基于监测物料温度的胡萝卜热风干燥相对湿度控制方式

针对热风干燥中,表面易结壳农产品物料阶段降湿干燥中各阶段高湿和低湿保持时间较难确定的问题,该文提出了在干燥介质温度和风速一定时,基于监测物料温度的热风干燥相对湿度控制方式。该控制方式在前期预热阶段保持较高恒定的相对湿度值,使物料迅速升温;中期干燥阶段物料温度保持特定值进行排湿干燥,物料温度有上升趋势时停止排湿使之升温;后期降速干燥阶段,物料保持较高温度值进行排湿干燥。胡萝卜的热风干燥验证试验研究结果表明,预热阶段,相对湿度控制最大偏差为1.0%;中期干燥阶段,物料排湿干燥物料温度保持值逐渐升高,物料温度上升至保持温度的最大误差为0.8℃;在后期干燥阶段,检测湿含量之差小于0.5 g/kg,判定干燥结束相对于称量判定干燥结束终点时间延迟为9 min。该干燥时间相比于前期相对湿度50%后期连续排湿和前期相对湿度50%后期相对湿度20%缩短了19.7%。该文提出了一种基于监测物料温度的热风干燥相对湿度调控策略,控制精度高,延迟时间短,相比于前期高湿后期低湿的干燥工艺能显著缩短干燥时间,提高干燥效率。     

恒温下相对湿度对果蔬热风干燥特性和品质的影响及调控

相对湿度作为干燥介质的重要参数,对干燥热质传质过程和干燥品质具有显著影响。但由于相对湿度对干燥过程的影响机理及优化调控机制尚不明确,导致相对湿度的调控方式多依靠经验,造成干燥效率低、品质差、能耗高等问题。对于传质过程,降低相对湿度能够增大对流传质系数,加快物料表面水分蒸发;而对于传热过程,升高相对湿度能够增大对流传热系数,加快物料升温速率。相对湿度较高时,物料升温速率快,内部水分迁移量增大,但表面水分蒸发量较小;而当相对湿度较低时,物料升温速率较慢,内部水分迁移量较小,但表面水分蒸发量较大。相对传热和传质过程的影响此消彼长,互相耦合。高相对湿度主要体现为对传热过程的影响,低相对湿度主要体现为对传质过程的影响。高相对湿度能够抑制物料表面的结壳,并能够提高复水性,降低收缩率。阶段降湿及多阶段降湿干燥方式下物料表面形成和保持了蜂窝状多孔结构,能够提高干燥效率和品质。基于监测物料温度的相对湿度调控方式被验证为较忧的相对湿度控制方式。阶段降湿干燥方式适用性的实质为：干燥过程中所体现出的对流传热热阻和内部导热热阻的相对大小,及对流传质阻力和内部传质阻力的相对大小,不同干燥条件和物料种类、厚度会影响以上传热传质阻力的大小,从而呈现出不同适应性的结果。当阶段降湿干燥过程中传热毕渥数>1且传热毕渥数>0.1时,说明阶段降湿干燥过程适用于此物料的干燥。该文综合论述了相对湿度对果蔬热风干燥过程中热质传递及干燥品质的影响,优化调控策略及适用性范围4个方面内容,明确了果蔬热风干燥过程中相对湿度的影响机理,为相对湿度的优化调控提供理论依据和技术支持。     

