方便米粉微波干燥特性的研究

劉成梅 艾亦旻 萬 婕 羅舜菁 左艷娜 周國輝

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，南昌 330047）

方便米粉的研制始于20世紀80年代，仿照方便面的生產(chǎn)原理與工藝研制而成［1］。其中干燥是方便米粉生產(chǎn)的重要工序之一［2］。快速有效的干燥方法能夠使得米粉擠壓成型后迅速脫水干燥，固定α化狀態(tài)結構，防止回生，使得米粉保持良好的品質，及較長的保質期［3］。微波干燥因其獨特的加熱特性區(qū)別于熱風干燥及其他干燥方式［4］，物料在微波場中是內部整體加熱，因此易于形成溫度梯度和濕度梯度同向，利于物料水分向外排出［5］。且微波干燥有穿透力強、選擇性加熱、熱慣性小、干燥速度快、時間短、能量利用率高、符合環(huán)保要求以及易于實現(xiàn)自動控制等特點［6］。

薄層干燥是指物料厚度小于2 cm的床層干燥［7］。薄層干燥是食品物料干燥的基本形式，是深床干燥的基礎。薄層干燥的研究是為了探討一定干燥條件下物料含水率隨時間變化的規(guī)律，進而建立薄層干燥方程，為優(yōu)化干燥工藝和指導干燥過程提供依據(jù)［8］。

目前已有較多農(nóng)產(chǎn)品微波薄層干燥的研究，如板栗［9］、馬鈴薯片［10］、紅椒粉［11］和花椒［12］等。有關方便米粉干燥的研究較少，熊柳等［13］、李新華等［14］研究發(fā)現(xiàn)，微波干燥的米粉與熱風干燥的米粉相比，復水性與食用品質相差不大，而微波干燥的時間遠短于熱風干燥。趙思明等［2，15］研究了方便米粉高溫高濕干燥的數(shù)學模型和水分擴散特性，然而目前關于方便米粉微波干燥過程的研究還未見報道。因此，本試驗以方便米粉為對象，對其微波薄層干燥過程進行研究并建立方便米粉的微波薄層干燥數(shù)學模型，以期為方便米粉微波干燥過程的控制和條件優(yōu)化提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

早秈米：南昌市深圳農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場。

1.1.2 儀器

自熟多功能年糕粉絲機：溫嶺市圣地機械廠；G80F23CN1P-G5（S0）微波爐：廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；電子天平：上海精密科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

方便米粉的制作工藝：大米→洗米浸泡→粉碎→過篩→混合→自熟擠絲→切斷→復蒸或煮制→微波干燥→成品。

方便濕米粉的制備：早秈米經(jīng)清洗，浸泡8 h后，粉碎過60目篩，控制含水量在30%左右。經(jīng)自熟式擠絲機擠絲，擠絲出來的米粉通過風冷，按照一定長度切斷。切斷后的米粉條放入95～100℃的沸水中煮制，最后得到濕基含水量（68.45±0.50）%的濕米粉。

微波干燥：將（100.55±0.20）g樣品平鋪于微波爐專用樣品篩（d＝23 mm）中，厚度5 mm，置于微波爐中央，分別用800、640、480、320和 160 W 5檔功率進行干燥。每隔0.5 min將樣品取出快速測定其質量m，試驗進行至米粉濕基含水量小于10%。每組試驗設重復3次，取其平均值。

1.2.2 水分測定

初始濕基含水量 w0：參照國標 GB 5009.3—2010。

t時刻干基含水量M：

式中：M為米粉干燥至t時刻的干基含水量／%；m為米粉干燥至t時刻的質量／g；m0為米粉初始質量／g。

1.2.3 數(shù)據(jù)擬合與分析

1.2.3.1 微波薄層干燥過程數(shù)學模型的擬合

近年來，國內外學者通過研究不同物料的干燥過程總結了許多干燥方程。本試驗選取了8個較常用的干燥模型，利用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合。所選模型如表1所示［16-22］。

表1 薄層干燥模型列表

米粉水分比MR（moisture ratio）：

1.2.3.2 相關系數(shù)及誤差分析

測試模型與試驗數(shù)據(jù)的匹配程度可由相關系數(shù)R2，卡方值 χ2和均方根誤差 RMSE衡量。按照文獻［25-27］的方法計算 R2，χ2和 RMSE。R2越大，χ2和RMSE越小，模型的匹配程度越高。

1.2.3.3 有效擴散系數(shù)

Fick擴散方程常用來描述生物制品的降速干燥階段，適用于長方形、圓柱形等形狀規(guī)則的物料［27-28］。本試驗擠出的米粉樣品形狀規(guī)則，水分分布均勻，因此可用下式計算樣品的有效擴散系數(shù)。

