CN111066880A - 一种变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变温滚筒式催化红外‑热风联合干燥核桃的方法，涉及农产品和食品加工技术领域。调节干燥单元a、b、c的红外距离均为30cm；调节红外发生器1、3、5和2、4、6的红外温度分别为300℃和400℃；调节干燥单元a、b、c的滚筒转速分别为25、35、35Hz。将新鲜核桃先进行红外预干燥(22.5min)，然后立即转移至43℃，风速3m/s的条件下继续热风干燥14h即得到变温滚筒式催化红外‑热风联合干燥的核桃产品，与单一热风干燥相比，时间缩短了28.1％；与恒温滚筒式催化红外‑热风联合干燥相比，时间缩短了11.0％，通过变温滚筒式催化红外干燥的创新设计以及多机组合使用，大大缩短了干燥时长，更加节能环保。
Description
技术领域
本发明属于农产品和食品加工技术领域，具体涉及一种新鲜核桃的变温滚筒催化式红外辐射-热风联合干燥技术。
背景技术
核桃是世界著名干果之一，果仁不仅含有丰富的蛋白质和油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸，而且富含多种人体必需的氨基酸和矿物质元素，具有较高的营养价值及药用价值，是重要的木本油料作物和药用植物，经济价值较高。目前世界各地核桃产量逐年增加，收获时间短且采摘后的新鲜核桃含水率较高，若不及时处理常常会导致腐烂发霉，影响食用安全，且造成大量核桃资源浪费。目前干燥脱水是核桃安全贮藏和延长货架期最常见的加工方式之一。
传统干燥方式是将新鲜核桃去青皮后清洗沥干表面水分，利用热风干燥在温度40～50℃将其干燥至安全水分(8％)，达到脱水以及安全保藏的效果。该方法干燥耗时较长，且能耗较大。在不损伤新鲜核桃品质的前提下，为了缩短干燥时长与降低能耗，近年来国内外出现了一种新型干燥方法-红外辐射干燥。红外辐射是指辐射波长范围介于可见光与微波，波长为0.72～1000μm之间的电磁波。利用红外加热器发射出的红外线照射到被加热物料上，物料中成分直接吸收红外辐射能量，使物料内部温度快速升高，从而实现物料短时间内快速脱水干燥的目的。主要影响红外干燥效果的因素有辐射温度、辐射时间、辐射距离等。目前用于红外加热干燥的方法主要有三类：催化式红外辐射干燥、电红外辐射干燥、玻璃和陶瓷红外辐射干燥。催化式红外辐射干燥是以天然气为热源，通过钯、铂金等催化剂将天然气高效转化为红外辐射能，能量转化率达到90％以上，相较于传统热风干燥，能耗更低，能够显著缩短干燥时长，降低加工成本；催化式红外热效率比传统电红外高50％～70％，更节能；相较于传统玻璃和陶瓷红外辐射干燥，催化式红外发生器不易破碎，使用寿命更长，更安全。虽然目前已有一些采用催化式红外进行农产品和食品干燥的技术和装备研发报道，但是都是建立在恒温式红外干燥方式、静态或是传送带式红外干燥设备，存在红外加工设备辐射温度不均匀、热能利用率低的技术和装备结构设计的问题。为了突破目前国内外生产的催化式红外加工设备存在的干燥均一性差、消除局部过热现象，本专利创建了一种更为科学的变温式滚筒式催化红外加工方法及设备，通过变温式滚筒式催化红外干燥设备的创新设计以及多机组合使用，实现坚壳硬果类农产品的变温多效干燥，达到节能的目的。目前国内外未见有采用变温式滚筒式催化红外进行新鲜核桃干燥的研究报道，亟需提供一套完整的工艺方案和红外加工设备。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新鲜核桃的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法，可以充分发挥催化式红外快速加热脱水的特点，缩短干燥时间，同时变温滚筒式以及多机组合使用设计保证原料受热均匀，避免因红外温度过高而降低原料品质，实现核桃的高效均匀干燥。
本发明所述的新鲜核桃的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法，采用变温滚筒式以及多机组合使用设计对核桃进行催化式红外预干燥，通过控制每个红外干燥单元中前后两个红外发生器1、3、5和2、4、6温度的不同来实现变温式红外加热效果；将三个红外干燥单元a、b和c组合使用来实现变温多效催化红外预干燥处理。
一种变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分；
(2)调节催化式红外发生器与样品间的距离来控制干燥单元a、b、c的红外辐射距离相同，红外辐射距离为25～35cm。调节燃气调节阀门，控制干燥单元a、b、c中前后两块催化红外发生器1、3、5和2、4、6的红外辐射温度至300～350℃和350～450℃。调节滚筒转动电机控制干燥单元a、b、c滚筒的转速至15～35Hz。然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗，待核桃从干燥单元c出料口出来后即停止催化红外干燥，红外辐射时间为19.5～31.0min，得到变温滚筒式催化红外预干燥的核桃产品；
