靜電對果蔬熱風干燥特性的影響

王烽先，劉寅，2*，孟照峰*，于彰彧，王航，閆俊海

1(中原工學院，能源與環(huán)境學院，河南 鄭州，451191)2(河南中瑞制冷科技有限公司，河南 鄭州，451191)

果蔬富含維生素、礦物質(zhì)、碳水化合物等多種保證們生活健康的營養(yǎng)成分。由于果蔬含水率高，導(dǎo)致果蔬在貯藏時容易變質(zhì)、腐爛，在我國因保存方式不當導(dǎo)致水果的損失率高達20%～25%[1]，蔬菜的損失率高達17%[2]。干燥可以通過將果蔬內(nèi)部的水分進行去除，抑制微生物的生長，延長果蔬的保存時間，降低貯藏損失。

果蔬干燥的常見方法有自然曬干、熱風干燥、真空冷凍干燥等，真空冷凍干燥雖然干燥品質(zhì)極佳，但是干燥時間長，干燥速率低，成本高[3]。熱風干燥作為干燥的一種方式，其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低[4-5]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品等產(chǎn)業(yè)中，但是傳統(tǒng)熱風干燥存在著物料干燥不均勻、干燥后期效率低等缺點[6]。王會林等[7]對胡蘿卜進行了熱風干燥特性實驗，分析其干燥過程中的干燥速度，將整個干燥過程分為恒速干燥期、第一降速期和第二降速期。發(fā)現(xiàn)隨著干燥過程的推進，干燥速率在逐步降低。為了提高干燥速度可通過提高后期干燥溫度來加速干燥，李艷杰等[8]在對香菇進行溫度影響實驗時，發(fā)現(xiàn)初始干燥溫度采用80 ℃時，初始干燥速率達到0.2 g/min以上，但是在后期干燥速率會逐漸趨于平緩，雖然溫度在70 ℃以上仍然可以加速干燥的進行，但是香菇的褐變嚴重。早在1976年淺川提出了“淺川效應(yīng)”[9]，指出在高壓電場下水的蒸發(fā)速度加快。梁運章，丁昌江等[10-11]表明，液體中的電荷在受到電場力的作用下而發(fā)生運動，在運動黏度的影響下，導(dǎo)致了水分的流動，并不產(chǎn)生熱量，因此提出了靜電干燥技術(shù)。王慶惠等[12]研究了高壓靜電場對杏子的影響，指出高壓電場可以加速干燥過程。

綜上所述，在干燥過程中添加電場裝置，能夠加速水分子遷移速率且不產(chǎn)生熱量[13]，本實驗通過對新鮮香蕉、胡蘿卜切片處理，通過添加靜電裝置，記錄香蕉片、胡蘿卜在不同干燥過程中的質(zhì)量變化，分析溫度、靜電裝置對香蕉片(高含糖量)、胡蘿卜片(高含水率)干燥速率、干燥品質(zhì)的影響，找出果蔬的干濕基變化規(guī)律，進行了靜電裝置對香蕉片、胡蘿卜片熱風干燥特性影響的研究。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

實驗設(shè)備：電子式單相電能表(DDS161)，上海人民高低壓成套設(shè)備有限公司；數(shù)據(jù)采集儀(34972A，Keysight)，德科技(中國)有限公司；高精度風速儀(Testo425，精度±0.03 m/s，德國儀器國際貿(mào)易(上海)有限公司)；電子天平(UTP-313，精度0.01 g)，上海花潮電器有限公司；溫濕度傳感器(Ms-7310，溫度測量精度±0.5 ℃，濕度測量精度±4.5%RH)；水分測定儀(梅特勒-托利多HE83，可讀精度0.01%)，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；靜電發(fā)生器(DENBA-08S)，廣州成云電霸保鮮科技有限公司；靜電放電板(DENBA S，DP-10S)，廣州成云電霸保鮮科技有限公司。

干燥實驗臺主要由加熱室、干燥室、物料支架、物料盤(650 mm×350 mm)、循環(huán)風機(SF-150051，SMS)、溫濕度控制器(HS-668，民熔)、風速控制器(KTS-A8，惠豐)等組成。實驗臺如圖1所示。

