哈密瓜片红外热风联合干燥动力学及工艺参数优化

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哈密瓜是中国西北部特色果蔬,不耐贮藏,由于其含糖量高,热导率低,因此在干燥加工中存在干燥时间长,干制品色泽较差,硬度较大和营养损失较严重的问题。红外热风联合干燥作为一种加热效率快、节能的辐射干燥技术,在提高农产品和食品的干燥速度和产品质量方面取得了较好的成果。为了提高干燥的速率、缩短干燥时间、更好的保持干制品的质量,对比研究了在不同干燥温度下,单一热风干燥和红外热风联合干燥哈密瓜片的干燥动力学、有效水分扩散系数和活化能。其次,为了更好的解析哈密瓜片红外热风干燥工程,通过COMSOL Multiphysics软件构建了温度场和水分场的耦合模型,模拟红外干燥过程哈密瓜片的空间温度和水分分布特征。最后,基于Box-Behnken中心组合设计试验,通过响应面法研究获得哈密瓜片干燥的最佳工艺参数,以控制干燥后哈密瓜片的品质。主要研究内容和结论如下:(1)研究了在不同干燥温度下热风干燥和红外热风联合干燥对哈密瓜片的干燥特性变化及动力学曲线。相比较于单一热风干燥,红外热风联合干燥可提高哈密瓜片干燥的速率、缩短干燥的时间、加快干燥的进程;干燥过程中没有发现恒定的干燥速率周期,且在整个干燥过程中主要由降速阶段主导;热风干燥和红外热风联合干燥过程中哈密瓜片的有效水分扩散系数变化范围分别1.06×10-10~1.52×10-~9m~2/s和1.56×10-10~2.94×10-~9m~2/s,且随着干燥温度增加而增大;红外热风联合干燥所需的活化能(28.15k J/mol)低于热风干燥所需的活化能(33.51k J/mol)。通过三个统计学指标对常用的六种薄层干燥模型进行评价,page模型最适用于描述哈密瓜片的干燥特性变化。(2)构建了温度场和水分场的耦合模型,实现了哈密瓜片在红外热风干燥过程的模拟。考虑收缩的Deff模型的数值求解结果与红外热风联合干燥过程中哈密瓜片温度和含水率的实测结果有更好的一致性,表明建立的模型及仿真求解可以表征哈密瓜片的红外干燥过程,并基于数值模拟的结果,进一步分析了哈密瓜片在红外干燥过程中的水分和温度分布特征,样品内部和表面之间的水分梯度逐渐降低,最后趋向于均匀。而温度分布在开始阶段由于热风对流效果,导致样品中心温度低于表面温度,随着红外辐射作用的增强,中心的温度迅速上升,此时样品中心温度高于样品表面温度,最终保持在一定的范围。(3)以红外热风温度、切片厚度和红外辐射距离为影响因素,以哈密瓜片的色泽(L值、ΔE)、硬度和维生素C保留量为响应值,通过响应面法获得哈密瓜片红外热风联合干燥的最佳工艺参数。研究结果表明,红外热风温度和切片厚度对L值和色差(Δ)有极其显著的影响(p<0.01),较高的红外热风温度和较薄的切片厚度导致L值下降和Δ增加。硬度和维生素C含量受红外热风温度、切片厚度和辐射距离的显著影响,其中切片厚度是影响硬度值最明显的因素。较高的红外热风温度和较大的切片厚度和辐射距离导致更高的维生素C降解。在给定试验条件下的最优干燥工艺参数组合为:红外热风温度58℃、切片厚度6mm和辐射距离90mm,此时,L值为65.58、ΔE为8.57、硬度为10.49N、维生素C含量为106.58mg/100g。
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