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温度依赖脱水动力学和菠菜叶的有效扩散系数

*通信:

普拉萨德K
部门食品工程和技术,桑特Longowal工程技术研究所Longowal 106年- 148年,印度旁遮普
电话:1672 - 253250 + 91;电子邮件:profkprasad@gmail.com

文摘

干燥菠菜叶子在实验室研究了干燥器保持在不同等温温度从50°C到90°C的间隔10°C。漂白的效果和脱水温度对干燥时间和干燥速率进行了研究。发现的脱水动力学菠菜叶子是依赖于温度和漂白的影响脱水特征。在一定程度上缩短60%的干燥时间被发现产生脱水树叶干80°C时相比50°C。两阶段干燥的新鲜菠菜叶提出初步干燥一小时在80°C的完成脱水60°C进一步获得脱水生产质量。拟合的基本脱水模型确认页面的适用性模型有效地预测脱水动力学。有效水分扩散系数是温度依赖性和变化在4.720×1.380×10 - 11的真空度m2 / s和4.303×2.204×10 - 11的真空度m2 / s /认为脱水治疗的温度范围和焯烫过的菠菜叶,分别。温度依赖有效水分扩散系数的形式激活能源被发现39.74焦每摩尔未经处理和变白菠菜19.23焦每摩尔。

关键字

菠菜;脱水;动力学;扩散系数;模型拟合

介绍

菠菜(菠菜oleraceaL)是一种草本,每年和广泛种植冬天的绿叶蔬菜。这是通常被称为也是在印度。优质菠菜叶子基本上是收获之前花柄的出现。叶子收获后仍然呼吸和发生。最喜欢的叶子,菠菜叶也薄,dorsi-ventral夷为平地的薄板因此有充足的接触表面积单位体积的蒸腾作用,导致快速失去叶子松脆,取决于可用的环境压力的程度。因此,建议冷冻菠菜叶子立即收获和储存最好是相对湿度95%以上。否则,减少水分导致失去叶子虚夸和可接受性。因此,大部分的农产品销售在印度获取新鲜的形式低返回到农民。蔬菜,菠菜低在热量和脂肪;纤维丰富的矿物质的良好来源(铁、钙、镁、磷、钠、锌、钾)维生素(维生素A、复合维生素b、C和E) (1,2]。此外,这种营养丰富的绿叶蔬菜在本质上是高度季节性和可以在便宜的率在过剩季节。不充分的处理和处理设施在印度目睹了巨大损失的新鲜蔬菜和调整5 - 50%甚至更高的3]。收获后脱水是一个合适的选择管理特别是在像印度这样的发展中国家,建立冷链设施很差的存在(4- - - - - -6]。超过20%的世界易腐作物被脱水提高保质期和促进食品安全7,8]。

叶绿素是dihydroporphyrin的导数,螯合与集中位于镁原子负责绿色着色和叶子的光合作用。叶绿素酶酶的激活是发现温度依赖(60 - 82.2°C)将叶绿素转化为chlorophylidine明亮的绿色颜料(9),这是相对更加耐热。随后减少水分脱水过程中特别是在下降率进一步提高温度,降低含水率和逮捕反应实体的流动,因此逮捕进一步转换的叶绿素以及phyllin保持绿色完好无损。此外,长时间暴露于较高温度有利于形成褐色变色的叶子通过非酶通路10]。漂白、预处理单元操作的一个温和的热处理提供蔬菜为了灭活酶负责质量恶化。其他相关漂白的好处保留和固定的颜色,软化营养组织;结构修饰;删除不良风味和删除阻挡空气促进质量保留在加工食品准备通过应用不同的保护原则。在热水中可溶性固体漂白的损失限制了其更广泛的应用。蒸汽热烫因此被证明是漂白的有效方法,但叶像材料的软化进一步限制使用主要是由于分离和传播的变白叶薄层干燥均匀脱水,脱水产品特点。虽然研究结果证明变白蔬菜的快速初步脱水率但最终导致更高的收缩与更多的水分脱水质量然后对应。

