CN115218644A - 用于估算正在干燥的产品的表面水活度的方法和干燥机 - Google Patents

Abstract

用于估算正在干燥的产品的表面水活度的方法和干燥机，其中所述干燥机包括至少一个干燥机空气的相对湿度探针以及温度探针。

Description

用于估算正在干燥的产品的表面水活度的方法和干燥机

技术领域

本发明的目的涉及用于估算正在干燥的产品的表面水活度的方法以及实施所述方法的干燥设备。

背景技术

空气干燥被用于许多产品中。例如，在诸如奶酪等食品中，特别是在香肠中，尤其是在腌制香肠中。例如，香肠(如意大利腊肠(salamis))在干燥室内要经过长时间的高度受控的干燥过程，直到达到所需的固化程度。控制这些室中的熟化(熟成，ripening)和干燥过程以最终获得具有最佳特性的香肠至关重要。

例如，为了制备意大利腊肠，首先将肉混合物与所需的添加剂一起制备，然后将其塞入例如高品质的肠衣中。肉类产品最初具有高水活度(water activity，aw)，必须逐渐连接地降低其水平直到获得已经腌制的且微生物学稳定的低aw肉类产品。干燥过程必须按照非常仔细的时间、室内的温度(T)和相对湿度(HR％)的规程进行，以确保产品逐渐干燥，因为如果控制不当，可能会发生称为“结皮(crusting)”的缺陷。实际上，其目的是在商业上尽可能快地干燥，例如数周或数月，但是这种干燥速度不会导致香肠表面干燥过度，从而也防止了香肠核心逐渐干燥。

为了使与特定空气(气氛，atmosphere)接触的物体能够变干，所述物体的aw(例如aw≈0.56)必须大于所接触空气的HR％(例如50％HR)，或者通过一个可与aw≈0.50相比较的情况，将其放置在非常相等的形式中。在这种情况下，空气会使物体干燥，直到在平衡时两面的aw相等为止。例如，如果所述物体的质量很小并且与HR％为50％(等于aw≈0.50)的无限量空气一起放置，那么最终，该物体将变干至aw≈0.50，以使其自身与所述空气50％HR保持平衡。恒定aw的优质物体(fine body)就是这种情况。

然而，在被干燥的物体诸如意大利腊肠等厚香肠中，其中干燥过程可能需要例如28天，其内部可能会具有整个梯度的aw值，从意大利腊肠核心的aw(其最初与香肠肉制品的初始aw非常近似)到意大利腊肠的表面aw(surface water activity，aws)(其将趋于与其所接触的空气的aw处于平衡状态)。这种梯度是动态的，取决于表面层随aw的降低而干燥，其推动了内部相邻层的干燥，从而导致向外部的净运动并因此导致净干燥。香肠内部的aw的概况在干燥过程中会发生变化并且取决于已经进行的干燥过程的历史，因此它不是静态的，而是循序渐进的动态过程。

干燥过程的驱动力是空气的aw和香肠的aw之间存在的aw梯度，由此当所述递度为0时，即：

空气的aw≈香肠的aw

则两个组分(空气和香肠)将处于平衡状态，并且它们之间不会存在物质的净流动。而如果：

空气的aw<<香肠的aw(空气的aw远小于香肠的aw)

则香肠会朝着空气方向强烈干燥，相接处的两个aw(空气的aw与香肠的aw)净差越大，则干燥越强烈。在该过程中，与该效果相关的香肠的aw是香肠表面的aw(aws)，因为与空气接触的正是表面这一区域。由于香肠内部的aw(例如香肠的核心)并不直接与aw外部空气相互作用，因此其仅通过扩散而间接缓慢地通过香肠的所有内部层。

因此，为了遵循诸如香肠等产品的干燥过程，重要的是要控制以下项目：

-与香肠表面接触的空气的aw，

-香肠表面的aw(aws)。

在经典的香肠制造中，香肠制造商以手工方式控制香肠的干燥过程，其不断地监控香肠的表观干燥程度和使其干燥的空气，并且例如通过经验和传统方式，经由打开和关闭干燥室的窗口以加快或减慢干燥过程。

