馬蹄濕淀粉微波間歇干燥特性及其動力學研究

唐小閑，段振華，劉艷，湯泉，陶勝達，羅楊合

（1.賀州學院食品科學與工程技術研究院/廣西馬蹄加工工程技術研究中心，廣西賀州542899；2.賀州學院化學與生物工程學院，廣西賀州542899；3.賀州學院理學院，廣西賀州542899；4.大連工業大學食品學院，遼寧大連116034）

馬蹄濕淀粉微波間歇干燥特性及其動力學研究

唐小閑1，2，4，段振華1，4，*，劉艷1，湯泉2，陶勝達3，羅楊合1

（1.賀州學院食品科學與工程技術研究院/廣西馬蹄加工工程技術研究中心，廣西賀州542899；2.賀州學院化學與生物工程學院，廣西賀州542899；3.賀州學院理學院，廣西賀州542899；4.大連工業大學食品學院，遼寧大連116034）

以馬蹄濕淀粉為對象進行微波間歇干燥試驗，研究了不同功率、不同裝載量、不同加熱時間和間歇時間對干燥速率的影響。結果表明，馬蹄濕淀粉在微波間歇干燥過程中呈現出加速、恒速和降速3個階段；相對于微波功率、裝載量和加熱時間，間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。通過5種經典的干燥模型擬合分析，發現馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學模型滿足Page方程MR=e-ktn，模型預測值與試驗值擬合良好。

微波；馬蹄濕淀粉；干燥特性；動力學

馬蹄（學名Heleocharis Tuberose Schult），又名荸薺、地栗、烏芋、鳧茨、通天草，屬莎草科荸薺淺水性宿根草本植物[1]。我國現有馬蹄種植面積超過50萬畝，馬蹄產量占全球的95%，年總產量80萬噸以上，且70%的產量在廣西桂東北地區。生產上，根據馬蹄的組成和用途，將馬蹄分為粉馬蹄和果馬蹄兩大類。粉馬蹄中含大量的淀粉，加上低聚糖和單糖，占干重的86%以上，此外，馬蹄含豐富的維生素、植物蛋白、磷質等[2]。馬蹄經加工制成淀粉，可沖調食用，可作為食品粘合劑、增稠劑、穩定劑、懸浮劑和改良劑，也可用作釀造、制藥、變性淀粉等工業加工的原輔料，還作為改善某些擠壓膨化食品的沖調劑，應用廣泛。

目前馬蹄淀粉制造過程中，多數企業通過燃燒木材、煤炭產生熱量，加熱空氣來實現馬蹄濕淀粉的干燥，甚至少數企業通過傳統的自然晾曬來干燥，這些生產方式不僅干燥效率低，衛生指標難達到要求，進而馬蹄淀粉產品品質。而微波干燥具有獨特的加熱特性，如穿透力強、選擇性加熱、熱慣性小、干燥速度快、節能高效、高度保持食品原有的營養成分及色、香、味、形等優點[3-5]，清潔生產符合環保要求以及易于實現自動控制的特點，因而在農產品加工及食品工業中應用越來越廣泛。近十年來，國內外就有不少關于微波干燥農產品的研究，微波干燥已應用到鳙魚[6]、羅非魚[7]、銀杏果[8]、萵筍[9]、蘆筍[10]、黃秋葵[11]、松花粉[12]及板栗淀粉[13]等加工領域，但未見在馬蹄淀粉加工中的研究及應用。

微波間歇干燥，在微波停止加熱時間內，內部熱量填補表面蒸發消耗的能量，使物料內部溫度降低、溫度梯度減小，為物料內部水分的重新分配提供了時間，因而能有效防止過熱或燒傷，保證產品品質[14]。本研究以馬蹄濕淀粉為對象，研究馬蹄濕淀粉的微波間歇干燥特性，利用干燥方程構建馬蹄濕淀粉的動力學模型，以期為馬蹄濕淀粉微波間歇干燥工藝的研究提供理論依據，促進傳統馬蹄淀粉加工業的技術進步和產品品質的提高。

