Hot Air Drying Characteristics and Thermodynamic Properties of Different Varieties of High Oleic Peanuts
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摘要: 为探究高油酸花生干燥过程中的水分变化规律，本文研究了不同风温（35、40、45、50 ℃）、风速（0.5、0.8、1.1 m/s）对三种不同高油酸花生热风干燥特性的影响，并借助Weibull分布函数分析干燥过程。结果表明，高油酸花生干燥过程以降速干燥为主；风温、风速越高，高油酸花生有效水分扩散系数越大、干燥速率越快，干燥用时越短。其中，‘圣油3号’花生水分扩散速率最快、活化能最低，与Weibull分布函数拟合结果最佳；尺度参数α值随风温、风速的升高而降低，风温对α值影响极显著（P<0.01），风速对α值影响显著（P<0.05）；干燥条件对形状参数β值无显著影响。另外，温度的升高促进了焓值和熵值的降低和吉布斯自由能的增加，表明干燥过程需要从干燥介质中吸收能量方能进行。Weibull分布函数可用于描述高油酸花生的热风干燥过程，为高油酸花生的工业化干燥提供技术依据，奠定理论基础。
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关键词:
- 高油酸花生 /
- 热风干燥 /
- Weibull分布函数 /
- 热力学性质
Abstract: To explore the moisture variation law of high oleic peanuts during hot air drying, hot air drying characteristics of various high oleic peanuts under different hot air temperatures (35, 40, 45, 50 ℃) and hot air velocities (0.5, 0.8, 1.1 m/s) were studied in this paper, and their drying processes were analyzed by Weibull distribution function. The results showed that the drying process of high oleic peanuts mainly reduced the rate of drying. Increasing hot air temperature and hot air velocity led to a higher effective moisture diffusion coefficient for high oleic peanuts. In turn, accelerates drying rate and shortens drying time. Among all the peanuts, 'Shengyou 3' peanut had the fastest water diffusion rate and lowest activation energy, and the Weibull distribution function provided the most suitable fit for 'Shengyou 3'. The scale parameter α decreased as hot air temperature and hot air velocity increase. Hot air temperature had a highly significant effect on α (P<0.01), while hot air velocity had a significant effect on α (P<0.05). The drying conditions had no significant effect on the shape parameter β. The increase in temperature promoted the decrease of enthalpy and entropy values, as well as the increase of Gibbs free energy, indicating that the drying process needed to absorb energy from the drying medium to proceed. The Weibull distribution function can be used to describe the hot air drying process of high oleic peanuts, providing a technical basis for the industrialization of high oleic peanut drying and laying a theoretical foundation. -
