-15]，升溫時間維持在5～8 h。在已有的研究[7-9,16-17]基礎上，本試驗為保證紅棗的干燥品質，風速設定為1 m/s。熱風溫度分三段變溫，第一段為升溫階段，溫度從35 ℃升溫到65 ℃，每小時升溫5 ℃；第二段溫度恒定在65 ℃，持續(xù)14 h；第三段溫度恒定在55 ℃，持續(xù)到干燥結束。

試驗采用單因素分析法，將35～65 ℃升溫階段熱風相對濕度作為唯一變量。相對濕度通過溫濕度自動控制裝置進行控制。控制裝置可以通過控制霧化器的開啟達到控濕的目的。JANJAI等[18]在荔枝的干燥過程中研究發(fā)現(xiàn)，當熱風溫度維持在50～70 ℃且相對濕度在10%～25%時，相對濕度對干燥速率沒有顯著影響。巨浩羽等[19]在胡蘿卜熱風干燥研究中發(fā)現(xiàn)，前期預熱階段保持較高的恒定相對濕度值，能快速提高物料溫度。中后期干燥階段保持低的相對濕度進行干燥，可以增大物料表面和干燥介質的水蒸汽分壓差，加快干燥速率，能有效縮短干燥時間。CUROCIO等[20]在胡蘿卜熱風干燥試驗中發(fā)現(xiàn)，當熱風溫度為45 ℃，相對濕度在10%～30%干燥條件下，胡蘿卜的干燥時間基本相同。這可能是由于相對濕度改變的范圍太低。所以本試驗在35～65 ℃升溫階段采用較高恒定濕度，并增加了濕度的調控范圍，后期維持低的恒定相對濕度。進行4組干燥試驗，第一組為持續(xù)排濕干燥試驗，干燥室內相對濕度控制在20%。剩下的3組為兩段式變濕干燥試驗，即35～65 ℃升溫階段為控濕階段，3組相對濕度分別控制在40%、50%、60%，后續(xù)干燥階段為排濕階段，相對濕度控制在20%。對上述4種不同工況的試驗結果進行比較，研究兩段式變濕干燥對紅棗熱風干燥特性的影響。試驗前對紅棗進行取樣標記，稱重。試驗過程中每隔1 h對樣品測1次質量。

1.3 試驗參數(shù)

(1)采用常壓烘箱干燥法(GB 5009·3—2016)計算紅棗的初始含水量：

(1)

式中:X0，初始含水量，%；m0，初始質量，g；mg，絕干質量，g。

(2)紅棗干燥過程的干基含水量：

(2)

式中:Mt，紅棗t時刻的干基含水量，kg/kg；mt，紅棗t時刻的質量，g；mg，紅棗的絕干質量，g。

(3)紅棗干燥過程的干燥速率[21]：

(3)

式中：Vt，干燥速率，kg/(kg·h)；Tt-Tt-1，t時刻與t-1時刻之差；Mt，紅棗在t時刻的干基含水量，kg/kg；Mt-1，紅棗在t-1時刻的干基含水量，kg/kg。

1.4 評價指標

(1)干燥持續(xù)時間：在4種不同干燥條件下紅棗樣品達到安全含水率時所需的時間。

(2)感官品質：按國家標準GB/T 5835-2009《干制紅棗》的要求。干棗應明亮有光澤，形狀應良好無裂縫且果實飽滿。本文采用模糊評判方法得到綜合評分，由9人小組對干燥后紅棗的色澤、氣味、糖析出量進行感官評分，評分標準如表1所示[22]。

(3)紅棗在4種不同干燥條件下干燥過程的單位能量消耗。

2 結果與分析

2.1 紅棗熱風干燥特性試驗研究

2.1.1 紅棗內部溫度測定

表1 感官評分標準Table 1 Sensory scoring criteria

4種不同情況下紅棗內部溫度曲線如圖2所示。紅棗內部溫度隨著干燥室內溫度的上升而逐漸上升，隨后趨于穩(wěn)定。待物料溫度穩(wěn)定后，紅棗內部溫度和干燥室內溫度相差13 ℃左右。當干球溫度一定時，相對濕度越高，空氣焓值越高[23]。根據(jù)傅里葉導熱定律可知，當干燥介質焓值越高時，物料升溫越快。在控濕階段，相對濕度恒定為60%時，物料升溫速度最快。控濕階段提高相對濕度能使物料內部盡快達到一個較高的溫度。控濕階段結束，該階段相對濕度為60%時，紅棗內部溫度最高為53.5 ℃左右；該階段相對濕度為50%時，紅棗內部溫度最高為51.5 ℃左右；該階段相對濕度為40%時，紅棗內部溫度最高為49.5 ℃左右。持續(xù)排濕情況下，紅棗內部溫度最高為47.5 ℃左右。

圖2 紅棗內部溫度曲線Fig.2 Red jujube internal temperature curve

2.1.2 紅棗熱風干燥曲線的測定

初始含水率相同的紅棗在4種不同干燥條件下，干燥過程中不同時刻的干基含水率的變化如圖3所示。

4種情況的干燥時間分別為32.5、30.8、28.3和27.5 h。當控濕階段維持熱風相對濕度為60%,后續(xù)階段排濕干燥的干燥時間比持續(xù)排濕干燥縮短了5 h并節(jié)約了15.38%，由此可見，提高控濕階段的熱風相對濕度可以縮短整體的干燥時間。由相對濕度為50%和60%的干燥時間比較可知，持續(xù)提高控濕階段熱風相對濕度對干燥時間減少無顯著影響。