1材料與方法

1.1材料

粉馬蹄：購于賀州市農貿市場。選擇個體完整、大小均勻、無機械損傷的新鮮粉馬蹄，作為制備馬蹄濕淀粉的原料。

1.2主要儀器

G80D20CN1P-D2（S0）微波爐：廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；DHG-9240A電熱鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；BSA124S分析天平：德國賽多利斯；MA150水分測定儀：北京賽多利斯儀器系統有限公司。

1.3方法

粉馬蹄經清洗去皮，破碎勻漿，過濾、離心后制成馬蹄濕淀粉，測得初始平均干基含水率為69.64%，設定不同功率（140、280、420W），不同裝載量（0.05、0.075、0.1 kg），在不同加熱時間（0.5、1、1.5min），不同間歇時間（0.75、1、1.25min），進行馬蹄濕淀粉微波間歇干燥。試驗中，在每個間歇時間點測定并記錄樣品重量。

1.3.1水分測定

按照GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》進行。

1.3.2水分比測定

參照文獻[15-16]方法進行。

1.3.3干燥模型擬合

根據國內外學者近年在農產品物料方面的研究，篩選了如表1所示的5種經典干燥模型進行馬蹄濕淀粉干燥模型擬合。這五種干燥模型均為非線性模型，為了計算方便進行了線性化處理。

表1 常用的干燥數學模型Table1 Used dryingm athematicalm odels

1.4數據分析

每次試驗做3組平行，試驗結果取3組平均值；采用軟件origin 7.5、EXCELL 2010和SPSS19.0進行數值分析。

2結果與分析

2.1微波功率對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖1、圖2分別是不同微波功率的馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖1 不同微波功率下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.1 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowavepower

圖2 不同微波功率下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowave power

由圖1可知，在裝載量、加熱時間和間歇時間恒定下，微波功率越大，干燥曲線越陡峭，所需干燥時間越短，功率為420、280、140W時，干燥時間分別為26、38、108min。由圖2可知，馬蹄濕淀粉微波間歇干燥過程分加速，恒速和降速3個階段，符合干燥的一般規律。干燥速率是指單位時間內在單位干燥面積上汽化的水分量[17]，微波功率越大，物料吸收的微波能越多，汽化的水分量越大，干燥速率越大，加速、恒速、降速階段耗時越短；在干燥初期，物料含水率比較大，干燥速率加速極為迅速；恒速階段，微波功率越大，干燥速率越大，經歷的時間越短。在恒速階段，當物料干基含水在30%～55%時，干燥速率大小排序應對的微波功率分別為420、280、140W。在降速階段，隨著物料含水率降低，其對微波能吸收能力也降低[18]，干燥速率明顯下降。因此，在一定微波功率范圍內，可通過增大微波功率來提高物料干燥速率。

2.2裝載量對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖3、圖4分別是不同裝載量的馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖3 不同裝載量下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.3 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different loadage

由圖3可知，在微波功率、加熱時間和間歇時間恒定下，隨著物料裝載量增大，物料含水率下降緩慢，干燥曲線斜率越大，干燥時間越長。物料裝載量分別為0.05、0.075、1.0 kg的干燥時間為38、54、66min。由圖4可知，物料裝載量越大，加速、恒速、降速階段的干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢；反之，裝載量越小，加速、恒速、降速階段的干燥速率變化越劇烈，含水率下降越迅速。其原因主要是在一定微波功率下，物料的裝載量越大，總含水量越大，單位質量水分所吸收的微波能越小[19]，干燥時間越長。

圖4 不同裝載量下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch atdifferent loadage

2.3加熱時間對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖5、圖6分別是不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖5 不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.5 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

圖6 不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.6 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

