洋葱的高品质快速节能干燥

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成果简介：
　　洋葱干制品是我国最重要的出口创汇农产品之一，但我国的洋葱干燥生产多采用热风干燥技术。这种陈旧的技术严重影响了干燥洋葱的品质，制约了洋葱干燥效率的提升，阻碍了节能减排的实施。本成果基于现有干燥方式进行技术革新，设计了适合于洋葱干燥的气体射流冲击干燥设备。与现有热风干燥设备相比，本设备缩短了干燥时间、降低了干燥成本、显著提高了产品品质。此外，我们还提出了该设备用于洋葱干燥工艺设计的参考准则，准确揭示了洋葱气体射流冲击干燥传质动力学特性，建立了以 Modified Page为基础的洋葱气体射流冲击干燥模型。本成果不仅推进了洋葱和类似农产品的干燥技术创新，还为洋葱的干燥生产提供了新颖的理论指导。
　　成果内容提要：
　　主要观点：
　　洋葱是我国广泛种植的一种普通蔬菜，其干制品是我国重要的出口创汇农产品之一。据世界粮农组织(FAO)统计表明，我国干燥洋葱产量虽然明显高于其它国家，但其出口单价却远低于美、日等发达国家(图1)。这种价格差异与我国干燥洋葱制品品质较低有不容忽视的内在联系。

       
　　图1 中国、美国和日本的干燥洋葱产量、产值及市场单价
　　近几年，我国干燥洋葱的产量日益增长，但其较低的品质依然是制约我国洋葱产业发展的限制性因素。在当前的洋葱干燥生产中，主要采用热风干燥技术作为加工手段，但该技术生产效率低、能耗高、产品品质差等缺点逐渐凸显，因此，洋葱干燥产业迫切需要进行技术革新。气体射流冲击干燥已成功应用于多种农产品(葡萄、杏、紫薯、核桃和板栗)的干燥加工，表现出了传热、传质效率和干燥产品品质明显优于热风干燥的特性。
　　基于现有气体射流冲击干燥设备(Biosystems Engineering, 2010, 105, 233-240)的设计思想，本成果结合气体射流冲击干燥和热管余热回收系统，从新设计并组装了节能型气体射流冲击干燥设备(图2)。
　　(AC)风速调节器;(TC)温控仪;1：离心风机;2：电加热单元;3：废气回收通道;4：气流分配室;5：圆形喷管;6：温度传感器;7：物料干燥箱;8：热管换热器放热段;9：热管换热器吸热段。

       
　　图2 气体射流冲击干燥设备原理简图
　　本设备主要由气体射流冲击单元、风温和风速控制单元组成。主要部件包括余热回收装置、加热器、气流分配室、圆形喷嘴、物料干燥室和回风管道装置。其创新之处在于利用热管内介质的蒸发吸热和冷凝放热完成热量交换，从热管放热段释放出气化潜热，使风机送入的空气进行预加热，实现废气中的余热回收，从而降低加热部件的电能消耗。本设备比未安装热管余热回收装置的气体射流冲击干燥设备降低约11.7%的电能消耗，比热风干燥设备降低约25.7%的电能消耗。表明这种气体射流冲击干燥设备具有节能的特点，可降低农产品干燥的生产成本。
　　设备的采购成本是小型生产企业淘汰其陈旧设备，引进新技术的重要参考指标。本成果介绍的气体射流冲击干燥设备结构简单、易于操作且制造成本远低于微波、红外和真空冷冻等干燥设备。使该设备非常适合在我国的广大农村地区推广。

       
　　图3 不同干燥方法对洋葱干燥的影响 (A) 气体射流冲击干燥，(B) 热风干燥
　　如本成果所述，与常用的热风干燥技术相比，采用节能型气体射流冲击干燥技术加工的洋葱，在产品外观(图3)和复水性方面具有明显的优势。此外，采用节能型气体射流冲击干燥加工洋葱需要的处理时长较热风干燥减少了77.8%(图4A)，并且其前期干燥速率比热风干燥高出约 11倍(图4B)。因此，节能型气体射流冲击干燥可作为一种高产出品质和高生产效率的干燥技术取代陈旧的热风干燥，用于高品质干燥洋葱的生产。

       

       
　　图4 不同干燥方式干燥洋葱的水分比曲线(A)和干燥速率曲线(B)
　　一种食品加工技术的创新到应用还依赖于对该技术特性的深入了解。本成果进一步分析了潜在洋葱气体射流冲击干燥条件对洋葱传质动力学特性的影响(图5)，揭示了升高干燥温度和风速，降低喷嘴高度将有利于提升干燥速率并减少干燥时间。

       

       

       

       

       

       
　　图5 不同气体射流冲击干燥温度、风速和喷嘴高度对洋葱干燥动力学特性的影响
　　我们进一步对5个常用干燥数学模型进行拟合，研究气体射流冲击干燥洋葱的传质动力学特性，分析表明，Modified Page模型能准确预测洋葱在气体射流冲击干燥过程中的水分散失规律，具体模型方程为：
　　MR=exp
　　注：T为干燥温度(℃);V为干燥风速(m·s-1);H为气流喷嘴距离物料盒的高度(mm);t为干燥时间(s)。
　　依据菲克第二扩散定律(Eq. 1)，气体射流冲击干燥洋葱时的有效水分扩散系数(Deff)为3.51×10-10～ 5.51×10-10 m2/s，比红外对流干燥洋葱时的Deff降低了10倍。同时，通过Arrhenius-type方程(Eq. 2)，计算得出气体射流冲击干燥洋葱的活化能为14.73 kJ/mol，仅为热风干燥的10%。这些数据再一次证明，本成果所述的气体射流冲击干燥设备具有快速节能的特性。

       
　　(Eq. 1)

       
　　(Eq. 2)
　　结合上述内容和干后产品品质分析，建议洋葱的气体射流冲击干燥条件应为：较低的干燥温度、较高风速和低的喷嘴高度。本成果所述均可直接用于洋葱的气体射流冲击干燥工艺的设计。
　　创新点与实践意义：
　　本成果结合气体射流冲击干燥技术与热管余热回收技术，革新了现有气体射流冲击干燥设备，实现了高效-节能-高干制品质的洋葱干燥。详细阐述了新型气体射流冲击干燥设备的结构及工作原理。发现了气体射流冲击干燥比热风干燥具有更高的干燥效率和干制洋葱品质。准确揭示了洋葱的气体射流冲击干燥传质动力学特性，建立了相关数学模型，提出了洋葱气体射流冲击干燥工艺设计准则。
　　本成果所述气体射流冲击干燥设备的设计思想立足于替代现有洋葱热风干燥设备，使其具有高干燥效率和品质，且其制造和运行成本更加低廉，使该技术可在我国广大农村区域推广应用。成果所述内容可直接应用于洋葱的气体射流冲击干燥加工工艺设计，为洋葱的干燥生产及其研究提供参考，为我国干燥洋葱的品质和生产效率提升以及出口创汇注入新的动力。本成果也将对现有农产品干燥研究和干燥技术革新提供新的思路与借鉴。