花生荚果收获后水分高达50%，若不及时干燥至安全含水率（8%～10%）容易发生霉变，甚至产生毒素，造成花生产业经济损失[1−3]。据统计，每年我国因干燥不及时造成花生的损失占总产量10%～20%[4]；在亚洲，花生收获后的损失占其产量的10%～25%[5]。干燥是花生收获后防止霉变、保障加工品质的重要环节[6−7]。
花生的干燥过程涉及到水分传递、热量传递和产品品质控制等重要环节[8]，而物料内部湿热传递的难易程度很大程度上决定了物料干燥快慢[9]。通过促进干燥过程中的热量传递、减少水分扩散的阻力，有助于缩短干燥时间、提高干燥品质[10]。随着现代干燥技术的发展，一些经验或半经验模型广泛用于描述干燥过程，通过建立干燥模型预测物料水分变化规律，对调控干燥过程和改进干燥系统具有重要意义。应用广泛的主要有Page、Newton、Henderson-Pabis、Logarithmic、Diffusion Approximation、Two-Term模型等[8,11]，但这些模型涉及的参数缺乏物理意义，无法揭示干燥期间传热、传质规律，降低了模型的使用价值和意义。近几年来，Weibull分布函数凭借其兼容性和实用性，逐渐被引入到干燥动力学方面的研究。Weibull分布函数中形状参数β与干燥初始的传质速率有关；β值越低，开始时的干燥速度越快[12]。因此，通过回归干燥周期来分析Weibull分布函数中的形状参数β，可以确定如何控制特定物料的干燥条件。Ju等[12]研究热风干燥中两种相对湿度调控方式对龙眼、山药干燥动力学的影响，并借助Weibull分布函数分析干燥过程，发现β<1时，龙眼的连续除湿干燥效果优于降压除湿；由于β与物料类型和干燥条件有关，山药的β需要考虑其厚度（物料形状、尺寸等物理特征）；β>1时，降压控制方式适用于12或18 mm厚的山药切片。Xie等[13]应用Weibull分布函数，研究脉冲真空干燥中干燥温度和脉冲真空比对枸杞干燥特性的影响，结果表明：干燥温度和脉冲真空比对尺度参数（α）和形状参数（β）的影响较大；随着干燥温度的升高，尺度参数（α）值逐渐减小；形状参数（β）≥1表示在干燥开始时存在延滞阶段。Weibull分布函数的尺度参数（α）和形状参数（β）可用于分析干燥过程物料的传热、传质规律，以及估算物料干燥过程的有效水分扩散系数，对干燥产业生产具有指导意义。
高油酸花生的油酸通常在75%以上，普遍高于普通花生，干燥条件选取不适宜将加速高油酸花生自动氧化。本文以三种高油酸花生为对象，研究不同品种高油酸花生的干燥特性，探索干燥条件对Weibull分布函数各参数的影响，计算花生干燥过程中的主要热力学参数，为花生热风干燥过程控制及筛选适宜的花生干燥条件提供理论依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
高油酸花生 ‘圣油3号’‘冀花2011’‘冀花572’，濮阳浚县。
WY-0537热风风机 佛山市惟允机电设备有限公司；HGZF-101-2电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械有限公司；BSM-3200.2电子天平 上海卓精电子科技有限公司；热风干燥设备 如图1所示。设备由干燥箱与热风风机通过特制风管相连。干燥箱由耐燃性的有机玻璃制成，外部为隔热棉包裹，用于减少干燥箱内外热交换。箱体内中、下位置分别间隔放置一套2层聚乙烯网布、2层PP孔板；箱体最上方悬挂不锈钢网，作为托盘盛装花生荚果。干燥室风管开口向下、管道侧面开孔出风。风机的功率为0.37 kW、最大风量为18 m3/min。
1.2 实验方法
1.2.1 高油酸花生热风干燥实验
挑选大小均匀、颗粒饱满、外壳完整无破损的花生荚果，除去其表面附着的泥土、杂质，用自封袋封装并放于4 ℃冰箱中保存备用。花生荚果的基本特征见表1。实验前测定花生荚果含水率[14]，重复测定三次，取平均值。
表 1 花生原料及其基本特性Table 1. Peanuts and their basic features品种 植物学型 形态特征 百果重（g） 初始干基含水率（g/g） 三轴尺寸（mm） 圣油3号 普通型 大果 285.11 0.5595±0.01 长30.85，宽14.91，厚16.11 冀花2011 普通型 大果 316.87 0.6790±0.08 长29.49，宽15.42，厚14.87 冀花572 普通型 大果 301.26 0.8199±0.05 长29.84，宽14.79，厚14.58 根据现有研究，花生热风干燥风温不应高于52 ℃、风速不应低于0.2 m/s[15−16]，综合考虑，本研究因素水平见表2。将恢复至室温的花生荚果单层平铺于托盘，将托盘平放于热风干燥设备室内的中心位置。在干燥过程中，将带有样品的托盘从干燥室中取出，用天平迅速称重后放回干燥室，直至花生荚果干燥至安全含水率（干基，0.1 g/g）以下，结束干燥。实验平行3次，结果取平均值。
表 2 单因素实验设计Table 2. Design of single-factor test序号 风温（℃） 风速（m/s） 1 40 0.5 2 35 0.8 3 40 0.8 4 45 0.8 5 50 0.8 6 40 1.1 1.2.2 干燥参数的计算
1.2.2.1 干基含水率
干燥过程中的干基含水率（Mt）按照式（1）计算：
Mt=Wt−mm (1) 式中：Mt：干基含水率，g/g；Wt：干燥至任意 t 时刻的质量，g；m：干物质质量，g。
1.2.2.2 水分比（Moisture ratio，MR）
