成果介紹:天然富硒米片滾筒干燥動力學(xué)模型研究
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作者：鄭曉敏
硒具有抗癌、保護心臟、抗肝壞死、防治近視和白內(nèi)障、解毒、提高免疫力、延緩衰老和增強生殖功能等多種藥理作用，被譽為“生命火種”、 “心臟的守護神”和“抗癌之王。據(jù)調(diào)查，我國有22個省缺硒，有約70%的人口生活在貧硒地區(qū)。醫(yī)學(xué)研究證明人體補硒是以補充有機硒的方式最佳，因此生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品和食品，以食補替代藥補是最經(jīng)濟、安全、有效的補硒方式。江西豐城市作為新發(fā)現(xiàn)的天然富硒基地，其硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展也十分迅速。2006年始，中國地質(zhì)調(diào)查局、江西省地質(zhì)調(diào)查研究院在江西豐城市及周邊區(qū)域（如高安）進行了歷經(jīng)3年普查，確認(rèn)了該區(qū)域540 km2（約80萬畝）土壤富含天然硒，經(jīng)取樣檢測發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)任何技術(shù)處理，土壤中天然硒含量為0.40~0.99u g/g，平均含量0.538
ug/g，屬于富硒范圍，所生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品（如大米）既能夠滿足功能食品對硒含量的要求，又可避免過高硒含量可能產(chǎn)生的毒副作用，并且，產(chǎn)品中硒形態(tài)為有機態(tài)，有利于人體吸收利用，生物功效遠(yuǎn)高于人工噴施獲得的硒農(nóng)作物，或在食物添加的硒化合物。
滾筒干燥的適應(yīng)性廣、熱效率高、干燥時間短、設(shè)備成本低，是一種廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的干燥方式。滾筒干燥生產(chǎn)的天然富硒米片有利于提高產(chǎn)品的品質(zhì)并改善產(chǎn)品的沖調(diào)性。目前，干燥生產(chǎn)過程中在線檢測物料的含水率還難以實現(xiàn)，因此物料干燥特性及動力學(xué)模型的研究對干燥過程優(yōu)化和控制具有重要意義。利用滾筒干燥方法干燥天然富硒米片的相關(guān)研
究仍鮮見報道。
采用單滾筒干燥機，可以根據(jù)物料在干燥過程中狀態(tài)的變化將干燥過程分成兩個階段：漿狀區(qū)(a~b)和膜狀區(qū)(b~c)，如圖1所示。物料先后在2個區(qū)域內(nèi)干燥，干燥特性各不相同。
漿狀區(qū)的物料剛落入滾筒干燥機內(nèi)，尚未被碾鋪成膜，物料的形狀是不規(guī)則的且物料在主滾筒相對轉(zhuǎn)動作用下處于不斷地運動中，物料含水率和溫度分布不僅是不均勻的，也是非穩(wěn)態(tài)的。膜狀區(qū)是指物料經(jīng)布膜輥與主滾筒的碾壓作用在主滾筒外表面開始形成一層薄膜到料膜被刮刀刮下的區(qū)域，此時料膜的體積和形狀是確定的。當(dāng)滾筒各結(jié)構(gòu)參數(shù)（布膜輥數(shù)、滾筒尺寸等）和操作參數(shù)（滾筒轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力、進料質(zhì)量流量）確定的情況下，料膜的干燥條件可以認(rèn)為是不變的，即達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)。此時，物料的滾筒干燥動力學(xué)特性可以用薄層干燥模型來模擬，物料隨著時間轉(zhuǎn)動到不同的位置，測量不同位移處物料含水率可以表示不同時間物料含水率的變化。
當(dāng)滾筒干燥機結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，影響其干燥速率的因素主要有：物料特性、滾筒內(nèi)蒸汽壓力、滾筒轉(zhuǎn)速和料膜厚度。其中，蒸汽壓力決定干燥溫度，滾筒轉(zhuǎn)速決定干燥時間，這兩個因素對滾筒干燥速率的影響最大。料膜厚度的影響因素主要有布膜輥與主滾筒間隙、布膜輥與主滾筒相對轉(zhuǎn)速、進料質(zhì)量流量以及主滾筒轉(zhuǎn)速。其中，間隙和相對轉(zhuǎn)速為滾筒干燥機的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)。
