掛面干燥動力學研究

魏益民 王振華,2 于曉磊 武 亮 王 杰 張影全 張 波 李 明 郭波莉

(中國農業科學院農產品加工研究所；農業農村部農產品加工重點綜合實驗室1，北京 100193) (北京工商大學；北京食品營養與人類健康高精尖創新中心2，北京 100048)

干燥是掛面生產的重要工藝過程，是控制生產成本的主要工藝單元，也是生產自動化遇到的主要技術瓶頸。掛面干燥工藝影響產品產量、質量和效益。掛面干燥工藝受干燥設備、被干燥物料理化性質、產品目標特性和操作參數的影響。優化干燥工藝操作參數是解決這一問題的重要途徑。當掛面干燥設備、干燥對象、產品目標設定后，干燥特性受介質溫度、濕度、風速、以及物料比表面積等因素影響。然而，優化掛面干燥工藝操作參數不僅僅是一個多因素、多變量數學問題，還需要多學科及工程技術支持[1]。

潘永康等[2]指出，干燥是最古老的單元操作之一。然而，它是最復雜、人們了解最淺的技術。因此，大多數干燥器的設計仍然依賴于小規模的實驗及實際操作經驗。研究干燥技術包括研究干燥特性、干燥設備效能、合理的干燥工藝參數。業界公認的干燥技術評價標準為產量、質量和生產效益。產量涉及單位人工效能和效率；質量涉及標準和品牌信譽；生產效益涉及成本(能耗、成品率)，還間接涉及環保等。

掛面干燥分為索道式烘房、隧道式烘房和改良索道式烘房。上世紀，掛面生產企業規模均較小，主要采用索道式烘房。本世紀初，為滿足企業提高產量、減少烘房空間的要求，設計了隧道式烘房。而對兩種烘房性能的比較一直缺少定量分析，特別是缺少熱能利用效率的定量分析[1]。本課題組通過對2種烘房產量、質量、能耗、損耗等的比較分析，提出了改良索道式烘房的設計思路，并付諸于工業生產，初步解決了干燥工藝穩定性問題，克服了干燥過程易出現 “酥面”的現象，顯著地提高了熱能利用效率[3]。

干燥的目的是使掛面的水分達到安全儲藏水平。因此，在保證產量和質量的前提下，合理利用熱能，提高熱能利用率，減少污染物排放是生產企業關注的主要問題。而討論節能技術的前提應是對掛面干燥動力學和干燥熱力學的深刻認識[5,6]。由于在線測定物料水分含量、狀態和遷移過程儀器設備的開發，熱能在線監測和分析技術的發展，可從掛面內部水分子存在狀態、運動規律，以及干燥物料微觀結構變化揭示掛面的干燥過程，極大地拓展了對掛面干燥特性的認知，深化了掛面干燥動力學的內容[7-10]。

在線測定、分析自動化干燥技術實驗平臺，可顯著地縮短實驗周期，提高干燥實驗的產出效率。合理的干燥模型可為干燥設備、干燥工藝和干燥過程控制參數的設計提供依據，并通過和工藝參數、產品質量相關聯的控制系統結合，實現干燥過程的自動化或智能化。由于干燥物料種類的多樣性，干燥設備效能測定的復雜性，應用中的性價比要求，以及行業人才和設備制造水平的局限性，干燥過程控制的合理性、智能化設計及應用，仍然是一項具有挑戰性的任務[11]。

根據掛面干燥工藝目標要求，以可在線設計和控制干燥介質條件，監測干燥過程物料水分含量、狀態和遷移軌跡的食品水分分析技術平臺為核心工具[12-13]；應用壓延和擠壓技術制作掛面；基于掛面干燥動力學和熱力學的基本概念，以遞進思維的方法，系統闡述掛面的干燥特性和干燥過程控制等問題。本文僅從理論認知的角度，依據本團隊發表的相關論文，系統分析了掛面的干燥特性、熱能利用效率、工藝控制技術等；討論了干燥工藝、操作參數的合理性；為干燥過程控制的合理性、智能化，以及工業設計提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗室實驗用小麥粉均來自小麥品種，自行磨制，出粉率控制在約70%；測定樣品理化特性。工業實驗樣品為生產用小麥粉；樣品經現場取樣后，在實驗室測定分析。本研究涉及的掛面分為壓延型和擠壓型兩類。樣品制作和測定方法的信息見表1、圖1。