相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中热质传递特性的影响

为了揭示胡萝卜热风干燥过程中阶段降湿的促干机制,该研究在干燥温度60℃、风速3.0 m/s条件下,研究了相对湿度(20%、30%、40%、50%)及第一阶段相对湿度50%保持不同时间(10、30、60、90 min),然后第二阶段相对湿度恒定为20%至干燥结束,干燥过程中对流传热系数、对流传质系数和物料表面微观孔隙结构的变化规律。研究结果表明:20%、30%、40%和50%相对湿度下,干燥初始时刻对流传热系数分别为42.9、64.7、135.1和178.9W/(m2·℃),提高相对湿度能够显著提高预热阶段的对流传热系数(P0.05),相对湿度越高,物料升温速率越快。物料吸收总热量、水分蒸发消耗热量占比均随着相对湿度的升高而逐渐降低;物料升温消耗热量占比随着相对湿度的升高而逐渐增大。相对湿度为20%时,对流传质系数为1.01×10-6～2.54×10-6m/s;相对湿度为50%时,对流传质系数为0.26×10-6～1.12×10-6 m/s;降低相对湿度,能够显著的提高对流传质系数。相对湿度50%保持30min后降为20%干燥条件下,当干燥时间大于1.5 h后,对流传质系数大于相对湿度50%分别保持10、60和90 min干燥条件下的对流传质系数,此条件下干燥时间也最短。相对湿度50%干燥条件下有利于保持胡萝卜表面的多孔结构,而相对湿度20%干燥条件下,胡萝卜表面因干燥速率过快而导致水分迁移孔道发生收缩堵塞的现象。阶段降湿提高胡萝卜干燥效率的机制在于:干燥升速阶段,高相对湿度提高了对流传热系数,使得物料迅速升至较高温度;且利于维持物料表面多孔结构,有助于内部水分的扩散迁移;干燥恒速和降速阶段,低相对湿度提高了对流传质系数。研究结果可为求解干燥过程中的对流传热系数和对流传质系数提供理论依据,揭示阶段降湿的促干机理,并为阶段降湿干燥方式在农产品的干燥加工应用提供技术支持。     

碳纤维红外板辐射特性及其农产品物料干燥试验

为将碳纤维红外板的辐射加热技术应用于农产品物料的干燥中,探究其辐射加热特性和干燥特点。在介绍其制作工艺的基础上,以碳纤维红外板作为辐射热源搭建干燥试验台,对胡萝卜块、苹果块、香蕉块、木耳等4种常见果蔬物料进行干燥。通过实时采集、检测干燥过程中物料内部温度、干燥室温度、相对湿度变化情况了解干燥进程;并对红外干燥过程中物料升温情况、物料厚度、辐射间距、干燥方式进行探讨。结果表明:1)碳纤维红外板可作为红外干燥热源,辐射功率1.1 k W/m2时,能发射1~30μm的中、长波红外线,且主要集中在5~15μm,红外板表面温度范围为84~92℃。辐射间距8 mm条件下,4种物料从水分比1干燥到水分比0.1时,耗时为270~300 min,且20 mm×20 mm×11 mm的胡萝卜片内部温度升高到60℃仅需20 min。2)胡萝卜片长宽20 mm×20 mm,厚度5~11 mm范围内,在干燥中期近似恒温段,物料中心温度随厚度的增加而增加。3)辐射间距为4~12 mm范围内,辐射间距越大,干燥时间越长。4)与普通热风干燥相比,红外—热风联合干燥可有效缩短40%干燥时间,能耗约为普通热风干燥的49.39%;干燥前期排湿、干燥过程较小的风速均有助于红外干燥的进行。综上所述,碳纤维红外板可作为干燥热源。研究结果可为碳纤维在干燥领域的实际应用提供理论依据。     

