銀杏果微波間歇干燥工藝的優化

張黎驊，劉 波，劉濤濤，李光輝

（四川農業大學信息與工程技術學院，四川 雅安 625014）

銀杏果微波間歇干燥工藝的優化

張黎驊，劉 波，劉濤濤，李光輝

（四川農業大學信息與工程技術學院，四川 雅安 625014）

為探究銀杏果微波間歇干燥最佳工藝，選取微波功率、加熱時間和間歇時間為試驗因素，以干燥過程平均干燥能耗、質量干燥速率以及干燥后的感官品質評分為評價指標，采用二次正交回歸試驗優化銀杏果微波間歇干燥工藝，運用BackWard分析法建立二次回歸數學模型，并對回歸模型進行響應面分析。結果表明：所選試驗因素對干燥進程有顯著影響，其強弱順序為：加熱時間＞微波功率＞間歇時間。試驗因素之間存在交互作用。采用響應面尋優法得到銀杏果干燥的最佳工藝參數為：微波功率4.5 W/g、加熱6.5 s、間歇80 s，在此條件下，質量干燥速率為0.157 kg/（h·kg），平均干燥能耗為65.54 kJ/g，感官品質評分為8.5。實驗結果對改進干燥設備和銀杏果微波干燥有一定的參考價值。

銀杏果；微波間歇干燥；正交回歸；響應面分析

銀杏（Ginkgo biloba L.）種核又稱白果，含有豐富的蛋白質、脂肪、糖類、粗纖維，并有少量的VB1、VB2，以及鉀、鐵、鈣、磷等礦物質[1]，食用銀杏果，不僅可滋補身體，還可防治多種疾病，其經濟價值已愈來愈被人們所認識。然而，銀杏果仁的胚芽中具有一定的毒性，一般要脫殼、去皮、去胚芽，通過浸泡蒸煮部分消除白果醇、白果酚、白果酸等細胞毒性的成分，達到減毒目的。因此，對銀杏果深加工首先應進行脫殼加工[2]，而新鮮銀杏果含水率高，不利于長期貯藏和機械化脫殼，所以，對銀杏果進行干燥是非常必要的。

傳統的銀杏果干燥采用熱風、自然晾曬的方法。目前，前期研究已對銀杏果進行了熱風干燥的實驗研究，研究[3]表明，耗時長達12～14 h，而且能耗高。而微波間歇干燥技術具有快速、高效、干燥品質較好等優點。近幾年來，在農產品生產和加工過程中得到廣泛應用[4-7]。在國內，已有研究者先后對龍眼、荔枝、花椒、玉米等物料進行了微波間歇干燥工藝的優化[8-17]；在國外，也有研究人員分別對南瓜、菠菜、甘藍葉等進行了微波干燥工藝的研究[18-20]。實驗結果表明對不同農產品進行微波間歇干燥，不僅效率高、能耗低，而且干燥品質較好。對銀杏果微波間歇干燥的研究還未見報道。

本實驗以微波功率、微波加熱時間和微波間歇時間為試驗因素，選取質量干燥速率、干燥能耗以及干燥后的感官品質評分為評價指標對銀杏果進行微波間歇干燥的試驗研究，并通過正交回歸試驗和響應曲面分析建立二次回歸數學模型，最終利用多目標函數期望優化方法，確定銀杏果微波間歇干燥的最佳工藝參數[21-24]。

1 材料與方法

1.1 材料

銀杏果為2012年10月份上市的新鮮大白果，首先清洗、去除表面上黏附的污漬、瀝干。然后選擇其中大小適中、外形飽滿、色澤鮮艷、無破殼的顆粒進行封存，并在－4 ℃條件保存，銀杏果初始干基含水率為88.22%。

1.2 儀器與設備

HaierMZ-2070型微波爐（頻率2 450 MHz，最大額定輸出功率700 W） 海爾電器有限公司；AR522CN型電子精密天平秤（分度值0.01 g） 上海奧豪斯公司；DHG-9101-3S1型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海三發科學儀器有限公司。

實驗裝置及測試系統如圖1所示。

圖1 測試裝置及測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device and system

1.3 方法

1.3.1 前處理

將經初步篩選的銀杏果分組進行單因素試驗。每次?。?00.0±0.5）g銀杏果，將其單層均勻平鋪在帶孔的干燥托盤上，利用圖1中的實驗裝置進行實驗。設定微波功率后，通過對“開始”和“暫停”鍵智能控制加熱和間歇時間。實驗過程中每隔30 min從電子天平和溫度計上采集數據1次，實驗干燥至干基含水率14%以下（安全貯藏水分）時停止[3]。考慮到銀杏果取樣的差異性，以上指標的實驗重復3次，測量結果取平均值。