1-控制終端;2-新風入口;3-加熱室;4-干燥室;5-循環(huán)風機;6-物料支架;7-靜電板;8-物料盤;9-靜電發(fā)生器

1.2 方法與設(shè)計

1.2.1 干燥機理分析

物料干燥的主要過程是水分子向外遷移，通過給水分子提供能量使水分子之間的氫鍵斷開[14]，水分從物料內(nèi)部擴散到表面后蒸發(fā)。傳統(tǒng)的熱風干燥是通過升高溫度來給內(nèi)部水分子提高能量，提高物料水分子向外遷移的速率。在給物料添加靜電裝置后，水分子獲得電場力所提供的能量但不提升溫度，也提高了水分子的遷移速率，上述過程符合電流體動力學基本方程[15]，方程(1～5)如下：

(1)

E=-▽φ

(2)

(3)

▽ν=0

(4)

(5)

式中：E為電場強度，Q是電荷密度，ε為介質(zhì)電常數(shù)，φ為電壓，J為電流密度，t為時間，ν為介質(zhì)速度，ρ為介質(zhì)密度，p為壓力，μ為黏性系數(shù)，f為電場力。其中電流密度J滿足公式(6)：

J=KQE-DQ▽Q+Qν

(6)

式中：K為離子遷移率，DQ為分子擴散系數(shù)，Q為電荷密度，E為電場強度。由以上公式分析可得當外部電場提供的分子運動能量大于分子熱運動的能量時，水分子自身的擴散可以忽略。當水分子擴散被外界附加的能量來主導(dǎo)時，由于水分子是極性分子，在受到電場力作用后會使加速度增大，獲得更多的能量，會加速氫鍵斷開，在此過程中溫度也提供了一定的能量，在電場和溫度都提供能量時，使得物料內(nèi)部的勢能增加，將物料內(nèi)部水平衡打破，在物料內(nèi)部存在的水分子會向表面移動。

1.2.2 方法

實驗選取果蔬為胡蘿卜、香蕉，樣品要求新鮮無傷損。實驗前將樣品清洗干凈，晾干表面水分。分別做切片處理，取最佳厚度5 mm[16-17]，隨機取10組，采用鹵素水分檢測儀測定初始含水率。將10組檢測數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，測定胡蘿卜初始含水率為(90±0.5)%、香蕉初始含水率為(76±0.5)%。

將洗凈并晾干的胡蘿卜、去皮香蕉分別切片分成相同質(zhì)量的6份進行實驗，每份分別進行編號，利用護色劑(亞硫酸鈉0.5 g/L+NaCl 1.0 g/L+檸檬酸2.0 g/L)對香蕉片進行預(yù)處理來減少香蕉褐變[18]。實驗采用單因素分析法，將是否使用靜電裝置作為唯一變量，共分為6組實驗，實驗1為55 ℃[19]胡蘿卜單一熱風干燥，實驗2為55 ℃胡蘿卜添加靜電裝置的聯(lián)合熱風干燥，實驗3為55 ℃下前期添加靜電裝置的對胡蘿卜片進行熱風干燥，實驗4為55 ℃[20]香蕉片單一熱風干燥，實驗5為55 ℃香蕉片添加靜電裝置的聯(lián)合熱風干燥，實驗6為55 ℃香蕉片前期添加靜電裝置的熱風干燥。實驗時先開啟循環(huán)風機進行預(yù)熱，預(yù)熱完畢后將干燥物料均勻的平鋪在物料盤中，并隨機標記樣本，風速設(shè)定為1.2 m/s，每隔30 min將樣本取出，放置在電子天平上記錄質(zhì)量并計算濕基含水率，直到胡蘿卜濕基含水率到13%[21]，香蕉濕基含水率5%[22]時停止干燥。

1.3 評價標準

(1)干燥時間：物料在6組不同的實驗中達到干燥目標所花費的時間。

(2)能耗對比：物料在6組不同的實驗中達到干燥目標的功耗與脫水質(zhì)量的比值。

(3)復(fù)水率對比：物料在添加靜電裝置前后的復(fù)水能力。

(4)感官評價：感官評價采用計分方式對產(chǎn)品品質(zhì)進行評估[20-23]，如表1、表2所示。

表1 干燥的胡蘿卜片感官評分標準

表2 干燥的香蕉片感官評分標準

(5)Weibull函數(shù)[24]擬合，干燥模型-Weilbull分布函數(shù)如公式(7)：

(7)

式中：α表示尺度參數(shù)，是速率常數(shù)，其值約為去除胡蘿卜內(nèi)部63%水分，香蕉內(nèi)部63%水分所需的時間，min；β表示形狀參數(shù)，β與干燥物料的干燥速率和水分子擴散有關(guān)，其值越小說明擬合越好；t表示干燥時間，min。

