微波干燥過程中蘋果切片的熱質傳遞分析

王美霞，劉斌，王超，吳子健

（1.天津商業大學機械工程學院，天津市制冷技術重點實驗室，天津300134；2.天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津300134）

微波干燥過程中蘋果切片的熱質傳遞分析

王美霞1，劉斌1，王超1，吳子健2

（1.天津商業大學機械工程學院，天津市制冷技術重點實驗室，天津300134；2.天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津300134）

微波干燥蘋果切片的過程中，在線實時測定樣品質量和溫度，并進一步檢測干燥后樣品的微觀結構變化，分析其微波干燥過程中溫度與質量的動態變化規律。結果表明：干燥至相對含水率為30%時僅物料中部斷切面出現焦糊現象，干燥至相對含水率為15%時物料表面出現焦糊現象，而其斷切面處焦糊現象加重；微波干燥過程中物料溫度變化分為快速升溫段、恒溫段和慢速升溫階段，并且微波腔內溫度整體上隨功率增加而增加；功率一定時，物料脫水主要發生在失重率恒速升高段，0.60 kW下該階段使不同厚度的物料（厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm時）分別失水42.39%、48.29%和49.40%，0.80 kW下該階段分別失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下該階段分別失水46.95%、64.72%和62.59%。

微波干燥；相對含水率；干燥功率；物料厚度

果蔬脆片是一種日益受到消費者歡迎的風味休閑食品，不僅松脆可口，而且很大程度上保留了果蔬原有的色、香、味，同時富含膳食纖維，具有廣闊的生產潛能和消費潛能。目前生產果蔬脆片的干燥方式主要有熱風干燥、遠紅外干燥和真空冷凍干燥等，其中遠紅外干燥和真空冷凍干燥干制品質量雖好，但投資成本高，而傳統熱風干燥則存在干燥時間長、能耗大以及干燥成品品質不穩定等問題[1]，這些問題都極大地限制了果蔬脆片生產加工的規模化、集約化以及節能等效率的提升。由于微波干燥技術的干燥速度快、熱效率高、加熱均勻等優點[2]，其在農業生產和食品加工[3]等領域也越來越受到重視，特別在糧食（如稻谷[4]、小麥[5]、玉米[6]等）、蔬菜（如豌豆[7]、洋蔥[8]、花椒[9]等）和水果（黃桃[10]、荔枝[11]等）等的干燥方面都已得到較為深入的研究，有些已能成功應用于實際生產。為探究蘋果切片在微波干燥過程中干燥功率、溫度與樣品含水率之間的關系，優化微波干燥工藝，本文利用可在線稱重與測溫的微波干燥系統分析對比干燥至不同相對含水率的蘋果切片的微觀結構變化，總結其熱質傳遞規律，得到蘋果脆片微波干燥過程的工藝基礎參數。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1）試驗蘋果產自煙臺棲霞，選擇大小均勻、無機械損傷、成熟度一致、無病蟲害的蘋果按照要求備用。

2）光學顯微鏡：BX51型光學顯微鏡（UIS2光學系統，放大范圍：100～1 000倍）：日本奧林巴斯株式會社。

3）微波干燥系統：微波干燥系統由本實驗室按可實時測定樣品質量與溫度的原則設計搭建，主要包括：微波干燥裝置部分、在線稱重裝置部分和在線測量溫度裝置部分，系統工作周期為10 s（其中微波工作5s，稱重：5s），圖1為該系統的裝置示意圖。

圖1 微波干燥系統裝置示意圖Fig.1 The equipment diagram of microwave-drying system

其中，微波干燥裝置主要為DZGC-2型微波爐（功率可調為0.20、0.40、0.60、0.80、1.00kW；頻率為 2450MHz±50MHz），包括內部微波腔、微波磁控管、排風設備（圖1未畫出）和外部表殼；在線稱重設備主要是BL-220H型電子秤（精度：0.001 g，最大量程：220 g）；在線測溫設備主要是bayspec型光纖測溫系統（最大量程：120℃，測量精度：0.01℃，誤差范圍：≤±0.5℃，陶瓷探頭直徑：0.14cm，裸纖直徑：0.01 cm）。

1.2 方法

1.2.1 干燥過程中細胞微結構變化的觀察

設定微波裝置功率為0.60 kW，對切好的蘋果片（長×寬×高=4.00 cm×4.00 cm×1.00 cm）進行微波干燥，直至樣品相對含水率分別達到60%、45%、30%和15%，然后利用光學顯微鏡觀察樣品切片表面以及中部斷切面的細胞結構變化。