干燥介质相对湿度对胡萝卜片热风干燥特性的影响

为了探究相对湿度和阶段降湿对热风干燥过程的影响,该文在干燥温度60℃、风速3.0 m/s条件下,研究了相对湿度(20%、30%、40%、50%)及第一阶段相对湿度50%保持不同时间(10、30、60、90 min),第二阶段相对湿度20%下,胡萝卜片的干燥特性和温度变化规律;利用Weibull分布函数对干燥曲线进行拟合并分析干燥过程,结合尺度参数估算水分有效扩散系数;基于复水比、色泽、干燥时间和能耗对不同相对湿度条件下的干燥过程进行评价。研究结果表明:相对湿度保持恒定条件下,干燥速率先上升后下降,且相对湿度越低干燥速率越大。降低相对湿度有利于缩短干燥时间,热风相对湿度20%比50%条件下干燥时间缩短了27.6%;分段降湿干燥条件下,热风相对湿度50%保持30min后降低为20%,其干燥时间比相对湿度恒定为20%条件下缩短了18.5%,干燥过程出现2个升速阶段;Weibull分布函数可以很好地描述胡萝卜恒定湿度和阶段降湿干燥过程。尺度参数α范围在1.864~3.635 h之间,形状参数β值在1.296~1.713之间,水分有效扩散系数在1.17×10-9~2.92×10-9 m2/s之间。对绿红值、复水率、能耗和干燥时间进行综合评价显示,热风相对湿度50%保持30 min干燥条件下绿红值最高为41.4,能耗相比于恒定相对湿度20%条件下减少了6.0%,复水比较高为3.81,综合评分较高为0.91。该文揭示了干燥介质相对湿度对胡萝卜片干燥特性的影响规律,对于优化干燥介质湿度控制策略以提高干燥速率和品质,降低干燥能耗提供了科学依据和技术支持。     

相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中水分迁移和蒸发的影响

为揭示相对湿度对胡萝卜热风干燥过程中内部水分迁移和表面水分蒸发的影响,以及物料表面结壳的成因,该研究在干燥温度60℃、风速3.0 m/s时,研究了恒定相对湿度（relative humidity,RH）(20%、30%、40%和50%)、第一阶RH 50%保持不同时间（10、30、60和90 min）而后降为20%,以及基于物料温度自动控制相对湿度干燥条件下的内部水分迁移量（D）、表面水分蒸发量（E）、表面水分累积量（Q）、物料微观结构和复水率。结果表明,恒定RH干燥条件下,D随干燥时间逐渐增大而后趋于稳定,E随干燥时间逐渐增大而后降低。RH越高,物料升温速率越快,D越大;RH越低,E越大。RH为20%、30%和40%时,Q=0的时间分别为1.11、1.36和1.70h,并在此时刻之后物料表面出现明显结壳现象,且RH越大,出现结壳时机越晚;RH为50%时未出现Q<0,可能未出现明显的结壳现象。Q>0时,干燥速率与Q值变化趋势一致;Q<0时,对应干燥速率减小。RH为50%保持30 min后降为20%时,Q=0的时间为1.39 h,相对于RH 20%的干燥条件能够提高物料...     

胡萝卜超声波预干燥热湿耦合迁移过程的数值模拟

为了探讨超声波对含湿多孔物料内部水分迁移过程的影响,对超声波作用下胡萝卜片预干燥过程进行了试验观测,建立了食品含湿多孔介质超声波预干燥过程热湿耦合传递的数学模型, 推导了超声波作用下含湿多孔介质中水分的有效扩散系数,对胡萝卜超声波预干燥的热湿耦合迁移过程进行了数值模拟,分析讨论了超声声强对样品干燥速率及温度的影响。研究结果表明, 超声波能有效加速胡萝卜的预干燥过程,且样品内水分扩散系数及干燥速率均随超声强度的增加而逐渐增大。当超声强度为 1.5 W/cm2 时,样品干燥速率与无超声波作用时相比提高了约 3     

中国毛虾红外热风耦合干燥特性及动力学模型研究

为研究红外热风耦合干燥(IRHA)对中国毛虾干燥特性的影响,采用低场核磁共振波谱(NMR)及氢质子成像技术(MRI)分析毛虾IRHA干燥过程中干物质与水结合状态,分析不同干燥温度、不同辐射距离和不同物料载量下IRHA对中国毛虾的干燥特性。结果表明,干燥温度对毛虾的干燥速率影响最大,干燥过程直接表现为降速阶段。毛虾干燥动力学数学模型拟合表明,Two-term模型拟合度最高(R²>0.999 8),可以用来描述和预测毛虾IRHA干燥过程。通过菲克第二定律求得干燥过程的有效水分扩散系数(D_eff)范围为4.47×10^-10~1.295×10^-9 m²· s^-1。根据Arrhenius公式计算出毛虾IRHA干燥的活化能(E_a)为34.24 kJ· mol^-1。干燥过程中毛虾干物质与水结合越来越紧密,自由水和不易流动水逐渐消失,最终只存结合水,且结合水的量有所上升,有可能来自不易流动水的转化,这从微观上解释了干燥后期干燥速率下降的原因。本研究结果为IRHA在中国毛虾干燥方面的实际应用提供了一定的理论依据。     