在现代，此过程已开始通过技术手段进行更加严格的控制。

例如，第一项(空气的aw)可以通过HR％的探针连续测量，例如干燥室内的传感器，它们可以测量空气的HR％和温度(T)，并在整个过程中进行记录。

然而，对于第二项，香肠aws的测量不像前一情形那么简单。实际上，尽管温度-湿度探针以简单的方式连续记录空气样品的T和HR％，所述探针将例如与香肠表面接触，以便在平衡过程之后提供探针与产品之间的气室的平衡HR％。然后，在进行另一次测量之前，必须取出探针，因为它会干扰香肠表面本身的干燥过程。这使得香肠aws的测量复杂且难以执行，尤其是连续测量。

因此，为了追踪干燥过程，期望获得一种简单且快速的方法来估算正在干燥的产品的aw(aws)。本发明满足了该需求。

发明内容

本发明的优点是：

-可以使用干燥炉的常规HR％探针来估算要干燥的产品的aw(aws)，而不必是昂贵的香肠用表面探针。

-本发明的方法简单且耗时少，因此可用于控制产品(特别是食品，特别是香肠，特别是腌制香肠)的干燥过程。

-在本发明的方法中，不使用肉制品的复杂测量，例如诸如用红外探针测量表面温度，或通过表面湿度探针测量aws或热流量，而是更有利地，使用干燥机的常用仪器，诸如如干燥机空气(气氛，atmosphere)的内部温度和HR％探针，以间接估算与产品相对应的参数，诸如产品的aws和蒸发速率(TE)，这可以帮助监视和控制例如意大利腊肠的充分干燥和成熟过程。

因此，在第一方面，本发明涉及一种用于估算在干燥机中正被干燥的食品的表面水活度aws的方法，该方法包括通过计算机构(计算装置，computational means)进行的以下步骤：

在产品干燥过程中的时间点t_i，获得干燥机空气的多个相对湿度值HR_i和/或绝对湿度值Habs_i，并且在产品干燥过程中，基于相对湿度值HR_i获得一组代表性相对湿度值HR_ri。

方法进一步包括基于该组HR_i(％)和/或Habs_i和t_i值，获得一组蒸发率值TE_i。

方法还包括获得函数F(α,β)＝F(HR_ri,TE_i)的回归线，使得

α＝HR_eq，β＝0

β＝TE_max，α＝0

在优选的实施方式中，变量α表示在X坐标轴上，并且变量β表示在Y坐标轴上，使得：

F(X,Y)＝F(HR_ri,TE_i)，其中

X＝HR_eq，Y＝0

Y＝TE_max，X＝0

其中HR_eq是空气与被干燥产品表面处于平衡状态时的相对湿度，并且其中TE_max是干燥机中空气的相对湿度(HR)为零时的最大蒸发速率，并且

方法最后包括基于HR_eq估算正在干燥的产品的aws值，使得：

在第二方面，本发明涉及一种用于估算正被干燥的食品的表面水活度aws的干燥机，其中该干燥机包括至少一个干燥机空气的相对湿度HR％探针和温度探针，和计算机构(computational means)，该计算机构配置为通过所述探针在产品干燥过程中在时间点t_i获得所述干燥机空气的多个相对HRi和/或绝对Habs_i湿度值。