脱水是一个古典和复杂的处理技术采用同步传热传质得到固体食物产品,延长保质期。数据的水分损失对时间已经发现重要描述干燥动力学研究过程中固有的现象。水分迁移的分子的过程中,液体和蒸汽基本上是由扩散的现象。蔬菜叶子通常在80°C,直到干水分含量低于6.5%11]。深入理解过程从而帮助描绘先验的适用性模型工程师脱水过程的改进过程以及过程设置质量生产效率。因此,本研究计划确定的适用性基本脱水模型在预测脱水过程导致获得脱水产品质量与效率的过程。

脱水先验模型

脱水是一个多方面的单元操作涉及水分交换通过分子或表面扩散和毛细管,克努森或水动力流(12,13]。有效扩散系数反映了所有的合并现象,使用菲克第二定义法律(Eqn。1)

(1)

,M是水分浓度(公斤/公斤干物质水分)、t (sec), x是吗扩散路径(m)和D_eff有效水分扩散系数(m²/ s)。菲克第二法律的扩散考虑考虑异质性而预测脱水过程中有效水分扩散系数。微分方程的解决方案不同的常规形状的对象的形式concentration-time-location可用。这法律适用于预测水分的均匀分布、单向传质,扩散依赖固体内的水分移动,表面水分达到平衡立即周围的空气,表面的传质阻力可以忽略内部阻力相比,材料收缩可以忽略不计,常数扩散系数(14,15]。

干燥脱水菠菜叶子是评估使用基本的动力学模型与时间有关的数据的无量纲水分比例(MR)。水分比例计算(Eqn。2):

(2)

在那里,米_o,米_e和M_t最初,平衡和水分干重的基础上在任何时间t,分别。菲克的无限板方程的解决方案可以获得或Eqn Eqn。3。4:

(3)

(4)

是无量纲的水分比先生,M_e平衡含水率,M₀初始含水率,米_t是在干基含水率(公斤每公斤水分的干物质)在任何时间t L是一半厚度,考虑到吗扩散两边的平面。的时候,的值大于0.2,指数迅速下降,前三项条款(Eqn。5)提供价值的有效扩散系数合理的准确性(16]。

(5)

长时间干燥和未完成的水分比例小于0.6,通常第一个任期内被认为是有效的在预测脱水过程具有良好的材料板的几何精度。因此,上述系列的简化形式可以表示为(Eqn。6):

(6)

上述基于菲克扩散系数方程理论与亨德森和Pabis可以直接相关模型(Eqn。7)

(7)

,一个是形状系数和系数k是一个称为干燥速率常数。

一个指数模型,它是牛顿的类似物法律冷却,常常用来预测基于一阶动力学的脱水速率常数(Eqn。8)生物材料的干燥行为。

(8)

(9)

的价值被认为是1的指数,牛顿或刘易斯模型(Eqn。9),往往低估了脱水现象在早期阶段的脱水和高估的后期脱水。克服这些缺点的无因次指数(n)应用于时间经验修正指数或任期刘易斯模型表单页面模型(Eqn。10)更好的适合脱水曲线。

(10)

平衡含水率(M_e)是相对非常小和初始含水率(M₀M / M先生),简化₀介绍了15%的最大估计错误。这些简单的半经验先验模型一般适用于表达的关系脱水常数和特征维度之间的脱水样本和应用脱水温度在描述薄层脱水行为。

整个干燥率(博士)估计使用Eqn。11

(11)

在那里,米_t是水分在任何时候,t M_o初始含水率、米_e平衡含水率,米_{t + dt}含水率在t + dt(公斤/公斤干物质水分)和t是干燥时间(分钟)。

材料和方法

新鲜菠菜(菠菜oleracea)叶子(品种也是RNG -绿色Akshit)都是手工收获在清晨从农场附近Sunam (Punjab)和送往实验室在45分钟的收获(17]。清新的叶子被排序,在运行自来水彻底洗两次去除表面污垢和杂质。排序和菠菜叶子准备一分为二很多评估漂白预处理在脱水动力学的影响。叶子的平均初始含水量为91.81±1.04%的表面积与体积比为37.80×10³米¹叶厚度为0.03×10²m。