(3)将红外预干燥后的核桃迅速转移至热风干燥设备中，在43℃，风速为3m/s条件下继续热风干燥至核桃达到安全水分即停止干燥，得到干基含水率达标(8％)的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥的核桃产品。
优选的，步骤(2)中所述的干燥单元a、b、c的红外辐射距离均为30cm；
优选的，步骤(2)中所述的红外发生器1、3、5和2、4、6的红外辐射温度分别为300℃和400℃；
优选的，步骤(2)中所述的干燥单元a、b、c的滚筒转速分别为25、35、35Hz，红外辐射时间为22.5min；
本发明所得到的干燥核桃产品，含水率在安全范围(8％)之内，与单一热风干燥相比，变温滚筒式催化红外-热风联合干燥总时长缩短了28.1％；与恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥相比，干燥总时长缩短了11.0％。因此变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方式更高效节能。
本发明的有益效果在于：
(1)与单一热风干燥技术相比，红外辐射干燥具有穿透力强、处理时间短、高效节能等优点，可应用于食品和农产品加工领域，工业化推广价值更高。出于食品安全的考虑，玻璃和陶瓷红外发生器在食品和农产品加工中的使用受到很大限制，而催化式红外发生器是通过催化剂将天然气转化为红外辐射能，无污染更安全。与恒温式催化红外干燥相比，本发明使用的变温滚筒式催化红外干燥的处理温度较低，从而使得样品短时间内获得更高的水分去除率，同时变温滚筒式以及多机组合使用设计保证原料受热的均匀性，避免因红外温度过高而引起的核桃表面开裂等不良现象，突破了催化式红外辐射干燥均匀性差的不足，实现了坚壳硬果类农产品的变温多效干燥，更加节能。本发明使用变温滚筒式催化红外辐射技术对新鲜核桃先进行快速加热脱水，使得产品在快速干燥阶段失去大量水分，再转入热风干燥设备中进入慢速干燥阶段，不仅能够缩短干燥时长，还能较好地保证干燥样品的产品质量。目前国内外未见有采用变温式滚筒式催化红外-热风联合干燥技术在坚壳硬果类农产品干燥领域的任何报道。
(2)本发明采用的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法，干燥速率快且运行成本低、设备简易、操作步骤不繁琐，有助于应用在工业化的生产上，在技术和设备商业化、标准化、市场化方面具有很大优势。
附图说明
图1是变温滚筒式催化红外干燥设备的结构正面图，其中1、2、3、4、5、6为催化式红外发生器，7为机架，8为电器控制箱，9为滚筒转动电机，10为进料料斗，11为支撑轴，12为滚筒干燥室，13为滚筒室内壁挡板，14为空气泵，15为物料传送带，16为出料料斗。
图2是变温滚筒式催化红外干燥设备的结构侧面图，其中17为温度传感器，18为红外板距调整装置，19为滚筒干燥室外壁，20为燃气管，21为传动齿轮，22为燃气压力表，23为燃气调节阀门。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。本发明的实施例只是为了举例说明本发明的技术方案，而非以任何方式限制本发明的范围。
本发明是以新鲜去青皮的核桃为原料。干燥效果是考察样品的干基含水率的下降率；干燥品质是考察样品的开壳率和色度变化值。样品的干基含水率测定方法参照GB/T5009.3-2016。样品的色度指标采用全自动色差计CR-400测定。
图1是变温滚筒式催化红外干燥设备的结构正面图，图2是变温滚筒式催化红外干燥设备的结构侧面图，该设备配有三个催化红外干燥单元a、b、c和六块催化红外发生器1～6，其中每个干燥单元的尺寸为长5100mm×宽1320mm×高1900mm；每块红外发生器的尺寸为长3600mm×宽300mm×厚60mm。
首先开启液化气和空气泵14，通过调节燃气调节阀门23来控制燃气管20中的燃气和空气比例，同时监测燃气压力表22和温度传感器17的数值显示，共同来调节固定在支撑轴11上的红外发生器1～6的红外辐射温度至设定温度；通过调节红外板距调整装置18来控制红外辐射距离至设定距离；开启电器控制箱8，启动位于机架7上的滚筒转动电机9，通过传动齿轮21来带动滚筒干燥室外壁19的转动调节滚筒转速至设定转速。然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗10进入滚筒干燥室12中，通过滚筒室内壁挡板13的螺旋推动以及物料传送带15的传送，使核桃分别经过三个红外干燥单元a、b、c进行变温滚筒式红外预干燥，最后核桃从干燥单元c的出料料斗16出来即停止红外干燥。
