谷物低温真空干燥机理的探讨

中国粮油学报谷物低温真空干燥机理的探讨尹丽妍于辅超吴文福马中苏（吉林大学生物与农业工程学院，长春130025）分、平衡水分、干燥温度、介质压力、介质湿度等对干燥过程的影响规律。根据此模型分析了玉米低温真空干燥的机理并指出与热风干燥相比较，低温真空干燥在低温下能有效地提高谷物籽粒相对环境的水势，从而在保证谷物品质受损伤小的前提下，有效提高干燥的效率和降低干燥的能源消耗。同时，通过对初始水分不同的两组样品的试验，研究了谷物低温真空干燥过程中水分变化的规律，谷物低温真空干燥过程包括3个价段加速阶段、恒速阶段和降速阶段，随真空度的提高，到达安全储藏水分的时间减少，平衡水分降低。
采用传统的热风干燥工艺与设备所干燥的物料，由于被干燥物料内部和表面形成很大的温度梯度，容易产生品质下降和溶质失散现象，尤其是食品会散失香气，玉米会产生裂纹，稻谷会产生爆腰，小麦、大豆、花生会产生蛋白质变性，油菜籽会产生走油。低温真空干燥能够克服热风干燥所产生的溶质失散和品质下降问题，从环保意义上讲，可将真空干燥称为“绿色干燥”，具有广泛的发展前景111.“十五”期间，国家科技部设立专项进行了低温真空谷物干燥工艺与设备的研究，己经在东北地区进行了实验，实验表明此方法对保持烘干后粮食品质具有很好的效果，降低了玉米的裂纹率和稻谷的爆腰率，特别适合于干燥各种农作物种子，能够保证农作物种子的发芽率和品质，便于长期贮存、运输和销售，其投资和运行成本与热风干燥设备大致相当并节能12-5.尽管真空干燥技术在食品、化工等行业己经有大量的应用，在谷物干燥方面刚刚开始，从理论、工程设计、生产应用都存在许多问题需要研究，如谷物低温真空干燥的机理、低温真空干燥过程的传热传质规律、低温真空干燥过程谷物品质变化的动力规基金项目：农业科技成果转化资金项目（03EFN212200075）贮藏工程通讯作者：吴文福，男，1965年出生，教授，博士生导师，农业测控律、低温真空干燥过程中的热能提供方式、真空干燥装置的结构形式、低温真空干燥的自动检测和控制方法等。
本文通过理论和实验两个方面对真空干燥谷物过程的机理进行探讨，建立了数学模型，为真空干燥技术的推广应用提供一定的借鉴。
1谷物低温真空干燥的机理分析1谷物低温真空干燥过程中水分子的相变过程在干燥过程中，物料内部的水分将汽化，变成蒸汽进入周围环境的气相中形成湿气体。在低压下水的相变过程与常压下大体相似，只是低压相变的温度比常温相变的温度低。
纵坐标，曲线AB、ACAD把平面分为三个区域对应水的三种不同的集聚态。曲线AD为蒸发（汽化）曲表明了压力从CMPa到1个标准大气压0.1MPa下水的汽化温度，呈对数趋势加，1个标准大气压下水的汽化温度为100C，但在压力为0.05MPa004MPa003MPa下，水的汽化温度变为809C、75 7C，可见利用真空干燥可以很大程度地减少了热能源的消耗。
2谷物低温真空干燥过程中水势变化与干燥速率的关系水势是化学势概念在农业和生物学中的重要应用之一，1941年我国学者汤佩松和王竹溪共同定义了水势，20世纪50年代开始在国外被广泛的应用，70年代以后在国内开始流行。现在这一概念是己在农业和生物学中广泛的概念之一。
溶液中水的活度和密度。上式表明，溶液浓度、压力以及高度、温度都会对水势造成影响。项被称为渗透势，第二项为压力势，第三项为重力势171.干燥过程中，谷物颗粒与周围环境的水分交换是通过颗粒物料表皮进行的，颗粒物料的表皮具有一定的厚度和微孔，颗粒物料内部呈多孔态。
对于谷物颗粒物料内部，其水分子的水势可用下式计算温度相同），M为颗粒物料内部的水分（db），Ms为颗粒物料内部的饱和水分（db）Vw为水的偏摩尔体积等于18X10-6m3.mol-1，rs为颗粒物料内部的水分活度系数。
实际水汽压，es为空气饱和水汽压，Rh为相对湿度，Vw为水的偏摩尔体积等于18X10-6m3.mol-1.这里，定义9为颗粒物料的水分迁移势。
当9<0内部水分向外迁移，是颗粒物料的干燥过程。
=0内外水分达到平衡，颗粒物料内部的水分为平衡水分，平衡水分的计算公式如下当9>Q外部水分向内迁移，是颗粒物料的吸湿过程。
