作者：郑晓敏
硒具有抗癌、保护心脏、抗肝坏死、防治近视和白内障、解毒、提高免疫力、延缓衰老和增强生殖功能等多种药理作用，被誉为“生命火种”、 “心脏的守护神”和“抗癌之王。据调查，我国有22个省缺硒，有约70%的人口生活在贫硒地区。医学研究证明人体补硒是以补充有机硒的方式最佳，因此生产富硒农产品和食品，以食补替代药补是最经济、安全、有效的补硒方式。江西丰城市作为新发现的天然富硒基地，其硒产业发展也十分迅速。2006年始，中国地质调查局、江西省地质调查研究院在江西丰城市及周边区域（如高安）进行了历经3年普查，确认了该区域540 km2（约80万亩）土壤富含天然硒，经取样检测发现，未经任何技术处理，土壤中天然硒含量为0.40~0.99u g/g，平均含量0.538
ug/g，属于富硒范围，所生产的农产品（如大米）既能够满足功能食品对硒含量的要求，又可避免过高硒含量可能产生的毒副作用，并且，产品中硒形态为有机态，有利于人体吸收利用，生物功效远高于人工喷施获得的硒农作物，或在食物添加的硒化合物。
滚筒干燥的适应性广、热效率高、干燥时间短、设备成本低，是一种广泛应用于食品工业的干燥方式。滚筒干燥生产的天然富硒米片有利于提高产品的品质并改善产品的冲调性。目前，干燥生产过程中在线检测物料的含水率还难以实现，因此物料干燥特性及动力学模型的研究对干燥过程优化和控制具有重要意义。利用滚筒干燥方法干燥天然富硒米片的相关研
究仍鲜见报道。
采用单滚筒干燥机，可以根据物料在干燥过程中状态的变化将干燥过程分成两个阶段：浆状区(a~b)和膜状区(b~c)，如图1所示。物料先后在2个区域内干燥，干燥特性各不相同。
浆状区的物料刚落入滚筒干燥机内，尚未被碾铺成膜，物料的形状是不规则的且物料在主滚筒相对转动作用下处于不断地运动中，物料含水率和温度分布不仅是不均匀的，也是非稳态的。膜状区是指物料经布膜辊与主滚筒的碾压作用在主滚筒外表面开始形成一层薄膜到料膜被刮刀刮下的区域，此时料膜的体积和形状是确定的。当滚筒各结构参数（布膜辊数、滚筒尺寸等）和操作参数（滚筒转速、蒸汽压力、进料质量流量）确定的情况下，料膜的干燥条件可以认为是不变的，即达到稳定循环状态。此时，物料的滚筒干燥动力学特性可以用薄层干燥模型来模拟，物料随着时间转动到不同的位置，测量不同位移处物料含水率可以表示不同时间物料含水率的变化。
当滚筒干燥机结构参数一定时，影响其干燥速率的因素主要有：物料特性、滚筒内蒸汽压力、滚筒转速和料膜厚度。其中，蒸汽压力决定干燥温度，滚筒转速决定干燥时间，这两个因素对滚筒干燥速率的影响最大。料膜厚度的影响因素主要有布膜辊与主滚筒间隙、布膜辊与主滚筒相对转速、进料质量流量以及主滚筒转速。其中，间隙和相对转速为滚筒干燥机的固定结构参数。
研究了不同蒸汽压力下对天然富硒米片含水率随时间的变化规律。试验中滚筒转速和进料质量流量不变，以消除料膜厚度对滚筒干燥速率的影响并确定干燥时间沿位移的分布，用位移的变化表示时间，重点研究天然富硒米片滚筒干燥速率的变化规律及不同蒸汽压力对干燥速率的影响，并通过与主要薄层干燥模型的拟合来确定膜状区最佳干燥动力学模型方程，以期为滚筒干燥技术在天然富硒米片生产中的应用提供理论依据和技术支持。同时，测定了不同蒸汽压力下每个取点处总硒含量情况，研究总硒含量是否会随着压力不同而改变。
1 材料和方法
1.1天然富硒大米浆工艺流程
天然富硒早米->浸泡->磨浆
选料：天然富硒早米，购自丰城市董家村。
浸泡、磨浆：先用清水浸泡1～2 h，用泵抽人磨浆机中进行磨浆，得天然富硒大米浆，打浆过程中添加水，使浓度为45.0%。
1.2主要仪器与试剂