对照例1：单一热风干燥
新鲜核桃的热风干燥方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分，测得初始干基含水率为40％～55％；
(2)预先开启热风干燥设备升温至43℃，然后将新鲜核桃均匀平铺在样品盘上，调节风速为3m/s，进行脱水干燥，待干燥至核桃达到安全水分即停止干燥，得到干基含水率达标(8％)的热风干燥的核桃产品，记录干燥总时长，具体结果见表4。
对照例2：恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥
新鲜核桃的恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分，测得初始干基含水率为40％～55％；
(2)按照单因素优化实验获得的最佳恒温滚筒式催化红外预干燥参数进行，调节催化式红外发生器与样品间的距离至设定的红外辐射距离30cm。调节燃气调节阀门，控制催化红外发生器1和2的红外辐射温度至450℃。调节滚筒转动电机控制干燥单元a滚筒的转速至25Hz。然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗，待核桃从干燥单元a出料口出来后即停止催化红外干燥，红外辐射时间为9.5min，得到恒温滚筒式催化红外预干燥的核桃产品；
(3)将红外预干燥后的核桃迅速转移至热风干燥设备中，在43℃，风速为3m/s条件下继续热风干燥至核桃达到安全水分即停止干燥，得到干基含水率达标(8％)的恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥的核桃产品，记录干燥总时长(即红外预干燥时长+热风干燥时长)，具体结果见表4。
实施例1：变温滚筒式催化红外辐射预干燥
新鲜核桃的变温滚筒式催化红外辐射预干燥方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分，测得初始干基含水率为40％～55％；
(2)调节催化式红外发生器与样品间的距离至设定的红外辐射距离30cm。调节燃气调节阀门，控制催化红外发生器1、3、5的红外辐射温度至300℃；红外发生器2、4、6的红外辐射温度至350℃。调节滚筒转动电机控制干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为25、35、35Hz。然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗，待核桃从干燥单元c出料口出来后即停止催化红外干燥，得到变温滚筒式催化红外辐射预干燥的核桃产品；
(3)样品的含水率下降率、色度变化值和开壳率的测定：取20个核桃，分别记录样品的初始干基含水率WC0与表面色度ΔE0，然后进行红外辐射预干燥处理，记录干燥后样品的干基含水率WCi、表面色度ΔEi，以及开壳个数，计算干基含水率下降率、色度变化值和开壳率，具体结果见表1。
含水率下降率计算公式：
色度变化值计算公式：色度变化值＝ΔEi-ΔE0
式中WC0为样品干燥前的初始干基含水率(％)；WCi为样品干燥后的干基含水率(％)；ΔE0为样品干燥前的表面色度；ΔEi为样品干燥后的表面色度。
实施例2：
试验处理过程同实施例1，其不同在于红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表1。
实施例3：
试验处理过程同实施例1，其不同在于红外发生器1、3、5的红外辐射温度为350℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表1。
实施例4：
试验处理过程同实施例1，其不同在于红外发生器1、3、5的红外辐射温度为350℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为450℃，具体结果见表1。
表1不同红外辐射温度对含水率下降率、色度变化值和开壳率的影响
| 实施例 | 温度组合(℃) | 含水率下降率(％) | 色度变化值 | 开壳率(％) |
| 实施例1 | 300+350 | 11.12±0.43 | 14.15±1.12 | 0.00 |
| 实施例2 | 300+400 | 13.04±0.14 | 12.42±1.13 | 0.00 |
| 实施例3 | 350+400 | 16.96±0.85 | 11.71±1.34 | 16.67 |
| 实施例4 | 350+450 | 20.30±1.76 | 12.91±1.93 | 33.33 |
