熱風微波耦合干燥牛蒡溫度梯度研究

宋飛虎，周洪梅，李臻峰，李 靜

(江南大學 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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熱風微波耦合干燥牛蒡溫度梯度研究

宋飛虎，周洪梅，李臻峰*，李 靜

(江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

熱風微波耦合干燥是延長牛蒡貨架期的有效手段。在熱風微波耦合干燥過程中，物料因受到微波與熱風的共同作用，表面及中心存在一定的溫差，從而產生相應的溫度梯度。為了揭示這一溫度梯度的影響，通過溫控系統分別調節牛蒡表面及中心的溫度，形成不同的溫度梯度，測定其各自的干燥速率及干后品質。結果顯示，干燥速率并不隨著溫度梯度單調變化。改變溫度梯度，當干燥速率最大時，由于干燥過程中樣品結構遭到破壞，產品的質量較低。為了進一步改進干燥過程，提出控制策略，在干燥過程中合理改變溫度梯度，以兼顧干燥效率及產品質量。

熱風微波耦合；溫度梯度；牛蒡；水蒸氣擴散

熱風微波耦合對物料進行干燥時，物料表面處溫度將同時受到熱風對流換熱的影響，并因熱風參數的不同，樣品內會形成不同的溫度梯度，從而改變水蒸氣分壓力梯度，造成水蒸氣向外擴散的驅動力發生變化。在本研究檢索范圍內，并未發現針對熱風、微波耦合干燥中樣品內溫度梯度及不同溫度梯度對干燥過程影響的報道，為此，特以牛蒡為物料，對熱風微波耦合干燥過程中溫度梯度的影響進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮牛蒡，采購于徐州益順康牛蒡種植基地，直徑10～20mm，無空心、腐爛等現象，清洗去須后置于1℃冰箱儲藏備用[1]。

微波熱風耦合干燥設備，實驗室自制，詳細結構和工作原理見文獻[2]；迷你電子秤，永康市艾瑞貿易有限公司。

1.2 試驗設計

1.2.1 牛蒡熱風微波耦合試驗

選取無空心新鮮牛蒡，去皮后切為6mm厚的片狀備用，用電子秤稱取30g放入熱風微波耦合干燥系統進行干燥，物料內部溫度分別設定為55、65、75℃，熱風溫度分別設定為30、40、50、60℃，當牛蒡含水率下降到15%(濕基)時停止干燥。

1.2.2 兩段變溫法優化牛蒡熱風微波耦合干燥工藝

采用單一熱風溫度進行干燥時，前期過快的干燥速率會導致牛蒡內部孔隙變大，一些揮發性物質會在干燥過程中隨著水蒸氣排出，導致干燥后牛蒡的品質變劣，為了兼顧干燥速率和干燥品質，采用兩段變溫法對牛蒡進行熱風微波耦合干燥，分別控制物料內部溫度為75、65℃，在轉換點對物料內部溫度的設定值或者熱風溫度進行調整。在每種內部溫度條件下均分別設置4個處理：處理1，熱風溫度維持在40℃；處理2，熱風溫度維持在60℃；處理3，熱風溫度在轉換點從60℃立即降到40℃；處理4，熱風溫度從初始60℃至轉換點逐漸降到40℃。溫度的轉換點為干燥牛蒡過程中自由水和結合水的轉換點，根據試驗情況，干基含水率為1.3左右時為轉換點。

1.3 指標測定

1.3.1 含水率

牛蒡初始含水率采用文獻[3]中的常壓干燥法測得，計算公式為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，D.b表示干基含水率，W.b表示濕基含水率，mw表示物料中水的質量(g)，md表示物料中干物質的質量(g)，m表示物料初始質量(g)。

1.3.2 干燥速率

牛蒡的干燥速率計算公式為：

(3)

式(3)中，DR表示牛蒡的干燥速率(g·g-1·min-1)，Δt表示t1與t0(t1>t0)時間差(min)，D.b(t0)和D.b(t1)分別表示牛蒡t0和t1時刻的干基含水率(g·g-1)。