干燥过程中的MR计算公式为：
MR=Mt−MeM0−Me (2) 式中：MR：水分比；M0：初始干基含水率，g/g；Me：干燥到平衡时的干基含水率，g/g；Mt：任意干燥 t 时刻的干基含水率，g/g。
由于Me远小于Mo和Mt，公式（2）可简化为：
MR=MtM0 (3) 1.2.2.3 干燥速率（Drying rate，DR）
干燥过程中的DR按照式（4）计算：
DR=Mt−Mt+ΔtΔt (4) 式中：DR：干燥速率，g/（g·h）；Mt+∆t：t+∆t时刻的干基含水率，g/g。
1.2.2.4 Weibull分布函数
Weibull分布函数[12]的表达式如下式所示：
MR=exp[−(tα)β] (5) 式中：β：形状参数；α：尺度参数，min；t：干燥时间，min。
Weibull分布函数可用于干燥过程水分扩散系数（Dcal）的估算[17]，而不必考虑物料水分迁移特点：
Dcal=L2α (6) 式中：Dcal：估算的水分扩散系数，m2/s；L：物料的厚度，m。
Deff与Dcal的关系如下[18]：
Deff=DcalRg=L2αRg (7) 式中：Rg：与物料尺寸有关的参数。
1.2.2.5 有效水分扩散系数（Effective moisture diffusion coefficient，Deff）
使用Fick第二定律计算花生荚果的Deff[19]：
lnMR=ln4B21−4B21DeffL2t (8) 式中：Deff：有效水分扩散系数，m2/s；t：干燥时间，s；Bn：贝塞尔函数的根，此处B1=2.4048。
1.2.2.6 干燥活化能（Activation energy，Ea）
有效水分扩散系数、干燥温度三者之间的关系可由Arrhenius equation描述[20]：
Deff=D0exp[−EaR(T+273.15)] (9) 式中：D0：指数前因子，m2/s；Ea：物料的干燥活化能，kJ/mol；R：理想气体常数，取8.314 J/（mol·K）；T：干燥温度，℃。
等式两边取自然对数，得：
lnDeff=lnD0−EaR1T+273.15 (10) lnDeff与1T+273.15呈线性关系，斜率k=−EaR。线性回归分析可求得斜率k，可得：
Ea=−kR (11) 1.2.2.7 热力学参数
根据活化能的值可以确定不同的热力学参数，包括焓、熵、Gibbs自由能[21−22]。
Δh=Ea−R(T+273.15) (12) Δs=R(lnD0−lnkBhP−ln(T+273.15)) (13) ΔG=Δh−(T+273.15)Δs (14) 式中：∆h：比焓，kJ/mol；∆s：比熵，kJ/（mol·K）；∆G：Gibbs自由能，kJ/mol；kB：玻耳兹曼常数，1.38×10−23 J/K；hP：普朗克常数，6.626×10−34 J/s；R：理想气体常数，8.314 J/（mol·K）。
1.3 数据处理
采用Oringin软件（Version 2021）录入与整理数据及绘图；IBM SPSS Statistics软件（Version 20）对结果进行显著性差异分析，P<0.05表示具有显著差异。
2. 结果与分析
2.1 花生荚果热风干燥特性
如图2、图3所示，随着干燥时间的延长，花生荚果的干基含水率逐渐下降；干燥前期，风温、风速越高，花生荚果的干燥曲线越陡。温度由35 ℃升高至50 ℃，‘冀花2011’的干燥时间缩短了57%，‘圣油3号’的干燥时间缩短了45%，‘冀花572’的干燥时间缩短了48%；风速由0.5 m/s升高至1.1 m/s，‘冀花2011’的干燥时间缩短了18%，‘圣油3号’的干燥时间缩短了12%，‘冀花572’的干燥时间缩短了14%。实验范围内，风温越高，花生荚果含水率下降越快，干燥时间越短。一方面，温度越高，花生荚果周围湿度越低，其内外湿度梯度越大，水分向外扩散加快；另一方面，干燥温度的升高增大了干燥介质与花生荚果之间的蒸汽分压差，且高温使花生中水分子的动能增大、活跃度升高[23−24]，从而加速了水分向外迁移的速度、缩短了干燥时间。风温一定时，当花生荚果于较高风速下干燥时，空气流动速度的加快促进了花生荚果与热空气之间的热质交换，加快了水分的蒸发速度。
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图 2 不同热风温度下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥曲线Figure 2. Drying curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air temperatures![]()
图 3 不同热风风速下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥曲线Figure 3. Drying curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air velocities如图4、图5所示，花生荚果的干燥过程以降速干燥为主。干燥初期，花生荚果内自由水含量高、内外部湿度梯度大，物料表面的温度可近似认为是干燥介质的湿球温度。此时物料表面水分汽化速率小于内部水分扩散速率，升高温度加速花生荚果水分脱除，温度越高，干燥速率越快；提高风速则使花生荚果表面与热风之间的对流传质系数增加，加快了水分扩散速率。随着干燥的进行，花生荚果的含水率逐渐减少，物料表面水分汽化（即水分由液态变为气态而蒸发）速率大于内部水分扩散速率，此时物料的干燥受内部扩散速率的限制，水分无法及时到达表面[25]，干燥速率逐渐下降；不同风速条件、相同含水率的干燥速率之间的差距越来越小，当干基含水率降到0.2 g/g以下时，各个风速下的干燥速率差异很小，此阶段风速高低对干燥速率几乎无影响。
