胡蘿卜片微波干燥均勻性研究

俞建峰，趙　江，陳海英，夏曉露，崔政偉

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

胡蘿卜營養(yǎng)價值高，富含親脂性(類胡蘿卜素、葉黃素)[1]和親水(多酚)性質(zhì)[2]的抗氧化物質(zhì)，具有多方面的保健功能。食品干燥加工是食品保藏的重要手段，也是一項重要的食品加工技術(shù)。干燥會降低食品中的水分活動，延長保存期限[3]。目前，紅外干燥[4]、熱風(fēng)干燥[5]、冷凍干燥[6]、超聲波和真空組合干燥[7]，以及果膠包衣[8]等加工技術(shù)都可以用于延長胡蘿卜保質(zhì)期。

微波干燥技術(shù)在食品加工中應(yīng)用廣泛。相較于傳統(tǒng)干燥技術(shù)，微波或微波輔助干燥可以提高食品品質(zhì)[9]，保持物料的營養(yǎng)成分，增加食物保色性[10]，降低食品干燥收縮程度，增強食品再水化能力[11]。同時，由于微波干燥速率大、能耗低[12]，顯示出很高的經(jīng)濟性[13]。但是，微波干燥的均勻性是制約其規(guī)模化應(yīng)用的主要問題之一。物料干燥不均勻會造成部分已經(jīng)焦化，而部分還未脫水，從而嚴(yán)重降低物料的品質(zhì)，甚至?xí)l(fā)食品安全問題[14]。特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，干燥均勻性問題尤為重要。

本文主要研究微波分散和物料在微波腔內(nèi)不同運動模式對干燥均勻性的影響，分析微波攪拌速度和物料在微波腔內(nèi)的轉(zhuǎn)速等因素對干燥均勻性的影響，以及微波功率和物料質(zhì)量對干燥效果的影響。實驗結(jié)果可為更好地提高胡蘿卜片在微波干燥中的均勻性、優(yōu)化微波干燥均勻性提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1　實驗材料及樣品制備

新鮮胡蘿卜購買于無錫歐尚超市(高浪路店)，原產(chǎn)地河北霸州，含水量(濕基)為(90±1)%。選擇粗細均勻、沒有外表損傷的胡蘿卜，實驗前放置于陰暗室溫下。實驗中，選取直徑4～5 cm的胡蘿卜，去皮，清水沖洗，用衛(wèi)生紙吸除表面水分，橫向切成片狀(4～8 mm厚)。

1.2　實驗儀器設(shè)備

ARB120型精密電子天平，奧豪斯國際貿(mào)易(上海)有限公司。微波干燥設(shè)備由江南大學(xué)設(shè)計制造，外形如圖1。微波干燥設(shè)備物料盤由電機控制旋轉(zhuǎn)。微波諧振腔內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)鋁片以分散電磁波分布。微波矩形諧振腔規(guī)格為360 mm×340 mm×260 mm。磁控管輸出頻率2 450 MHz，由變壓器控制微波輸出功率。物料轉(zhuǎn)盤直徑310 mm。

圖1　微波干燥設(shè)備Fig.1　Microwave drying equipment

1.3　實驗方法

1.3.1四種模式下微波干燥均勻性比較

微波電磁場分布均勻性和物料在電磁場中的運動形式是影響微波干燥均勻性的主要因素。微波電磁場分布均勻性由位于微波爐上部的微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)動速度控制，物料在電磁場中的運動由位于微波爐下部的轉(zhuǎn)盤速度控制。設(shè)計4種模式的干燥實驗：A，微波攪拌器扇片與物料轉(zhuǎn)盤都不轉(zhuǎn)；B，微波攪拌器扇片不轉(zhuǎn)，物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(5 r·min-1)；C，微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)動(25 r·min-1)，物料轉(zhuǎn)盤不動；D，微波攪拌器扇片(25 r·min-1)和物料轉(zhuǎn)盤(5 r·min-1)都轉(zhuǎn)動。分別進行4種模式的實驗，將準(zhǔn)備好的胡蘿卜放在聚四氟乙烯板上進行干燥，10 min測一次質(zhì)量。分析4種模式下的微波干燥均勻程度。