通过表1中对比实施例1-4的样品含水率下降率可以发现红外辐射温度越高，样品的含水率下降率越大。干燥后核桃整体颜色表现偏黄，实施例1-4样品之间色度变化值的差别不大。当红外辐射温度组合分别为350+400℃和350+450℃时，较高的温度使得样品的水分下降较大，但是由于短时间内表层温度的变化剧烈，核桃内部水分迁移速率低于表层水分迁移速率，导致核桃表壳发生破裂，开壳率达到了16.67％和33.33％，严重影响了核桃品质，因此这两个温度太高不利于保护核桃的品质。当红外辐射温度组合为300+400℃时，样品的含水率下降率越大，为13.04％，干燥效果较好，且未发生开壳现象；当红外辐射温度组合为300+350℃时，样品的含水率下降率较低(11.12％)，干燥效果不好。综合考虑干燥效果和核桃品质，红外辐射温度组合300+400℃最合适。
实施例5：
试验处理过程同实施例1，其不同在于红外辐射距离为25cm，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表2。
实施例6：
试验处理过程同实施例1，其不同在于红外辐射距离为35cm，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表2。
表2不同红外辐射距离对含水率下降率、色度变化值和开壳率的影响
| 实施例 | 辐射距离(cm) | 含水率下降率(％) | 色度变化值 | 开壳率(％) |
| 实施例5 | 25 | 13.42±0.05 | 15.88±0.34 | 41.67 |
| 实施例1 | 30 | 11.12±0.43 | 14.15±1.12 | 0.00 |
| 实施例6 | 35 | 10.05±0.21 | 15.82±0.45 | 0.00 |
通过表2中对比实施例5、1和6样品的含水率下降率可以发现，样品与红外辐射板距离越近时，含水率下降率越大。干燥后实施例核桃样品之间色度变化值的差别不大。虽然从干燥的角度来讲含水率下降的越大越好，但是当红外辐射距离为25cm时，由于红外辐射距离太近，核桃表面温度过高使得核桃表面发生褐变，同时由于短时间内表层温度变化剧烈，导致核桃发生开壳现象，开壳率高达41.67％，且表面出现较多细微开裂纹路，这严重影响了核桃的品质，因此该辐射距离不合适。当红外辐射距离为30cm和35cm时，两者之间的色度变化值没有显著差异，且两种辐射距离下的核桃均没有出现开壳现象；但辐射距离为30cm时，含水率下降的相对较多，干燥效果较好。因此适中的红外辐射距离有利于核桃的干燥，红外辐射距离为30cm时核桃干燥效果和品质最好。
实施例7：
试验处理过程同实施例1，其不同在于干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为15、25和35Hz，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表3。
实施例8：
试验处理过程同实施例1，其不同在于干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为15、35和35Hz，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表3。
实施例9：
试验处理过程同实施例1，其不同在于干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为25、25和25Hz，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表3。
实施例10：
试验处理过程同实施例2，其不同在于干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为25、25和35Hz，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表3。
实施例11：
试验处理过程同实施例2，其不同在于干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为35、35和35Hz，红外发生器1、3、5的红外辐射温度为300℃，红外发生器2、4、6的红外辐射温度为400℃，具体结果见表3。
表3不同滚筒转速对含水率下降率、色度变化值和开壳率的影响
通过表3中对比实施例1和7-11样品的含水率下降率可以发现，干燥单元的滚筒转速越低，红外辐射时间越长，样品的含水率下降率越大。当滚筒转速组合为15+25+35Hz时，含水率下降率达到最高，色度变化值也最大。滚筒转速组合为25+25+25、25+25+35和25+35+35Hz时样品的含水率下降率之间没有显著性差别。但由于处理时间较长，滚筒转速组合为15+25+35Hz、15+35+35Hz、25+25+25Hz和25+25+35Hz时样品出现了不同程度的表面开裂现象，开壳率为50％、44.44％、16.67％、16.67％，这严重影响了核桃的品质，因此这些滚筒转速组合不合适。当滚筒转速组合为35+35+35Hz时，含水率下降率较低，干燥效果较差。因此从干燥效果和核桃品质来讲，适度的红外辐射时间有利于核桃的干燥和品质保护，滚筒转速组合为25+35+35Hz时，核桃干燥效果较好，且无开壳现象。