干切牛肉冷冻干燥中解析干燥过程的动态模拟及优化

该文通过对干切牛肉冷冻干燥中解析阶段含水率、物料温度的动态模拟及干燥速率与耗能分析,确立干切牛肉冷冻干燥中解析干燥的优化操作条件。通过建立解析阶段中脱除水分所需干燥时间以及相应的物料表面温度、物料中心温度的数学模型,并假设解析干燥过程中物料含水率由升华结束时的10.0%下降到干燥结束的0,以含水率变化为自变量,模拟了物料厚度为6、8、12、15 mm的干切牛肉在干燥室压强10 Pa,加热板温度80℃的操作条件下含水率、物料温度随时间的动态变化。以所建模型预测厚度7、9、10、11、12、13、14 mm的干切牛肉在该操作条件下含水率、物料温度的动态值及解析干燥周期。验证试验表明：预测与实测含水率相对误差小于10%,物料中心温度计算值与实测值的绝对误差小于5℃,说明所建模型可用于模拟、预测6～15 mm干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的参数变化。比较不同厚度干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的干燥比耗时、干燥效率,结果是采用6 mm厚度切片进行干燥,生产单位产品耗能最低,且生产率最大。     

黄河流域甘肃段地表干湿时空变化及驱动因子分析

为了探究气候变化影响下地表干湿时空变化及驱动因子,基于黄河流域甘肃段15个气象站点资料,分析了不同时间尺度SWI(地表湿润指数)的时空变化规律,采用灰色关联度法、敏感系数法和贡献特征分析定量化研究了各气象因子与SWI的变化关系。结果表明：SWI整体呈微弱上升变化,气候呈半湿润—半干旱—半湿润变化。四季由湿到干分别为夏、秋、春、冬,主要干湿气候类型依次为半湿润、半湿润、半干旱、干旱。1980s—2010s经历了湿—干—湿的变化过程。各气象因子敏感程度由高到低为P(降水量)、u(风速)、T(平均气温)、T_max(日最高气温)、n(日照时数)、T_min(日最低气温)、RH(相对湿度)。引发SWI变化的贡献大小排序为T_min,P,T,T_max,u,RH,n,其中T_min,P,u,n促使SWI增大,T,T_max,RH促使SWI降低,流域多年SWI微弱增大是T_min升高、P增大、u增加、n减少和T升高、T_max升高、RH降低...     

穿刺协同乙醇预处理对胡萝卜片热风干燥特性影响

干燥效率低导致的能耗高、品质劣变是果蔬热风干燥加工面临的严峻挑战。为改善胡萝卜热风干燥特性,该研究以横切和纵切方式获得的胡萝卜片为研究材料,对其进行穿刺（perforation pretreatment,PT）、乙醇浸渍（alcohol pretreatment,AT）和穿刺协同乙醇浸渍预处理（perforation synergistic alcohol pretreatment,PAT）。研究发现：同未预处理的胡萝卜片相比,PT、AT和PAT预处理技术的应用均显著提高了胡萝卜有效水分扩散系数及热风干燥速率,并将干燥时间缩短10.61%～50.00%,其中PAT样品干燥时间最短。相同预处理方式下,纵切的胡萝卜片相比于横切表现出较高的有效水分扩散系数、较快的干燥速率及较短的干燥时间。进一步,我们提出了PAT预处理具有较高干燥效率的“三重奏机制”：预脱水降低干燥负荷、毛细管流促进水分传质、细胞通透性的增强降低水分传质阻力。在品质方面,PAT预处理显著改善了纵切胡萝卜片的体积收缩、复水性、色泽、总类胡萝卜素和抗坏血酸含量、抗氧化活性及风味等品质特性。因此,为高效获得品质相对较优的脱水胡萝卜,可在其纵向切片后进行PAT预处理。该研究为改善胡萝卜热风干燥提供了一种简单有效的预处理技术,同时也为其他果蔬提质、增效、节能干燥提供参考。     

