4种薯类作物热风干燥特性的比较

张　鹏，赵士杰，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　 010018)



4种薯类作物热风干燥特性的比较

张鹏，赵士杰，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

摘要：为了考察薯类作物的热风干燥特性的异同点、优化薯类作物热风干燥工艺，本文选取4种薯类作物(红薯、马铃薯、芋头和山药)，在不同温度(55、70、85℃)、切片厚度(3、5、7mm)和切法(横切、纵切)条件下进行比较，研究其热风干燥特性。结果表明：温度与切片厚度对4种物料的干燥特性影响一致，切法对4种物料的干燥特性影响略有差别，但不明显。通过比较，发现它们在热风干燥过程中各类指标变化基本一致，具有共性，在工业生产上可以进行归类，为薯类作物产业化生产提供了理论依据。

关键词：薯类作物；热风干燥；特性

0引言

薯类作物因其收获的产品为地下根或块茎，又称根茎类作物，主要包括红薯、马铃薯、芋类和山药等[1]。薯类作物的块茎中含有大量碳水化合物、胡萝卜素和花青素等次生代谢营养物。其高产耐旱，不仅是我国的主要粮食作物之一，可保障我国粮食安全，为我国很多地区的农民提供了重要的收入和粮食来源；也是重要的饲料以及工业原料，特别是随着我国生产生物乙醇燃料的主要原料：玉米的价格上涨、陈粮的消耗殆尽，我国已经开始发展薯类燃料乙醇[1-4]。2015年1月6日，在北京举办的马铃薯主粮化发展战略研讨会认为，马铃薯作为三大主粮的补充，主粮化成为必然的选择。因此，薯类作物产业对我国的稳定发展起到了至关重要的作用；但由于薯类作物储藏、运输不便，加工环节落后，人们对薯类作物的重视程度不高[5]。农产品的干燥技术是食品保藏的一项重要手段，热风干燥技术操作简单、成本低，虽然对干后品质有一定影响，但依然是我国食品生产中最常用到的一种干燥方式[6]。孟岳成等(2011)研究了熟化红薯热风干燥过程中热风温度、风速、切片厚度三者对干燥环节的影响，为红薯热风干燥工业化提供理论依据，并且比较了12种数学模型在熟化红薯热风干燥中的适用性[7]。江晓(2011)建立了马铃薯热风干燥过程中的传热传质模型和收缩模型，对马铃薯热风干燥过程进行了模拟，对热风干燥工艺进行了优化[8]。

任广跃等(2010)对怀山药采用热风、微波和真空干燥3种方法进行干燥，比较了3种方式对怀山药的干燥速率、复水率和多糖得率的影响[9]。匙宝成等(2009)利用自制微波干燥装置对芋头片进行了微波干燥试验，研究了芋头片干燥过程中的失水特性，为进一步了解芋头的干燥特性提供了依据[10]。本笔者选择4种有代表性的薯类作物，在固定风速下对它们进行热风干燥，研究热风温度、切片厚度和切法(横切和纵切)3种因素对其热风干燥特性的影响，旨在优化干燥工艺，并找出它们在干燥过程特性变化的一些共性，提出对农产品加工进行分类的思想。

1材料和方法

1.1　实验材料

选择表皮光滑，个头大小一致，形状相似的新鲜红薯、马铃薯、山药和芋头，购于当地市场。

1.2　主要设备

GZ-1型热风干燥机，华南理工大学科技实业总厂制造；电子天平，精确度0.001g。

1.3　干燥试验方法

取4种物料，用清水洗净，去皮，以干燥温度、热风风速和切法作为热风干燥的3个因素，按表1进行热风干燥试验。

1.4　水分测定

按GB5009.3-2001测得4种物料的初始含水率[11]，分别为：红薯约为82%，马铃薯约为80%，芋头约为78%，山药约为76%。

含水率是用来表示物料在干燥过程中某一时刻的水分含量。物料干燥过程中含水率(M)为

(1)

式中M—物料t时刻的含水率(%)；

mt—t时刻物料的质量(g)；

md—绝干物料的质量(g)。

物料热风干燥速率为

(2)。

式中DR—热风干燥速率(%/h)；

Mt—t时刻物料的含水率(%)；

Mt+dt—t+dt时刻物料的含水率(%)。

表1　干燥实验方案

1.5　数据处理

运用Excel软件对数据记录和计算，Origin 8.0软件绘图。

2结果与分析

2.1　不同热风温度对4种物料热风干燥特性的影响

在横切(沿着短轴切片)、试样厚度为7mm的条件下，考察热风温度分别为55、70、85℃时，对试样的干燥特性的影响。图1显示的是4种物料在不同干燥温度下，含水率随时间的变化曲线。

(a)　红薯在不同干燥温度下的含水率曲

(b)　马铃薯在不同干燥温度下的含水率曲线

(c)　芋头在不同干燥温度下的含水率曲线

(d)　山药在不同干燥温度下的含水率曲线

由图1可以看出：4种物料在干燥过程中，达到平衡含水率需要的时间与干燥温度成反比，85℃时需要的时间明显低于其它两种温度。温度越高，空气湿度就越低，在干燥时与物料接触的过程中就容易带走水分，要达到一定的含水率需要的时间就越少。

4种物料在不同干燥温度条件下的干燥速率曲线如图2所示。

(a)　红薯在不同温度条件下干燥速率曲线

(b)　马铃薯在不同温度条件下干燥速率曲线

(c)　芋头在不同温度条件下干燥速率曲线

(d)　山药在不同温度条件下干燥速率曲线

由图2可知：4种物料在干燥过程中均没有出现明显的恒速阶段，干燥发生在降速阶段；干燥速率随着水分下降而降低，随着温度升高而升高；85℃时干燥速率明显高于其他两个温度，但是物料表面结壳较严重，因此选择70℃作为干燥温度；温度对4种物料的干燥特性影响一致。

