排濕風速對微波干燥過程濕度及其干燥特性的影響

惠 菊，李臻峰，2，*，李 靜，2，徐晚秀

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

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排濕風速對微波干燥過程濕度及其干燥特性的影響

惠 菊1，李臻峰1，2，*，李 靜1，2，徐晚秀1

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

采用5種穩定風速和4種變動風速，研究排濕風速對微波干燥過程濕度、干燥速率及其干后品質的影響。結果表明，排濕風速對微波干燥的濕度、干燥速率和干后品質有明顯影響。穩定風速時，風速越小，濕度峰值越高，高濕維持時間越長，干燥速率峰值越低。若風速改變，升速變動風速對濕度曲線影響不大，但對干燥速率曲線影響較為明顯，尤其是在干燥前期和中期階段升風，干燥速率會快速上升；降速變動風速時，濕度會明顯上升或維持峰值不變，同時干燥速率降低，但降低效果并不明顯。階梯升速前期干燥速率低，后期變大，整個干燥過程濕度較大，干后品質最優。另發現，穩定風速干燥時，濕度曲線的變化由干燥速率決定，二者在整個干燥過程同步變化，且起伏趨勢一致。變動風速下，濕度曲線和干燥速率曲線的同步變化被打破，濕度曲線的變化受風速和干燥速率變化的共同影響。

排濕風速；微波干燥；濕度；干燥速率；品質

近年來，微波干燥因其高效、潔凈、靈敏、無余熱等優點，被廣泛應用于食品工業和農產品加工等方面[1]。在國內外，微波干燥的研究主要分為2類：一類為微波耦合其他干燥方式的研究[2]；另一類為微波干燥特性的研究，探究溫度、功率、時間等各種干燥因素對干后品質的影響及其動力學模型分析[3-4]。有關排濕風速的研究目前國內外還較少，只有少數學者研究了穩定風速對干燥速率的影響。朱德泉等[5]研究發現，風速越大，物料干燥速率越大，干燥后期風速對干燥速率影響不明顯。李靜等[6]研究了排濕壓力對蘋果微波干燥結果的影響，實驗表明排濕壓力越大，干燥速率越大。晾曬干燥時，周圍空氣越潮濕，所需干燥時間越長，濕度對干燥過程有影響[7]。微波干燥中排濕風速的改變，最直接的影響就是爐內空氣的對流增強，從而引起爐內的濕度變化。有關排濕風速對微波爐內濕度變化的影響研究國內外尚未見報道，本研究選用胡蘿卜顆粒作為實驗物料，在穩定風速和變動風速下全面探究排濕風速對微波爐內的濕度、干燥速率和干后品質的影響，為微波干燥的生產應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮的胡蘿卜樣品采購自當地菜市場，要求顏色鮮艷、無損傷、大小基本一致，分割成10 mm×10 mm×10 mm 的立方體顆粒進行實驗。

1.2 實驗系統

搭建實驗系統如圖1所示，其中有4路傳感輸入，分別用于采集濕度、質量、溫度、氣體流量數據；2路控制輸出，包括微波爐功率和流量控制器電壓控制輸出；1路氣體流通路徑，排濕氣體從空壓機出來，經過儲氣罐、手動閥、氣流控制閥、微波爐和濕度傳感器，最后經由冷凝管釋放到空氣中。本裝置包括風速在線檢測控制單元、溫度在線檢測控制單元、濕度在線檢測單元和質量在線檢測單元。風速在線檢測單元由空壓機提供氣流，儲氣罐作緩沖容器；氣體質量流量控制器(S48 300/HMT)用于在線檢測控制氣體流速；溫度檢測單元由熒光光纖(HQ-28)直接插入胡蘿卜顆粒內部檢測溫度。風速與溫度的控制通過控制電路完成，由電腦在線采集氣體流量或溫度數據，Labview程序將其與設定流量或設定溫度比較，運用PID算法通過控制電路調節氣體質量流量控制器或微波爐(MM720KG1-PW)，最終達到控制氣體流量或溫度的目的。現有的濕度測量儀不能放在微波爐內直接檢測濕度，本研究將爐內氣體吹出放入同樣的容器內用Vaisala濕度測量儀(HMT130)檢測濕度。質量檢測是將聚四氟乙烯罐懸掛在電子秤(LBA5200)下，進行在線稱量。