1.2 儀器與設備

DHG- 9140A電熱恒溫鼓風干燥箱；Perten DA7200谷物質量近紅外分析儀；MLU202實驗磨粉機；Farinograph?-E粉質儀；Extensograph?-E拉伸儀；JHMZ 200實驗和面機；JMTD-168/140實驗面條機；DSE-25同向嚙合雙螺桿擠壓機；NMI20-030H-I低場核磁共振成像與分析系統；179A-TH智能溫濕度記錄儀；Kestrel 4500便攜式氣象儀；Testo 875-2i紅外熱像儀；食品水分分析技術平臺。

1.3 方法

實驗在食品水分分析技術平臺(圖1、圖2)和企業生產線上開展。食品水分分析技術平臺包括恒溫恒濕干燥器，溫度、濕度傳感和控制設備，在線稱重設備，低場核磁共振分析系統，數據采集、分析和輸出系統等。平臺每次干燥掛面樣品為200～1 000 g，測定樣品為單根50 mm，重復3次。平臺實現了過程控制、在線監測、數據記錄、數據輸出一體化等自動化功能，并為其他設備的在線(或準在線)設計了接口，為更多物料干燥特性研究和干燥過程的微觀觀察提供了平臺或工具[12-13]。生產線干燥過程和能耗分析主要在河北金沙河面業集團沙河和南和廠區不同類型生產線上實施。

圖1 食品水分分析技術平臺結構示意圖

圖2 食品水分分析技術平臺實驗室實物圖

注：原料配比：谷朊粉淀粉17.5%+82.5%，初始含水率30%。干燥條件：干燥溫度40 ℃、相對濕度75%、風速1 m/s。初始條件：掛面初始溫度293.15 K，初始濕基含水率30%；內部氣體相初始溫度293.15 K，初始水分濃度1.33 mol/m3。邊界條件：傳熱傳質分別采用對流換熱、對流傳質邊界條件。壓延方形面條，2.0×2.0。圖3 不同干燥時刻掛面內部溫度場分布圖

2 結果與分析

2.1 掛面干燥熱力學

為了直觀地理解干燥過程中掛面內部溫度和濕度變化規律，根據質量和熱量守恒原理，建立了掛面熱風干燥過程的濕熱傳遞偏微分方程組。采用COMSOL Multiphysics對建立的數學模型求解，對掛面的干燥過程進行模擬和分析[1,14]。

2.1.1 掛面內部熱傳遞過程

從圖3可看出，干燥過程中外部熱量逐漸向掛面幾何中心傳遞，內部溫度逐漸升高。干燥開始時，掛面各處溫度分布均勻一致。干燥1 min時，掛面內部溫度開始發生變化；干燥10 min時，掛面內部溫度與外界環境溫度比較接近；隨著干燥進行，掛面內部的溫度梯度逐漸減小；干燥30 min時，掛面各處的溫度已基本與介質溫度一致，掛面內部之間的溫度梯度趨近于零。干燥30 min后，掛面內部溫度不再是影響干燥過程的主要因素。此時，內部水分向外傳遞速度可能是影響干燥過程水分傳遞的主要因素。

2.1.2 干燥介質焓值與掛面干燥速率

掛面干燥過程是熱能消耗的主要環節。干燥空氣的焓值反映了掛面干燥過程的熱能供應。由表1可知，其焓值與掛面干燥速率密切相關。設計實驗的空氣熱焓值處于74.82～236.85 kJ/kg范圍內。在此條件下，干燥介質焓值越高，干燥速率并非越大。在相對濕度一定的情況下，干燥速率隨焓值的升高而增大；在溫度一定的情況下，干燥速率隨焓值的升高而減小。說明干燥過程熱能的供應并非越多越好，合理的干燥介質溫度和相對濕度不僅能降低熱能消耗，還能提高干燥效率[15]。