1.3.2單因素實驗設(shè)計

將切成片狀的胡蘿卜放在聚四氟乙烯板9個設(shè)定的區(qū)域內(nèi)(圖2)，放入微波爐腔內(nèi)，分別設(shè)定不同的條件，進行干燥。每10 min測一次各區(qū)域內(nèi)的胡蘿卜質(zhì)量。計算均勻性指標(biāo)，分析胡蘿卜切片的干燥均勻程度。

(1)微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響。在微波功率300 W下，每片胡蘿卜10 g，選擇5、10、25 r·min-1三種轉(zhuǎn)速，考查微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響。

(2)物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響。在微波功率300 W下，每片胡蘿卜10 g，選擇5、30、60 r·min-1三個轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，并與不運動狀態(tài)下胡蘿卜切片的干燥均勻性指數(shù)進行比較，考查物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響。

(3)微波功率對干燥均勻性的影響。在微波攪拌器扇片和物料轉(zhuǎn)盤都不轉(zhuǎn)動的情況下，每片胡蘿卜10 g，選擇300、350、400、450、500 W的微波功率，考查微波功率對干燥均勻性的影響。

圖2　聚四氟乙烯板網(wǎng)格劃分Fig.2　Teflon plate meshing

(4)胡蘿卜質(zhì)量對干燥均勻性的影響。在微波攪拌器扇片和物料轉(zhuǎn)盤都不轉(zhuǎn)動的情況下，固定微波功率為300 W，將胡蘿卜切成不同質(zhì)量(10、15、20 g)的胡蘿卜片，分別進行干燥實驗。

1.4　參數(shù)計算

1.4.1胡蘿卜初始含水量

胡蘿卜初始含水量按照GB 50093—2010中的方法測定。初始含水量(干基)計算公式為

(1)

式(1)中x為試樣中的初始含水量(干基)，m1為初始質(zhì)量(g)，m0為干燥到質(zhì)量不再變化時的干物質(zhì)質(zhì)量(g)。

1.4.2微波干燥均勻性指標(biāo)

通過從樣品中除去的水的均勻度來評價干燥均勻性。干燥均勻性指數(shù)(kα)[15]的計算公式為

(2)

2　結(jié)果與分析

2.1　四種模式下的干燥均勻性指數(shù)

由圖3可以看出：微波攪拌器扇片與物料轉(zhuǎn)盤都不轉(zhuǎn)動的模式(A)下，干燥均勻性最差，而物料轉(zhuǎn)盤和微波攪拌器扇片都轉(zhuǎn)動的模式(D)下，干燥均勻性最好。干燥60 min，D模式下的干燥均勻指數(shù)比A模式下高10個百分點，而且B、C模式下的干燥均勻指數(shù)在干燥的時間段內(nèi)始終好于模式A。說明物料吸收微波能量的不均勻可以通過改變微波場均勻性和使物料在不均勻場中運動來改善。

圖3　四種模式下的干燥均勻性Fig.3　Drying uniformity under four modes

2.2　微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響

微波出口處的攪拌器將微波耦合到腔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)起來把微波向各個方向分散。如圖4所示，微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)速對干燥均勻性有重要影響，除了在50 min時10 r·min-1條件下的干燥均勻性指數(shù)略高于25 r·min-1條件下外，其他時間都顯示轉(zhuǎn)速越高，微波分散均勻性越好，干燥均勻性越高。

2.3　物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對干燥均勻性的影響

從圖5可以看出，物料在微波諧振腔中的位置變化快慢對微波干燥均勻性有很大影響。當(dāng)物料在腔內(nèi)靜止時，微波輻照到不同區(qū)域內(nèi)的能量是不同的。在物料進行轉(zhuǎn)動的情況下，干燥60 min時的胡蘿卜干燥均勻指標(biāo)要比靜止不動下約高10個百分點。60 r·min-1轉(zhuǎn)速下的胡蘿卜干燥均勻指標(biāo)優(yōu)于5 r·min-1和30 r·min-1條件下。在無法改變微波產(chǎn)生裝置和諧振腔的情況下，可以通過改變物料的運動減輕微波場不均勻?qū)Ω稍镄Ч挠绊懀译S著物料運動速度的加快，可以顯著改善微波干燥的不均勻性。