其中，利用稱重法測量蘋果切片的相對含水率，計算公式如下：

式中：m0為新鮮蘋果切片質量，kg；m1為切片完全干燥后質量，kg；c0為新鮮蘋果切片的絕對含水率，%；x為切片在干燥過程中失去的質量，kg，實驗中默認失去的是水分；cx為干燥過程中蘋果切片的相對含水率，%。

1.2.2 干燥過程中溫度變化的測定

將若干蘋果切片（橫截面積均為4.00 cm×4.00 cm，厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和0.12 cm）按照厚度不同分為三組，每組均利用不同微波功率（0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW）分別將物料干燥至原重量的30%，干燥過程中采用光纖測溫并實時記錄。防止細胞應力對溫度測量產生影響，利用陶瓷包裹光纖探頭進行封裝，此時探頭直徑約為0.14 cm，將探頭分別布置于0.40 cm厚的物料重心處、0.80 cm和0.12 cm厚的物料表面以及中部斷切面中心處。為防止干燥過程中物料溫度過高導致品質變差，設定微波設備溫度上限為120℃，當溫度達到此上限時，調節功率至0.40 kW，此時物料對流換熱大于物料內熱源吸熱量，物料溫度降低；當溫度降低至60℃時，調節至之前功率（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）。

1.2.3 干燥過程中質量的實時測定

干燥過程中物料的質量變化與其溫度變化同時測定，實驗設定當每塊物料重量干燥至原重量的30%時，即達到微波干燥要求，本次干燥實驗結束。

2 結果與分析

2.1 干燥至不同相對含水率的物料微觀結構變化與分析

設定微波功率為0.60 kW時，干燥至不同相對含水率的蘋果切片表面及其中心的微結構變化如圖2所示。它表征了整個干燥過程中物料微觀結構的動態變化。

圖2 干燥過程中不同相對含水率時蘋果切片的微結構Fig.2 The microstructure of apple in different water contents under in process of microwave drying

由圖2可知，新鮮的蘋果細胞呈橢圓形，且細胞之間排列緊密，相互擠壓。當干燥至60%的相對含水率時，物料表面細胞破損，部分細胞因失水而萎蔫變小，且其表面存在較多液態水，即出現“增濕”現象，這是由于此時物料溫度上升至100℃左右，表面水分開始迅速蒸發，物料內外壓差增大，則水分遷移的驅動力增加，物料內部水分遷移速度高于表面水分蒸發速度所導致；相比物料表面，物料中心處的干燥程度略微明顯。當干燥至45%的相對含水率時，物料表面細胞部分破裂、坍塌至扁平狀，未破裂細胞也因失水而變小；物料中心處的干燥程度與之相比較大，細胞失水更為嚴重，大部分因破裂而呈平面狀，此時中心處細胞的完整度低于表面。當干燥至30%的相對含水率時，物料表面細胞幾乎扁平，細胞內有少量的液態水；而物料中心處細胞內部產生輕微的焦糊現象，組織中出現孔洞。當干燥至15%的相對含水率時，物料表面細胞出現輕微的孔洞，表明物料表面開始焦糊；而中心處出現比較清晰的、較多的孔洞，其焦糊程度遠大于表面細胞。

通過微觀分析整個干燥過程中物料結構的動態變化，可知微波干燥中傳熱和蒸汽壓遷移方向一致，均為由內向外進行。在微波干燥過程中，吸收了微波能的表面細胞水蒸汽由于物料表面較小的束縛力能夠相對容易地蒸發擴散至環境中，而物料內部細胞水蒸氣由于受到細胞間組織結構等形成的較大擴散阻力需要克服，較大的水蒸氣壓導致其細胞破裂程度較物料表面大。隨著干燥過程繼續進行，物料含水率減少，其水分蒸發消耗的微波能有限，大部分微波能則用于物料溫度的升高，然而，由于物料內部水分蒸發量減少，其熱量排出不及時，導致內部溫度高于外部溫度，進而導致內部首先出現焦糊現象，至干燥結束后，內部焦糊程度大于外部焦糊程度。因此，利用微波干燥工藝進行生產加工時，控制物料內部出現焦糊現象是干燥成功與否的關鍵因素。

2.2 不同微波功率下物料溫度的變化與分析

不同厚度的蘋果切片在不同微波功率（0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW）干燥下的溫度變化如圖3所示。