按照Weibull分布函數(shù)進行數(shù)學模型擬合，其中可參照決定系數(shù)R2、和方差SSE、卡方值χ2以及均方根誤差RMSE 來進行擬合評價，其中R2越接近1，SSE越接近于0，χ2和RMSE越小，則說明擬合值越好。R2、χ2和RMSE的計算如公式(8)～公式(11)：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：MRexp,i為實測水分比，MRpre,i為計算水分比，N為水分比的總個數(shù)，n為常數(shù)的個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜電裝置對胡蘿卜在55 ℃的溫度下熱風干燥特性的影響

胡蘿卜在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的濕基含水率的變化曲線圖如圖2所示。

圖2 不同干燥時刻的濕基含水率變化

由圖2可知，3組實驗的干燥時間分別為315、270、300 min。對比發(fā)現(xiàn)，添加靜電裝置的實驗2比其他兩組實驗所用的干燥時間都要短，并且干燥過程添加靜電裝置的實驗2比單一熱風干燥的實驗1時間縮短了45 min，在實驗3斷開靜電裝置后濕基含水率的變化趨向于實驗1的曲線，由此可得到添加靜電裝置的干燥實驗可以減少干燥時間。主要原因是干燥的本質(zhì)是水分蒸發(fā)，而靜電裝置可以加速物料內(nèi)部水分子的運動來提高水分子向外遷移的速率，因此減少了干燥時間，降低了干燥能耗。

a-熱風-靜電；b-前期靜電；c-單一熱風

如圖3所示，對于3組不同干燥條件的實驗胡蘿卜的品質(zhì)也均不相同。如圖3-c所示，實驗1單一熱風干燥的胡蘿卜片，香味偏淡，色澤變褐，形態(tài)卷曲，小組評分為40。如圖3-a所示，實驗2干燥過程中添加靜電裝置的胡蘿卜片，香味濃郁，色澤鮮艷，形態(tài)較平整，小組評分為90，如圖3-b所示，實驗3前期添加靜電裝置的胡蘿卜片干燥，香味較香，色澤較鮮艷，形態(tài)卷曲，小組評分為70。影響干燥品質(zhì)的主要因素是干燥物料在干燥過程中內(nèi)部水分子的分布情況，干燥過程中物料的水分子向外蒸發(fā)，隨著干燥時間的推移，物料表面的水分子越來越少，內(nèi)部水分子向外遷移又只能全靠溫度來提供動能，導(dǎo)致向外遷移的水分子較少，因此干燥品質(zhì)變差，而通過添加靜電裝置可以驅(qū)動內(nèi)部水分子向外運動，使胡蘿卜片水分子分布均勻，保證了胡蘿卜子表面水分子向外運動穩(wěn)定，所以干燥品質(zhì)較好。

胡蘿卜在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同干基含水率時的干燥速率如圖4所示。

圖4 不同干基含水率的干燥速率變化

通過對比圖4的干燥速率曲線可以看出，添加靜電裝置的實驗干燥速率均大于單一熱風干燥速率，實驗2的干燥速率曲線始終大于實驗1和實驗3。實驗3在關(guān)閉靜電裝置后，干燥速率開始貼近實驗1，并且在干燥后期與單一熱風干燥的實驗1相比，實驗3的干燥速率低于實驗1，這是干燥過程中，前期啟用靜電裝置，使胡蘿卜內(nèi)部的水分子動能增加，提高了內(nèi)部水分子像外表面遷移的速率，在關(guān)閉靜電裝置后，失去外界對內(nèi)部水分子附加的動能，水分子的遷移只能通過升高胡蘿卜內(nèi)部溫度，由于前期利用了靜電裝置的能量，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高較慢，因此后期干燥速率不如單一熱風干燥。

胡蘿卜在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的物料脫水率如圖5所示。

圖5 不同時刻的脫水率變化

通過比較圖5的脫水率曲線可以看出，添加靜電裝置胡蘿卜片熱風干燥的實驗2前期脫水率較高，實驗3介于二者之間，隨著干燥時間的推移脫水率也逐漸相差不多，這是在干燥前期，胡蘿卜內(nèi)部有大量水分子，靜電裝置產(chǎn)生的能量可以被大量內(nèi)部水分子利用，而隨著干燥的進行，胡蘿卜片的水分子量逐漸降低，靜電裝置所提供的內(nèi)能被水分子吸收利用也較少，靜電裝置對干燥的影響也逐漸變低。

