面向核桃破壳的热风与微波真空协同干燥工艺参数优化
作者单位:塔里木大学
学位级别:硕士
导师姓名:兰海鹏;曾勇
授予年度:2021年
摘 要:核桃,是世界第二大坚果,具有十分重要的开发利用价值。核桃初、深加工是提高其综合利用率,延长产业链和价值链的重要途经,其中核桃破壳取仁环节的破碎损失是显著降低果仁加工品质和严重制约核桃深加工发展的主要因素。因此,降低破壳取仁过程中果仁的破碎损失是当前核桃初、深加工研究亟待解决的重要问题。核桃破壳时果仁必须有足够的强度和韧性才不致破碎,果壳的强度和韧性尽量小才能保证壳碎仁整。然而,含水率对核桃强度和韧性有重要影响,进而影响其破壳取仁的效果。因此研究核桃含水率对其破壳特性的影响规律,并确定破壳临界含水率,进而优化出一套提质减损、增效节能的干燥工艺参数,对核桃在破壳取仁环节中实现壳碎仁整、降低壳仁分离损失并尽量减少后期果壳粉碎等工序具有重要的意义,也为制定最佳破壳工艺和新型核桃破壳机的设计提供理论依据。为明晰含水率对核桃破壳效果的影响,进而确定破壳临界含水率,在此基础上优化出一套提质减损、增效节能的干燥工艺参数。本文以新疆主产的温185核桃为研究对象,首先分析核桃异质结构的干燥特性,建立干燥动力学模型及有效水分扩散系数模型;其次分析含水率对核桃破壳效果的影响,量化果壳破碎程度,以壳碎仁整为目标对临界含水率进行标定;在此基础上,提出热风与微波真空联合干燥方法,并以核桃破壳为目标进行工艺参数优化,以期为核桃干燥加工和设备的设计提供理论依据和实际应用的参考。具体研究结论如下:(1)探明核桃热风干燥特性。果壳、果核及核桃干燥特性规律大致相似,热风干燥过程主要发生在降速干燥阶段,且没有明显恒速干燥阶段;核桃在干燥过程表现出显著的非稳态性与异质性,果壳、果仁及核桃的有效水分扩散系数范围分别为1.22×10~1.23×10m/s、1.07×10~8.16×10m/s、1.36×10~1.2×10m/s,且其与含水率符合三阶-多项式关系;Two term模型适合用于预测果壳、果仁及核桃43℃热风干燥过程中水分比的变化规律。核桃初始含水率、缝隙结构对干燥影响显著。干燥过程中,存在缝隙的核桃,其有效水分扩散系数均高于密封核桃。可为核桃热风干燥特性分析及干燥工艺的提出奠定基础。(2)明晰了核桃果壳破碎粒度分布符合对数正态分布,得到了含水率与粒度分布的特征参数值、数量分维数的关系模型,并建立了数量分维数与特征参数值的相关关系模型。得出分维数D可做为果壳颗粒破碎程度量化指标,以此来量化核桃果壳破碎程度,并提出壳碎仁整的破壳状态可显著降低果仁损失。随含水率的降低,果壳破碎率先减小后增大,核桃破壳时果壳最佳含水率范围为:7.72%~11.6%,破壳临界含水率为9.41%。果仁的整仁率随含水率的降低先增大后减小,核桃破壳时果仁最佳含水率范围为:8.27%~16.98%,破壳临界含水率为11.2%。(3)优化出一套以破壳为目的的提质减损、增效节能的干燥工艺参数。最优工艺参数为:热风温度为63℃,转换点含水率为35%,微波功率为600 W,微波控温温度为50℃。经干燥试验验证,单位时间失水速率为0.323%/min,单位质量干燥能耗为7.65k W·h/kg,目标含水率误差值为1.3%,果仁色差值为2.46 NBS,由此得出建立的模型预测性能良好;经干燥-破壳试验验证,果壳破碎颗粒分布分维值D为0.524、果仁整仁率为73.88%,破壳效果满足壳碎仁整的要求。可为核桃干燥和破壳效果的提高奠定坚实基础。研究结果可为核桃工业化发展提供理论基础和工艺指导,也将推动核桃干燥与破壳连续化加工产业的发展。