通过对比实施例1-11发现，实施例2的核桃干燥效果和品质最好，由此确定了变温滚筒式催化红外预干燥核桃的最佳操作参数(即实施例2的操作条件)为：红外辐射温度组合300+400℃、红外辐射距离30cm、滚筒转速组合25+35+35Hz。
实施例12：变温滚筒式催化红外-热风联合干燥
新鲜核桃的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分，测得初始干基含水率为40％～55％；
(2)按照实施例2的条件进行变温滚筒式催化红外预干燥，即：调节催化式红外发生器与样品间的距离至设定的红外辐射距离30cm。调节燃气调节阀门，控制催化式红外发生器1、3、5的红外辐射温度至300℃；红外发生器2、4、6的红外辐射温度至400℃。调节滚筒转动电机控制干燥单元a、b和c滚筒的转速分别为25、35、35Hz。然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗，待核桃从干燥单元c出料口出来后即停止催化红外干燥，红外辐射时间为22.5min，得到变温滚筒式催化红外预干燥的核桃产品；
(3)将红外预干燥后的核桃迅速转移至热风干燥设备中，在43℃，风速为3m/s条件下继续热风干燥至核桃达到安全水分即停止干燥，得到干基含水率达标(8％)的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥的核桃产品，记录干燥总时长(即红外预干燥时长+热风干燥时长)，具体结果见表4。
表4不同干燥方式对干燥效果的影响
通过对比分析表4发现，当三种干燥方式都使样品干燥至干基含水率为8％时，核桃样品都没有发生开壳现象，品质均较好，但是变温滚筒式催化红外-热风联合干燥的总时长最短，为14.38h；其次是恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥，总时长为16.16h；时间最长的是单一热风干燥，时长为20h。这是因为变温滚筒式催化红外-热风联合干燥的干燥速率最快。与单一热风干燥相比，变温滚筒式催化红外-热风联合干燥总时长缩短了28.1％；与恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥相比，干燥总时长缩短了11.0％。由此得出变温滚筒式催化红外-热风联合干燥方法比单一热风干燥和恒温滚筒式催化红外-热风联合干燥更高效节能。
Claims (4)
1.变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法，按照下述步骤进行：
(1)将采摘后的新鲜核桃去除外层青皮后，清水冲洗干净，沥干表面水分；
(2)调节催化式红外发生器与样品间的距离来控制干燥单元a、b、c的红外辐射距离相同，红外辐射距离为25～35cm；调节燃气调节阀门，控制干燥单元a、b、c中前后两块催化红外发生器1、3、5和2、4、6的红外辐射温度至300～350℃和350～450℃；调节滚筒转动电机控制干燥单元a、b、c滚筒的转速至15～35Hz；然后将新鲜核桃倒入干燥单元a的进料料斗，待核桃从干燥单元c出料口出来后即停止催化红外干燥，红外辐射时间为19.5～31.0min，得到变温滚筒式催化红外预干燥的核桃产品；
(3)将红外预干燥后的核桃迅速转移至热风干燥设备中，在43℃，风速为3m/s条件下继续热风干燥至核桃达到安全水分即停止干燥，得到干基含水率达标(8％)的变温滚筒式催化红外辐射-热风联合干燥的核桃产品。
2.根据权利要求1所述的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法，其特征在于其中步骤(2)中优选的干燥单元a、b、c的红外辐射距离均为30cm。
3.根据权利要求1所述的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法，其特征在于其中步骤(2)中优选的红外发生器1、3、5和2、4、6的红外辐射温度分别为300℃和400℃。
4.根据权利要求1所述的变温滚筒式催化红外-热风联合干燥核桃的方法，其特征在于其中步骤(2)中优选的干燥单元a、b、c的滚筒转速分别为25、35、35Hz，红外辐射时间为22.5min。
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