1.3.3 色差

用NR10QC色差儀測量干燥前后樣品的色差，L、a、b值分別表示亮度、紅綠、黃白值。用△E表示干燥前后的色差值，計算公式為：

(4)

式(4)中：L0、a0、b0分別表示干燥前參數值；L1、a1、b1分別表示干燥后參數值。

1.3.4 復水比

將干燥后的牛蒡稱量后放入80℃的水浴鍋中復水30min，濾干表面水分后再次進行稱量，復水比計算公式為：

(5)

式(5)中，R表示復水比，mf表示復水后牛蒡質量，md表示干燥后牛蒡質量。

1.3.5 β-胡蘿卜素保留率

采用國標GB/T 5009.83—2003中的高效液相色譜法測定物料中胡蘿卜素含量[4]。

1.4 數據分析

使用Excel 2013和SPSS 20.0進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 干燥曲線、干燥速率分析

由牛蒡熱風微波耦合干燥曲線圖(圖1)可以看出，控制相同的物料內部溫度時，當熱風溫度相同時，干燥耗時并不相同。當物料溫度為75℃時，隨著熱風溫度的升高，干燥耗時并不是逐步減小的，當熱風溫度為40℃時，干燥耗時最短，當熱風溫度為60℃時，干燥耗時最長，較高和較低的熱風溫度都會增加牛蒡的干燥耗時，這可能是因為熱風微波耦合干燥時，合適的物料內外部溫差會促進干燥過程的進行，相反則會阻礙干燥過程的進行。隨著物料內部溫度的提高，干燥耗時是逐漸減少的，物料內部溫度對干燥過程起到主導作用，不同的熱風溫度雖然可以減少干燥耗時，但是其對干燥過程的影響小于物料內部溫度。

圖2為控制物料內部溫度為75℃時干燥后的牛蒡內部顯微鏡放大圖?？梢钥闯觯敓犸L溫度為40℃時，干燥后物料的內部孔隙最大。這是因為控制熱風溫度為40℃時，干燥前期干燥速率過快，大量的水蒸氣從內部蒸發出來，由于牛蒡是多孔介質，內部的導管被大量的水蒸氣撐大，甚至產生了碎裂的現象。熱風溫度為30℃和50℃時，牛蒡內部孔隙略小于熱風溫度為40℃時的情況，但是比熱風溫度60℃時要大。

A、B、C物料內部溫度分別為55、65、75℃The core temperature in A，B，C was 55，65and 75℃，respectively

A、B、C、D為當物料內部溫度為75℃，熱風溫度分別為30、40、50、60℃時牛蒡干燥后的產品掃描電鏡結果A，B，C，D showed the SEM photos of burdock dried with 30，40，50，60℃ hot air temperature，respectively，when core temperature was 75℃

圖3為熱風微波耦合干燥牛蒡的干燥速率曲線圖，由于控制了物料的內部溫度，物料存在一段較長的升溫時間，這段時間內干燥速率是逐漸增加的，所以整個干燥過程物料的干燥速率呈倒V型，當物料干基含水率在1.8～2.0時，物料的干燥速率最快。在干燥速率上升階段(對應干基含水率為3.2～2.0)，物料中的自由水(也含有部分結合水)吸收微波能快速蒸發排出，干燥過程進行十分迅速，但是隨著干燥過程進行，當自由水蒸發殆盡后，物料中剩下的結合水較難蒸發，導致隨后一個階段(對應干基含水率為1.8～0.1)物料的干燥速率逐漸下降，直至干燥結束。

A、B、C物料內部溫度分別為55、65、75℃The core temperature in A，B，C was 55，65and 75℃，respectively

2.2 品質分析

2.2.1 色差

熱風微波耦合干燥牛蒡的色差值如圖4所示?？梢钥闯?，在相同的物料內部溫度條件下，當熱風溫度為40℃時，牛蒡的色差值ΔE較大，當熱風溫度為50℃或者60℃時，色差值最小。隨著物料內部溫度的增大，干燥后牛蒡的色差值不是同步減小的。這是因為較低的物料內部溫度干燥較慢，牛蒡暴露在空氣中的時間也會增加，容易發生美拉德反應，產生非酶褐變，影響牛蒡的色差，而較高的物料內部溫度又會導致物料干燥過快，發生色素聚積在表面的現象[5]。