2.2 靜電裝置對香蕉片在55 ℃的溫度下熱風干燥特性的影響

香蕉片在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的濕基含水率的變化曲線圖如圖6所示。

由圖6可知，3組香蕉片干燥實驗的時間分別為360、300、330 min，實驗5與實驗6使用了靜電裝置比單一熱風實驗4的干燥時間分別縮短了60 min和30 min，并且在120 min后實驗5的濕基含水率變化趨勢變緩，這是由于香蕉含糖量較高，該時刻水分子數(shù)量較少，糖分阻礙了內(nèi)部水分子向外遷移的速率，造成了濕基含水率下降較慢，在干燥后期靜電裝置對濕基含水率的影響逐漸減弱。

圖6 不同干燥時刻的濕基含水率變化

如圖7所示，對于3組不同干燥條件下的香蕉片實驗，品質(zhì)也不相同。這是由于香蕉本身含糖量較高，在單一熱風干燥下，水分子析出較慢，容易產(chǎn)生微生物，通過添加靜電裝置后，靜電裝置會在干燥過程中產(chǎn)生一定的臭氧，在進行干燥的同時還可抑制微生物的生長，進而提升干燥品質(zhì)。如圖7-c所示，單一熱風干燥不添加靜電裝置，香蕉色澤暗黃，口感黏軟，中心褐變嚴重，小組評分30分。如圖7-a所示，添加靜電裝置的香蕉片干燥，香蕉色澤黃亮，口感酥脆，中心微褐變，小組評分85分。如圖7-b所示，前期添加靜電裝置的實驗6，色澤淡黃，口感偏軟，中心存在褐變，小組評分50分。

a-熱風-靜電;b-前期靜電;c-單一熱風

香蕉片在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同干基含水率的干燥速率如圖8所示。

圖8 不同干基含水率的干燥速率變化

通過對比圖8的不同干燥速率曲線發(fā)現(xiàn)，靜電裝置對高含糖量的香蕉片干燥也有著明顯作用，在干燥初始階段，實驗5、實驗6與實驗4的干燥速率差距較小，隨著干燥的進行，靜電裝置在干燥中期提高了干燥速率，但是在后期的干燥速率3組實驗相差不多。這是因為香蕉在后期內(nèi)部水分子減少，剩余的糖分較多，由于流體黏度的影響，內(nèi)部水分子變少，并且向外表面遷移的速率變慢，靜電裝置的作用受限，導(dǎo)致內(nèi)部水分子的運動全部依靠溫度的提升，因此干燥后期的速率3組實驗相差不多。

香蕉片在55 ℃的熱風溫度下進行干燥，靜電裝置對其干燥過程中不同時刻的物料脫水率如圖9所示。

圖9 不同時刻的脫水率變化

通過比較圖9的脫水率曲線可以發(fā)現(xiàn)，在干燥初期靜電裝置有著很大影響，添加靜電裝置的脫水率曲線變化幅度較小，在干燥進行一段時間后斷開靜電裝置，可以看出脫水率曲線變化較為明顯。這是由于靜電裝置的突然斷開，導(dǎo)致原本在靜電裝置作用下向表面遷移的水分子突然失去了電場能，內(nèi)部水分子的蒸發(fā)只能依靠汽化潛熱來提供的熱量，因此脫水率開始下降。

2種不同物料的干燥速率如圖10所示。通過對比6組實驗的干燥速率發(fā)現(xiàn)，2種不同物料干燥速率明顯不同，香蕉片的干燥速率整體大于胡蘿卜的干燥速率，這是香蕉片的初始含水率比胡蘿卜的初始含水率低造成的，2種物料的干燥速率較快的曲線均添加了靜電裝置，給干燥室附上靜電場，物料內(nèi)部水分子受到電場力的作用而向外表面運動，由于水自身也有黏性便受到水分子運動的影響而運動，因此干燥速率會有所提升。胡蘿卜的干燥速率變化不明顯，而香蕉片的速率變化有波動，是由于香蕉片的糖分較多，糖分阻礙了水分子向外的遷移，并且也有一部分糖分子與水分子結(jié)合使水分子向外遷移的速率驟降。綜合對比發(fā)現(xiàn)添加靜電裝置對物料干燥速率有一定的積極作用，但主要作用于干燥前期階段。