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图 4 不同热风温度下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥速率曲线Figure 4. Drying rate curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air temperatures![]()
图 5 不同热风风速下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥速率曲线Figure 5. Drying rate curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air velocities对不同品种高油酸花生计算不同干燥条件下的平均干燥速率，由表3所示。‘冀花2011’的初始干基含水率为0.6790 g/g，介于三者之中，各实验条件下平均干燥速率最慢；‘圣油3号’的初始干基含水率为0.5595 g/g，为三者最低，但实验条件下平均干燥速率最快；‘冀花572’的初始干基含水率为0.8199 g/g，三者中最高，平均干燥速率与‘圣油3号’相差较小，可能由于其化学组成中亲水性物质（如：蛋白质）少于‘圣油3号’花生[16]，因而对水分子的结合能力比‘圣油3号’弱。
表 3 不同品种高油酸花生的平均干燥速率（g/（g·h））Table 3. Average drying rate of different varieties of high oleic peanuts (g/(g·h))干燥条件 品种 冀花2011 圣油3号 冀花572 35 ℃、0.8 m/s 0.01704 0.02311 0.02182 40 ℃、0.8 m/s 0.02325 0.02876 0.02771 45 ℃、0.8 m/s 0.03058 0.03545 0.03440 50 ℃、0.8 m/s 0.03861 0.04212 0.04244 40 ℃、0.5 m/s 0.02066 0.02704 0.02570 40 ℃、0.8 m/s 0.02325 0.02876 0.02771 40 ℃、1.1 m/s 0.02525 0.03092 0.03009 2.2 基于Weibull分布函数的高油酸花生干燥过程分析
为了更全面了解在不同干燥条件下花生的水分变化规律，为其干燥工艺提供理论依据，利用Weibull分布函数对花生热风干燥的数据进行回归分析，建立高油酸花生干燥动力学模型。结果见表4。拟合结果由决定系数（R2）、卡方检验值（χ2）、均方根误差（RMSE）衡量模型拟合精度，决定系数越大、卡方检验值和均方根误差越小，表明拟合结果越好。由R2、χ2、RMSE判断：Weibull分布函数可准确描述‘冀花2011’花生、‘圣油3号’花生、‘冀花572’花生的热风干燥过程。‘圣油3号’的R2在0.9990～0.9998之间、χ2在8.35×10−6～4.48×10−5之间、RMSE在7.61×10−4～1.52×10−3之间，其与Weibull分布函数的拟合结果最佳。
表 4 各条件下Weibull分布函数的常数Table 4. Constants of the Weibull distribution function for each condition品种 风温/风速 形状参数β 尺度参数α（min） R2 χ2 RMSE 冀花2011 40/0.5 0.5251 434.4420 0.9909 3.64×10−4 3.42×10−3 35/0.8 0.5166 510.1902 0.9919 2.97×10−4 2.83×10−3 40/0.8 0.5077 368.3658 0.9941 2.38×10−4 2.91×10−3 45/0.8 0.5471 325.4724 0.9975 1.14×10−4 2.26×10−3 50/0.8 0.5935 271.1448 0.9978 1.18×10−4 2.54×10−3 40/1.1 0.5205 346.2906 0.9952 2.03×10−4 2.78×10−3 圣油3号 40/0.5 0.5766 385.7874 0.9996 1.87×10−5 9.61×10−4 35/0.8 0.5373 411.8670 0.9994 2.22×10−5 9.77×10−4 40/0.8 0.5559 339.3552 0.9990 4.48×10−5 1.52×10−3 45/0.8 0.5826 293.5188 0.9997 1.59×10−5 9.88×10−4 50/0.8 0.6275 265.1562 0.9998 8.35×10−6 7.61×10−4 40/1.1 