此外，计算机构被配置为获得一组代表性相对湿度值HR_ri(％)。

另外，计算机构被配置为基于该组HR_i和/或Habs_i和t_i值，获得一组蒸发率值TE_i。

此外，计算机构被配置为获得函数F(α,β)＝F(HR_ri,TE_i)的回归线，使得：

α＝HR_eq，β＝0

β＝TE_max，α＝0

在优选的实施方式中，变量α表示在X坐标轴上，且变量β表示在Y坐标轴上，使得：

F(X,Y)＝F(HR_ri,TE_i)，其中：

X＝HR_eq，Y＝0

Y＝TE_max，X＝0

其中，HR_eq是空气与被干燥产品表面处于平衡状态时的相对湿度，并且TE_max是干燥机中空气的HR为零时的最大蒸发速率，并且

此外，计算机构被配置为基于HR_eq获得正在干燥的产品的aws值，使得：

在优选的实施方式中，代表性相对湿度值HR_ri(％)对应于：

HR_ri(％)＝(HR_i+HR_i+1)/2

在优选的实施方式中，代表性相对湿度值HR_ri(％)对应于：

HR_ri(%)＝HR_i；或

HR_ri(％)＝HR_i+1

在优选的实施方式中，代表性相对湿度值HR_ri(％)对应于：

HR_ri(％)＝M_e(HR_i+HR_i+1...HR_i+N)；

其中，Me为算术平均值；并且

其中N为整数，例如N＝100。

在优选的实施方式中，蒸发速率值TE_i对应于：

-TE_i＝(HR_i+1-HR_i)/(t_i+1-t_i)；或

-TE_i＝(Habs_i+1-Habs_i)/(t_i+1-t_i)。

本发明的其它变型：

尽管本发明特别描述了在成熟肉类产品(例如意大利腊肠)领域中的应用，但所描述的方法也可适用于控制一般产品的干燥，例如干燥食品、粉末、木材、纸张等。

尽管在本发明中描述了长干燥时间的应用，例如数周，但是所描述的方法还可适用于控制更短时间段内(例如数小时或数分钟)的干燥，只需相应地调整测量范围即可。

尽管本发明详细描述了以损失产品重量的干燥应用，但是它也可以应用于相反的过程，即重量增加，或甚至两者，即经历干燥阶段和其它相反阶段的过程。

优选地，根据本发明的方法可以在具有可比较的条件(例如空气流动)的选定间隔中使用，并且可用于不(例如通过外部空气与干燥机或冷凝器的出口或入口)与外界进行质量交换的封闭系统。如果不是，则结果可能不太准确。

附图说明

为了补充所进行的描述并帮助更好地理解所述评估方法的特征，根据实际实施方式的优选实施例，附有一组附图作为所述描述的组成部分，其中，出于说明性和非限制性目的，给出以下附图：

图1示出了干燥过程中干燥机下边缘温度、相对湿度和空气速度的演变周期。

图2至图4示出了从图1的周期值的第一范围获得的数据的图形表示。

图5至图7示出了从图1的周期值的第二间隔获得的数据的图形表示。

图8示出了用根据本发明的方法获得的一组回归线的3D图。

具体实施方式

实施例1

测量阶段：

图1示出了在肉制品干燥过程的每个周期中，干燥机下边缘的温度、相对湿度、空气速度的演变曲线图(100)。特别地，图1对应于干燥过程的“周期4：86-90％16-18℃”。

例如，选择图1的曲线图(100)中示出的时间4132-4162.5分钟之间的数据间隔，并且表1中选择了以下详细点。将以分钟为单位的时间数据将转换为以小时为单位的时间。

表1：

图2的曲线图(200)呈现了表1中的数据。

计算阶段：

从表1的数据中，选择一个测量点与下一个测量点之间的连续间隔。间隔1对应于点1和2(在时间t₁和时间t₂之间)，间隔2对应于点2和3，依此类推。

对于代表每个间隔的HR_r，选择每个点和下一个点的HR平均值。例如，在间隔1的情况下：

HR_r＝(HR₁+HR₂)/2

在其它实施方式中，HR_r可以是另一个代表性相对湿度值，而不是平均值，例如：

HR_r＝HR₁；或者

HR_r＝HR₂；或者

一组HR值的算术平均值Me。

对于代表每个间隔的TE，在此实施例中选择一个点的HR和t与下一个点的HR和t之差的商值。例如，在间隔1的情况下，

TE₁＝(HR₂-HR₁)/(t₂-t₁)

由此获得表2中的数据：

表2：

表示和估算阶段：

在图3中，表2中的数据以曲线图(300)，x-y曲线图表示，其中HR_r表示为x变量，而TE表示为y变量。在图4的曲线图(400)中，还添加了来自表2的所述数据的回归线。

通过外推上述回归线直到切割X和Y轴，可获得以下点：

-与X轴切割：从x-y坐标获得HR_eq值：

X＝HR_eq＝93.4％，Y＝0

-与Y轴切割，从x-y坐标获得TE_max值：

X＝0，Y＝TE_max＝1228.1

参数估算：

正在干燥的产品表面的aws估算值，对应于上一步骤中获得的空气的HR_eq值，基于每单位表示：

解释：在这种情况下，已确定正在干燥的产品的aws的大约值为0.934，因为当干燥机中的空气的HR为93.4％时，TE会降至零，并且以及两种组分：空气和正在干燥的产品的表面处于平衡状态，不存在从一个组分到另一个组分的净蒸发。在该平衡点，aws值和HR_eq值将重合，其中一个对应于香肠的表面，且另一个对应于干燥机的空气。因此，在没有对其进行直接测量的情况下，使用根据本发明的方法，已经通过干燥机的空气参数间接地估算了正在干燥的产品的aws。