1, 空氣壓縮機；2, 儲氣罐；3, 手動開關閥；4, 氣體質量流量控制器；5, 電子秤；6, 光纖測溫儀；7, 可數據采集的電腦；8, 冷凝器；9, 濕度測量儀；10, 四氟乙烯容器；11, 微波爐；12, 光纖圖1 微波干燥系統Fig.1 Diagram for microwave drying system

1.3 實驗方案

1.3.1 穩定風速干燥

將大小、顏色一致的胡蘿卜顆粒放入干燥容器內，設定溫度70 ℃，之后分別在2，3，4，5，6 L·min-1風速下進行穩定風速干燥，電子秤在線稱取質量，計算胡蘿卜的濕基含水率，當含水率≤10%時，停止干燥。每組風速下做3次重復試驗。

1.3.2 變動風速干燥

變動風速干燥分為4種：階梯升速、漸變升速、階梯降速和漸變降速。選取物料的濕基含水率作為變動風速的條件，物料內部的水分分為自由水、半結合水和結合水[8-9]，微波干燥時主要去除自由水和半結合水。胡蘿卜在定溫70 ℃干燥時，含水率在20%左右為自由水和半結合水的分界點，含水率在50%前后物料的干燥速率變化較大[10]，故選取這2點作為風速轉換點。漸變升速和漸變降速是在整個干燥過程風速一直在逐漸變化，按照物料含水率的變化量調節風速，具體變動風速方案見表1。每組風速下做3次重復實驗。

1.4 實驗指標

1.4.1 濕基含水率及干燥速率的計算

(1)

表1 變動風速干燥方案參數設定

Table1Settingparametersundervaryingflowrates

方案階段風速/(L·min-1)物料含水率階梯升速Ⅰ290.96%—50%Ⅱ450%—20%Ⅲ620%—干燥終點階梯降速Ⅰ690.96%—50%Ⅱ450%—20%Ⅲ220%—干燥終點漸變升速1L·min-1開始遞增,物料含水率每變化8%,上調0.5L·min-1漸變降速6L·min-1開始遞減,物料含水率每變化8%,下調0.5L·min-1

率(%)，Gt為干燥t時刻物料的質量(g)，Gg為物料的干質量(g)，G0為物料的初始質量(g)。

干燥速率(drying rate，DR)按式(2)計算：

(2)

1.4.2 色澤的測定

每次實驗完成后，取9顆胡蘿卜顆粒作為測試樣品，將其分為3組，每組3顆，單組測量時，使用精密色差儀(CR-300X，MinoltaCameraCo.Ltd.，Japan)對其表面進行測量。色差計每次測量提供3個值：L*，a*，b*，分別代表明度、紅綠系數、黃藍系數，選取a(紅)和a/b(色調)作為胡蘿卜的顏色評價指標[11]。每顆胡蘿卜顆粒測量5次，共計測量15次，色差計自動計算取其平均值作為單組測量結果。按此方法測出3組色澤數據，將這3組數據輸入SPSSv19.0軟件內求其平均值和標準差，同時與其他實驗結果比較進行鄧肯分析，作為最終的色澤數據。

1.4.3 β-胡蘿卜素的測定

參照GB/T5009.83—2003食品中胡蘿卜素的測定以及文獻[12]測定。由試驗得出新鮮胡蘿卜的β-胡蘿卜素質量分數1.245μg·g-1。β-胡蘿卜素保留率(%)=(干制胡蘿卜片的β-胡蘿卜素質量分數×胡蘿卜干后質量)/(新鮮胡蘿卜的β-胡蘿卜素質量分數×新鮮胡蘿卜質量)×100。

2 結果與討論

2.1 穩定風速干燥實驗

2.1.1 穩定風速對微波干燥過程濕度的影響

樣品分別在2，3，4，5，6L·min-1風速下，濕度隨含水率的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，干燥過程中濕度變化可分為3個階段。以2L·min-1濕度曲線為例，AB階段為濕度上升階段，濕度先急劇上升，后緩慢上升。干燥初期，定溫干燥中物料的溫度與設定溫度相差較大，微波功率較大，物料內部的水分會快速向外溢出，濕度上升較快；后期隨著溫度的穩定，功率逐漸降低，濕度上升變慢最終達到峰值。BC階段為濕度緩慢下降階段，濕度由峰值開始降低；CD階段為濕度快速下降階段，濕度下降很快。不同風速比較可發現，風速越高，濕度越低。隨著風速的增大，空氣流動增強，流進的氣體帶走水汽的數量變多變快，濕度受其影響變低。