1.3.2 響應面試驗設計

首先對銀杏果進行微波功率（4.5、6.0、7.0 W/g，采用單位干燥質量所用的功率評定）、加熱時間（5、7、9s）和間歇時間（50、65、80 s）的單因素試驗，研究其銀杏果微波間歇干燥特性，確定正交試驗的取值范圍。然后運用中心組合設計理論[22-23]，根據相關文獻和單因素試驗的結果，確定以微波功率、加熱時間和間歇時間為試驗因素，以質量干燥速率、平均干燥能耗、感官品質評分為評價指標進行二次正交回歸分析和響應曲面分析，其試驗因素及水平如表1所示。

表1 試驗因素水平表Table1 Coded levels for experimental factors

1.3.3 相關參數的測定及計算

1.3.3.1 初始含水率

使用恒質量法，按照GB/T 3543.6—1995《農作物種子檢驗規程：水分測定》的方法測定初始含水率，在DHG-9101-3S1型恒溫鼓風干燥箱內進行[12-13]。

1.3.3.2 干基含水率

實驗時，從電子天平顯示屏上讀取銀杏果質量，根據式（1）計算含水率（Xt）。

式中：md為絕干物質質量/g；mt為t時刻的銀杏果質量/g。

1.3.3.3 質量干燥速率

以每千克無水物料每小時蒸發的水量為質量干燥速率（kg/（h·kg））。

1.3.3.4 平均干燥能耗

平均干燥能耗（W）為除去單位質量水分所消耗的能量，按式（2）計算。

式中：P為微波功率/W；t為微波加熱時間/s；m為除去的水分質量/g。

1.3.3.5 感官品質評分

感官品質評分是評價農產品干燥效果的一項重要指標，通常要綜合考慮干制品的形狀、色澤、裂紋和香味等指標[1]，在實驗結束后分別由10位感官評價員觀察銀杏果仁，所有人員事先經過挑選和培訓，具有一定感官判斷和分析能力。根據表2評分標準進行感官品質評分，最后取其平均值。

表2 感官品質評分標準表Table2 Standards for sensory evaluation of ginkgo fruits

2 結果與分析

2.1 銀杏果微波間歇干燥特性

2.1.1 微波功率對干燥特性的影響

設定微波加熱7 s、間歇65 s，不同微波功率條件下的銀杏果干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。

圖2 不同微波功率作用下銀杏果干燥曲線（a）和干燥速率曲線（bb）Fig.2 Drying and dehydration rate curves of ginkgo fruits under different microwave powers

由圖2a可知，不同微波功率條件下銀杏果干燥的用時不同，隨著微波功率的增大，干燥曲線變陡，干燥所需時間越短。根據微波干燥物料的原理，在微波的作用下，物料中的極性分子隨微波以極快的速度改變方向，使分子間發生碰撞和摩擦，產生大量的熱，進而使物料內部水分迅速蒸發。微波功率越大，極性分子在單位時間內方向改變次數就越多，銀杏果就干燥得就越快。

由圖2b可知，銀杏果微波間歇干燥過程同其他大多數農業物料的干燥規律一樣，可以分為3個階段：加速、恒速及降速干燥階段。其中，微波功率越大，恒速階段的干燥速率越高，但所經歷的時間越少，當微波功率為7.5 W/g時，幾乎沒有恒速階段。主要原因是恒速階段的時間與干燥速度（物料性質）呈反比[2]。功率為7.5、6.0、4.5 W/g時，分別用時220、440、720 min。雖然提高功率能加快干燥速率、降低干燥能耗，但同時也很難得到良好的干燥品質。

2.1.2 加熱時間對干燥特性的影響

微波功率6.0 W/g、間歇65 s時，不同微波加熱時間條件下的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。

圖3 不同微波作用時間下銀杏果干燥曲線（a）和干燥速率曲線（bb）Fig.3 Drying and dehydration rate curves of ginkgo fruits under different microwave treatment times

由圖3a可以看出，微波加熱時間對干燥進程有著極大的影響，當微波作用時間從7 s減小到5 s時，干燥到含水率終點所用時間從7.3 h增加到了18 h，用時是7 s時的2.5倍。微波單次加熱時間為9 s時，物料溫度上升很快，銀杏果含水率迅速下降，干燥用時很短，但銀杏果的干燥品質非常差，干燥過程中能明顯聞到銀杏果被炙烤散發的香味，若進一步延長加熱時間，則會由于升溫過快使蒸發的水分得不到及時散失，從而導致銀杏果炸裂。

由圖3b可知，整個干燥過程表現為加速、恒速和降速3個階段。微波加熱時間越長，干燥速率上升越快，降速階段速度下降也越快。微波單次加熱時間為9 s時，干燥進行得很劇烈，恒速階段持續時間很短，降速階段干燥速率急劇下降后便達到了干燥終點；當微波單次加熱時間為5 s時，干燥進行得很緩慢，降速過程表現得很平緩。