0.5556 303.2376 0.9992 3.91×10−5 1.46×10−3 冀花572 40/0.5 0.6114 556.8090 0.9899 4.54×10−4 3.82×10−3 35/0.8 0.5918 582.4770 0.9838 7.00×10−4 4.40×10−3 40/0.8 0.5874 466.5018 0.9904 4.33×10−4 3.85×10−3 45/0.8 0.6418 371.3940 0.9888 5.90×10−4 4.94×10−3 50/0.8 0.6485 320.1000 0.9936 3.60×10−4 4.22×10−3 40/1.1 0.5965 399.2838 0.9879 5.73×10−4 4.59×10−3 2.2.1 尺度参数 α
Weibull分布函数中尺度参数（α）为干燥过程的速率常数，约为物料脱去63%水分所需时间，可以用来表示干燥进程的快慢，α值越小，干燥速率越快。由于三种高油酸花生的Weibull分布函数拟合结果的参数值变化规律相似，以‘冀花2011’花生为例。在不同风温条件下，‘冀花2011’花生的α值在271.1448～510.1902 min，风温对α值影响极显著（P<0.01），风温越高，α值越小；当风温从35 ℃升高至50 ℃时，‘冀花2011’花生的α值减少了46.85%，说明提高风温可以明显提升干燥速率。风速从0.5 m/s升至1.1 m/s时，‘冀花2011’花生的α值从434.4420 min降到346.2906 min，风速对α值影响显著（P<0.05），提高风速可以减少干燥时间。如前文分析，干基含水率降至0.2 g/g以下时，提高风速对干燥速率几乎无影响。因此，干燥前期提高风速有利于提升干燥速率。
2.2.2 形状参数 β
Weibull分布函数中形状参数（β）与物料传质过程中初始阶段的速率有关。当β为0.3～1时，干燥速率呈现持续降低趋势，表明物料干燥过程由其内部水分扩散控制[22]。由表4可知，在不同风温、风速条件下，三种高油酸花生的β值均小于1，表明三种高油酸花生的热风干燥过程均由内部水分扩散控制，与前文分析一致，进一步说明了Weibull分布函数可用于描述花生热风干燥过程。此外，随着风温升高，β值整体呈增加趋势，但差别较小；风速发生变化时，β值变化小且无固定规律。不同干燥条件下β差别小且无明显规律，干燥条件对β影响不显著。
2.3 干燥过程的有效水分扩散系数、活化能
花生干燥过程水分的迁移和传递速率大小可由有效水分扩散系数（Deff）表征。前文分析中可知三种高油酸花生的β值均在0.3～1之间，因此可用Fick 第二定律计算Deff。
如表5~表7所示，有效水分扩散系数可用于衡量干燥过程中水分迁移能力[26]，其值越大，表明水分扩散能力越强、干燥速率越快。经计算，不同风温条件下，‘冀花2011’花生的Deff为0.7920×10−10～1.9976×10−10 m2/s，Dcal为1.1760×10−9～2.2129×10−9 m2/s，Deff随风温的升高而逐渐增大，进一步说明了升高温度可以促进干燥过程中的传热传质、提升干燥速率；不同风速条件下，‘冀花2011’花生的Deff为0.9669×10−10～1.2171×10−10 m2/s，Dcal为1.3811×10−9～1.7327×10−9 m2/s，风速越高，Deff越大，但风速对Deff的影响小于风温。‘圣油3号’花生与‘冀花572’花生的Deff变化同‘冀花2011’花生相似。
表 5 ‘冀花2011’花生热风干燥过程有效水分扩散系数及活化能Table 5. Deff and Ea during hot air drying of 'Jihua 2011' peanuts热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 0.7920 1.1760 14.84 51.5077 40 0.8 1.0918 1.6288 14.92 45 0.8 1.5069 1.8435 12.23 50 0.8 1.9976 2.2129 11.08 40 0.5 0.9669 1.3811 14.28 − 40 0.8 1.0918 1.6288 14.92 40 1.1 1.2171 1.7327 14.24 表 6 ‘圣油3号’花生干燥过程有效水分扩散系数及活化能Table 6. Deff and Ea during hot air drying of 'Shengyou 3' peanuts热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 1.3024 1.4568 11.18 37.5332 40 0.8 1.6426 1.7681 10.76 45 0.8 2.0770 2.0442 9.84 50 0.8 2.5559 2.2628 8.85 40 0.5 1.5525 1.5553 10.02 − 40 0.8 1.6426 1.7681 10.76 40 1.1 1.8025 1.9787 10.98 表 7 ‘冀花572’花生干燥过程有效水分扩散系数及活化能Table 7. Deff and Ea during hot air drying of 'Jihua 572' peanuts热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 0.8510 1.0301 12.10 42.4217 40 0.8 1.1058 1.2862 11.63 45 0.8 1.4577 1.6155 11.08 50 0.8 1.8166 1.8744 10.32 40 0.5 1.0264 1.0776 10.50 − 40 0.8 1.1058 1.2862 11.63 40 1.1 1.2247 1.5027 12.27 干燥活化能表示物料在干燥过程中去除1 mol水分所消耗的能量[27]，活化能越低，干燥过程中物料的水分扩散率越大。