2.1.2 穩定風速對微波干燥特性的影響

圖3為不同穩定風速下胡蘿卜顆粒含水率隨時間的變化曲線。由圖3可知，隨著干燥時間的延長，物料的含水率不斷下降。不同排濕風速下，含水率下降快慢不同，風速越大，含水率下降得越快，干燥所用時間越短，2L·min-1時，干燥時間最長，6L·min-1干燥時間最短，兩者相差35min。由此可見，加大排濕風速可以更快地將溢出的水分帶走，縮短干燥時間，降低能耗，但其降低效果并不明顯。

由圖4可以看出，胡蘿卜穩定風速干燥過程分為3個階段。AB上升階段、BC緩慢降速階段和CD快速降速階段。微波干燥過程中，物料內的水分主要分為3種：自由水、半結合水和結合水[8]。在AB和BC階段，物料內部自由水分含量大，微波加熱導致樣品內自由水汽化，快速溢出，干燥速率較高。干燥后期進入CD階段，此階段主要去除物料內部殘余的自由水和半結合水，失水速率快速下降。在不同排濕風速下，排濕風速越大，可發現其干燥速率的峰值越大。微波干燥過程中，微波加熱使物料內部水分快速汽化，并向物料表面遷移，若表面排濕速率不夠快時，會有部分水蒸氣在表面滯留，這時干燥速率受表面排濕速率的制約。隨著風速的變大，空氣流動增強，物料表面的排濕速率增大，物料的干燥速率也就相應增大[13]。

圖2 穩定風速下濕度隨含水率的變化曲線Fig.2 Curves of humidity with moisture ratio under safe flow rates

圖3 穩定風速下含水率隨時間的變化曲線Fig.3 Curves of moisture ratio with time under safe flow rates

圖4 穩定風速下干燥速率隨含水率的變化曲線Fig.4 Curves of drying rate with moisture ratio under safe flow rates

2.1.3 穩定風速下濕度與干燥速率之間的關系

穩定風速下，濕度與干燥速率曲線都分為AB上升階段、BC緩慢下降階段和CD快速下降階段，圖5(Ⅰ～Ⅴ)分別為2～6 L·min-1風速下干燥速率和濕度隨含水率變化的雙軸圖。由圖5可以直觀地發現，濕度和干燥速率在干燥過程中同步變化，且起伏趨勢一致。風速分別為2，3，4，5，6 L·min-1時，干燥速率和濕度的相關系數依次為0.939 4，0.959 9，0.978 8，0.947 3，0.959 9，其值均大于0.9，說明兩者的相關性很高。由此可以發現，風速穩定時，冷空氣從爐內帶走濕氣的速率不變，這時濕度的變化主要取決于物料內部向空氣擴散水汽的速率即干燥速率的變化。另外風速分別為2，3，4，5，6 L·min-1時，干燥速率峰值分別為2.49%·min-1，2.86%·min-1，3.18%·min-1，3.76%·min-1，4.60%·min-1，濕度峰值分別為75.03%，70.73%，67.26%，58.18%，53.39%，兩者的峰值與風速的關系正好相反。可見穩定風速下干燥，干燥速率變化決定濕度變化，但二者的峰值同時受風速的制約。

圖5 干燥速率、濕度隨含水率變化的雙軸圖Fig.5 Curves of drying rate and humidity with moisture ratio

2.2 變動風速干燥實驗

2.2.1 變動風速條件下濕度的變化

圖6-Ⅰ為階梯升速、漸變升速和對照組2 L·min-1的濕度曲線圖。A，B兩點為階梯升速的調節點，A點風速上調后，濕度曲線出現一個短暫的上升之后快速下降，B點調節風速后，濕度以更快的速度下降。漸變升速的上升階段與2 L·min-1的對照組同步，但其緩慢下降階段被縮短，提前進入快速降濕階段。圖6-Ⅱ為階梯降速、漸變降速和對照組6 L·min-1的濕度曲線，A，B點調節風速后，濕度值上升，尤其是在A點，濕度出現了較長時間的恒定。漸變降速的濕度曲線與

圖6 變動風速下濕度隨含水率的變化曲線Fig.6 Curves of humidity with moisture ratio under varying flow rates