2.1.3 間歇時間對干燥特性的影響

微波功率為6.0 W/g、微波加熱時間為7 s時，不同間歇時間的干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。

觀察圖4a可知，不同間歇時間下銀杏果的含水率變化是不相同的，微波間歇時間越短曲線越陡，物料含水率下降速率越快。微波作用時，銀杏果整體處于加熱狀態，此時銀杏果溫度迅速上升，水分快速汽化，而間歇時間則提供了水分繼續汽化和向外擴散的條件，是保證干燥品質的重要因素。

由圖4b可以得出，微波間歇時間對干燥速率仍有較大的影響，間歇時間越短，加速期速率上升越快，同時恒速期的速率也越大。較之前不同的是，在間歇時間分別為50、65、80 s時，3組曲線的恒速持續時間基本一致，只是減速期的持續時間上存在較大差別。間歇時間過短則干燥溫度高，品質差；間歇時間過長則干燥效率低、能耗高。

圖4 不同間歇時間下銀杏果干燥曲線（a）和干燥速率曲線（bb）Fig.4 Drying, dehydration rate and time curves of ginkgo fruits under different interval times

2.2 二次回歸正交試驗結果分析

表3 試驗方案及結果Table3 The experimental design and results

以X1、X2、X3表示微波功率、加熱時間和間歇時間，以Y1、Y2、Y3分別表示質量干燥速率、平均干燥能耗和感官品質評分，銀杏果微波間歇干燥的二次回歸正交試驗方案及結果如表3所示[25-26]。

2.2.1 回歸方程的建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert軟件對表3中的試驗結果進行多元回歸擬合，利用BackWard回歸方法，設顯著性水平α=0.1，為提高方程的精度，剔除不顯著項，得出各指標的回歸方程如下：各回歸方程及回歸系數的顯著性檢驗如表4所示。

經顯著性F檢驗可知，試驗所得回歸模型是極顯著的，失擬性檢驗P值分別為：0.823 1、0.46、0.844，都大于0.1，說明失擬項不顯著，這表明在試驗范圍內誤差較小，模型與實際情況的擬合度高。校正相關系數R2分別為0.999 8、0.998 1、0.998 6，說明這3個模型能夠分別解釋響應值變化的99.98%、99.81%、99.86%。以上檢驗和分析表明，試驗所構建二次回歸方程模型能夠在一定范圍內對各試驗指標進行分析和預測。

表4 回歸方程模型及其方差分析Table4 Analysis of variance for the regression model

2.2.2 響應面分析

圖5為微波功率X1、加熱時間X2、間歇時間X3之一為0水平時另外2因素對質量干燥速率的響應曲面。由圖5a可以得出，隨著微波功率的增大和加熱時間的延長，質量干燥速率呈明顯的上升趨勢，且上升得越來越快；由于各試驗因素間都存在有較大的交互作用，所以圖5b、c中間歇時間對質量干燥速率的影響表現得不明顯。由方差分析結果表明，在試驗范圍內各因素對質量干燥速率的影響強度依次為：加熱時間＞微波功率＞間歇時間。

圖5 質量干燥速率響應曲面Fig.5 Response surface plot for the average drying rate

圖6 平均干燥能耗響應曲面Fig.6 Response surface pot for the average energy consumption

圖7 感官品質評分響應曲面Fig.7 Response surface plot for the sensory evaluation score

圖6 為微波功率、加熱時間、間歇時間之一編碼為0時另2個因素水平對平均干燥能耗的響應曲面。由圖6a可知，隨著微波功率增加和加熱時間延長，平均干燥能耗明顯下降，這是由于功率的增加和加熱時間的延長使干燥速率有了大幅提升，縮短了總的干燥時間。由圖6b、c可以看出，間歇時間對平均干燥能耗的影響不大，3個試驗因素間交互作用的顯著。由方差分析結果表明，試驗因素對平均干燥能耗的影響強弱順序為：加熱時間＞微波功率＞間歇時間。

圖7給出了3個試驗因素其中一個為0水平時，另外2個因素對干燥感官品質的響應曲面。觀察發現：3個試驗因素總體表現為加熱時間越短、微波功率越小、間歇時間越長，感官品質評分越高；與平均干燥速率和平均干燥能耗2個指標不同，3個試驗因素對感官品質都存在較大的影響，而因素間的交互作用對感官品質的影響明顯弱于對平均速率和能耗的影響；隨著間歇時間的延長，品質評分上升越來越緩慢，由此可以推測，當間歇時間延長到一定程度后將對干燥的品質不再產生影響。干燥過程中，間歇時間的長短決定這水蒸氣能否有效散失，并影響著銀杏果溫度，因而對干燥品質也有著巨大影響。由方差分析結果表明，試驗因素對感官品質評分的影響強度順序仍為：加熱時間＞微波功率＞間歇時間。