2.2.2 復水比

熱風微波耦合干燥后牛蒡的復水比如圖5所示。在相同的物料內部溫度條件下，當熱風溫度為40℃時，復水比最小。這是因為過快的干燥速率使得牛蒡內部的導管孔隙被大量的水蒸氣撐破，干燥后的牛蒡吸水性變差。隨著物料內部溫度的增加，牛蒡的復水比也逐漸增加，干燥后的牛蒡內部導管孔隙保留得越完整，復水比就越高。

圖4 熱風微波耦合干燥后牛蒡的色差值Fig.4 Color measurements of the products dried by combined microwave and hot air

圖5 熱風微波耦合干燥后牛蒡的復水比Fig.5 Rehydration ratios of the products dried by combined microwave and hot air drying

2.2.3 β-胡蘿卜素保留率

β-胡蘿卜素性質不穩定，干燥溫度過高或干燥時間過長都會導致其分解。干燥后牛蒡β-胡蘿卜素保留率如圖6所示。物料內部溫度為55℃時，由于干燥耗時很長，β-胡蘿卜素保留率較低，尤其是當熱風溫度為40℃時，β-胡蘿卜素保留率最低。物料內部溫度為65℃和75℃時，β-胡蘿卜素保留率相差較小。當物料內部溫度為65℃、熱風溫度為50℃時，β-胡蘿卜素保留率最高，為53.7%。

2.3 兩段變溫法牛蒡熱風微波耦合干燥的干燥特性

圖7所示為樣品內部溫度分別為65、75℃時兩段變溫法下的干燥曲線。若在干燥過程中將熱風溫度由60℃逐漸降到40℃(處理4)，干燥耗時介于恒定熱風溫度的2個過程(處理1、處理2)之間。這是因為控制熱風從60℃變到40℃過程中，物料內外部溫差逐漸增大，干燥速率也逐漸增加，從而導致耗時減少。從圖8可以看出，干燥過程中熱風溫度由60℃逐漸變到40℃，可以明顯提高產品質量。這是因為干燥前期，使用60℃熱風可以有效地降低過程中干燥速率的最大值，從而避免較大的干燥速率對樣品結構的破壞[6]。

圖6 熱風微波耦合干燥后牛蒡的β-胡蘿卜素保留率Fig.6 Retention ratios of beta carotene in the products dried by combined microwave and hot air drying

圖7 物料內部溫度分別為65℃(A)和75℃(B)時各處理條件下的干燥曲線Fig.7 Drying curves for different treatment under 65℃ (A) or 75℃ (B) core temperature

考慮到熱風溫度隨著干基含水率下降同步下降的控制過程較為復雜，為方便控制，干基含水率低于1.35，設定熱風溫度為60℃，干基含水率高于1.35，維持40℃熱風直至干燥結束(處理3)，這種控制方式的干燥耗時小于處理2，干燥品質也較好(圖8)，兼顧了干燥速率和干燥品質，同時控制較為簡單，此種控制方式適合對牛蒡熱風微波耦合干燥過程的控制。

圖8 不同處理對干后品質的影響Fig.8 Effect of different temperature on quality of dried products