對照組相比，濕度曲線的上升階段被延長，濕度峰值也提高了很多。

2.2.2 變動風速條件下微波干燥特性的變化

圖7-Ⅰ為漸變升速、階梯升速和對照組2 L·min-1的含水率變化。漸變升速在A點出現拐點，A點時其含水率為50%，正好是前期風速調節點。對照圖8-Ⅰ可發現，在A點干燥速率隨著風速的增大而突然變大，后期B點干燥速率沒有明顯變化，含水率變化圖也沒有明顯拐點。漸變升速前期含水率下降較慢，后期隨著風速的逐漸增大，其下降變快。從對應的干燥速率曲線圖可以看出，干燥速率上升階段被延長，峰值增大。圖7-Ⅱ和圖8-Ⅱ為降速干燥含水率和干燥速率曲線圖，觀察階梯降速曲線圖，可發現2次調節風速后，干燥速率會降低，但下降效果并不明顯，含水率曲線與對照組6 L·min-1相比變化不大。漸變降速干燥時，其含水率變化明顯比階梯降速慢，觀察其干燥速率曲線，可發現其干燥速率上升階段被縮短，短期內快速達到峰值后開始隨著風速的降低緩慢下降。

由此可知，升速調節風速時，前期階段物料內部自由水較多，隨著風速的增大干燥速率增大，后期物料內部主要為半結合水，風速對干燥速率的影響較小。降速調節風速時，前期物料內部水分迅速汽化向外排出，降低風速后，干燥速率會下降，但其下降幅度不大。

圖7 變動風速下含水率隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of moisture ratio with time under varying flow rates

圖8 變動風速下干燥速率隨含水率的變化曲線Fig.8 Curves of drying rate with moisture ratio under varying flow rates

2.2.3 變動風速條件下濕度與干燥速率關系的變化

通過前述分析可發現，升速干燥方案中，前期干燥速率隨著風速的增大而增大，但其濕度曲線與對照組相差不大。降速干燥方案中，物料的濕度曲線出現了較長時間的高濕，但其干燥速率曲線受風速影響較小。風速的調節控制微波爐內水汽流失的速度，干燥速率的變化影響微波爐內水汽增加的速度，二者對濕度的影響正好相反。升速干燥中，二者同時增大，故濕度變化不大；降速干燥中，風速降低，干燥速率無明顯變化，故濕度曲線出現較長時間的高濕，但其濕度峰值較低。故變動風速下，濕度曲線受風速和干燥速率變化的共同影響，風速的改變對其影響較大。

2.3 排濕風速對干制品品質的影響

2.3.1 對色澤的影響

干燥產品的色澤是產品品質的重要指標之一，其色澤越接近新鮮的胡蘿卜，越容易被消費者接受。新鮮胡蘿卜的a和a/b值均比較高，因此，在本實驗中認定a和a/b值越高，其色澤的干后品質越高。如表2所示，排濕風速變化對胡蘿卜的色差有影響。排濕風速為3 L·min-1和階梯升速時，其色差與鮮樣變化不大，色澤較好；效果最差的是5，6 L·min-1。其色澤不被接受的主要原因是風速過大，濕度過低，相應的干燥速率過大，物料已經出現糊化。可見排濕風速過大或過小都不好，過大容易出現焦糊；過小干燥時間變長，物料風味物質流失較多，顏色變淡。階梯降速和漸變降速的干燥時間與5，6 L·min-1相差不大，但其色澤優于后兩者。分析原因，降速調節風速時，出現一段時間的高濕，對物料表面形成了一種保護，提高了其色澤品質，但其濕度整體峰值不大，干燥速率較快，所以其色澤與新鮮胡蘿卜之間仍有較大差距。

2.3.2 對胡蘿卜素保留率的影響

胡蘿卜素含量在所有風速調節方案中，略有變化，但并不明顯，穩定風速時，隨著風速的上升略有增加。主要原因可能是排濕風速增加加快了干燥過程，減少了對胡蘿卜素的破壞。風速過大后，其含量又略微下降，可能是因為風速過大，樣品內的水分快速溢出造成細胞壁破裂嚴重，形成較大的孔道。孔道大有利于水分散發，從而提高干燥速率；但物料中的風味物也會脫離嚴重，同時細胞壁的破裂嚴重會引起樣品微觀結構塌陷，造成組織萎縮，從而使孔道消失，反而不利于水分散發，并容易發生物料糊化，從而造成β-胡蘿卜素的氧化降解，導致β-胡蘿卜素的保留率略有下降。