‘冀花2011’花生的热风干燥活化能为51.5077 kJ/mol、‘冀花572’花生的热风干燥活化能为42.4217 kJ/mol、‘圣油3号’花生的热风干燥活化能为37.5332 kJ/mol，为三者中最低，表明其干燥较容易进行。三者的活化能高低与平均干燥速率高低变化规律相似，表现为活化能越低，平均干燥速率或水分扩散速率越大。由于物料的初始含水量与化学成分、干燥温度的不同，形状相似的不同品种花生的干燥活化能不同。
随着温度从35 ℃升高至50 ℃，‘冀花2011’花生的Rg从14.92降至11.08，‘圣油3号’花生的Rg从11.18降至8.85，‘冀花572’花生的Rg从12.10降至10.32；随风速从0.5 m/s升高至1.1 m/s，‘冀花2011’花生的Rg变化区间在14.24～14.92，‘圣油3号’花生的Rg从10.02升至10.98，‘冀花572’花生的Rg从10.50升至12.27。出现这种差异的原因可能是：花生荚果在不同风温、风速的作用下，经过长时间的干燥，其结构组织发生了变化。受风温、风速的影响，Rg值出现小的波动，而温度、风速与Dcal均呈正相关。有研究指出Rg值同物料干燥过程中的扩散特性及其几何尺寸相关[28−29]。本实验已假定花生荚果为圆柱体，干燥过程中存在明显的体积收缩，因此Rg存在一定波动[30]。
2.4 干燥过程中的热力学性质
在物料热风干燥过程中，物料受热空气作用而逐渐脱除水分，热空气作为干燥介质，承担载热、载湿的作用。在干燥过程中，湿空气的温度、焓、水蒸气含量等都会发生改变。三种花生的热力学参数计算结果见表8。
表 8 ‘冀花2011’‘圣油3号’‘冀花572’花生热风干燥过程的热力学性质Table 8. Thermodynamic properties of 'Jihua 2011' 'Shengyou 3' and 'Jihua 572' during hot air drying品种 温度（℃） Δh（kJ/mol） Δs（kJ/mol·K） ΔG（kJ/mol） 冀花2011 35 48.9457 −0.2716 132.6392 40 48.9042 −0.2717 133.9871 45 48.8626 −0.2719 135.3676 50 48.8120 −0.2720 136.7088 圣油3号 35 34.9712 −0.3128 131.3605 40 34.9297 −0.3129 132.9143 45 34.8881 −0.3130 134.4691 50 34.8465 −0.3132 136.0571 冀花572 35 39.8597 −0.3004 132.4280 40 39.8182 −0.3006 133.9511 45 39.7766 −0.3007 135.4443 50 39.7350 −0.3009 136.9708 将花生荚果视为一个热力学系统。在花生荚果热风干燥过程中，焓值、熵值均随风温的升高而降低，Gibbs自由能随风温升高而升高。风温的升高促进了物料内部水蒸气分压的升高，自由水的蒸发焓降低，在最终的焓平衡中，物料水分扩散过程的焓值降低；同时，物料表面的水分子吸收热量后动能增加，水分扩散速率加快，温度升高，熵值减少，表明系统有序度增加（系统随机性/混乱度降低）；花生荚果的热风干燥过程做了非体积功，且ΔG>0，表明干燥过程非自发，即干燥过程需要从干燥介质（热空气）中吸收能量方能进行[20]。
3. 结论
本文针对三种高油酸花生热风干燥过程进行分析，花生荚果热风干燥过程主要为降速干燥。风温越高、风速越大，有效水分扩散系数越大、干燥速率越快，干燥时间越短。不同品种高油酸花生的干燥活化能不同，‘圣油3号’花生水分扩散速率最快、活化能最低。此外，焓值、熵值随风温升高而降低；Gibbs自由能随风温升高而升高，且ΔG>0，表明干燥过程需要从干燥介质（热空气）中吸收能量方能进行。
利用Weibull分布函数分析干燥过程，结果表明Weibull分布函数与‘圣油3号’花生拟合匹配最佳，能够较好地预测花生荚果的热风干燥过程中水分变化规律。尺度参数α值随着风温和风速的升高而相应减小，风温对α值影响极显著，风速对α值影响显著；形状参数β值均小于1，干燥条件对β值影响不显著。本实验仅研究了干燥条件对三种高油酸花生干燥特性的影响，在宏观层面讨论了花生荚果水分变化，后续将利用数值模拟、低场核磁共振技术等进一步研究微观层面水分子的迁移、变化规律。
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图 2 不同热风温度下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥曲线
