1、含水果颗粒胶体溶液通电加热速度建模与工艺优化2009 年 10 月农业机械第 40 卷第 l0 期含水果颗粒胶体溶液通电加热速度建模与工艺优化周亚军王淑杰苏丹钱曦吕晨艳李英(吉林大学生物与农业工程学院,长春 130025)【摘要】为研究含水晶梨颗粒亲水性胶体溶液通电加热过程中,颗粒尺寸,颗粒体积分数,CMC-Na 体积分数,皎体溶液质量分数和柠檬酸质量分数五因素对通电加热速度的影响,采用五因素二次正交旋转组合设计试验进行回归分析,建立了加热速度数学模型,对影响加热速度的工艺参数进行了优化,得到影响通电加热速度的工艺参数从大到小依次为:胶体溶液质量分数,CMCNa 体积分数,柠檬酸质量分数,颗粒
2、尺寸,颗粒体积分数;影响加热速度的各工艺参数的最优组合:颗粒尺寸 1.0cm,颗粒体积分数 30%,cMcNa 体积分数 40%,胶体溶液质量分数 4%,柠檬酸质量分数 0.25%.关键词:水果颗粒胶体溶液通电加热速度模型工艺优化中图分类号:TS255.36 文献标识码:AOhmicHeatingRateModelforClolloidalSolutionandProcessOptimizationwithFruitGranulesZhouYajnWangShujieSuDan(C【“cegeofBiozogcnlandAgriculturalEngineng.QianXiLOChenyanL
3、iYingJitm【,Changhun130025,China)A,bstractInfluencesoffivefactorswhichweresizeofpearpanicles,concentrationofpearparticles,ratioofpotatostarchtoCMCNa,concentrationofcolloidalsolutionandcitricacidcontentrespectively.onohmicheatingrateforcolloidalsolutionswithfruitgranules,aswellasoptimizationprocesswer
4、estudied.Heatingratemodelswasestablishedandoptimizedparameterswereobtainedbyquadraticorthogonalrotationcombinationdesignwithfivefactorsandregressionanalysis.Resultsshowedthateffectorderoffivefactorsonohmicheatingrateis,accordingtopriority,colloidsconcentration,ratioofpotatostarchtoCMCNa,citricacidco
5、ntent,si2eofpearparticles,andconcentrationofpearparticles;theoptimalparameterissizeofpearparticlesof1.0cm,pearparticlesconcentrationof3O%,ratioofpotatostarchtoCMCNaof40%,colloidsconcentrationof4%andcitricacidconten1of0.25%.KeywordsFruitgranules,Colloidalsolution,Ohmicheating,Ratemodel,Processoptimiz
6、ation引言食品通电加热是一种新型的加热杀菌和加工技术,可对粘度较高或带颗粒食品进行连续加热杀菌与加工 J.近年来国外学者相继对食品通电加热特性进行了研究卜加. 在国内,中国农业大学中日食品研究中心率先对通电加热技术进行应用基础研究,已将该技术应用到豆浆加热和豆渣的节能干*燥【1J 等方面,并取得良好的效果;杨铭铎等对淀粉溶液和猪肉的通电加热特性进行研究14 叫,周亚军等 ll1Ij 对含水果颗粒液态食品通电加热速度,温度场和温度变化规律等加热特性进行了深入系统研究.含颗粒液态食品物料通电加热速度的控制及其影响工艺参数的优化是固液混合食品通电加热的关键,而含水果颗粒亲水性胶体溶液通电加热速度
7、模型与工艺优化研究至今国内外未见报道.因收稿日期:2009 一(1216 修回日期:20090702*吉林哲自然科学基金资助项目(20070577)和吉林大学青年教师基金资助项目(200567)作者简介:同亚军.教授,博士.主要从事食品通电加热技术研究 ,E-mail:;houy,旬jl.edu.122 农业机械此,本文研究含水果颗粒亲水性胶体溶液通电加热各参数对通电加热速度的影响,并建立相应模型,以期为含颗粒液态流体食品通电加热速度控制及含颗粒液态食品开发提供参考.1 材料与方法1.1 材料与设备材料:精制马铃薯淀粉(秦皇岛豪瑞淀粉有限公司),羧甲基纤维素钠(CMC,Na)(怀化化工助剂厂)
8、,水晶梨 ,柠檬酸( 分析纯,北京永定化工厂).设备:MV200 型多点温度记录仪(日本横河公司),热电偶 (2 根直径均为 0.3mm 的镍铬和镍硅金属丝,外部包聚四氟乙烯绝缘套管,一侧端部 2 根线焊接在一起,然后涂抹加热干燥绝缘浸漆形成2mmt:状颗粒,将其固定于待测颗粒中心和装置中的某一点,另侧两根线和 MV200 型多点温度记录仪连接,热电偶使用前进行温度标定),GB204 型电子天平(上海天普分析仪器有限公司),DK 一 98 一 I型电热恒温水浴锅(天津市泰斯特仪器有限公司),台式计算机,自制小型通电加热装置,高速组织捣碎机(上海比朗仪器有限公司).1.2 测试系统本试验采用的通
9、电加热测试系统是由长113mm,内径 75mm,单侧壁厚 7.5mm 的塑料热封管和不锈钢平行板电极等材料制成的小型通电加热装置,日本横河公司产的 MV200 型多点温度记录仪,经温度标定后的 6 根热电偶(摆放位置分别为装置中心点,过中心点径向截面 1/2 处,靠近电极板径向 1/2 处,靠近电极板径向边缘处,中心点与电极板中间截面径向 1/2 处,中心点与极板中间截面径向边缘处)和计算机组成,测试系统结构示意图如 1 所示.图 1 食品通电加热测试系统结构示意图Fig.1Schematicdiagramofohmicheatingsystemforfoods1 热电偶 2.塑料热封管 3.