表2 胡蘿卜色澤及胡蘿卜素保留率比較

Table 2 Comparison in color and carotene of carrots

干燥方案a(紅色)a/b(色調)胡蘿卜素保留率/%鮮樣35.68±0.45a56.17±0.25a—2L·min-132.63±0.45ab51.42±0.92ab40.11±0.21b3L·min-133.10±0.75a53.21±0.56a42.42±0.32ab4L·min-130.23±0.56b48.33±0.87b43.12±0.14a5L·min-124.72±1.87c43.71±1.12c42.15±0.78ab6L·min-123.73±1.12c39.59±0.99c41.16±0.89ab階梯升速33.98±0.98a53.13±0.12a44.12±0.45a漸變升速29.86±0.77b49.47±0.28b41.56±0.52ab階梯降速26.08±1.88bc41.69±1.67bc42.47±0.94ab漸變降速28.25±0.77b48.40±0.78b42.55±0.11ab

注：同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。“—”表示無此項指標。

兼顧色澤和胡蘿卜素保留率，可發現70 ℃定溫干燥，階梯升速處理干后品質最優，階梯升速前期風速較低，干燥速率低，可減少風味物質和胡蘿卜素的流失，提高其色澤品質，后期風速增大，干燥速率增大，減少了能耗和干燥時間。階梯升速是分段調節風速，控制簡單，利于工業應用。

3 結論

(1)排濕風速對微波干燥過程中的濕度有直接的影響。穩定風速干燥，濕度曲線主要分為3個階段：上升階段、緩慢下降階段和快速下降階段。風速越大，濕度峰值越小。變動風速干燥中，升速變動風速對濕度的影響較小；降速變動風速中，濕度會有一個較大幅度的延伸和減緩。

(2)排濕風速對干燥速率有直接的影響。穩定風速干燥時，風速越大，干燥速率越大。變動風速干燥，干燥前期和中期風速上升對干燥速率影響較大；降速干燥時，干燥速率會跟隨風速的降低而變小，但其變化并不明顯。

(3)穩定風速時，爐內濕度的變化由干燥速率決定，其峰值由風速決定。變動風速時，濕度的變化由干燥速率和風速共同決定。

(4)排濕風速對干后品質影響較為明顯。穩定風速干燥中，風速為3 L·min-1時，其干后品質較好。變動風速干燥中，階梯升速方案，前期干燥速率低，減少了風味物質和胡蘿卜素的流失，中期干燥速率提高，縮短干燥時間、降低能耗，并且其控制方式較為簡單，可應用于工業生產中。

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(責任編輯 高 峻)

Effect of flow rate on humidity and drying characteristics in microwave drying process

HUI Ju1， LI Zhen-feng1，2，*，LI Jing1，2， XU Wan-xiu1

(1.SchoolofMechanicalEngineering，JiangnanUniversity，Wuxi214122，China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology，Wuxi214122，China)

The effect of flow rate on humidity， drying rate and product quality in microwave drying process was studied under 5 kinds of safe flow rates and 4 types of varying flow rates. The results showed that the flow rate had a significant effect on humidity， drying rate and product quality. The smaller the flow rate was， the higher the humidity was， but the lower the drying rate was， and the product quality was relatively better. Under varying flow rates， the results need to be discussed separately. If the flow rate was increased， the curve of the drying rate was affected obviously， especially in the early and middle stages. If the flow rate was decreased， the humidity would go up obviously or keep stable. In addition， the drying rate would slightly go down， but the effect was not obvious. The quality of carrots was the best when the flow rate was increased stepwise， in which the drying rate was low in the early stage and then rose up stepwise in the middle stage. Besides， the experiments also showed a relationship between the humidity and drying rate. If the flow rate was safe， the humidity was determined by the drying rate. Two curves of humidity and drying rate rose up or fall down synchronously. Under varying flow rates， the humidity and drying rate no longer varied synchronously， and the humidity depended on the combined effect of flow rate and drying rate.

flow rate; microwave drying; humidity; drying rate; quality

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.06.25

2015-09-21

國家自然科學基金資助項目(21206051)；江蘇省產學研聯合創新資金資助項目(BY20130155-22)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_1158)

惠菊(1991—)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生，從事食品微波干燥研究。E-mail：h1246722755@163.com

*通信作者，李臻峰，E-mail：Fhzm2009@outlook.com

TS201.1

A

1004-1524(2016)06-1061-08

惠菊，李臻峰，李靜，等. 排濕風速對微波干燥過程濕度及其干燥特性的影響[J]. 浙江農業學報，2016，28(6)： 1061-1068.