2.3 最佳工藝參數的確定

響應面分析表明，加熱時間長、微波功率大、間歇時間短能有效提高干燥速率、降低干燥能耗，但同時又不能保證干燥品質，現對3個指標進行綜合考慮，尋找銀杏果微波間歇干燥的最佳工藝參數。

優化目標是，在保證干燥品質的前提下盡量提高干燥速率、降低干燥能耗。根據各評價指標的重要性不同，設置感官品質評分（Y3）重要度為5，平均干燥能耗（Y2）為3，質量干燥速率（Y1）為2，利用Design-Expert在試驗參數范圍內進行尋優。結果表明：在較低的微波功率水平下選擇較長的加熱時間和間歇時間能夠的到更好的干燥效果。低功率和長間歇不僅能夠保證干燥品質，而且能有效延長微波發生裝置的使用壽命。得到試驗范圍內的最佳工藝參數為：微波功率4.53 W/g（編碼值－0.98），加熱6.28 s（編碼值－0.36），間歇79.85 s（編碼值0.99），此時的質量干燥速率為0.153 kg/（h·kg），平均干燥能耗為63.15 kJ/g，感官品質評分為8.91。

2.4 方案的驗證

為驗證該方案的正確性，采用微波功率4.5 W/g、加熱6.5 s、間歇80 s最優工藝參數進行3次實驗，結果如表5所示。

表5 優化方案的驗證結果Table5 Validation of the optimized drying conditions

由表5可知，質量干燥速率、平均干燥能耗以及感官品質評分的相對誤差分別為3.81%、3.65%、4.41%，均小于10%。說明回歸模型對銀杏果熱風干燥品質的分析和預測是可行的。

在保證同樣干燥品質的情況下，相比于傳統熱風干燥耗時減少3～4 h，平均能耗減少33%以上[2]，因此，采用微波間歇式作用干燥銀杏果是一種更加經濟有效的干燥方法。

3 結 論

3.1 微波功率、加熱時間、間歇時間是銀杏果微波間歇干燥的主要技術參數，它們直接影響銀杏果的干燥速率以及干燥后的能耗和品質。根據響應面中心組合設計理論進行銀杏果微波間歇干燥的試驗，得出感官評分的影響強度順序依次為：加熱時間＞微波功率＞間歇時間。

3.2 微波功率、加熱時間、間歇時間之間有著明顯交互作用，且與質量干燥速率、平均干燥能耗以及感官品質評分之間存在二次非線性關系，在不同因素水平下對3個指標有這不同的影響。

3.3 利用軟件對二次回歸模型進行優化求解，結果表明應采用低微波功率、長加熱時間和間歇時間來進行銀杏果的干燥，最佳的工藝參數為：微波功率4.5W/g、加熱6.5s、間歇80s。此時的質量干燥速率為0.157kg/（h·kg），平均干燥能耗為65.54kJ/g，感官品質評分為8.5。

3.4 在保證同樣干燥品質的情況下，相比于傳統熱風干燥耗時減少3～4 h，平均能耗減少33%以上，因此，采用微波間歇式作用干燥銀杏果是一種更加經濟有效的干燥方法。

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Optimization of Intermittent Microwave Drying of Ginkgo Fruits

ZHANG Li-hua, LIU Bo, LIU Tao-tao, LI Guang-hui
(College of Information and Engineering Technology, Sichuan Agricultural University, Yaêan 625014, China)

The microwave intermittent drying process of ginkgo fruits was optimized in this study. Microwave power, heating time and interval time were selected as experimental factors, and average power consumption, average drying rate and sensory score as response variables. Quadratic regression orthogonal design was adopted to optimize these independent variables. A quadratic regression mathematical model for each response variable was established by utilizing backWard analysis method and analyzed response surface analysis. The results showed all the selected factors had signifi cant effects on the drying process and the decreasing order of signifi cance was as follows: heating time, microwave power, and interval time. Meanwhile, these factors also had significant interactive effects. The optimal parameters from response surface optimization were obtained as follows: microwave power of 4.5 W/g, heating time of 6.5 s and interval time of 80 s. Under these conditions, the average drying rate was 0.157 kg/(h·kg), the average energy consumption was 65.54 kJ/g and the sensory score was 8.5. These results will provide a reference for improving microwave drying equipment and drying process of ginkgo fruits.

ginkgo fruit; microwave intermittent drying; orthogonal regression; response surface methodology

S375

A

1002-6630（2014）02-0108-07

10.7506/spkx1002-6630-201402020

2013-03-06

四川省學術與技術帶頭人培養基金項目

張黎驊（1969—），男，教授，博士，研究方向為農產品加工與裝備。E-mail：zhanglihua69@126.com