Figure 2. Drying curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air temperatures
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图 3 不同热风风速下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥曲线
Figure 3. Drying curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air velocities
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图 4 不同热风温度下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥速率曲线
Figure 4. Drying rate curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air temperatures
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图 5 不同热风风速下‘冀花2011’（a）、‘圣油3号’（b）、‘冀花572’（c）花生的干燥速率曲线
Figure 5. Drying rate curves of peanuts of 'Jihua 2011' (a), 'Shengyou 3' (b) and 'Jihua 572' (c) under different hot air velocities
表 1 花生原料及其基本特性
Table 1 Peanuts and their basic features
品种 植物学型 形态特征 百果重（g） 初始干基含水率（g/g） 三轴尺寸（mm） 圣油3号 普通型 大果 285.11 0.5595±0.01 长30.85，宽14.91，厚16.11 冀花2011 普通型 大果 316.87 0.6790±0.08 长29.49，宽15.42，厚14.87 冀花572 普通型 大果 301.26 0.8199±0.05 长29.84，宽14.79，厚14.58 
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表 2 单因素实验设计
Table 2 Design of single-factor test
序号 风温（℃） 风速（m/s） 1 40 0.5 2 35 0.8 3 40 0.8 4 45 0.8 5 50 0.8 6 40 1.1
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表 3 不同品种高油酸花生的平均干燥速率（g/（g·h））
Table 3 Average drying rate of different varieties of high oleic peanuts (g/(g·h))
干燥条件 品种 冀花2011 圣油3号 冀花572 35 ℃、0.8 m/s 0.01704 0.02311 0.02182 40 ℃、0.8 m/s 0.02325 0.02876 0.02771 45 ℃、0.8 m/s 0.03058 0.03545 0.03440 50 ℃、0.8 m/s 0.03861 0.04212 0.04244 40 ℃、0.5 m/s 0.02066 0.02704 0.02570 40 ℃、0.8 m/s 0.02325 0.02876 0.02771 40 ℃、1.1 m/s 0.02525 0.03092 0.03009
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表 4 各条件下Weibull分布函数的常数
Table 4 Constants of the Weibull distribution function for each condition
品种 风温/风速 形状参数β 尺度参数α（min） R2 χ2 RMSE 冀花2011 40/0.5 0.5251 434.4420 0.9909 3.64×10−4 3.42×10−3 35/0.8 0.5166 510.1902 0.9919 2.97×10−4 2.83×10−3 40/0.8 0.5077 368.3658 0.9941 2.38×10−4 2.91×10−3 45/0.8 0.5471 325.4724 0.9975 1.14×10−4 2.26×10−3 50/0.8 0.5935 271.1448 0.9978 1.18×10−4 2.54×10−3 40/1.1 0.5205 346.2906 0.9952 2.03×10−4 2.78×10−3 圣油3号 40/0.5 0.5766 385.7874 0.9996 1.87×10−5 9.61×10−4 35/0.8 0.5373 411.8670 0.9994 2.22×10−5 9.77×10−4 40/0.8 0.5559 339.3552 0.9990 4.48×10−5 1.52×10−3 45/0.8 