食品水分分析技术平台研究挂面干燥动力学

2020-04-20 21:25:52 苏州纽迈分析仪器股份有限公司

点击蓝字关注我们

水乃万物之源。在国际上水的研究是一个非常重要的领域，具体到农林产品、食品和能做成食品的所有原料，水分的研究必不可少。挂面在制作及烘干的工业过程中，水分更是一个至关重要的因素。

中国农业科学院农产品加工研究所魏益民教授团队一直围绕水分和食品的关系进行研究。多年的研究发现，核磁分析和成像技术是研究水分存在状态和运动轨迹的有效手段。从原理上来说，根据氢原子核的弛豫时间，可以判别自由水、弱吸附水和强吸附水的比例，进而可以研究水分在食品中的存在状态。通过核磁成像，还可以把水分研究从不可视状态变成可视状态，从而可以看到水分的扩散轨迹。因此，魏益民教授在利用“食品水分分析技术平台”研究挂面干燥动力学时，成功地将低场核磁技术引入其中。不仅揭示了挂面干燥过程中水分的迁移规律，还探究了在工业上的应用。具体研究如下：

材料和方法

实验室实验用小麦粉均来自小麦品种，自行磨制，测定样品理化特性。工业实验样品为生产用小麦粉；样品经现场取样后，在实验室测定分析。本研究涉及的挂面分为压延型和挤压型两类。

实验在食品水分分析技术平台（图１、图２）和企业生产线上开展。食品水分分析技术平台包括恒温恒湿干燥器，温度、湿度传感和控制设备，在线称重设备，苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的NMI20-030H-I低场核磁共振成像与分析系统，数据采集、分析和输出系统等。平台每次干燥挂面样品为200~1000g，测定样品为单根50mm，重复３次。

结果与分析

挂面干燥热力学

为了直观地理解干燥过程中挂面内部温度和湿度变化规律，建立了挂面热风干燥过程的湿热传递偏微分方程组并对挂面的干燥过程进行模拟和分析。

从图3可看出，干燥过程中外部热量逐渐向挂面几何中心传递，内部温度逐渐升高。内部水分向外传递速度可能是影响干燥过程水分传递的主要因素。由表1可知干燥过程热能的供应并非越多越好，合理的干燥介质温度和相对湿度不仅能降低热能消耗，还能提高干燥效率。

挂面干燥动力学

2.1 干燥曲线数学模型

挂面干燥过程的模型拟合，对理解挂面干燥特性、优化挂面干燥工艺以及挂面干燥智能控制具有十分重要的意义，回归分析表明，所采用的4个数学模型均较好，其中Page模型是最合适的。

2.2干燥过程水分状态

利用低场核磁分析技术测定挂面干燥过程中水分状态变化如图6、7所示。结果表明，干燥过程中，强结合水和弱结合水的横向弛豫时间均有下降的趋势（图6），表明随着干燥过程的进行，该部分水与挂面中大分子物质，如淀粉、蛋白质等，结合得更为紧密。自由水横向弛豫时间也有下降的趋势，但波动较大。干燥过程中，强结合水的峰面积（A21）比例下降（图7），表明强结合水所占比例减少，弱结合水比例上升。干燥过程中水分主要以弱结合水形式存在。自由水所占比例有增大的趋势，而所占比例均在2%以下。

图8显示干燥过程中的T2谱变化。由图可知，随干燥时间延长，T22逐渐减小。说明弱结合水的自由度在降低，水分扩散速度降低。在干燥的中期和后期，挂面T2谱中出现T23峰（图8），说明极少量水分的自由度增大，挂面中存在自由水。

2.3 干燥过程水分迁移

图9和图10是基于低场核磁成像技术及数据处理获得的干燥过程挤压圆形挂面内部距中心点含水率的变化曲线。由图可知，干燥过程中，靠近中心点处的含水率高，靠近表面的含水率低。随干燥过程的进行，表面含水率下降幅度较中心点快，内外水分梯度增大。

图11和图12清晰地显示挂面（方形）干燥过程中水分场（含水率）分布和变化。在挂面内部存在一个含水率呈明显差异的界面，该界面在干燥过程中逐渐向挂面几何中心靠拢。水分梯度的持续时间相对较长，而挂面内部的温度在30min时就已经达到基本一致。挂面含水率变化与温度变化总体呈现相似的规律（图3）。从图11和图12还可看出，挂面外侧的含水率等值线更密集，说明外侧的水分梯度大。

讨论

△

挂面干燥过程温度水分运移规律与干燥阶段划分

基于食品水分分析技术平台在线连续监测和自动记录功能，获得了精确度较高的9条挂面干燥曲线和对应的干燥速率曲线。借助低场核磁共振分析与成像技术获得的挂面干燥过程水分迁移结果说明，干燥初期由于表面自由水和表层水分的蒸发使干燥速率迅速升高；之后，由于内部水分扩散较慢，吸附能力趋强，干燥速率下降（图6～图9）；180min后，挂面内部水分梯度减小，干燥速率减小（图10）。挂面干燥过程温度场在30min时表面和中心温度基本一致(图3）。水分场显示，在干燥15min时挂面的中心位置含水率已明显降低（图11、图12）。挂面干燥过程（可分为预干燥阶段（0~30min），主干燥阶段（30~180min），最后干燥阶段（180~240min至300min）。另外，最后干燥阶段的终点应以目标含水率确定。

参考文献：魏益民，王振华，于晓磊，武亮，王杰，张影全，张波，李明，郭波莉．挂

面干燥动力学研究[J/OL]．中国粮油学报.

　魏益民教授团队联合纽迈分析的核磁共振仪器共建的“食品水分分析技术平台”将整个干燥过程和水分检测过程自动化，实现了过程控制、在线监测、数据记录、数据输出一体化，并为其它设备的在线(或准在线)设计了接口，为深入研究和系统地观察挂面的干燥过程提供了可能和相关实验平台。基于此平台，魏益民教授研究了挂面在不同温湿度条件下的干燥曲线，最终以最短的时间研究了什么干燥条件是最节能的干燥工艺。相对于常规方法，该平台可以自动记录，自动绘图，不仅减少了工作量，还实现了动态观察。据悉，在此平台研究的基础上，金沙河面业烘房能耗节约达22%-23%。