HG型单滚筒干燥机：常州市皖苏干燥设备有限公司；中型磨浆机：广州雷迈机械有限公司；AFS-1201双道原子荧光分光光度计：北京海光仪器公司。
高氯酸、硝酸、盐酸（均为优级纯）。
1.3试验方法
1.3.1 总硒的测定
按GB 5009.93-2010方法测定。
1.3.2干燥速率曲线
天然富硒大米浆在HG型单滚筒干燥机上进行干燥，布膜辊和主滚筒间隙为1.0 mm，相对转速为1。为保证在试验蒸汽压力下，物料的干燥时间足够长，试验中确定滚筒转速为1.0 r/min，进料质量流量80 kg/h，当滚筒转动达到稳定状态时，料膜厚度可控制在0.14 mm，此时研究不同滚筒蒸汽压力(0.4，0.5和0.6 MPa)下天然富硒大米的干燥动力学。
点b浆状区的终点，也是膜状区的起点，刮刀处（c点）为膜状区的终点，经测量，b、c间弧长为200 cm（图1）。为了研究膜状区的干燥特性，在滚筒表面沿滚筒转动方向等距离取点，由于干燥初期物料含水率高、干燥速率大，靠近b点处每10 cm取一个点，之后每20 cm取一个点，用刮刀在每点处取样测定其含水率，具体取样位置如图2所示。起点h即膜状区位移为零的点，此时物料的含水率认为是天然富硒大米料膜的初始含水率；终点c即位移为200 cm的点，此时物料的含水率为产品的最终含水率，含水率均用干基含水率表示，每个位移处的物料含水率均测量3次取平均值。
平均干燥速率计算公式为式(1)。
式中：RMD-干燥速率，kg/( kg．s)；M1-t时刻料膜的干基含水率，kg/kg; 
时刻料膜的干基含水率，kg/kg。
1.3.3膜状区干燥过程模拟及统计分析
用于拟合天然富硒大米片滚筒干燥曲线的薄层干燥模型如表1所示。
水分比MR的计算公式为式(2)。
式中：t-时间，s；Me-平衡含水率，kg/kg；M0-初始含水率，kg/kg。
一般情况下，由于物料的平衡含水率Me不容易测得，Me可以用于燥物料的最终含水率Mf代替，而Mf与M0和Mt相比可以忽略[101，则式(2)变为：
利用Matlab 7.0软件中的非线性回归功能对试验所得的干燥曲线进行7种不同数学模型的回归拟合，数学模型与试验数据的匹配程度可以用相关系数R2、均方根误差ERMS来衡量，R2越高、ERMS越小，数学模型的匹配程度越好。
2结果
2.1 浆状区干燥特性
物料在开始落人浆状区时就有气泡产生并有水蒸气逸出。浆料在主滚筒与布膜辊的对转作用下不断进行不规则的运动，这一传递过程是复杂的，实际应用中很难对其进行模拟。当滚筒转速确定时，物料在浆状区停留时间是一定的，此时物料干燥速率只受到滚筒内蒸汽压力的影响，其干燥速率可以通过b点处物料的干基含水率（Mb）来间接反映。富硒大米浆的于基含水率为0.818 kg/kg，不同蒸汽压力下Mb的值如图3所示。
从图3中可以看出，随着蒸汽压力的升高，物料在浆状区蒸发的水分量增加。0.4 MPa条件下，物料在浆状区蒸发的水分质量占物料初始水分含量的18.3%; 0.5 MPa条件下为36.7%；0.6 MPa条件下为58.2%。试验结果表明：滚筒干燥过程中物料的大部分水分是在浆状区蒸发的，蒸汽压力越高，浆状区蒸发的水分越多。
2.2膜状区干燥曲线
2.2.1不同蒸汽压力下干基含水率与时间的变化
根据对浆状区物料干燥特性的分析可知，不同蒸汽压力条件下，物料进入膜状区时的初始干基含水率(Mb)不同，蒸汽压力越高，初始含水率越低。初始含水率不同将导致物料在膜状区的干燥速率不同。图4为不同蒸汽压力下，料膜含水率随时间的变化。
由图4可以看出，当需将料膜含水率降到0.05 kg/kg以下时，使用0.4，0.5和0.6 MPa蒸汽压力干燥物料所需的时间不同，分别是40，32和28 s。说明滚筒内蒸汽压力越高，物料达到预定最终含水率所需时间越短，当滚筒转速一定时物料总体干燥时间取决于物料在膜状区干燥时间的长短。