2.2 掛面干燥動力學

2.2.1 干燥曲線和干燥速率

通過設計兩因素(溫度、相對濕度)三水平(T: 30、40、50 ℃，RH: 65%、75%、85%)壓延掛面的干燥實驗，從食品水分分析技術平臺上獲得的掛面干燥過程的連續分析結果可看出(圖4)，掛面含水率均隨干燥過程的進行而逐漸降低。前30 min含水率變化較快，180 min后變化較小，240 min后含水率明顯趨于平穩[16]。

表1 干燥介質焓值與干燥速率

注：表中焓值由濕空氣焓濕圖查詢軟件查得,壓延方形面條。

圖4 掛面干燥曲線和干燥速率隨時間的變化曲線

干燥速率在前10 min迅速升高，然后急劇下降；30 min后干燥速率繼續明顯下降；180 min后變化明顯趨緩，特別是240 min后干燥速率曲線比較平穩，逐漸接近于零。180 min后干燥介質條件變化對干燥速率的影響強度趨微。干燥前10 min，干燥速率最高，30 min后明顯降低；180 min以后，趨于準平衡。

2.2.2 干燥條件對干燥過程的影響

當相對濕度為85%時，所有掛面的最終含水率均未達到規定的要求(≤14.5%)[17]。當相對濕度為75%時，僅溫度為50 ℃的組合達到規定要求；而當相對濕度為65%時，所有掛面的最終含水率均達到要求(圖4)。進一步分析發現，在一定相對濕度條件下，溫度越高，掛面干燥速率越大，平衡含水率越低。在一定溫度條件下，相對濕度越高，掛面的干燥速率越小，平衡含水率越高。

掛面干燥速率和平衡含水率隨干燥介質條件的不同而不同，與圖4結果一致。由圖5a和圖5b可知，掛面含水率隨干燥時間逐漸降低，干燥速率起初升高較快，然后降低，在干燥開始后的一段時間內(約15 min)達到最大干燥速率；不同的干燥條件下均呈現相同的規律。掛面干燥速率在達到最大值后，按照線性規律隨掛面含水率的降低逐漸降低。圖5c和圖5d也表現出了相同的規律，即相對濕度越低，干燥速率越快，且干燥結束時面條含水率越低。由圖5b和圖5d可知，相對濕度對掛面干燥速率的影響較溫度大；不同相對濕度條件下，掛面的含水率和干燥速率之間差異比不同溫度條件下的差異更明顯。進一步分析發現，干燥介質相對濕度(F= 422.36**)對掛面終點含水率的影響大于溫度(F=68.80**)。

圖5 溫度和相對濕度對掛面干燥過程的影響

2.2.3 干燥曲線數學模型

掛面干燥過程的模型擬合，對理解掛面干燥特性、優化掛面干燥工藝以及掛面干燥智能控制具有十分重要的意義。選用已有的4個干燥動力學數學模型(表2)，對實驗得到水分比數據進行擬合回歸分析，選擇適合表征掛面干燥過程的數學模型。采用決定系數R2、卡方檢驗值χ2及均方根誤差(RMSE)對模型進行擬合評價，R2值越大，χ2和RMSE越小，模型的擬合性越好。

表2 掛面干燥曲線數學模型

回歸分析表明，所采用的4個數學模型均能較好地模擬掛面干燥過程水分的變化規律，其R2均大于0.998 1，RMSE均小于0.010 56，χ2均小于3.054 4E-05。在考慮模型簡便性和各項評價指標的基礎上，認為Page模型是最合適的模型，其R2均值高達0.999 5，RMSE均值為0.005 16，χ2均值為3.054 4×10-5。

掛面干燥過程水分變化Page模型：

a=0.019 14+0.013 13T+0.013 6H-1.755×10-4TH(R2=0.93)