其中，圖a以厚度為0.40 cm的物料為例，重點對干燥過程中樣品整體溫度及腔內溫度的變化進行分析，圖b、c分別以厚度為0.80 cm和1.20 cm的物料為例。由圖a、b和c可知，干燥前期物料溫度隨時間的變化主要分為三段：第一階段，即迅速升溫段，該階段物料溫度迅速升高至100℃左右，其吸收的微波能主要用來升高溫度，并且物料內水分開始向水蒸氣狀態轉化；第二階段，即恒溫段，該階段物料溫度維持在100℃左右，這是因為該階段物料水分開始蒸發，帶走的大量蒸發潛熱與物料吸收的微波能基本一致；第三階段，即慢速升溫階段，當物料吸收的能量大于水分蒸發所帶走的潛熱時，其溫度開始上升。后期，由于微波設備溫度上限的設定，用于干燥的微波功率有所調整，物料溫度表現為緩慢降低之后又迅速升高。

圖3 微波干燥過程中不同厚度的蘋果切片溫度隨時間的變化Fig.3 The variation of different thickness apple slice temperature with time during microwave drying

由a中左側圖可知，微波功率越大，物料溫度上升至100℃所用的時間就越短，恒溫段保持時間越短。當物料厚度為0.40 cm，干燥功率分別為0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW時，其迅速升溫段所用時間分別為80 s、50 s和30 s，0.60 kW下恒溫段結束時間分別約為0.80 kW和1.00 kW的6倍和1.7倍。由a中右側圖（干燥過程由開始至500 s時腔內溫度的對應變化圖）可知，干燥過程進行至70 s時，微波腔內溫度大小順序為T0.60kW＜T0.80kW＜T1.00kW；而干燥過程進行至70 s之后，T1.00kW接近120℃，因此微波功率降低為0.40 kW，物料吸收的微波能減少，溫度降低，可排出蒸汽量隨之減少，導致其微波腔內溫度低于T0.80kW。干燥過程持續進行，物料水分蒸發到環境空氣中，當水分蒸發到腔內產生的能量與腔體排出的能量平衡，即qvhv=qaha時，腔內溫度開始保持恒定，其中qv和qa分別表示的是單位時間內物料排放到腔內的蒸汽質量和腔體的單位棑濕量，hv和ha分別表示的是蒸汽比焓和排出腔體的蒸汽比焓。在整個干燥過程中，腔內溫度的整體水平是：

T0.60kW＜T0.80kW＜T1.00kW。

比較圖b、c可知，相同功率下物料厚度越大，升溫段持續時間越長。同時，相同微波功率下，不同厚度物料的中心溫度均整體上高于表面溫度，這與“物料內部首先出現焦糊現象，至干燥結束后內部焦糊程度大于外部焦糊程度”的原因一致，并且物料厚度越大，中心與表面溫度差越大，對微波干燥的均勻性影響越明顯。

2.3 不同微波功率下物料質量的變化與分析

不同微波功率下物料失重率隨干燥時間的變化如圖4所示，其中右下角小圖是對應大圖方框內的放大圖。

由圖4可知，整個干燥過程中失重率的動態變化主要分為三個階段：快速升高階段、恒速升高階段和慢速升高階段。干燥功率分別為0.60 kW和0.80 kW時，失重率變化的三個階段對應時間點分別與其溫度變化的三個階段時間點重合；而干燥功率為1.00 kW時，失重率變化的第一階段到第二階段的轉折時間點與其溫度變化過程中功率第一次被調低的時間點一致，這是因為1.00 kW下該階段的物料能夠接收到更多的微波能，同時水分蒸發帶走的潛熱量有限，因此物料吸收的總熱量大大增加，溫度迅速上升至120℃后微波功率被迫下降至0.40 kW，但此時物料內的較多水分已從升溫轉化為水蒸氣狀態，故失重率由快速升高狀態轉為恒速升高。特別地，物料厚度為0.40 cm時，以設定功率（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）進行干燥的初始階段，其質量減小速率為：V0.60kW＜V0.80kW＜V1.00kW；之后，1.00 kW下的物料溫度首先升至溫度上限120℃時，其微波功率被迫降低至0.40 kW，而0.80 kW下的物料仍以0.80 kW進行干燥并首先進入恒速階段，故此時V0.80kW＞V1.00kW；緊接著當0.80 kW下的物料溫度達到上限120℃時，其干燥功率降低至0.40 kW下繼續進行干燥，因此V1.00kW得以超過V0.80kW。