圖3 干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristic curve

在4種不同干燥條件下，大棗的收縮均勻性不同。這是因為，在控濕階段提高相對濕度，可以加快物料內部溫度上升，使物料中心和表面的溫度、濕度趨于接近。當后續(xù)干燥階段降低干燥介質的相對濕度時，物料中心到表面的溫度梯度和濕度梯度也是一致的，這樣有利于加速干燥速度，并減少結殼現(xiàn)象的發(fā)生[24]。如圖4-a所示，在持續(xù)排濕干燥條件下，棗的收縮不明顯，棗皮變硬、變黑，棗有焦味，小組評定分數(shù)為4分。這是由于紅棗前期在高溫低濕條件下造成表皮干硬，內外水擴散不平衡，內部水汽不容易向外擴散，使之充氣膨脹，形成了“坐囤棗”。如圖4-b所示，當控濕階段保持相對濕度為40%時，棗成品表皮發(fā)黑，這是由干燥時間過長導致，部分棗表皮有較多糖分析出，棗香味一般、微甜，小組評定分數(shù)為6分。如圖4-c所示，當控濕階段保持相對濕度為50%時，紅棗外皮變的明亮，少部分表皮有糖分析出，棗味道較甜，小組評定分數(shù)為8分。如圖4-d所示，當控濕階段保持相對濕度為60%時，棗的干燥品質最好。無干裂，色澤鮮亮，肉質肥厚，無糖分析出，小組評定分數(shù)為9分。

圖4 紅棗干燥品質對比Fig.4 Comparison of dry quality of jujube

2.1.3 紅棗干燥速率曲線的測定

在熱風溫度和風速相同，控濕階段熱風相對濕度不同的情況下，干基含水率與干燥速率的關系如圖5所示。

由圖5可知，紅棗的干燥過程大致可以分為3個階段，預熱干燥階段、恒速干燥階段、降速干燥階段。

預熱干燥階段從烘干開始一般持續(xù)8～9 h。這個階段紅棗從熱風中吸收熱量，紅棗內部溫度升高，紅棗中的水分變化很少，隨著干燥室內溫度的升高，干燥速率逐漸增大。

圖5 四種工況干燥速率對比Fig.5 Comparison of drying rates in four working conditions

恒速干燥階段持續(xù)10～12 h，這個階段紅棗中心的溫度低于表面溫度，水分會在毛細管力的作用下不斷向紅棗表面遷移，并從表面蒸發(fā)，這個過程中紅棗的溫度基本不變，降水速率基本為定值，因此干燥速率為定值[25]。在恒速干燥階段，由于紅棗表面含有自由水分，當水分完全汽化時，表皮就會從紅棗表面向內退縮，紅棗開始發(fā)生收縮現(xiàn)象。

降速干燥階段為紅棗干燥過程主要干燥階段，在此階段紅棗表面沒有充足的自由水分，紅棗內外存在溫度梯度，熱量從外向內遷移，紅棗內的水分蒸發(fā)從內向外遷移，這個階段紅棗中自由水減少，剩余的半結合水、結合水難以析出，故干燥速率逐漸降低。

通過比較4種不同條件下的干燥速率曲線，可以看出控濕階段不同的熱風相對濕度對棗的干燥速率有很大影響。控濕階段熱風相對濕度越大，紅棗后期干燥速率越大，相對濕度為60%時的干燥速率最大。根據(jù)菲克定律及其邊界條件，環(huán)境的相對濕度越低，物料與環(huán)境之間的蒸汽壓差越大，干燥速率越高[26]。大棗有一層表皮，因此在控濕階段，大棗在高溫和低濕條件下干燥，會使表皮失水過快，變干變硬，阻止大棗內部水分遷移到表面[27]。高溫高濕干燥環(huán)境可以減緩控濕階段紅棗表面水分蒸發(fā)的速度，使紅棗在控濕階段內部溫度快速升高，從而使大棗的內部水分和棗皮的水分均勻蒸發(fā)，從而提高大棗的干燥品質。

2.2 能耗比較

通過接入到線路中的電表對4種不同工況下干燥過程中的耗電量進行統(tǒng)計，見表2。

表2 四種工況能耗Table 2 Energy consumption of four working conditions

由表2可知，在干燥過程中干燥溫度、風速相同，控濕階段相對濕度不同的條件下，耗電量不盡相同。隨著控濕階段熱風相對濕度的增加，能耗逐漸減小。主要是因為控濕階段熱風相對濕度增加，導致紅棗最終干燥時間減少，從而降低了整體能耗。例如當干燥介質相對濕度為60%時比相對濕度為40%時節(jié)約能耗34.78%。

3 結論

本文研究了干燥介質相對濕度對紅棗熱風干燥特性的影響。研究得出，在控濕階段提高干燥介質的相對濕度可以加快物料內部的升溫速度，使棗內外水分均勻蒸發(fā)，減少結殼現(xiàn)象的發(fā)生。同時也有利于棗后期的水分遷移和均勻收縮。在控濕階段提高干燥介質相對濕度、排濕階段降低相對濕度，可以有效地減少紅棗的烘干時間，從而降低整個干燥過程的能耗。當控濕階段相對濕度為60%時，干燥時間比整個階段持續(xù)排濕干燥減少了15.38%，能耗降低了34.78%。