(1)

k=0.002 6-1.892 79×10-5·T-3.032 7×10-5·H+2.367 5×10-7T·H(R2=0.80)

(2)

將式 (1)、(2)代入Page模型中，得到：

MR=exp[-(0.002 6-1.892 79×10-5·T-3.032 7×10-5·H+2.367 5×10-7T·H)t^(0.019 14+0.013 13T+0.013 6H-1.755×10-4T·H)

(3)

2.2.4 干燥過程水分狀態

圖6和圖7是基于雙螺桿擠壓技術生產的圓形面條(R=2)，同時利用低場核磁分析技術測定掛面干燥過程中水分狀態變化[22]。分析發現，掛面在干燥過程中存在三種狀態的水，強結合水(T21，0.04～0.40 ms；A21，0.25%～19.08%)、弱結合水(T22，0.96～5.34 ms；A22，80.81%～98.44%)、自由水(T23，74.50～266.47 ms；A23，0.11%～1.61%)。干燥過程中，強結合水和弱結合水的橫向弛豫時間均有下降的趨勢(圖6)，表明隨著干燥過程的進行，該部分水與掛面中大分子物質，如淀粉、蛋白質等，結合得更為緊密。自由水橫向弛豫時間也有下降的趨勢，但波動較大。干燥過程中，強結合水的峰面積(A21)比例下降(圖7)，表明強結合水所占比例減少，弱結合水比例上升。干燥過程中水分主要以弱結合水形式存在。自由水所占比例有增大的趨勢，而所占比例均在2%以下。

圖8顯示以谷朊粉質量分數為17.5%、淀粉質量分數82.5%的配比面粉為原料，初始含水率為30%的壓延方形掛面在干燥過程中的T2譜變化[14]。隨著干燥時間延長，T22逐漸減小。在其它含水率和谷朊粉含量變化的情況下，表現出基本相同的變化趨勢。在初始干燥階段，T22的波動范圍為4～6 ms。干燥1 h后，T22降至2～3 ms；干燥1.5 h時，T22降至1～1.7 ms；1.5h后，T22基本維持穩定。說明弱結合水的自由度在降低，水分擴散速度降低。在干燥的中期和后期，掛面T2譜中出現T23峰(圖8)，說明極少量水分的自由度增大，掛面中存在自由水。

圖6 掛面干燥過程的水分橫向弛豫時間

圖7 掛面干燥過程三種狀態水的比例

圖8 掛面干燥過程中水分結合狀態變化

2.2.5 干燥過程水分遷移

圖9和圖10是基于低場核磁成像技術及數據處理獲得的干燥過程擠壓圓形掛面內部0～180 min和240～720 min時距中心點含水率的變化曲線[22]。由圖9含水率的中心點位移可以看出，在干燥過程中掛面含水率從中心點到掛面表面存在著一定的水分梯度，即靠近中心點處的含水率高，靠近表面的含水率低。隨著干燥過程的進行，表面含水率下降幅度較中心點快，內外水分梯度增大。干燥90～180 min，中心含水率下降較快，內外水分梯度變小。干燥300 min及以后(圖10)，表面和中心的含水率梯度幾乎消失，掛面內外含水率比較均勻，平均含水率緩慢降低。

圖11和圖12清晰地顯示掛面(方形)干燥過程中水分場(含水率)分布和變化。干燥開始前，含水率均勻分布于掛面內部各處；之后，掛面外部的含水率開始下降，而中心處的含水率未下降。在掛面內部存在一個含水率呈明顯差異的界面，該界面在干燥過程中逐漸向掛面幾何中心靠攏。從圖11可以看出，干燥10 min后，該界面到達掛面的幾何中心，此時中心處的含水率開始下降，表明此時幾何中心處的水分開始向外遷移。從圖12的曲線也可以觀察到這個現象。隨著干燥過程的繼續，中心處的含水率逐漸降低，干燥60 min時掛面內部各處的含水率基本接近。可見，水分梯度的持續時間相對較長，而掛面內部的溫度在30 min時就已經達到基本一致。掛面含水率變化與溫度變化總體呈現相似的規律(圖3)[14]。從圖11和圖12還可看出，掛面外側的含水率等值線更密集，說明外側的水分梯度大。