10、不锈钢电极1.3 理论依据1.3.1 电场强度通电加热时,电场与电极形状,电导率及所用电压等有关,被加热物质内部电位分布可由带边界条件的拉普拉斯(Laplace)方程求解.若被加热介质遵循欧姆定律,那么任一点电场强度 E 满足J=aE(1)式中 J电流密度电导率而在系统中每一点的电势梯度在数值上等于电场强度,即E=一 VV(2)I.3.2 电导率典型欧姆加热时,电导率和温度的关系为T=f1+m(TTf)(3)式中听任意温度 T 时的电导率,S/mref参考温度 Tref 时的电导率,S/mm温度系数,由式(3)可知, 在欧姆加热中,食品的温度越高,电导率越大,加热速率也越大.1.3.3 发热量
11、在确定的电场强度(1947v/m)中电流通过被加热食品的单位体积,单位时间的发热量为“=V(VV)=l,/rI(4)由式(4)可知, 电压不变,发热量与食品电导率成正比.1.3.4 加热速率一般食品或食品原料都含有较多的水分及各种电解质,所以电阻抗都较小,电导率都较大,在通电加热过程中食品各部分的加热速率公式埔为一dT:一fs,dRcID式中 c各部分材料比热容,kJ/(kg?K)p密度,kg/mR电阻,Q由式(5)可知, 当 R 较小即较大时,通电后发热效率较大,温度梯度较大,温度升高快.1.4 加热速度测试在通电加热装置内对不同颗粒体积分数,颗粒尺寸(正立方体的边长),CMC-Na 体积分
12、数,胶体溶液质量分数以及柠檬酸质量分数的含水晶梨颗粒亲水性胶体进行通电加热,用布置在装置内不同位置上的 8 根热电偶(其中 6 根摆放位置如图 1)分别测定胶体的温度和水晶梨颗粒内温度(其中 2 根热电偶插入水晶梨颗粒),并用与热电偶相连的 MV200型多点温度记录仪记录由 20加热至 95所用时间,因装置内(胶体)6 个测点和颗粒内 2 个测点由20*(2 加热至 95所用加热时间(胶体中 6 点和颗粒第 lO 期周亚军等:含水果颗粒胶体溶液通电加热速度建模与工艺优化 123内 2 点加热到 95时,最高点与最低点温差在 5以内,认为不存在冷点,对杀菌无影响)不同,取其平均值为试验目标 y
13、值,即通电加热速度.1.5 试样制作1.5.1 胶体溶液的配制为提高胶体溶液的导电性,在其中加柠檬酸.首先按规定配制不同质量分数柠檬酸溶液,然后加马铃薯淀粉,用恒温水浴锅使其充分糊化制成不同质量分数马铃薯淀粉糊化液,冷却至室温备用.按照表 1 中 CMCNa 在混合胶体所占体积分数确定其用量配制溶液,因 CMCNa 溶液配制时容易聚集成团不易混匀,配制其溶液时用高速组织捣碎机将其充分搅拌混匀,静止放置 2h 后与冷却的马铃薯淀粉糊化液充分混匀待用.1.5.2 水晶梨颗粒的制作制作水晶梨颗粒时,首先将水晶梨去皮,然后切成两半,去掉梨仁心部分,切成边长分别为 1.0,1.5,2.0C1TI 的立方
14、体颗粒.1.5.3 颗粒均匀性控制为保证水晶梨颗粒在混合胶体溶液中分布均匀,在选择胶体溶液种类和浓度时需充分考虑使混合胶体的密度和水晶梨颗粒的密度基本接近,在将颗粒放入装置前在大烧杯中事先作分布悬浮试验,以保证颗粒在混合胶体中通电加热时的均匀分布.1.6 试验设计以水晶梨颗粒尺寸,颗粒体积分数,马铃薯淀粉和羧甲基纤维素钠组成的混合胶体中 CMCNa 体积分数,胶体溶液质量分数,柠檬酸质量分数为因素,起始温度 20通电加热至 95所用时间(加热速度)为试验指标,采用五因素二次正交旋转组合设计试验建立加热速度模型并对工艺参数进行优化.选颗粒尺寸,颗粒体积分数,CMCNa 体积分数,胶体溶液质量分数
15、,柠檬酸质量分数五因素(xx为各因素编码值,z z 为真实值 ),每因素各取三水平,通电加热时间用 y 表示.试验因素水平如表 1 所示,因素水平编码如表 2 所示.表 1 五因素二次正交旋转组合设计试验Tab?1Factorsandlevelsoffive-factorquadraticorthogonalrotationcombinationdesign因素水平/cm寸体/%分数/% 体积分数% 质量分数/% 一/%表 2 五因素二次正交旋转组合设计试验因素水平编码Tab.2Codeddataoffive-factorquadraticorthogonalrotationcombinati