圖4　微波攪拌器扇片轉(zhuǎn)速與干燥均勻性的關(guān)系Fig.4　Relationship of microwave stirrer fan speed and drying uniformity

圖5　物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與干燥均勻性的關(guān)系Fig.5　Relationship of material turntable speed and drying uniformity

2.4　微波功率對干燥均勻性的影響

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，干燥均勻性隨著微波功率增加而顯著變差。前40 min內(nèi)，300 W功率下的均勻性指數(shù)是500 W下的2～3倍，500 W條件下顯示出脫水非常不均勻的情況。微波干燥脫水量跟含水量有關(guān)，電介質(zhì)吸收微波產(chǎn)生的熱量與介電常數(shù)成正比，而水的介電常數(shù)大；因此，在吸收微波的位置開始階段脫水緩慢而后迅速，隨著含水量的減少，其脫水速度下降，而未能輻照微波的區(qū)域內(nèi)胡蘿卜脫水量很少但比較勻速。在干燥末期，不同區(qū)域的脫水量開始接近，這也是干燥后期均勻性指數(shù)會上升的原因。

由圖7可以看到，不同區(qū)域(圖2中1～9)內(nèi)的胡蘿卜脫水量存在很大差異，功率增大會放大微波場的不均勻度對干燥的影響。整體上看，300 W時含水量變化關(guān)系圖更緊密，均勻性較好，而500 W時的圖形比較鼓，反映出不同區(qū)域干燥情況差別很大，尤其是500 W時，某些區(qū)域內(nèi)不僅胡蘿卜脫水速率差別很大，最終產(chǎn)品的含水量相互差異也很大。這可能是由于功率密度決定物料的干燥速率，功率密度越高，干燥速率越大，物料質(zhì)構(gòu)破壞也較大[16-17]，由此造成4號、5號區(qū)域內(nèi)胡蘿卜焦化，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6　微波功率與干燥均勻性的關(guān)系Fig.6　Relationship between microwave power and drying uniformity

圖7　功率為300 W(a)和500 W(b)時的含水率變化Fig.7　Variation of moisture content at 300 W (a) and 500 W (b)

2.5　物料質(zhì)量與干燥均勻性的關(guān)系

從圖8可以看出：300 W功率下，10 g的胡蘿卜在60 min內(nèi)各個時刻的干燥均勻度都要優(yōu)于15 g和20 g的胡蘿卜。干燥60 min，10 g胡蘿卜的干燥均勻性指標(biāo)要比20 g的胡蘿卜高2倍以上。微波干燥是將物料內(nèi)部加熱導(dǎo)致水蒸發(fā)，隨后產(chǎn)生壓力，內(nèi)部壓力梯度將水分向外驅(qū)散到材料的表面。較大的質(zhì)量意味著較大的厚度，厚度大的胡蘿卜在干燥過程中其水分?jǐn)U散路徑與厚度薄的胡蘿卜擴散路徑長度不同，因此會造成微波腔不同位置胡蘿卜干燥不均勻程度增加。

圖8　胡蘿卜質(zhì)量與均勻性指標(biāo)的關(guān)系Fig.8　Relationship between carrots weight and drying uniformity

3　結(jié)論

物料干燥的不均勻主要是由不同區(qū)域內(nèi)物料吸收的能量不同所致，改善微波能量分布可以提高物料微波干燥的均勻性。本實驗結(jié)果表明，微波分散情況和物料在微波腔內(nèi)的運動方式對微波干燥均勻性有重要影響，提高微波分散均勻性與物料在微波腔內(nèi)相對運動都可以改善干燥均勻性，而且可以通過增加微波攪拌器轉(zhuǎn)速和物料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的方法來進一步提高干燥均勻性。另一方面，微波功率增大，會增加干燥的不均勻程度，微波功率過大也會對干燥物料的顏色、物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、最終含水率等造成影響，進而影響干燥物料的品質(zhì)；因此，在干燥中要合理選擇微波功率。物料自身因素對干燥均勻性也有影響，質(zhì)量大的物料較質(zhì)量小的物料微波干燥均勻度差。此外，微波干燥均勻性還和物料品種、形狀，以及是否真空等有關(guān)系，在今后的研究中須作進一步探討。

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