两分钟漂白发达精度提供了蒸汽杀青机准备离开获得有效的和可再生的叶子变白18]。干燥动力学处理和未经处理的树叶审议修改对流热空气干燥器在等温干燥温度50到90°C的统一10°C间隔有平均温度波动±1°C (图。1)。大约,100克的样品是均匀分布在一个平方平穿孔不腐蚀的金属篮(0.30×0.30 m²)在一层有95%开锐边接触型底部至少使接触表面干燥机内的叶子和地点后稳定所需的干燥条件(LD乐动体育官网图。1)。脱水过程被认为是对流类型无限薄平板菠菜和传热传质被认为是来自双方的树叶。脱水的叶子获得了三个小时的干燥冷却后,保存在一个气密不透明玻璃罐和储存在4±2°C为进一步实验使用。干燥测试复制三次验证过程。

实验装置

使用修改后的干燥系统包含的单位和配件连接有效干燥操作如内置恒温器控制单元与数字温度显示有效维护脱水温度,另外附加热电偶温度在线,考虑装配与计算机的在线数据的准确性第三小数位(图。1)。为了暂停样品在热空气流记录其自由水分不断损失,导线和钩类型安排被发现有效。重平衡大会是连接到电脑与发达软件程序界面上的标记样本的重量不间断在每秒钟整个等温脱水。在整个脱水过程进行了脱水时间没有任何干预。脱水过程进一步继续为了平衡含水率。

统计分析

水分比例数据然后脱水安装选择的基本模型。在每一个参数模型估计使用Levenberg-Marquardt过程的非线性最小二乘回归分析。和的值模型参数,相应的统计信息也提出了评估质量的估计。这些参数可以计算如下:

(12)

(13)

(14)

先生,^实验,我是我^th实验观察到的水分比例^前,我我的^th预测水分比例,N的观测数量,N是常数的数量模型(19]。适当的安装模型评估多个系数的测定(R²)卡方(χ²)和均方根误差(RMSE)确定质量符合高R的一个条件²价值和降低χ²和RMSE值(20.- - - - - -25]。

结果与讨论

干燥特性

中给出的干燥曲线图。2显示的影响等温脱水温度从50°C到90°C的间隔10°C含水率的变化对时间三个小时的时间(图。2)。菠菜叶子的获得特性干燥曲线类似于大多数水果和蔬菜的脱水,反映含水率的变化是依赖于温度的。的初始含水率的原始或菠菜减少不平衡指数的类似的趋势,但减少水分变白样本被发现以更快的速度比未经处理的菠菜。热处理在漂白影响软植物组织的完整性,从而减少了水分运动的障碍,从而加速了水分的损失。发现趋势是在协议与报道工作的其他蔬菜(26]。随着干燥温度的增加干燥时间大大减少。unblanched菠菜叶子的干燥时间是175年,160年,150年,70年,45分钟在50°C, 60°C, 70°C,分别为80°C和90°C。然而,菠菜叶子,脸色煞白的干燥时间是120年,100年,80年,65年和40分钟50°C, 60°C, 70°C,分别为80°C和90°C。图。3和4反映了60分钟接触脱水叶子足以得到更高的脱水率的好处变白叶的不同含水率趋于平稳。考虑这个,干燥时间显示大幅减少(60%)在较高温度(80°C)由于驱动力增加创建由于生成的不同部分之间的蒸汽压力干燥叶子和环境(27]。这导致了增加水分与质量传输速率在更高的温度下脱水叶子保持脱水温度高达80°C (17,28]。这样的干燥空气温度对干燥速率的影响被认为是初步脱水时间一小时利用较高的干燥速率的好处和脱水产品温度接近湿球温度脱水生产质量。相似性在更高的脱水温度减少干燥时间和干燥时间变白样本观察到其他地方的其他蔬菜(27,29日]。