16、ondesign2 结果与分析2.1 试验方案和结果五因素二次正交旋转组合设计试验数据和测试结果(每个试验都重复进行 3 次测试取其平均值)如表 3,采用的统计分析软件为 DPS3.01.表 3 五因素二次正交旋转组合设计试验方案与测试结果Tab.3Resultsoffive-factorquadraticorthogonalrotationcombinationdesign试验序号 xlx2x3x4x5y/XlX2X3X4X5Y/s 序号.l1l11122019O 一 20002422111113202002000284311111246210020030641111133022002002
17、64511111206230002030661111126824O002021671 一 lll120825O00O 一 22888l 一 111141626000O2222911111198270OO00248101111126828000O024011111l129629OOO0024212 一 ll 一 1114183O0OOO0236131 一 l1l11983lO0000250141111136632O0000254151111126633OO000260l6 一 l 一 1111298340000024017200002643500000248182000023636OO00025
18、62.2 模型的建立与数据分析据五因素二次正交旋转组合设计统计软件对表 3 中数据处理,得以五因素编码值为自变量的回归数学方程为124 农业机械Y201.041+11.650X1+2.250X228.417X347.583X415.917Xs+4.188X;+7.454X;+12.938X;+6.938X;+10.438X;一 11.125X1X3+3.375X1X44.625X1X52.125X2X3+8.125X2X410.025X2X5+12.125X3X4+16.375X4X5(6)在 a=0.10 显着水平剔除不显着项后,简化后的回归方程为Y=201.041+11.650Xl 一 2
19、8.417X347.583X415.917X5+12.938X;+10.438X;一 11.125X1X310.025X2X5+12.125X3X4+16.375X4X5(7)2.3 模型优化分析对回归方程进行方差分析的结果见表 4.由方差分析可知,失拟检验 F1=1.31F0.25(6,9)=1.61,差异不显着;拟和检验 F2=268.75Fn.(11(20,15)=3.36,差异显着.失拟检验不显着,说明没有不可忽视因素的存在对通电加热时间产生表 4 试验结果的方差分析数值Tab.4AVOVAofexperimentalresults影响,此回归模型所考虑因素足以反映通电加热速度的变化.
20、因采用五因素二次正交旋转组合设计,试验数据进行中心标准化处理,消除量纲上的差异,编码值的取值均限制在一 2,2,在编码空间中处于完全平等的地位,所以,可直接从回归系数绝对值的大小看出其对通电加热时间影响的大小,各因素回归系数的绝对值从大到小依次为 x4,x3,x5,x1,x2,即各因素对通电加热时间(加热速度)影响大小依次为:胶体溶液质量分数,CMC-Na 体积分数,柠檬酸质量分数,颗粒尺寸,颗粒体积分数.以通电加热时间y 为指标,在一 2,2区间内,得到的最小值 Yi=167S,此时各因素对应的编码值如表 5.即当颗粒尺寸 1.0cm,颗粒体积分数 30%,CMCNa 体积分数 40%,胶体溶液质量分数 4%,柠檬酸质量分数0.25%时 ,含水果颗粒固液混合物料的通电加热时间最短为 167S.表 5y 对应的各因素编码值Tab.SCodedvalueofeveryfactorcorrespondingtoYn2.4 验证试验