生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟

为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律,根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计算程序,对其进行数值计算,数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于5%;进一步分析了干燥特性曲线,以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布;最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔介质厚度对干燥过程的影响,结果表明:在一定试验条件下,风温越高,风速越大,切片厚度越薄,干燥时间越短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。     

60Co γ射线辐照预处理对甘薯热风干燥特性的影响

采用60Co γ射线对甘薯进行辐照预处理,考察辐照、热风温度和切片厚度对其干燥特性和表面温度的影响,同时对不同剂量辐照的甘薯样品进行了显微观察和水分活度测定。结果表明,甘薯的干燥速率和表面温度随着辐照剂量的升高而升高。当干基含水率为150%时,辐照剂量为0、2、5、8和10kGy的样品干燥速率分别为1.92、1.97、2.05、2.28和3.12%/min,表面温度分别为48.5℃、46.3℃、44.5℃、42.2℃和41.5℃;热风温度越高,切片越薄,辐照后甘薯失水速率越大。热风温度为85℃的样品比热风温度为65℃的样品干燥时间缩短170min,切片厚度为3mm的样品比切片厚度为7mm的样品干燥时间缩短了228min;辐照后的甘薯细胞壁变薄出现断裂,液泡破裂,水分活度也随辐照剂量的升高而增大。辐照剂量为0、2、5、8、10kGy的样品水分活度分别为0.92、0.945、0.958、0.969、0.979。辐照对甘薯热风干燥速率表面温度和水分活度等有显著影响,为进一步研究甘薯辐照与热风干燥结合加工工艺提供理论基础。     

PH—Postharvest Technology: Modelling the Moisture and Temperature Distribution within an Agricultural Product undergoing Time-varying Drying Schemes

A mechanistic model capable of predicting the moisture and temperature distribution of food materials during isothermal and non-isothermal drying was developed. The model incorporates both liquid and vapour migration as well as heat transfer in a food material. The model was solved numerically by the method of finite volume. Evaluation of the modelling predictions shows good agreement, for the mean moisture content, between model and experimental data up to 7·4%. The calibrated model was used to study the effect of stepwise varying of the drying air temperature on the internal product moisture and temperature distributions. The product temperature distribution shows the existence of a thermal switch that changes the direction of the thermal gradient for drying conducted with step-down varying of the inlet air temperature from 35 to 20°C. The impact of the moisture and temperature distributions on the product quality is also discussed.     

基于LF-NMR及不同干燥方法的哈密瓜片含水率预测模型

为建立稳健、适用范围更广的哈密瓜片含水率预测模型,采用不同干燥方法(热风干燥(Hot Air drying,HA)和红外辐射干燥(Infrared drying,IR)),在相同温度水平下(50、60、70℃)对哈密瓜片进行干燥,采用低场核磁共振技术(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance,LF-NMR)对比分析干燥过程的水分迁移规律及2种干燥方法间的差异,并结合化学计量学方法建立含水率预测模型。结果表明:无论HA还是IR,一定温度范围内高温有利于提高干燥速率,缩短干燥时间;且IR与HA相比干燥时间缩短20.0%~37.5%。经LF-NMR分析,在HA和IR过程中,自由水峰面积逐渐降低,不易流动水峰面积及结合水峰面积呈波动变化;自由水峰顶横向弛豫时间不断降低,不易流动水峰顶横向弛豫时间因干燥方式和干燥温度的差异呈不同的变化趋势;与HA过程中结合水峰顶横向弛豫时间逐渐降低不同,其在IR干燥初期短暂上升,后呈下降趋势。基于HA、IR数据集结合化学计量学方法建立的哈密瓜片含水率预测模型中,偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)模型具有更好的性能,模型预测决定系数R_P² 大于0.99,表明PLSR结合LF-NMR可实现哈密瓜片含水率的快速检测,且不受干燥方法不同引起水分状态差异的影响。研究结果为基于LF-NMR和多加工手段的果蔬含水率预测模型的建立提供参考。     