干燥速率

等温温度依赖的干燥速率为未经处理的含水率的函数和焯烫过的菠菜叶子所示图。3。在干燥过程的初始阶段,但它变得极为干燥率很高低当含水率接近平衡(图。3完成阶段()或干燥导致图。4)。很明显,在初始调整阶段的干燥速率增加导致持续干燥速率变量段根据暴露脱水温度(图。4)。干燥的叶子是随后下降率时期所有的脱水温度,它反映的机制扩散主导着水分转移。类似的结果绿豆(30.),秋葵31日和红辣椒32]。很明显从图。3和图。4,增加引起的干燥温度提高干燥速率,从而减少干燥时间。干燥空气温度的影响是最戏剧性的减少水分与温度增加迅速。干燥温度60°C在双阶段后期脱水是有效完成温度unblanched菠菜样本。一些研究人员报道相当大的增加干燥速率更高的温度用于各种蔬菜的干燥时,如胡萝卜(33- - - - - -36],茄子[26)和南瓜片(37]。

干燥曲线的建模

平均含水率拟合转换为维水分率常用的半经验的先验模型代表的脱水行为生物材料。初始水分含量(M₀)被认为是临界含水率的拟合模型的要求。脱水模型参数的统计分析进行亨德森和Pabis (Eqn。7)指数,刘易斯或牛顿(Eqn。9)和页面所示(Eqn。10)模型表1和2。拟合模型的适用性评估是基于高R²值,发现至少0.975,0.965和0.9995的Hendersan Pabis,刘易斯和页面模型,分别为(表2)。较低的值R²Hendersan和Pabis模型和刘易斯模型低估了脱水过程的初始阶段的脱水和预测在后期尤其是降低脱水温度(图。5和6)相比,限制了其有效性,作为页面模型(图。7)。页面的适用性模型进一步验证了有效性策划的试验数据与计算数据(图8。),反映了再现性。卡方检验(χ的最小值²)和均方根误差(RMSE)进一步确认的可能性模型在预测脱水过程有效(37,38]。

表1。脱水模型参数。

表2。统计参数的拟合模型。

干燥速率常数

干燥速率常数(k)的价值被发现与干燥温度的增加提高拟合模型(表1)。增加k的值在更高的温度可能归因于温度依赖快去除水分,这反映了该参数对温度的依赖用于脱水。微不足道的变化Hendersan和Pabis的价值模型经验常数(a)和无量纲指数(n)的页面模型反映至少依赖温度(表1)。

有效水分扩散系数和活化能

菠菜叶子的干燥过程是发现发生了下降的利率调整周期较短的初始阶段。平均有效水分扩散系数(D_eff)是通过算术平均计算的有效水分扩散系数估计各级干燥过程中水分含量的差异。平均水分扩散系数(D_eff)增加而增加,温度和增加更变白的样品(图9。)。这个较高的水分蒸发率影响的水分扩散从内部区域的叶子的表面增加了扩散系数。漂白虽然软化叶组织把空气从内部细胞空间,允许更好的质量扩散(39)也因失去组织细胞完整性加速收缩,形成肿块,抵制扩散有效地进行。D_eff发现不同范围1.380×10^-11年4.720×10^-10年米²/秒和2.204×10^-11年4.303×10^-10年米²/ s未经处理和变白叶样本,分别。类似的变化观察其他地方在苋属植物的干燥叶(40)、红辣椒片(41),微波处理薄荷叶(42),真空干燥的南瓜43]。

有效扩散系数对温度的依赖关系可以表示使用阿仑尼乌斯方程类型[44]。

(15)

在维₀是阿伦尼乌斯因子(m²/ s), E_一个是激活能源的水分扩散(焦每摩尔),R是通用气体常数(焦每摩尔)和T是干燥空气温度(°C)。

激活能源(E_一个从情节的斜率)计算ln (D_eff)与温度的倒数,1 / (T + 273.15)从图9所示。

较低的激活能源变白的叶子由于其他地方提到的理由是一个迹象表明更少能源期间需要水分的蒸发脱水比未经处理的树叶。激活能量被发现是39.74焦每摩尔19.23焦每摩尔和水分扩散系数5.107×10被发现⁶米²/秒和1.204×10⁸米²/ s为治疗和焯烫过的菠菜叶子,分别。激活能源值是与34.35焦每摩尔的菠菜叶子,莳萝叶35.05焦每摩尔,为薄荷叶62.96焦每摩尔,43.92焦每摩尔,欧芹叶和胡椒39.70焦每摩尔(15,38]。激活的值能源通常12 - 110焦每摩尔的范围内对食物材料(45]。