可以通过在获得的回归线上外推获得HR_r每个点的TE值。

最大TE的估算值对应于曲线图(300)中获得的TE_max值：

TE_max＝1228.1

在这种情况下，TE_max的单位对应于

解释：TE_max对应于将干燥机的空气的HR％设置为HR＝0％时可以实现的TE。在这种情况下，如果在干燥机中使用完全干燥的空气(HR＝0％)，则TE将是可以达到的最大值(其余条件不变)。异常低的TE_max值可能表明正在干燥的产品的表面非常干燥，并且即使将干燥机中的空气设定为HR＝0％，也将大大降低正在干燥的产品的蒸发速率，并且只能非常缓慢地提高干燥机中空气的HR(非常低的TE)。

实施例2

测量阶段：

选择图1的曲线图(100)中所示的“周期4：86-90％16-18℃”的时间4173.5-4211.5分钟之间的数据间隔，并在表3中选择了下列详细点。将t(分钟)的数据转换为以小时为单位的t。

表3：

图5示出了具有表3的值的曲线图(500)。

计算阶段：

从表3中的数据，选择一个点和下一个点之间的连续间隔。间隔1对应于点1和点2(在时间t₁和时间t₂之间)，间隔2对应于点2和点3，依此类推。

对于代表每个间隔的HR_r，选择每个点与下一个点的HR平均值。例如，在间隔1的情况下，

HR_r＝(HR₁+HR₂)/2

在本实施例2中，考虑了附加数据，证明了本发明方法的多功能性。

通过常规湿度方程，由HR和T(℃)值计算了空气的Habs(g/m³)。在表3中将这些值包括为附加列。

对于代表每个间隔的TE，在本实施例中选择了一个点与下一个点的Habs和t之间的差的商值。例如，在间隔1的情况下，

TE＝(Habs₂-Habs₁)/(t₂-t₁)。

由此获得了表4中的数据：

表4：

表示和估算阶段：

在图6的曲线图(600)中，x-y曲线图表示了表4的数据：

HR_r为变量x；

TE为变量y；

在图7的图(700)中，还添加了所述数据的回归线。

通过外推上述回归线直到切割X和Y轴，获得以下点：

-与X轴切割：从x-y坐标获得HR_eq值：X＝HR_eq＝93.9％，Y＝0。

-与Y轴切割：从x-y坐标获得TE_max值：X＝0，Y＝TE_max＝302.48。

参数估算：

正在干燥的产品表面的估算aws值对应于上一步中获得的空气的HR_eq值，基于每单位表示：

解释：在这种情况下，已确定正在干燥的产品的aws具有近似值0.939，因为当干燥机的空气的HR为93.9％的HR时，TE会降为零，并且两种组分空气与正在干燥的产品的表面将处于平衡状态，各组分之间不会发生净蒸发。在该平衡点，两个值aws和HR_eq将匹配。

在每个HR_r点的TE值可以通过在获得的回归线上外推来获得。

最大蒸发速率的估算值对应于图(700)中获得的TE_max值：

TE_max＝302.48

在这种情况下，TE和TE_max的单位对应于(g/m³/h)，干燥机的每m³空气含有的g蒸发量的每小时增量。这允许对当前TE和TE_max进行定量估算。

解释：TE_max对应于将空气干燥机的HR设置为0％时可以实现的TE。在这种情况下，如果在干燥机中使用完全干燥的空气(HR＝0％)，则TE将是可以达到的最大值(其余条件不变)。异常低的TE_max值可能表明香肠表面非常干燥，并且即使干燥机中的空气处于0％HR，正在干燥的产品的蒸发速度也会非常慢，并且只能非常缓慢地增加干燥机的空气的HR(非常低的TE)。

此外，如果正在干燥的产品(例如意大利腊肠)的生产商引入了其过程的其它数据，例如：

-干燥机的风量

-置于干燥机中的香肠的总质量

-香肠物质的组成

-香肠的总表面积(m²)

这使得可以通过简单的方式对其过程进行额外的定量估算，例如每小时蒸发的总质量、香肠的日减重、以kg/m²/天为单位的蒸发量(WVTR)、渗透率(渗透性，permeance)等。

实施例3

图8示出了通过本发明的方法获得的数据的一组回归线的3D图(800)。这些回归线生成以下部分迹线：

在XY平面上，HR_eq的截止点指示了aws相对于时间的演变迹线，这类似于通过在干燥的不同阶段直接对香肠进行特定测量而获得的迹线。产品从高水平的aws开始，接近肉乳剂(肉糜，meat emulsion)的aw，然后逐渐降低直到其稳定在正在干燥的产品(例如干肉产品)的最终aw。