注：擠壓參數：擠壓溫度30 ℃，模頭半徑2.0 mm。干燥條件參數：溫度40 ℃，相對濕度75%圖9 掛面干燥過程中中心和邊沿不同距離 含水率的變化曲線(0～180 min)

圖10 掛面干燥過程中中心和邊沿不同距離 含水率的變化曲線(240～720 min)

注：原料配比：谷朊粉淀粉17.5%+82.5%，初始含水率30%。干燥條件：干燥溫度40 ℃、相對濕度75%、風速1 m/s。初始條件：掛面初始溫度293.15 K，初始濕基含水率30%；內部氣體相初始溫度293.15 K，初始水分濃度1.33 mol/m3。邊界條件：傳熱傳質分別采用對流換熱、對流傳質邊界條件。圖11 不同干燥時刻掛面內部含水率場分布圖

圖12 掛面內部含水率變化與位置的關系

3 討論

3.1 掛面干燥過程溫度水分運移規律與干燥階段劃分

徐秋水[23，24]曾向國內介紹日本掛面生產技術。馮學寧[25]介紹了使用連續隧道式掛面干燥技術的體會。行業標準《掛面生產技術規程》從烘房的結構出發，給出了掛面干燥烘房區域劃分的區間概念(預干燥區、主干燥區、完成干燥區)，及各區間相應的技術參數[26]。陸啟玉[27]論述了掛面的干燥過程，從掛面的干燥特性出發，將掛面的干燥過程分為三個階段：預備干燥階段、主干燥階段(依序又分內蒸發和全蒸發階段)、最后干燥階段；并系統介紹了各階段的工藝控制要求、參數范圍、注意事項等。這些技術、規程和概念對促進掛面工業化生產發揮了重要作用。前述研究或資料均沒有論述掛面干燥工藝“三個階段”劃分相應的理論依據或實驗數據。

本研究基于食品水分分析技術平臺在線連續監測和自動記錄功能，通過設計以溫度、相對濕度為因素的三水平全因子實驗，獲得了精確度較高的9條掛面干燥曲線和對應的干燥速率曲線(圖4)。特別是通過干燥速率曲線發現，掛面干燥速率在15 min前達到最高，之后急劇下降，30 min后明顯降低。30 min到180 min干燥速率繼續降低。180 min后干燥速率下降緩慢，240 min后趨于穩定。借助低場核磁共振分析與成像技術獲得的掛面干燥過程水分遷移結果說明，干燥初期由于表面自由水和表層水分的蒸發使干燥速率迅速升高；之后，由于內部水分擴散較慢，吸附能力趨強，干燥速率下降(圖6～圖9)；180 min后，掛面內部水分梯度減小，干燥速率減小(圖10)。掛面干燥過程溫度場在30 min時表面和中心溫度基本一致(圖3)。水分場顯示，在干燥15 min時掛面的中心位置含水率已明顯降低(圖11、圖12)。掛面干燥過程(溫度40 ℃，相對濕度75%)三段論劃分有其干燥過程溫度傳導、水分運移規律和特點的實驗數據支撐，確實可分為預干燥階段(0～30 min),主干燥階段(30～180 min),最后干燥階段(180～240 min至300 min)。另外，最后干燥階段的終點應以目標含水率確定。

3.2 掛面干燥動力學研究結果與過程控制

借助裝備有低場核磁共振分析與成像技術的食品水分分析技術平臺，和該設備的在線連續監測和自動記錄功能，可以根據實驗目的設定干燥環境因素，包括溫度、相對濕度、時間等。同時，這些因素的水平均涵蓋了生產上掛面干燥工藝參數的操作范圍，還可以配對組合和自動控制。食品水分分析技術平臺的開發和創新性設計，極大地拓展掛面干燥過程實驗的范圍，提高測定精度，顯著地減少工作量，同時還可應用于其他產品，如食品、林產品和中藥材的干燥動力學研究。