结论

热烫菠菜叶子对脱水的影响之间的动力学研究50°C和90°C。观察增加干燥速率增加脱水温度导致减少干燥时间。在一定程度上缩短60%的干燥时间被发现产生脱水树叶干80°C时相比50°C。双阶段脱水保持为1小时80°C初始温度和完成60°C不仅可以保存能源和时间,还有助于生产高质量的产品与unblanched菠菜。基本拟合的脱水模型确认页面的适用性模型有效地预测脱水动力学。有效水分扩散系数是温度依赖性和变化范围在1.380×10^-11年4.720×10^-10年米²/秒和2.204×10^-11年4.303×10^-10年米²/ s /认为脱水治疗的温度范围和焯烫过的菠菜叶子,分别。温度依赖有效水分扩散系数的形式激活能源被发现39.74焦每摩尔未经处理和变白菠菜19.23焦每摩尔。

确认

第一作者是感谢Lokesh Kumar先生的传媒信息技术有限,班加罗尔提供使用σ情节的关键软件来完成这个项目。

引用

1. Salunkhe DK, Kadam党卫军。蔬菜科技的手册。麦迪逊大道出版社,纽约,2005年。
2. 尼莎P, Singhal R,潘伟迪AA。视觉的降解动力学研究在菠菜绿色(Spinacea oleraceal .)和盐的影响。J食品Eng。2004; 64:135-42。
3. Chakraverty,辛格RP。采后技术和食品过程工程。CRC出版社,波卡拉顿,FL, 2014年。
4. 辛格Y, Yadav P, Kumar D, et al。干燥:对食品保存的方法。:新兴科技对食品、农业和环境。:Kumar年代,et al . (Ed)。Agrobios(国际)出版商,焦特布尔,印度,2013。
5. 普拉萨德K, Nath N, Nanjundaswamy。平原的脱水行为和强化芒果果肉准备的酒吧。J太阿格利司和Fd Sci。2002; 30:83-8。
6. 普拉萨德k平原的脱水行为和强化香蕉果肉的准备。J乳制品科学。2010;29:37-41。
7. 格拉博夫斯基,Marcottre M, Ramaswamy海关。干燥的水果、蔬菜和香料。马塞尔·德克,纽约,2003年。
8. Souraki B,安德烈,Mowlac d数学建模圆柱形微波惰性介质流化床干燥的胡萝卜样本。化学Eng学监。2009;48:296 - 305。
9. 冯·易北河JH施瓦茨SJ。食品化学。马塞尔•德克尔公司,纽约,1996年。
10. Ankita,普拉萨德k .表征脱水功能部分萝卜叶粉。Der法玛西亚语言。2015;71:269 - 79。
11. 陈Cai T, F,气j .脱水东方蘑菇、绿叶蔬菜和食物准备香草和调料。马塞尔·德克,纽约,2004年。
12. Mujumdar。工业干燥的手册。CRC出版社,2015年佛罗里达州波卡拉顿。
13. Sharma G,普拉萨德的干燥大蒜(大蒜)丁香microwave-hot空气组合。j .食品Eng。2001; 50:99 - 105。
14. 曲柄j .扩散的数学。牛津大学出版社、格拉斯哥、1975。
15. 薄荷叶的Domyaz即薄层干燥行为。J食品Eng。2006; 74: 370 - 5。
16. Das h .食品加工操作分析。新德里,亚洲书经纪公司。2005。
17. Ankita,普拉萨德k .表征脱水功能部分菠菜粉。Biotechnol印第安纳j . 2015; 11:426-35。
18. 普拉萨德K,辛格y在19国际干燥研讨会2014 (IDS)里昂,法国,2014年。
19. Ankita,普拉萨德k .脱水功能胡芦巴叶粉的化学和物理特性。化学亚洲j . 2015; 27:3697 - 703。
20. Badwaik LS,普拉萨德K,赛斯d优化成分水平的发展花生富含纤维的面食。‎J。食品科学工艺。2014;51:2713-9。
21. 普拉萨德K, Vairagar公关。即时鹰嘴豆分裂:优化使用响应面方法。兰伯特学术出版,德国,2014年。
22. 普拉萨德K,辛格Y。大米基于蔬菜补充功能混合速溶汤:开发和优化。学者们的新闻,德国,2014年。