因此，可以认为谷物颗粒内部的水分迁移率（dMzdt）取决于水分迁移势9即：假设颗粒物料的水分迁移率（dM/dt）与水分迁移势9线性相关，则可得颗粒物料水分迁移计算微分公式A、B、n为常数，与物料的品种有关，对于玉米A Me为谷物在常压下的平衡水分（db用小数表示）。
1对肺物颗粒勿料外部环境的大气水势为酿孤型可以看出谷物在干燥过程单位潘去除的水分bookmark2式（10）为谷物在不同气压下干燥脱水的数学模和环境的温度、压力和相对湿度相关。温度越高、环境压力越低、环境相对湿度越低谷物颗粒内外的水势差越大，单位时间内从谷物中去除的水分越多。
谷物的干燥温度过高会造成谷物内部蛋白质、氨基酸、淀粉等的变性，造成谷物品质的下降，降低谷物的食味，深加工产品得率和品质，在对谷物品质要求高的场合不宜采用过高温度干燥。因此通过低温真空干燥技术来同时保证谷物品质的同时，提高谷物干燥的生产率是一个有效的途径。
2谷物低温真空干燥实验1实验设备敏度为1°C2 2实验材料选用东北地区生产的马齿形玉米，选择籽粒饱满、完整、色泽光亮的玉米。
3实验方法-1989玉米水分测定法的具体操作过程，用电烘箱法测出原玉米的含水量。
根据玉米干物质质量不变的原则，计算配置不同含水量的玉米样品应加的水分，将配好水分的玉米密封放入冷藏室，每天翻动3次，保证玉米籽粒均匀吸水，放置48h后，根据GBT10362 -1989规程，当籽粒大于15采用两次烘干法测玉米的含水量，备用。
232将高水分玉米置于真空干燥箱内，用真空泵使干燥箱内达到并维持一定的真空度，同时加热，真空干燥箱内的温度由温控仪自动控制，正式开始后，每隔20min称一次重量，共干燥5h24结果与分析、为不同含水量在不同压力、相同温度47C下的干燥曲线，压力的大小对谷物达到安全水分的时间影响较大，压力越低，到达安全水分（14）的时间越短。在压力为01MPa006MPa004MPa、003MPa下，玉米到达安全水分的时间分别为3h24h22h16h由公式（10）推出在以上几个压力下平衡水分分别为11.7、1Q8、m3、98. AB、BC、CD三个明显不同阶段，干燥过程有A点开始，这时玉米内含水率一定，开始抽真空并开始加热，干燥速率加到B点从而达到大值。玉米在允许范围内被加热到相应压力下汽化温度而大量汽化，受物料传热传质特性的限制，干燥速率达到了大值，则进入到BC段，为恒速干燥阶段。这时物料温度保持不变，加入的热量作为汽化潜热和各项热损失，真空系统不断排出汽化的蒸汽，保持蒸发表面与空气的压力差，使干燥持续进行。过程进行到C点后，因玉米的含水率减小到了一定程度，从玉米中蒸发出来的水分减少，在加热量不变的情况下，玉米阻小k干干燥速发表s面与空间率呈下降趋势16，为降速阶段，继续加热，终可达到平衡水分。
3结论1采用水势理论分析了谷物低温真空干燥的机理，建立了在不同真空条件下干燥脱水的数学模型：从该模型中可以看出谷物低温真空干燥的速率与介质温度、介质压力、谷物平衡水分、干燥时间等有关，与现有干燥模型比较，可以反映介质压力对干燥过程的影响。
2试验表明，在相同的热介质温度条件下，随介质压力的减小，谷物的干燥过程被加速，到达安全水分的时间减少，谷物的平衡水分降低。从玉米低温真空干燥曲线中看出，在温度为47C，压力03MPa下玉米到达安全水分的时间分别为3h、24h、22h、16h玉米的平衡水分分别为117、108 10.398.采用低温真空干燥可以在相对较低的温度下对谷物进行干燥，有效的减缓谷物品质的下降，改善谷物的食味色泽等品质，提高深加工产品的得率，同时，可以缩短干燥时间，提高干燥效率。
33试验证明，谷物低温真空干燥过程与热风干燥过程相似也分为三个阶段，即加速阶段、恒速阶段和降速阶段，且真空度高，有利于水分在较低的温度下汽化。与热风干燥相比，谷物低温真空干燥速率大，且更易达到安全水分。由于干燥是在稀薄的空气中和较低的温度下进行，在应用于其他物料时，能有效保证了易氧化或热敏性物料的品质，可以干燥易燃易爆的危险品，并能杀死嗜氧性细菌和某些有害微生物，使产品的储存性得到改善。