基于数值模拟的红枣片不同干燥方式热质传递仿真与试验

为揭示并对比红枣片热风干燥、红外热风干燥及红外真空脉动干燥中的传热传质及干燥动力学特性,并填补关于果蔬红外真空脉动干燥数值模型的研究空白。该研究使用菲克扩散定律、安托因方程及比尔朗伯定律等控制方程分别建立了针对3种干燥方式的红枣片三维热质传递耦合数值模型,并利用试验数据对模型的可靠性进行验证。该研究基于枣片的实际几何尺寸进行建模并利用COMSOL求解。结果表明：1）与热风干燥相比,红外热风与红外真空脉动干燥分别缩短了46.43%和41.07%的干燥时间,且仿真结果与实测值吻合较好;2）温度场模拟图显示红外辐射可有效对红枣片内部进行加热,干燥20 min时红外热风和红外真空干燥的物料中心温度较热风干燥分别提高了11.33%和5.59%;3）模拟数据显示红外真空脉动干燥中的压力变化对干燥动力学产生了明显影响,其中含水率和干燥速率随压力脉动分别呈现阶梯状和峰状分布,并且干燥速率对压力变化的敏感性随着物料含水率的下降而下降;4）将测得的红枣片品质及质构特性与仿真数据进行综合对比,给出了关于分段组合干燥研究方向的见解,并对果蔬干燥数值模型的发展方向进行展望。该研究建立并验证了红枣片3种干燥方式下...     

热风干燥过程相对湿度对香菇品质的影响

为了研究干燥介质相对湿度对香菇品质的影响,该研究将计算机视觉在线检测技术应用于基于温湿度过程控制的热风干燥技术中,利用4种不同的相对湿度控制方法对去柄香菇进行干燥：连续排湿、全程设定恒定相对湿度（40%,30%,20%）、阶段降低相对湿度以及后期迅速降低相对湿度（30%优化,阶段降湿优化）。利用图像信息实时获取香菇外观品质,探究了香菇干燥过程中收缩率、圆度、表面褶皱率（Ratio of Wrinkled Surface Area,RWSA）与纹理特征（对比度、能量）的变化,并利用扫描电镜图像上香菇细胞的长宽比表示干香菇的微观结构,采用气相色谱-离子迁移谱联用（Gas Chromatography-ion Mobolity Spectrometry,GC-IMS）技术获取干香菇的风味成分。研究结果表明,相对湿度对香菇细胞的收缩率、圆度、纹理特征以及结构与复水比均有显著性影响（P < 0.05）,全程40%与全程20%组分别由于其相对湿度过高与维持时间过长,导致干燥时间延长,香菇表面硬化程度降低,收缩率增加,圆度降低,表面褶皱增多且更细密,表面颜色对比度降低,香菇表面褶皱率达到最大值的时间与香菇复水比呈正相关关系（r2 = 0.88）,香菇表面褶皱率达到最大值的时间越晚,香菇复水比越高,通过香菇褶皱率变化可预测香菇复水比。而优化组（30%优化、阶段降湿优化）可缩短干燥时间,加速香菇表面硬化,保持香菇外观品质,虽然其干制品复水比,微观结构与风味成分均不如连续排湿组,但其咀嚼度（P < 0.05）与弹性更高。综合考虑干燥时间与干香菇的品质,优先采用连续排湿,其次采用30%优化的方式干燥香菇。