式中：L0為物料層厚度的一半／m，Deff為有效擴散系數(shù)／m2。

對于長時間的干燥過程來說，上式可以進一步對數(shù)變化簡化為［29］：

由上式可知lnMR與t呈線性關系，由該線斜率可計算出Deff。

2 結果與分析

2.1 方便米粉的干燥特性

2.1.1 方便米粉的干燥特性曲線

圖1為不同微波功率下，米粉水分比MR與干燥時間的關系圖。由圖1可知，MR隨干燥時間的增加不斷下降。干燥初期MR下降速度較為勻速，隨后下降變慢并趨于平緩。但總體而言，在整個干燥過程中MR下降較為均勻，這可能是受微波干燥機理及水分擴散等因素影響。微波的穿透能力較大，可使物料內外整體加熱干燥。微波功率越大干燥時間越短。160W功率下，米粉干燥至MR為0.02的時間為60 min，而320、480、640及800 W功率下米粉干燥至MR為0.02的時間時間分別為為35、23、18和15 min。因此，在一定的微波功率范圍內，可以通過提高微波功率來加速干燥的過程，縮短干燥的時間。

圖1 不同微波功率條件下的干燥曲線

式中：MR為米粉水分比；M為t時刻米粉的干基含水量；Me為米粉平衡干基含水量；Mo為米粉的初始干基含水量。

因為Me相對于M和Mo來說較小，可以忽略不計，因此上式可簡化為［22-24］：

2.1.2 米粉的干燥速率曲線

一般干燥過程可分為3個階段：加速期、恒速期和降速期。本試驗條件下，米粉干燥過程的加速期均較短。如圖2所示，在干燥初始的2 min內，物料的干燥速率迅速上升，并達到最大值，且干燥速率隨著微波功率的增大而增大。480、640和800 W時，未出現(xiàn)明顯恒速期，物料的干燥速率達到最大值后即開始下降。320 W和160 W物料經(jīng)歷了一段較明顯的恒速期，然后進入降速期。所選微波功率下物料的干燥過程大部分時間都處在降速期。

圖2 微波干燥速率與時間的關系曲線

在干燥初期，米粉含水量較大時，干燥速率都處在相對較高的水平，當米粉的含水量逐漸下降后，干燥速率也明顯的降低。這可能與微波干燥的原理有關，物料中水分較大時，物料對微波的吸收能力較高，隨著物料中水分的減少，物料對微波的吸收能力也相應降低，干燥速率迅速下降。相同含水量的物料，隨著微波功率的增加，物料內部分子的熱運動加劇，物料的溫度將變得更高，干燥速率越大［5］。

2.2 米粉的干燥數(shù)學模型

2.2.1 干燥數(shù)學模型的建立

將不同微波功率條件下得到的MR與時間t變化的干燥曲線和所選的12個薄層干燥數(shù)學模型進行擬合，擬合結果見表2。以不同功率條件下R2，χ2，RMSE的均值為指標對各方程的擬合效果進行排序［30-31］，發(fā)現(xiàn)Midilli-Kucuk模型的擬合效果最好。因此選擇Midilli-Kucuk模型對方便米粉的微波薄層干燥過程進行模擬。

2.2.2 Midilli-Kucuk模型常數(shù)a，b，k和n的確定

由表2可知，模型常數(shù)隨著微波功率的變化而變化。參考文獻［31-32］的方法，采用回歸分析來考察微波功率P（W）對Midilli-Kucuk模型常數(shù)a，b，k和 n的影響，得到 a，b，k，n與 P的關系式。最后可得以干燥時間t及干燥功率P為自變量的方便米粉微波薄層干燥的數(shù)學模型：

式中：

2.2.3 模型的驗證

為了驗證Midilli-Kucuk模型擬合效果，以MR實驗值為橫坐標，MR預測值為縱坐標作圖。結果如圖3所示，所有的數(shù)據(jù)點基本落在y＝x線周圍，說明Midilli-Kucuk模型對MR的預測與試驗值非常接近，Midilli-Kucuk模型較適合模擬方便米粉微波干燥過程。

圖3 微波干燥Midilli-Kucuk模型試驗值與預測值

2.3 有效擴散系數(shù)

不同微波功率的干燥條件下方便米粉的水分有效擴散系數(shù)如表3所示。有效擴散系數(shù)隨著微波功率的增大而增大。其中160、320與480 W的有效系數(shù)有明顯差異，640與800 W功率下的擴散系數(shù)相差不大，這也解釋了圖1中160～480 W干燥時間有很大差異，而640 W與800 W功率下干燥時間相差較小。

表3 方便米粉在不同微波功率干燥條件下的D

表2 各薄層干燥數(shù)學模型的擬合結果

3 結論

1.44×10-9～6.42×10-9m2／s之間，且隨著微波功率的增大而增大。

本研究考察了方便米粉的微波薄層干燥過程。方便米粉的微波干燥過程可分為加速期，恒速期和降速期。本試驗所選微波功率條件下干燥過程的加速期均較短，且僅320、160 W可觀察到較明顯的恒速期，所選微波功率下的干燥過程都是處在降速期。

采用8個薄層干燥模型對方便米粉的微波干燥過程進行擬合，其中Midilli-Kucuk模型具有較高的擬合度，能較好的描述方便米粉的薄層微波干燥過程，可用于預測不同含水率方便米粉的干燥時間。方便米粉的微波薄層干燥的水分有效擴散系數(shù)在

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