掛面的干燥動力學和熱力學研究結果對掛面干燥設備的設計和過程控制具有理論指導意義。例如，掛面預干燥階段，掛面從室溫進入烘房后，需要迅速吸收熱量，以達到掛面內外熱平衡，蒸發表面和表層水分。同時快速使掛面質量降低，減少因重力下垂出現粗細不均勻或斷條現象。掛面預干燥階段的熱能供應與溫度和濕度有關(表2)。當溫度相同時，高濕度具有較高的能量(焓)[15]。高濕度還有利于掛面內外熱平衡，降低表面收縮，防止酥面現象的出現[22]。但高濕度預干燥要求制作掛面的面粉具備一定的筋力，使掛面在預干燥階段不易斷條。由于新設計的掛面干燥生產線預干燥階段相對濕度可以保證在85%以上，主干燥階段相對濕度可以達到或接近飽和狀態，理論上完全可以保證掛面干燥過程的要求。因此，沒有必要額外增加外部設備補充濕度。索道式烘房不設干燥區間，隧道式烘房設計的干燥區間難以實現物理隔離，這些都給不同區間設計不同的干燥參數帶來控制方面的困難。然而，根據實驗數據設計的改良隧道式掛面烘房則很好地兼顧各自的優缺點，很好地解決了主要矛盾或問題。

3.3 掛面干燥過程智能化開發

本世紀初有專家指出，干燥技術仍沿著有效利用能源、提高產品產量及質量、減少環境影響、安全操作、易于控制、一機多用等方向發展。認為在線測量濕含量，使用模糊邏輯、神經網絡、專家系統實現過程控制為重點內容之一。如果可以建立一個數學模型，該模型不僅考慮到濕熱傳遞現象，而且可以預測產品的質量，那將成為發展新型干燥器(設備或工藝)的一個有用的工程設計工具[28]。同時，專家還指出，對干燥機理在微觀水平上理解仍處于初始階段。從某種意義上來說，“干燥過程”的模型化仍然是一個復雜而困難的任務。

裝備有低場核磁共振分析與成像技術、重量連續記錄系統、溫度濕度可組合和自控系統的食品水分分析技術平臺的開發，使得干燥物質的連續性干燥曲線和干燥速率曲線的獲得、干燥參數的優化、干燥過程數學模型的建立，成為一種可以自動化輸出，或智能化執行的過程，極大地減少研究工作的時間和人力投入。結合在線低場核磁共振分析與成像技術獲得的干燥過程水分狀態和運移規律，為設計和優化干燥工藝參數提供了理論依據或技術參數。從功能和拓展應用領域來看，該平臺可作為發展新型干燥器(設備或工藝)的工程設計工具。

4 結論

食品水分分析技術平臺的深度開發和拓展應用，使被干燥物質的干燥曲線和干燥速率曲線的獲得、干燥參數的優化、干燥過程數學模型的建立等結果均可自動輸出，可極大地減少研究成本。

掛面在干燥過程中，在15 min內，中心點含水率明顯降低；30 min內表面和中心溫度達到平衡狀態；180 min后，水分梯度減小，干燥速率變化緩慢；溫度是干燥的原動力，但對干燥速率的作用小于相對濕度的作用。干燥過程的三階段劃分和設計不同的干燥過程控制參數，符合節能、高效和保證產品質量的生產目標；預干燥期應保持較高的相對濕度，以提供較高的能量，減少面體表面收縮，避免“酥面”現象；而干燥后期過低的濕度易使掛面出現收縮應力，產生裂紋或斷裂現象。

在食品水分分析技術平臺上獲得的干燥曲線和干燥速率曲線，是建立干燥過程控制模型的基礎；合理的干燥過程控制模型，以及對干燥過程水分狀態和運移規律的認識是干燥過程智能化控制的依據和前提。