火龍果片微波間歇干燥特性及其動力學(xué)研究

盤喻顏段振華劉 艷唐小閑李定金

(1. 賀州學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899；2. 大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 大連 116034； 3. 廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西 賀州 542899)

火龍果又稱仙蜜果，源于中美洲，目前中國主要分布在廣西、福建、臺灣、云南等地[1]。火龍果不但富含多種維生素、氨基酸、礦物質(zhì)等，且含其他植物體內(nèi)稀有的花青素及植物性白蛋白，是兼?zhèn)涓郀I養(yǎng)和低熱量的水果，具有預(yù)防重金屬中毒、增強(qiáng)骨質(zhì)、降低膽固醇等作用[2-3]。

火龍果以鮮食為主，含大量水分，易引發(fā)腐敗變質(zhì)，不利于運(yùn)輸與貯藏。干燥作為食品保存和加工應(yīng)用的常見方式，是通過脫除物料中的水分，從而限制微生物和化學(xué)反應(yīng)，具備便于產(chǎn)品流通、延長貯藏期等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決水果貯藏期太短而造成浪費(fèi)的問題[4]。現(xiàn)有關(guān)于火龍果干燥的研究較少，陳曉旭等[5]、鄒同華等[6]研究了火龍果熱風(fēng)聯(lián)合變溫壓差膨化干燥、真空冷凍干燥工藝的優(yōu)化。Yi等[7]研究了微波聯(lián)合變溫壓差膨化干燥對火龍果片胞壁多糖改性、理化性質(zhì)的影響。Nordin等[8-9]研究了關(guān)于微波干燥對火龍果片理化性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)及復(fù)水性的影響。總體上看，已有關(guān)于火龍果冷凍干燥、熱風(fēng)聯(lián)合變溫壓差膨化干燥工藝的優(yōu)化以及微波及其聯(lián)合干燥對火龍果品質(zhì)影響的報(bào)道[10-11]，但火龍果微波干燥工藝的優(yōu)化及動力學(xué)研究未見報(bào)道。動力學(xué)模型的研究作為加工過程中預(yù)測水分含量與干燥用時的重要理論依據(jù)，缺少相應(yīng)的理論依據(jù)會限制微波干燥在火龍果中的實(shí)際應(yīng)用，所以研究火龍果微波干燥動力學(xué)具有重要的意義。

微波干燥有獨(dú)特的內(nèi)部加熱模式，省時節(jié)能、保質(zhì)降本、環(huán)保易控[10-11]，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工保藏及食品工業(yè)生產(chǎn)中，包括羅非魚[12-13]、馬蹄淀粉[14]、山藥[15]、黃秋葵[16]、花椒[17]、銀杏果[18]、枸杞[19]等加工領(lǐng)域，但單純使用微波技術(shù)進(jìn)行干燥，易使局部溫度過高，導(dǎo)致物料出現(xiàn)邊緣焦糊和硬化等現(xiàn)象，為保證產(chