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天然色素低温真空干燥及其数学模型

作　者: 刘伟
导　师: 黄立新
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 天然色素低温真空干燥工艺优化薄层模型干燥动力学
分类号: TS202.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

天然色素主要提取自植物、动物和微生物,相对于人工合成色素,天然色素更加安全,且具有生理活性,具备一定的营养作用和药理功能,因此广泛应用于食品、医药以及化妆品行业。然而由于对光、热、pH及金属离子等的敏感性较高,使得天然色素在加工以及流通过程中易发生氧化、分解,从而严重影响了天然色素的单位产品色价和保质期。为提高产品品质,本文从天然色素的后期加工制粉入手,深入研究了不同干燥方式对天然色素产品品质的影响,并重点考察了低温真空干燥制粉的优化工艺及干燥过程的动力学模型。首先,考察了不同干燥方式对天然色素品质、形态以及整个干燥过程能耗的影响。本文选择喷雾干燥、冷冻干燥和低温真空干燥3种方式对天然栀子黄色素原液进行制粉研究。喷雾干燥工艺参数为:进风温度为180 190℃,出风温度为90 ¹00℃,物料质量分数为20 %,风量为40 m³/h。冷冻干燥过程中:料液在- 40℃下预冻2 h,完全凝结后在绝对压强300 mtorr的干燥箱内脱水,整个干燥过程持续49 h。低温真空干燥工艺参数:恒温加热板温度为35℃,真空度为0.07 MPa,料液厚度为7 mm,物料质量分数为15 %,干燥时间为26 h。对3种不同干燥方式下的天然栀子黄色素粉末性能指标的分析发现:喷雾、冷冻及低温真空干燥处理下的栀子黄色素产品含水量、色价及色差分别为2.89%、5.94%与5.13%（w.b.）,82.3、87.9和88.5,81.79、73.88和73.63;SEM表明:喷雾干燥产品粉末微观形态均一,多呈凹球形;低温真空干燥和冷冻干燥粉末均呈现形状多样且不规则的微观形态。通过对3种干燥方式的能耗比较得知,喷雾干燥能耗最低（21 900 kJ）,低温真空干燥次之（238 680 kJ）,冷冻干燥能耗最大（449 820 kJ）。试验结果表明:喷雾干燥对产品品质影响较大;而低温真空干燥在产品的品质非常接近于冷冻干燥的前提下,能耗却大幅降低。因此综合产品品质和经济效益考虑,低温真空干燥是一种适合于天然色素制粉加工的新方法,值得做进一步研究。以加热板温度、干燥箱内真空度、料液的质量分数和料层厚度为影响因素,进一步研究了天然栀子黄色素低温真空干燥制粉的优化工艺,设计了L₉（3⁴）的正交试验。当干燥产品达到一致的含水量时,对其色价（CV）、色差（CD）等指标以及干燥时间（t）进行了分析。结果表明:加热板温度对产品的色价、色差以及干燥时间影响最大;料层厚度对栀子黄色素的色价有较大影响。在真空度0.09 MPa,料液质量分数20 %以及料层厚度7 mm的单因素对比实验中,加热板温度为55℃时的干燥时间较35℃时缩短了21.05 %,可见加热板温度对干燥时间影响很大;而料液质量分数和真空度对产品品质以及干燥时间影响相对较小。得到的栀子黄色素低温真空干燥制粉的最佳工艺条件为:加热板温度45℃,料液质量分数为20 %,料层厚度为5 mm,真空度为0.09 MPa,验证试验得到的栀子黄色素粉末品质为:含水量4.35 %,色价87.8,色差74.12,干燥过程耗时1 360 min。选择加热板温度为35、45和55℃、真空度为0.08MPa、料层厚度为7mm和料液质量分数为20%的栀子黄色素干燥试验数据作为实测样本,基于MATLAB软件,建立栀子黄色素薄层干燥数学模型。经验证得出:在常用的8种经验、半经验薄层干燥数学模型中,Page模型对栀子黄色素低温真空干燥过程的拟合效果最佳,该模型可以较好地描述和预测干燥过程中栀子黄色素原液含水率与干燥时间的关系。本文还对天然桑椹红色素的低温真空干燥制粉进行了研究,试验设计了L₁₆（4⁴）正交试验,当干燥产品达到一致的安全含水量以下时,对其粉末产品的色价（CV）以及干燥时间（t）进行了分析。结果表明:温度对产品的色价以及干燥时间有显著影响,而真空度、料液质量分数以及厚度对色价有一定影响。得出桑椹红色素低温真空干燥制粉的最佳工艺条件为:加热板温度45℃,溶液质量分数为15%,厚度为5mm,真空度为0.08MPa,在此条件下得到的粉末质量特性为:含水量4.26%,色价76.2,干燥时间为1 360min。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-24
  1.1 引言  13-16
    1.1.1 研究背景  13-16
    1.1.2 项目来源与经费支持  16
  1.2 国内外研究现状及评述  16-21
    1.2.1 干燥技术在天然色素中的应用  16-19
    1.2.2 不同干燥方式的比较  19-20
    1.2.3 天然色素干燥技术研究的目的与意义  20-21
  1.3 研究目标和主要研究内容  21-22
    1.3.1 研究目标  21
    1.3.2 主要研究内容  21-22
  1.4 研究技术路线  22
  1.5 本研究的创新点  22-24
第二章不同干燥方法对天然栀子黄色素粉品质的影响  24-36
  2.1 引言  24
  2.2 实验材料与仪器设备  24-26
    2.2.1 实验材料  24
    2.2.2 仪器设备  24-26
  2.3 实验方法  26-29
    2.3.1 干燥工艺流程及工艺参数  26-28
    2.3.2 检测分析  28-29
  2.4 实验结果与讨论  29-34
    2.4.1 3 种干燥方法对栀子黄色素粉末产品含水量的影响  29-30
    2.4.2 3 种干燥方法对栀子黄色素粉末产品色价的影响  30-31
    2.4.3 3 种干燥方法对栀子黄色素粉末产品色差的影响  31-32
    2.4.4 3 种干燥方法对栀子黄色素粉末产品微观形态的影响  32-33
    2.4.5 3 种干燥方法对能耗的影响  33-34
  2.5 小结  34-36
第三章天然栀子黄色素低温真空干燥研究  36-45
  3.1 引言  36-37
  3.2 试验材料与仪器设备  37
    3.2.1 试验材料  37
    3.2.2 仪器设备  37
  3.3 试验方法  37-39
    3.3.1 因素及其水平选择  37
    3.3.2 正交试验方法  37-38
    3.3.3 试验流程  38
    3.3.4 检测分析  38-39
  3.4 试验结果与分析  39-44
    3.4.1 干燥工艺参数对栀子黄色素品质的影响  39-41
    3.4.2 干燥工艺参数对干燥时间的影响  41-43
    3.4.3 优化干燥工艺参数及验证分析  43-44
  3.5 小结  44-45
第四章天然栀子黄色素低温真空干燥模型的建立与动力学研究  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 试验材料与仪器设备  45-46
    4.2.1 试验材料  45
    4.2.2 仪器设备  45-46
  4.3 试验方法和测定目标  46
    4.3.1 试验方法  46
    4.3.2 测定目标  46
  4.4 干燥模型的选择和拟合优度评价  46-48
    4.4.1 干燥模型的选择  46-47
    4.4.2 拟合优度评价  47-48
  4.5 结果与讨论  48-55
    4.5.1 干燥模型拟合效果  48
    4.5.2 干燥模型求解  48-50
    4.5.3 栀子黄色素低温真空干燥薄层模型的试验验证  50-54
    4.5.4 栀子黄色素低温真空干燥有效扩散系数的计算  54-55
  4.6 小结  55-56
第五章桑椹红色素的低温真空干燥  56-64
  5.1 引言  56-57
  5.2 试验材料与仪器设备  57
    5.2.1 试验材料  57
    5.2.2 仪器设备  57
  5.3 试验和检测分析方法  57-59
    5.3.1 试验方法  57-58
    5.3.2 检测分析  58-59
  5.4 试验结果与讨论  59-62
    5.4.1 干燥条件对桑椹红色素粉末色价的影响  59-61
    5.4.2 干燥条件对干燥时间的影响  61
    5.4.3 干燥优化工艺参数及验证分析  61-62
    5.4.4 干燥工艺参数与产品指标之间的多元非线性拟合  62
  5.5 小结  62-64
第六章结论与展望  64-66
  6.1 结论  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-72
附录 MATLAB 计算传统模型的M 文件  72-74
在读期间的学术研究  74-75
致谢  75

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