由圖5可知，在微波功率、裝載量和間歇時間恒定下，加熱時間對干燥過程有較大影響，加熱時間為0.5min時，所需干燥時間為79.5min，干燥進程緩慢，尤其干燥后期表現得很平緩；而隨著加熱時間的增大，干燥曲線越趨陡峭，干燥時間縮短。微波加熱時間分別為1.0min和1.5min時，干燥時間僅需38min和37.5min，是微波加熱0.5min干燥時間的1/2。但微波加熱1.0min和1.5min所需干燥時間相差不明顯。由圖6可知，不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線也呈現出加速、恒速和降速3階段。微波加熱時間越長，干燥速率升速、降速越快，物料脫水量越大，含水率下降越快，干燥時間越短。

2.4間歇時間對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖7、圖8分別是不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖7 不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.7 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

圖8 不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.8 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

由圖7可知，不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線具有干燥曲線的典型特性：物料在相同的初始含水率下，含水率隨著干燥時間延長而顯著下降。不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線，含水率在69.64%～15%時線型變化很相似；間歇時間短的干燥曲線較陡，含水率下降較快，干燥時間較短，而間歇時間較長的干燥曲線變得平緩，含水率下降緩慢，干燥時間延長。由圖8可知，間歇時間越短，加速階段干燥速率上升越快，恒速階段干燥速率越大，降速階段干燥速率下降越快。由于微波作用時瞬間將微波能轉化為熱能，其升溫迅速。采用微波間歇干燥，在間歇時段內，物料內部熱量可供給與補充表面蒸發消耗的能量，從而使其內部溫度在一定范圍內上下波動，溫度梯度減小，為物料內部水分的重新分布及向外擴散提供了時間[8]，從而能有效防止過熱或焦化，保證干燥品質。而采用微波連續加熱時，雖然物料在短時間達到脫水效果，但干燥過程升溫過快，易超過其耐熱溫度而影響產品質量[14，20]。從圖7可看出，曲線相隔距離較小，說明間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。

3馬蹄淀粉微波間歇干燥干燥動力學模型

3.1馬蹄淀粉干燥適用模型確定

在表1中Newton、Henderson-Pabis和Lagarithmic模型的-ln MR-t均為線性關系，因此首先驗證二者在馬蹄濕淀粉干燥過程的相關性；根據物料干燥過程水分比的變化，繪制不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下的-ln MR-t曲線圖，如圖9～圖12。

圖9 不同微波功率下-ln MR-t的關系Fig.9 Relationship between-ln MR and t at differentm icrowave power

圖10 不同裝載量下-ln MR-t的關系Fig.10 Relationship between-ln MR and t at different loadage

圖11 不同加熱時間下-ln MR-t關系Fig.11 Relationship between-ln MR and t atdifferentheating tim e

圖12 不同間歇時間下-ln MR-t的關系Fig.12 Relationship between-ln MR and t at different interm ittent time

由圖9～圖12可知，微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下-ln MR-t是非線性關系，說明這3種模型不適合馬蹄濕粉微波間歇干燥動力學模型的建立。

將Wang-Singh和Page模型進行擬合，圖13～圖16分別為不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下MR－t的二次曲線，圖17～圖20分別為不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下ln（-ln MR）-ln t曲線圖。

圖13 不同功率下MR－t的二次曲線Fig.13 Second curvesof MR and t at differentm icrowavepower

圖14 不同裝載量下MR－t的二次曲線Fig.14 Second curvesof MR and t at different loadage

圖15 不同加熱時間下MR－t的二次曲線Fig.15 Second curvesof MR and t at differentheating time

圖16 不同間歇時間下MR－t的二次曲線Fig.16 Second curvesof MR and t at different interm ittent time

圖17 不同微波功率下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.17 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentm icrowave power

由圖13～圖16可知，相關變量下MR-t的二次曲線是非線性關系，則Wang-Singh模型也不適合馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學模型的建立。由圖17～圖20可知，相關變量下ln（-ln MR）-ln t呈線性關系，Page模型可以描述馬蹄濕淀粉微波間歇干燥的過程，故選用ln（-ln MR）=ln k+nln t作為馬蹄濕淀粉微波干燥動力學模型。

圖18 不同裝載量下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.18 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at different loadage

圖19 不同加熱時間下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.19 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentheating time

圖20 不同間歇時間下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.20 Curvesof ln（-ln MR）and ln t atdifferent interm ittent time