研究了不同蒸汽壓力下對天然富硒米片含水率隨時間的變化規(guī)律。試驗中滾筒轉(zhuǎn)速和進料質(zhì)量流量不變，以消除料膜厚度對滾筒干燥速率的影響并確定干燥時間沿位移的分布，用位移的變化表示時間，重點研究天然富硒米片滾筒干燥速率的變化規(guī)律及不同蒸汽壓力對干燥速率的影響，并通過與主要薄層干燥模型的擬合來確定膜狀區(qū)最佳干燥動力學(xué)模型方程，以期為滾筒干燥技術(shù)在天然富硒米片生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時，測定了不同蒸汽壓力下每個取點處總硒含量情況，研究總硒含量是否會隨著壓力不同而改變。
1 材料和方法
1.1天然富硒大米漿工藝流程
天然富硒早米->浸泡->磨漿
選料：天然富硒早米，購自豐城市董家村。
浸泡、磨漿：先用清水浸泡1～2 h，用泵抽人磨漿機中進行磨漿，得天然富硒大米漿，打漿過程中添加水，使?jié)舛葹?5.0%。
1.2主要儀器與試劑
HG型單滾筒干燥機：常州市皖蘇干燥設(shè)備有限公司；中型磨漿機：廣州雷邁機械有限公司；AFS-1201雙道原子熒光分光光度計：北京海光儀器公司。
高氯酸、硝酸、鹽酸（均為優(yōu)級純）。
1.3試驗方法
1.3.1 總硒的測定
按GB 5009.93-2010方法測定。
1.3.2干燥速率曲線
天然富硒大米漿在HG型單滾筒干燥機上進行干燥，布膜輥和主滾筒間隙為1.0 mm，相對轉(zhuǎn)速為1。為保證在試驗蒸汽壓力下，物料的干燥時間足夠長，試驗中確定滾筒轉(zhuǎn)速為1.0 r/min，進料質(zhì)量流量80 kg/h，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，料膜厚度可控制在0.14 mm，此時研究不同滾筒蒸汽壓力(0.4，0.5和0.6 MPa)下天然富硒大米的干燥動力學(xué)。
點b漿狀區(qū)的終點，也是膜狀區(qū)的起點，刮刀處（c點）為膜狀區(qū)的終點，經(jīng)測量，b、c間弧長為200 cm（圖1）。為了研究膜狀區(qū)的干燥特性，在滾筒表面沿滾筒轉(zhuǎn)動方向等距離取點，由于干燥初期物料含水率高、干燥速率大，靠近b點處每10 cm取一個點，之后每20 cm取一個點，用刮刀在每點處取樣測定其含水率，具體取樣位置如圖2所示。起點h即膜狀區(qū)位移為零的點，此時物料的含水率認(rèn)為是天然富硒大米料膜的初始含水率；終點c即位移為200 cm的點，此時物料的含水率為產(chǎn)品的最終含水率，含水率均用干基含水率表示，每個位移處的物料含水率均測量3次取平均值。
平均干燥速率計算公式為式(1)。
式中：RMD-干燥速率，kg/( kg．s)；M1-t時刻料膜的干基含水率，kg/kg; 
時刻料膜的干基含水率，kg/kg。
1.3.3膜狀區(qū)干燥過程模擬及統(tǒng)計分析
用于擬合天然富硒大米片滾筒干燥曲線的薄層干燥模型如表1所示。
水分比MR的計算公式為式(2)。
式中：t-時間，s；Me-平衡含水率，kg/kg；M0-初始含水率，kg/kg。
一般情況下，由于物料的平衡含水率Me不容易測得，Me可以用于燥物料的最終含水率Mf代替，而Mf與M0和Mt相比可以忽略[101，則式(2)變?yōu)椋?
利用Matlab 7.0軟件中的非線性回歸功能對試驗所得的干燥曲線進行7種不同數(shù)學(xué)模型的回歸擬合，數(shù)學(xué)模型與試驗數(shù)據(jù)的匹配程度可以用相關(guān)系數(shù)R2、均方根誤差ERMS來衡量，R2越高、ERMS越小，數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好。
2結(jié)果
2.1 漿狀區(qū)干燥特性
物料在開始落人漿狀區(qū)時就有氣泡產(chǎn)生并有水蒸氣逸出。漿料在主滾筒與布膜輥的對轉(zhuǎn)作用下不斷進行不規(guī)則的運動，這一傳遞過程是復(fù)雜的，實際應(yīng)用中很難對其進行模擬。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速確定時，物料在漿狀區(qū)停留時間是一定的，此時物料干燥速率只受到滾筒內(nèi)蒸汽壓力的影響，其干燥速率可以通過b點處物料的干基含水率（Mb）來間接反映。富硒大米漿的于基含水率為0.818 kg/kg，不同蒸汽壓力下Mb的值如圖3所示。
從圖3中可以看出，隨著蒸汽壓力的升高，物料在漿狀區(qū)蒸發(fā)的水分量增加。0.4 MPa條件下，物料在漿狀區(qū)蒸發(fā)的水分質(zhì)量占物料初始水分含量的18.3%; 0.5 MPa條件下為36.7%；0.6 MPa條件下為58.2%。試驗結(jié)果表明：滾筒干燥過程中物料的大部分水分是在漿狀區(qū)蒸發(fā)的，蒸汽壓力越高，漿狀區(qū)蒸發(fā)的水分越多。
2.2膜狀區(qū)干燥曲線
2.2.1不同蒸汽壓力下干基含水率與時間的變化