在XZ平面上，TE_max的截止点绘制了TE_max相对于时间的演变迹线，该迹线类似于干燥速率相对于时间的演变曲线。TE_max最初非常高并且在内部贡献迅速为其蒸发贡献足够质量的同时得以维持。从某个点(类似于临界干燥点)开始，最大干燥速率TE_max开始降低，因为内部贡献无法向表面贡献足够的质量进行蒸发，直到当产品实际上是干燥的并且与储存空气保持平衡时TE最终达到非常低的值为止。

在YZ平面上，叠加通过本发明的方法获得的回归线。可以观察到，随着产品干燥阶段的前进，所述回归线逐渐具有一个临界点，Y轴的值较低。线的斜率也改变，并且通常观察到，在最初的干燥阶段，斜率较大，而在已经非常干燥的产品的最终阶段，斜率较低。

在XYZ空间中，当前干燥点HR_r、TE、t分布在线束上，线束改变了它们的倾斜度。当在太高的TE值(非常强烈的蒸发)下有几个持续点时，这一事实随后反映在TE_max值的后续降低上(“结皮”缺陷的症状)。

通过比较曲线图(800)的这些回归线及其在平面上的横向迹线，可以与标准方法的示例进行比较。点或线段远离标准迹线的部分迹线中的出现可能表明正在发生异常情况，应在此过程中进行检查，诸如由于出现结皮引起的TE_max异常降低，或与诸如使用DFD肉(深色硬质干肉)、高pH肉乳剂等其它因素相关或例如与未充分降低肉乳剂的pH的发酵不良相关的低TE_max值。

Claims (6)

1.用于估算干燥机中正在干燥的产品的表面水活度aws的方法，所述方法包括通过计算机构执行的以下步骤：

-在产品干燥过程中的时间点t_i处获得一组干燥机空气的相对湿度值HR_i和/或绝对湿度值Habs_i；

-在所述产品干燥过程中，基于所述相对湿度值HR_i获得一组代表性相对湿度值HR_ri；

-基于所述HR_i和/或Habs_i的组以及t_i值获得一组蒸发速率值TE_i；

-获得函数F(α,β)＝F(HR_ri,TE_i)的回归线，使得：

α＝HR_eq，β＝0

β＝TE_max，α＝0

其中HR_eq是当空气与所述正在干燥的产品的表面处于平衡状态时的相对湿度，

其中TE_max是当所述干燥机空气的相对湿度为零时的最大蒸发速率，并且

-基于HR_eq估算所述正在干燥的产品的aws值，使得：

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述代表性相对湿度值HR_ri对应于：

HR_ri＝(HR_i+HR_i+1)/2。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述代表性相对湿度值HRri对应于：

HR_ri＝HR_i；或

HR_ri＝HR_i+1。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述代表性相对湿度值HR_ri对应于：

HR_ri＝Me(HR_i+HR_i+1……+HR_i+N)

其中Me为N个数据的算术平均值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述蒸发速率值TE_i对应于：

-TE_i＝(HR_i+1-HR_i)/(t_i+1–t_i)；或

-TE_i＝(Habs_i+1-Habs_i)/(t_i+1–t_i)。

6.用于估算正在干燥的产品的表面水活度aws的干燥机，其中所述干燥机包括至少一个干燥机空气的相对湿度HR探针以及温度探针，并且其特征在于，所述干燥机包括：

计算媒介，所述计算媒介配置为用于：

-在产品干燥过程中，在时间点t_i通过所述探针获得一组干燥机空气的相对湿度值HR_i和/或绝对湿度值Habs_i；

-在所述产品干燥过程中，基于所述相对湿度值HR_i获得一组代表性相对湿度值HR_ri；

-基于所述HRi和/或Habs_i的组以及t_i值获得一组蒸发速率TE_i值；

-获得函数F(α,β)＝F(HR_ri,TE_i)的回归线，使得：

α＝HR_eq，β＝0

β＝TE_max，α＝0

其中HR_eq是当空气与所述正在干燥的产品的表面处于平衡状态时的相对湿度，

其中TE_max是当所述干燥机空气的相对湿度为零时的最大蒸发速率，并且

-基于HR_eq估算所述正在干燥的产品的aws值，使得：

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