圖10 兩種物料的干燥速率曲線

2.3 靜電裝置對果蔬干燥的能耗及復(fù)水率的影響

由表3與表4可看出，靜電裝置對熱風干燥具有積極的作用。表3對比了同溫度熱風干燥中有無靜電裝置的能耗，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜片干燥實驗中添加靜電裝置的2組實驗與單一熱風干燥的能耗，分別降低了8%，12%。香蕉片干燥實驗中添加靜電裝置的2組實驗與單一熱風干燥的能耗相比，分別降低了8%、17%。

表4對比了同溫度熱風干燥中有無靜電裝置的復(fù)水率，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜片干燥實驗中添加靜電裝置的2組實驗相比與單一熱風干燥的復(fù)水率相比分別提升了8%，14%。香蕉片干燥實驗中添加靜電裝置的2組實驗與單一熱風干燥的復(fù)水率相比分別提升了6%、12%。

表3 靜電裝置對能耗影響對比

表4 靜電裝置對復(fù)水率影響的對比

2.4 基于Weibull函數(shù)模擬靜電裝置聯(lián)合熱風干燥過程

基于Weibull函數(shù)對是否添加靜電裝置的熱風干燥實驗過程進行了模擬，模擬結(jié)果見表5。由表5可以看出，干燥物料為胡蘿卜時，決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、卡方檢驗值χ2、和方差SSE分別為0.990 8～0.998 3、0.011 28～0.022 82、2.563 9×10-4～1.434 5×10-4、0.000 763 1～0.003 722。方程擬合度較高，因此，基于Weibull函數(shù)模擬靜電裝置對熱風干燥特性的影響是可行的。

在不同的干燥條件與干燥方式中Weibull函數(shù)的尺度參數(shù)α有著明顯的區(qū)別。由表5可知，當干燥條件一致，變量為靜電裝置時，靜電聯(lián)合熱風干燥的尺度參數(shù)α為68.57 min、65.72 min，與尺度參數(shù)α分別為101.4、84.31、91.18、76.71 min的單一熱風干燥以及前期靜電熱風干燥相比分別減少了32.83、18.59，22.61、10.99 min，表示靜電會在干燥前期提升速率，與實際實驗得到的結(jié)論一致。同時由表5也可以看出，形狀參數(shù)β在添加靜電裝置的干燥條件下均是大于1的，當β大于1時，說明物料在干燥前期存在延滯階段，這表示物料的干燥速率表現(xiàn)為前期速率先升高后降低的特點，擬合值變化與實際實驗得到的數(shù)據(jù)變化一致。

4 結(jié)論

通過研究靜電裝置對胡蘿卜與香蕉片的熱風干燥特性影響，發(fā)現(xiàn)靜電裝置主要作用于物料干燥前期，但對不同物料的作用效果并不一致，從干燥速率和干燥時間方面來講，胡蘿卜在添加靜電裝置后前期干燥速率提升了8%，干燥時間縮短了14.28%，香蕉前期干燥速率提升了10%，干燥時間縮短了16.67%；從干燥能耗來講，胡蘿卜的干燥能耗降低了12%，香蕉的干燥能耗降低了17%，可看出靜電裝置對香蕉的影響更大，作用效果更明顯。利用靜電裝置縮短了物料氧化的時間，干燥過程中靜電場抑制了微生物的產(chǎn)生，提升了干燥品質(zhì)，2種物料的復(fù)水率提高了6%～14%。利用Weibull函數(shù)中的尺度參數(shù)α與形狀參數(shù)β可以預(yù)判不同干燥條件下的物料干燥特性，添加靜電裝置的形狀參數(shù)β均大于1，決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、卡方檢驗值χ2、和方差SSE分別為0.990 8～0.998 3、0.011 28～0.022 82、2.563 9×10-4～1.434 5×10-4、0.000 763 1～0.003 722說明方程擬合度高，適合Weibull模型。在靜電裝置可縮短干燥時間，提升干燥品質(zhì)，降低干燥能耗，這些都表明，靜電裝置在食品干燥中有良好的應(yīng)用前景，通過靜電裝置對干燥影響的研究不僅可以探索出更優(yōu)化的果蔬干燥工藝，而且對整個食品干燥領(lǐng)域都有著重要的意義。

表5 Weibull函數(shù)不同干燥條件下干燥模擬結(jié)果