0.5826 293.5188 0.9997 1.59×10−5 9.88×10−4 50/0.8 0.6275 265.1562 0.9998 8.35×10−6 7.61×10−4 40/1.1 0.5556 303.2376 0.9992 3.91×10−5 1.46×10−3 冀花572 40/0.5 0.6114 556.8090 0.9899 4.54×10−4 3.82×10−3 35/0.8 0.5918 582.4770 0.9838 7.00×10−4 4.40×10−3 40/0.8 0.5874 466.5018 0.9904 4.33×10−4 3.85×10−3 45/0.8 0.6418 371.3940 0.9888 5.90×10−4 4.94×10−3 50/0.8 0.6485 320.1000 0.9936 3.60×10−4 4.22×10−3 40/1.1 0.5965 399.2838 0.9879 5.73×10−4 4.59×10−3
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表 5 ‘冀花2011’花生热风干燥过程有效水分扩散系数及活化能
Table 5 Deff and Ea during hot air drying of 'Jihua 2011' peanuts
热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 0.7920 1.1760 14.84 51.5077 40 0.8 1.0918 1.6288 14.92 45 0.8 1.5069 1.8435 12.23 50 0.8 1.9976 2.2129 11.08 40 0.5 0.9669 1.3811 14.28 − 40 0.8 1.0918 1.6288 14.92 40 1.1 1.2171 1.7327 14.24
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表 6 ‘圣油3号’花生干燥过程有效水分扩散系数及活化能
Table 6 Deff and Ea during hot air drying of 'Shengyou 3' peanuts
热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 1.3024 1.4568 11.18 37.5332 40 0.8 1.6426 1.7681 10.76 45 0.8 2.0770 2.0442 9.84 50 0.8 2.5559 2.2628 8.85 40 0.5 1.5525 1.5553 10.02 − 40 0.8 1.6426 1.7681 10.76 40 1.1 1.8025 1.9787 10.98
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表 7 ‘冀花572’花生干燥过程有效水分扩散系数及活化能
Table 7 Deff and Ea during hot air drying of 'Jihua 572' peanuts
热风温度
（℃）热风风速
（m/s）Deff
（×10−10，m2/s）Dcal
（×10−9，m2/s）Rg Ea
（kJ/mol）35 0.8 0.8510 1.0301 12.10 42.4217 40 0.8 1.1058 1.2862 11.63 45 0.8 1.4577 1.6155 11.08 50 0.8 1.8166 1.8744 10.32 40 0.5 1.0264 1.0776 10.50 − 40 0.8 1.1058 1.2862 11.63 40 1.1 1.2247 1.5027 12.27
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表 8 ‘冀花2011’‘圣油3号’‘冀花572’花生热风干燥过程的热力学性质
Table 8 Thermodynamic properties of 'Jihua 2011' 'Shengyou 3' and 'Jihua 572' during hot air drying
品种 温度（℃） Δh（kJ/mol） Δs（kJ/mol·K） ΔG（kJ/mol） 冀花2011 35 48.9457 −0.2716 132.6392 40 48.9042 −0.2717 133.9871 45 48.8626 −0.2719 135.3676 50 48.8120 −0.2720 136.7088 圣油3号 35 34.9712 −0.3128 131.3605 40 34.9297 −0.3129 132.9143 45 34.8881 −0.3130 134.4691 50 34.8465 −0.3132 136.0571 冀花572 35 39.8597 −0.3004 132.4280 40 39.8182 −0.3006 133.9511 45 39.7766 −0.3007 135.4443 50 39.7350 −0.3009 136.9708
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