根據(jù)對漿狀區(qū)物料干燥特性的分析可知，不同蒸汽壓力條件下，物料進入膜狀區(qū)時的初始干基含水率(Mb)不同，蒸汽壓力越高，初始含水率越低。初始含水率不同將導(dǎo)致物料在膜狀區(qū)的干燥速率不同。圖4為不同蒸汽壓力下，料膜含水率隨時間的變化。
由圖4可以看出，當(dāng)需將料膜含水率降到0.05 kg/kg以下時，使用0.4，0.5和0.6 MPa蒸汽壓力干燥物料所需的時間不同，分別是40，32和28 s。說明滾筒內(nèi)蒸汽壓力越高，物料達(dá)到預(yù)定最終含水率所需時間越短，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時物料總體干燥時間取決于物料在膜狀區(qū)干燥時間的長短。
2.2.2不同蒸汽壓力下干燥速率與時間的變化
圖5為不同蒸汽壓力下料膜干燥速率隨時間的變化。整體上，料膜干燥速率隨時間的延長而降低，這是由于料膜中的含水率不斷降低，自由水不斷減少，干燥驅(qū)動力越來越小。通常溫度是決定干燥速率的主導(dǎo)因素，溫度越高干燥過程中所能達(dá)到的最高干燥速率越大。但是與預(yù)期不同，在膜狀區(qū)干燥初期，蒸汽壓力越大，干燥速率越小。原因是蒸汽壓力越低，料膜的初始含水率越高，干燥驅(qū)動力越大，干燥速率越大。
2.2.3不同蒸汽壓力下干燥速率與干基含水率的變化
圖6為不同蒸汽壓力下，干燥速率隨干基含水率的變化。膜狀區(qū)料膜的干燥過程中沒有經(jīng)歷升速和恒速干燥階段，直接進入降速干燥階段。隨著干基含水率的降低，料膜的干燥速率也急劇降低，但幅度越來越小，說明料膜中的含水率已經(jīng)接近物料的平衡含水率，干燥驅(qū)動力降低。
2.3膜狀區(qū)富硒大米米片滾筒干燥曲線模擬及統(tǒng)計分析
利用試驗數(shù)據(jù)與薄層干燥模型的擬合來建立膜狀區(qū)干燥動力學(xué)模型，對滾筒干燥過程進行預(yù)測。不同蒸汽壓力下試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，7個模型中Two-term模型在所有試驗蒸汽壓力下均獲得了最大的R2，ERMS最小，說明Two-term模型可以很好地預(yù)測南瓜漿滾筒干燥過程。
圖7為Two-term模型所預(yù)測的干燥曲線與試驗所得的干燥曲線相符合的程度。從圖中可以看出，Two-term模型與各個蒸汽壓力下試驗點均呈現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。
2.4不同滾筒蒸汽壓力對各取點處米片中總硒含量變化情況
由表3可知，在不同滾筒蒸汽壓力下，各取點處米片中總硒含量基本上變化不大，且與原大米（硒含量為0.091 ug/g）中硒含量基本相同。因此，由滾筒干燥制得的天然富硒大米米片保持了硒的量。
3結(jié)論與討論
1)經(jīng)測定，物料中的水分在漿狀區(qū)中大量蒸發(fā)，漿狀區(qū)中物料蒸發(fā)的水分含量隨蒸汽壓力的升高而增大，水分含量最多可蒸發(fā)54.8%。此外，漿狀區(qū)中干燥速率也隨蒸汽壓力的升高而加快。
2)膜狀區(qū)中，物料干燥過程為降速干燥階段，不同蒸汽壓力下料膜的初始含水率不同，蒸汽壓力越高料膜初始含水率越低，初始階段的干燥速率也越低，但是蒸汽壓力越高，干燥速率降低得越慢，物料干燥達(dá)到最終含水率所需的時間越短，因此膜狀區(qū)的干燥時間決定物料整個滾筒干燥時間的長短。
3)物料在膜狀區(qū)的干燥遵循薄層干燥特點，不同蒸汽壓力下的天然富硒大米滾筒干燥過程均只經(jīng)歷降速干燥階段，經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)與7種經(jīng)典薄層干燥模型的擬合，得到擬合度最高的是Two-term模型，它可以很好地預(yù)測天然富硒大米滾筒干燥過程中含水率隨時間的變化。
4)在不同滾筒蒸汽壓力下，各取點處米片中總硒含量基本上變化不大，且與原大米（硒含量為0.091ug/g）中硒含量基本相同。
4 摘要
以輥式布料的單滾筒干燥機為對象進行天然富硒米片滾筒干燥試驗，探討了滾筒干燥過程中物料的干燥動力學(xué)特性及其干燥動力學(xué)模型。根據(jù)物料的狀態(tài)將滾筒干燥過程分為漿狀和膜狀兩個階段，測定了不同蒸汽壓力下物料的含水率，分析了干燥速率隨蒸汽壓力和時間的變化規(guī)律。物料中的水分大部分在漿狀區(qū)中蒸發(fā)，蒸汽壓力越高，干燥速率越快；物料在膜狀區(qū)中為降速干燥階段，蒸汽壓力越高膜狀區(qū)起始含水率越低，起始階段的干燥速率越慢，干燥速率下降也越慢，干燥時間越短。膜狀區(qū)物料含水率的試驗數(shù)據(jù)與主要薄層干燥模型進行擬合, Two-term模型可以很好地預(yù)測天然富硒米片滾筒干燥的動力學(xué)特性。測定了不同蒸汽壓力下每個取點處米片中總硒含量，結(jié)果表明，總硒含量基本上不變。