2.2.2不同蒸汽压力下干燥速率与时间的变化
图5为不同蒸汽压力下料膜干燥速率随时间的变化。整体上，料膜干燥速率随时间的延长而降低，这是由于料膜中的含水率不断降低，自由水不断减少，干燥驱动力越来越小。通常温度是决定干燥速率的主导因素，温度越高干燥过程中所能达到的最高干燥速率越大。但是与预期不同，在膜状区干燥初期，蒸汽压力越大，干燥速率越小。原因是蒸汽压力越低，料膜的初始含水率越高，干燥驱动力越大，干燥速率越大。
2.2.3不同蒸汽压力下干燥速率与干基含水率的变化
图6为不同蒸汽压力下，干燥速率随干基含水率的变化。膜状区料膜的干燥过程中没有经历升速和恒速干燥阶段，直接进入降速干燥阶段。随着干基含水率的降低，料膜的干燥速率也急剧降低，但幅度越来越小，说明料膜中的含水率已经接近物料的平衡含水率，干燥驱动力降低。
2.3膜状区富硒大米米片滚筒干燥曲线模拟及统计分析
利用试验数据与薄层干燥模型的拟合来建立膜状区干燥动力学模型，对滚筒干燥过程进行预测。不同蒸汽压力下试验数据的拟合结果如表2所示。从表2中可以看出，7个模型中Two-term模型在所有试验蒸汽压力下均获得了最大的R2，ERMS最小，说明Two-term模型可以很好地预测南瓜浆滚筒干燥过程。
图7为Two-term模型所预测的干燥曲线与试验所得的干燥曲线相符合的程度。从图中可以看出，Two-term模型与各个蒸汽压力下试验点均呈现出很好的适应性。
2.4不同滚筒蒸汽压力对各取点处米片中总硒含量变化情况
由表3可知，在不同滚筒蒸汽压力下，各取点处米片中总硒含量基本上变化不大，且与原大米（硒含量为0.091 ug/g）中硒含量基本相同。因此，由滚筒干燥制得的天然富硒大米米片保持了硒的量。
3结论与讨论
1)经测定，物料中的水分在浆状区中大量蒸发，浆状区中物料蒸发的水分含量随蒸汽压力的升高而增大，水分含量最多可蒸发54.8%。此外，浆状区中干燥速率也随蒸汽压力的升高而加快。
2)膜状区中，物料干燥过程为降速干燥阶段，不同蒸汽压力下料膜的初始含水率不同，蒸汽压力越高料膜初始含水率越低，初始阶段的干燥速率也越低，但是蒸汽压力越高，干燥速率降低得越慢，物料干燥达到最终含水率所需的时间越短，因此膜状区的干燥时间决定物料整个滚筒干燥时间的长短。
3)物料在膜状区的干燥遵循薄层干燥特点，不同蒸汽压力下的天然富硒大米滚筒干燥过程均只经历降速干燥阶段，经过试验数据与7种经典薄层干燥模型的拟合，得到拟合度最高的是Two-term模型，它可以很好地预测天然富硒大米滚筒干燥过程中含水率随时间的变化。
4)在不同滚筒蒸汽压力下，各取点处米片中总硒含量基本上变化不大，且与原大米（硒含量为0.091ug/g）中硒含量基本相同。
4 摘要
以辊式布料的单滚筒干燥机为对象进行天然富硒米片滚筒干燥试验，探讨了滚筒干燥过程中物料的干燥动力学特性及其干燥动力学模型。根据物料的状态将滚筒干燥过程分为浆状和膜状两个阶段，测定了不同蒸汽压力下物料的含水率，分析了干燥速率随蒸汽压力和时间的变化规律。物料中的水分大部分在浆状区中蒸发，蒸汽压力越高，干燥速率越快；物料在膜状区中为降速干燥阶段，蒸汽压力越高膜状区起始含水率越低，起始阶段的干燥速率越慢，干燥速率下降也越慢，干燥时间越短。膜状区物料含水率的试验数据与主要薄层干燥模型进行拟合, Two-term模型可以很好地预测天然富硒米片滚筒干燥的动力学特性。测定了不同蒸汽压力下每个取点处米片中总硒含量，结果表明，总硒含量基本上不变。
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