2.2　不同切片厚度对4种物料热风干燥特性的影响

不同切片对4种物料热风干燥特性的影响如图3和图4所示。由图3可知：在切法和温度恒定时，达到平衡含水率需要的时间与厚度成反比；厚度3mm时需要时间明显比其他两个厚度要少。这是因为厚度小，水分从内部向外迁移就容易，但是物料卷曲较为严重。

由图4可知：4种物料的干燥速率随着厚度的增加而减小，3mm厚度时的干燥速率明显高于其他两个厚度；5mm和7mm的干燥速率差距不大，这在4种物料之间表现一致。

(a)　红薯在不同切片厚度下的含水率曲线

(b)　马铃薯在不同切片厚度下的含水率曲线

(c)　芋头在不同切片厚度下的含水率曲线

(d)　山药在不同切片厚度下的含水率曲线

(a)　红薯在不同厚度条件下干燥速率曲线

(b)　马铃薯在不同厚度条件下干燥速率曲线

(c)　芋头在不同厚度条件下干燥速率曲线

(d)　山药在不同厚度条件下干燥速率曲线

2.3　不同切法对4种物料热风干燥特性的影响

在干燥温度和切片厚度一定时，切法对4种物料的干燥过程影响不明显，如图5所示。4种物料在横切(沿着短轴切)和纵切(沿着长轴切)两种切法下的含水率曲线几乎重合；红薯和马铃薯在横切时水分散失要比纵切时要快，而芋头和山药正好相反。通过对4种物料的切面观察发现，红薯和马铃薯纵切面是顺着生长纹理，而芋头和山药的横切面是顺着生长纹理的。因此，影响其干燥过程水分散失的主要因素是内部纹理结构，切面与纹理垂直时，有利于水分的散失。

(a)　红薯在不同切法条件下含水率曲线

(b)　马铃薯在不同切法条件下含水率曲线

(c)　芋头在不同切法条件下含水率曲线

(d)　山药在不同切法条件下含水率曲线

3结论

4种物料的干燥试验表明：薯类作物的干燥发生在降速阶段，干燥速率与切片厚度成反比，与温度成正比，切法对薯类作物热风干燥影响不明显；85℃时干燥速率最快，但是物料表面结壳严重，营养损失较多，因此选择70℃为最佳干燥温度；3mm厚度的物料干后卷曲严重，5mm和7mm厚度干燥速率差别不大，考虑到工业生产的效率，选择7mm为最佳干燥厚度。

切片厚度和干燥温度对4种物料在热风干燥过程的影响表现一致，切法上的影响有所不同，但是影响不明显。农业物料的特性差异较大，复杂多变，但在某些具体问题上具有共性，薯类作物在热风干燥过程中的研究就可以归为一类，这为农业物料的研究提出了归类的思想。

参考文献：

[1]张鹏.关于薯类作物储藏根和块茎的差异[J].植物学报，2015(3)：279.

[2]郭华春.云南薯类作物生产现状与产业化前景分析[J].西南农业学报，2004(S1)：384-387.

[3]刘合光，谢思娜.我国薯类作物生产周期波动测定及影响因素分析[J].中国蔬菜，2013(22)：15-19.

[4]程艳军，郑风田.中国薯类燃料乙醇发展现状与前景[J].林业经济，2009(3)：59-64.

[5]张顺.论青海高原山区旱地薯类作物的生产[J].农业科技通讯，2013(6)：34-36.

[6]徐小东，崔政伟.农产品和食品干燥技术及设备的现状和发展[J].农业机械学报，2005(12)：171-174.

[7]孟岳成，王君，房升，等.熟化红薯热风干燥特性及数学模型适用性[J].农业工程学报，2011(7)：87-392.

[8]江晓.马铃薯热风干燥过程中物性变化的数值模拟及可视化研究[D]. 湛江：广东海洋大学，2011.

[9]任广跃，陈艳珍，张仲欣，等.怀山药热风、微波及真空干燥的实验研究[J].食品科技，2010(7)：111-115.

[10]匙宝成，连政国，梁洁，等.芋头片微波干燥失水特性试验研究[J].农机化研究，2009，31(6)：121-125.

[11]GB 5009.3-2010，食品中水分的测定[S].

Comparative Study for Drying Characteristics of Hot Air Drying of Four Root and Tuber Crops

Zhang Peng， Zhao Shijie， Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to examine the differences and similarities between hot air drying characteristics of root and tuber crops,opeimize the hot air drying process, this paper selected four root and tuber crops(sweet potato, potato, taro, yam), comparative study for their drying characteristics under different temperature(55℃, 70℃, 85℃), slice thickness(3mm, 5mm, 7mm) and mode of cutting(transverse and longitudinal cutting). The results shows that impact of temperature and slice thickness on drying characteristics of four material are same, the mode of cutting affects slightly different, but not obvious. By comparison, they have same index change in the process of hot air drying, have similarity, can be classified in the industrial production, provides theoretical basic for root and tuber crops on industrialization production.

Key words：root and tuber crops; hot air drying; characteristics

中图分类号：S375

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0239-05

作者简介：张鹏(1989- )，男，河南信阳人，硕士研究生，(E-mail)742943101@qq.com。通讯作者：赵士杰(1956- )，男，内蒙古固阳人，教授，硕士生导师，(E-mail)nmzsj@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31260409)

收稿日期：2015-09-02