式中：P為微波功率，W；L為裝載量，kg；T1為加熱時間，min；T2為間歇時間，min；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j為待定系數，可得到：

ln（-ln MR）=a+b P+c L+d T1+e T2+（f+g P+h L+i T1+j T2）ln t

對試驗數據進行多元線性回歸，求得方程線性擬合各待定系數，計算結果見表2。

表2 馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學模型Table2 The kineticsmodelofwater chestnutwet-starch by interm ittentm icrowavepower

F=1 366.31，P＜0.000 1；表明所求得的回歸方程顯著；復測定系數R2=0.975 6，說明模型的按擬合效果良好，試驗誤差較小。所得回歸方程：ln（-ln MR）=-3.909 0+0.002 0P-38.155 3L+0.272 1 T1+0.476 7 T2+（0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4 T1-0.601 8 T2） ln t，即MR=e-ktn，其中n=0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。

3.2馬蹄濕淀粉干燥動力學模型的檢驗

為了進一步檢驗回歸模型的準確度性，選擇試驗中一組數據進行驗證：設定功率280W，裝載量0.05 kg，加熱時間1min，間歇時間分別為1min。由Page模型在此條件下進行預測，模型預測值與該組試驗值進行作比較，結果如圖21所示。

圖21 相同條件下試驗值與擬合值的比較Fig.21 Comparison between experim entaldata and p redicted data at sam e condition

由圖21可知，Page模型預測值與試驗值基本擬合，說明Page模型能夠作為馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學模型，利用此模型可較準確地反映馬蹄濕淀粉在不同干燥條件下的干燥規律，對其干燥過程可起到較好的預測作用。

4結論

馬蹄濕淀粉微波間歇干燥過程呈現出明顯的加速、恒速和降速3個階段，微波功率越大、加熱時間越長，干燥速率越大，物料脫水量越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速階段耗時越短；料裝載量越大、間歇時間越長，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢，干燥時間越長。相對于微波功率、裝載量和加熱時間，間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。

通過五種經典的干燥模型擬合分析，發現馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學模型滿足Page方程：MR=0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。該模型可以用于預測馬蹄濕淀粉微波干燥過程中的水分變化情況。

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Research of Interm ittent M icrowave Drying Properties and K inetic M odel ofW ater ChestnutW et-starch

TANGXiao-xian1，2，4，DUANZhen-hua1，4，*，LIUYan1，TANGQuan2，TAOSheng-da3，LUOYang-he1
（1.Instituteof Food Scienceand Engineering Technology/GuangxiWaterChestnutProcessEngineering Technology Research Center，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；2.College ofChemicaland Biological Engineer，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；3.SchoolofScience，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；4.Schoolof Food Scienceand Technology，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，Liaoning，China）

Thewater chestnutwet-starch as the research object，the intermittentmicrowave drying experiments were conducted，Effects of differentmicrowave power，loadage，heating time and intermittent time on drying speed were investigated.Resultsshowed that：the intermittentmicrowave drying processofwater chestnutwetstarch presenting acceleration，constant rate，and falling rate three stages.Compared with themicrowave power，loadageand heating time，the intermittent time had littleeffecton themicrowave drying rateofwater chestnut starch.Itwas found that through the fitting analysis of five classical dryingmodels，the dynamicmodel of water chestnutwet-starch intermittentmicrowave drying satisfies the Page equation and MR=e-ktn.The predicted valueof themodel is in good agreementwith theexperimentaldata.

microwavedrying；waterchestnutwet-starch；dehydration characteristics；kineticmodel

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.05.004

2016-11-17

廣西特色果蔬深加工與保鮮技術研究（YS201601）；賀州學院“果蔬深加工與保鮮團隊建設”項目（YS201602）；廣西特聘專家專項經費（廳發[2016]21號）

唐小閑（1984—），女（漢），研究實習員，在讀研究生，研究方向：食品加工新技術。

*通信作者：段振華（1965—），男（漢），教授，碩導，博士，研究方向：現代食品加工新技術研究。