圖4 微波干燥過程中不同厚度的蘋果切片質量隨時間的變化Fig.4 The variation of different thickness apple slice mass with time during microwave drying

由圖4可知，相同微波功率下（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）失重率由第二階段向第三階段的轉折點值隨著厚度增加而增加，其中物料厚度分別為0.40 cm和0.80 cm時，兩者的該轉折點失重率值差距較大，物料厚度分別為0.80 cm和1.20 cm時，兩者的該轉折點值差距較小。物料厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm時，0.60 kW下的該轉折點失重率值分別為47.39%、53.29%和54.40%，0.80 kW下的該轉折點失重率值分別為50.23%、53.95%和54.01%，1.00 kW下的該轉折點失重率值分別為47.45%、65.22%和63.09%。然而，相同微波功率下失重率由第一階段向第二階段的轉折點值隨厚度增加而增加的差異并不明顯，物料厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm時，0.60 kW下的該轉折點失重率值均約為5.00%，0.80 kW下的該轉折點失重率值均約為1.00%，1.00 kW下的該轉折點失重率值均約為0.50%。故物料厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm時，0.60 kW下的失重率恒速升高階段使物料分別失水42.39%、48.29%和49.40%，0.80 kW下的失重率恒速升高階段使物料分別失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下的失重率恒速升高階段使物料分別失水46.95%、64.72%和62.59%，由此表明微波功率一定時，物料的失水主要發生在失重率恒速升高階段。

3 結論

1）蘋果的組織細胞呈橢球形，相對較大、分布較均勻。在微波干燥過程中細胞易被水分瞬間蒸發所產生的蒸汽壓漲破從而坍塌，且物料中心細胞破損程度要高于表面細胞破損程度。干燥至相對含水率為30%時僅物料中部斷切面出現焦糊現象，干燥至相對含水率為15%時表面出現焦糊現象，而其斷切面處焦糊現象加重。

2）蘋果微波干燥過程中溫度變化分為快速升溫段、恒溫段和慢速升溫階段，并且微波腔內溫度整體上隨功率增加而增加；失重率變化分為快速升高段、恒速升高段和慢速升高段，當分別以0.60 kW和0.80 kW進行干燥時，物料溫度和質量的變化階段轉折點趨于相同。

3）物料厚度越大，同一功率下失重率由恒速升高段向慢速升高段的轉折點變化差異越不明顯，當厚度分別為0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm時，0.60 kW下的差異值分別為5.9%、1.11%，0.80 kW下的差異值分別為3.72%、0.06%，1.00 kW下的差異值分別為17.77%、-2.13%。

4）功率一定時，物料的失水主要發生在失重率恒速升高段，0.60 kW下該階段使不同厚度的物料（厚度分別為0.40cm、0.80cm和1.20cm時）分別失水42.39%、48.29%和49.4%，0.80 kW下的使物料分別失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下的使物料分別失水46.95%、64.72%和62.59%。

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Heat and Mass Transfer Analysis of Apple Slice during Microwave Drying

WANG Mei-xia1，LIU Bin1，WANG Chao1，WU Zi-jian2
（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China；2.College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Tianjin 300134，China）

The microwave-drying system with real-time weight and temperature measurement device was used to dry apple slice under different power，then variation of materials microstructure under different relative water content，and dynamic law of temperature and mass during drying were analyzed.Results show that：when relative water content was 30%，coke phenomenon occurs only in material central section，and when it was 15%，coke phenomenon appears on the surface，while more serious phenomenon was in the central section.The temperature variation of the material is divided into the rapid rise stage，the constant stage and the slow rise stage，and the temperature inside the microwave cavity increases as the power increases during microwave drying.Material dehydration occurs mainly in constant rise stage of weight loss rate when the power was certain，when the thickness is 0.40 cm，0.80 cm and 1.20 cm，respectively，corresponding water loss was 42.39%，48.29%and 49.40%under 0.60 kW，that was 49.23%，52.95%and 53.01%under 0.80 kW，and that is 46.95%，64.72%and 62.59%under 1.00 kW.

microwave drying；relative moisture content；drying power；material thickness

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.003

武清區科技發展項目“蔬菜預冷和貯藏保鮮設施改良與先進技術集成示范工程”（WQKJ201633）

王美霞（1992—），女（漢），在讀碩士研究生，主要從事制冷系統優化及節能技術的研究。

2017-09-03