23. bloom V,普拉萨德K,崔年代,et al。优化的物理和机械性能的橡胶化合物通过响应面方法的方法。J:体系计算机协会2001;82:997 - 1005。
24. 普拉萨德K, Sharma港元。组合优化的乳清芒果饮料使用响应面方法。埃及J乳品科学。2001;30:75 - 81。
25. 普拉萨德K, Vairagar公关,贝拉MB。温度依赖的水化动力学中投arietinum分裂。食物Res Int。2010; 43:483-8。
26. Ertekin C, Yaldiz o .干燥的茄子和选择一个合适的薄层干燥模型。J食品Eng。2004; 63:349-59。
27. Kaleemullah年代,Kailappan r .单层水分,免费的能源变化和分馏结合水的红辣椒。J存储刺激研究》2007;43:104-10。
28. Ankita,普拉萨德k .研究菠菜粉是影响脱水温度和漂白的过程。IJAFST。2013;4:309-16。
29. Giri SK,普拉萨德干燥动力学和补液微波的特点——真空和对流热空气干蘑菇。J食品Eng。2007; 78:512-21。
30. Rosello C,西梅尔年代,Sanjuan N, et al . Nonisotropic传质模型绿豆干燥。‎J阿格利司食品化学。1997;45:337-42。
31. Gogus F, Maskan m .水吸附和秋葵的干燥特点(木槿esculentusl .)。干燥工艺。1999;17:883 - 94。
32. 古普塔P,艾哈迈德·J Shivhare我们,et al。红辣椒的干燥特性。干燥工艺。2002;20:1975 - 87。
33. Prabhanjan DG、Ramaswamy HS Raghavan GSV。微波对流空气薄层干燥胡萝卜。。J食品Eng。1995; 25:283 - 93。
34. 哈克俄文,Kumar P,普拉萨德k .热空气对流脱水胡萝卜胡萝卜var。南特的特征。令人信服的食物阿格利司。2015;1:1096184。
35. 哈克俄文,Kumar P,普拉萨德k .干燥动力学对水分扩散系数的影响,胡萝卜素降解和非酶的褐变进行预处理和未经处理的胡萝卜丝。‎J食品过程活2016;41:12785。
36. 哈克俄文,普拉萨德k .抗氧化活性、酚类、类胡萝卜素和颜色的改变包装的新鲜胡萝卜冷藏温度。食品杂志》的测量和表征。2017;1 - 8。
37. Doymaz即南瓜片的强迫对流热风干燥动力学。J食品Eng。2007; 79:243-8。
38. 织女星,Fito P,安德烈,et al。数学建模的热空气干燥动力学的红色甜椒(var Lamuyo)。J食品Eng。2007; 79:1460-6。
39. Ritirut W, Siripatana c .漂白的影响传质特性在bilimbi渗透脱水水果。KKU工程杂志。2009;36:151 - 63。
40. Akonor PT, Amankwah EA,薄层干燥solar-dried动力学苋属hybridus和Xanthosoma sagittifolium叶子。J食品工艺过程。2012;3:42585。
41. Akpinar E, bic Y, Yildiz c薄层干燥的红辣椒。J食品Eng。2003; 59:99 - 104。
42. 古代B, g Dadali薄层干燥特性和薄荷叶造型进行微波治疗。J食品Eng。2007; 83:541-9。
43. Arevalo-Pinedo, Murr f .南瓜的真空干燥动力学(Cucurbita最大值):建模与收缩。J食品Eng。2000; 76:562-7。
44. Akgun NA, Doymaz即建模橄榄蛋糕薄层干燥过程。J食品Eng。2005; 68:455 - 61。
45. Mwithiga G, Olwal乔。羽衣甘蓝的干燥动力学(芸苔属植物oleracea在对流热空气干燥器)。J食品Eng。2005; 71:373-8。