3 討論

熱風微波耦合干燥牛蒡過程中，物料內外部的溫度差對干燥過程有著重要的影響。本研究發現，在干燥過程中分別將這兩個溫度保持在不同的恒定值，當溫差較小時，物料內外部水蒸氣濃度梯度較小，遷移過程緩慢；當溫差較大時，容易產生“結露”現象，也會阻礙干燥過程。這是因為：熱風微波耦合干燥過程中，物料吸收微波的能量并轉化成熱能后，內部的液態水變成水蒸氣，一般認為，物料內部的水蒸氣是處于飽和狀態的，即相對濕度為100%，所以此時的水蒸氣壓力和所處的環境溫度相關，隨著溫度的升高，飽和水蒸氣分壓也在不斷上升。根據道爾頓分壓定律，如果物料內部某處水蒸氣分壓越大，則該處水蒸氣摩爾濃度也就越大。水蒸氣濃度差的存在驅動水蒸氣的遷移，濃度差的大小則決定了遷移速度的快慢。以控制物料內部溫度為75℃為例，當熱風溫度為40℃時，物料內部溫度與外表面空氣溫度溫差為35℃，而且溫差與物料水分濃度差方向相同，加快了物料干燥的進程，物料的干燥耗時最短。當熱風溫度為50℃和60℃時，一方面由于物料內外部溫度差較小，造成水蒸氣排出困難，另一方面，由于過熱的熱風將物料表面的水分干掉后會使物料表面導管孔隙收縮，在表面形成板結，所以干燥耗時較40℃熱風有所增加。當熱風溫度為30℃時，物料內部溫度與物料表面空氣溫度溫差為45℃，理論上干燥速度應該更快，但是由于較低的空氣溫度會使水蒸氣分壓降低，物料內部蒸發出來的水分部分重新在物料表面凝結，沒有離開物料表面，導致物料內外水分濃度差降低，反而阻礙干燥過程的進行，所以物料的干燥耗時比熱風溫度為40℃時耗時變長。

本研究還發現，若樣品內部溫度保持不變，隨著熱風溫度的變化，干燥速率并非單調變化，而是在40℃左右時存在最大值，但是干燥速率較大，會對樣品結構造成破壞，從而降低產品質量。為了兼顧干燥效率及產品品質，在干燥過程中合理調節熱風溫度，使之從60℃逐步改變到40℃，可以在干燥初期避免因干燥速率峰值過大對樣品造成的破壞，又可在干燥后期提升速率，有效縮短耗時，且由于此時干燥速率的絕對值較小，故不致破壞樣品結構，干后產品質量較優。

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JI F, LI Z F, LI J, et al.Research on characteristics of combined microwave-hot air drying of burdock based on temperature control[J].ScienceandTechnologyofFoodIndustry, 2015, 36(20): 284-288.(in Chinese with English abstract)

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[5] 王靜, 胡秋輝, 辛志宏.真空微波與熱風聯合干燥蒜片的工藝研究[J].食品工業科技, 2011, 32(8): 280-283.

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DI Q Q.Study on microwave enhancing flowing and mass transfer inside matrix of plant porous materials [D].Tianjin: Tianjin University, 2009.(in Chinese with English abstract)

(責任編輯 高 峻)

Study on temperature gradient for coupled hot air and microwave drying of burdock

SONG Fei-hu，ZHOU Hong-mei，LI Zhen-feng*，LI Jing

(JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology，JiangnanUniversity，Wuxi214122，China)

Combined microwave-hot air drying is a potential method to extend the shelf life of burdock.During combined microwave-hot air drying，there is a temperature gradient between the hotter center and the colder surface inside the sample.In order to investigate the effect of the temperature gradient，drying processes with fixed core and hot air temperatures were carried out，and the drying rate and quality of dried product were analyzed.It was found that the drying rate did not change monotonously as the temperature gradient increased.When the drying time was the shortest，the product quality was poor due to the high drying rate.To further improve the drying process，temperature gradient control strategy was proposed for drying process.With this strategy，drying efficiency and product quality could be balanced.

microwave-hot air combined drying; temperature gradient; burdock; vapor diffusion

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.11.20

2016-02-22

國家自然科學基金資助項目(51406068)

宋飛虎(1986—)，男，江蘇無錫人，博士，副教授，主要從事食品微波干燥研究。E-mail: 352151043@qq.com

*通信作者，李臻峰，E-mail: 352151043@qq.com

TS234.3

A

1004-1524(2016)11-1934-07

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis，2016，28(11): 1934-1940

http://www.zjnyxb.cn

宋飛虎，周洪梅，李臻峰，等.熱風微波耦合干燥牛蒡溫度梯度研究[J].浙江農業學報，2016，28(11)： 1934-1940.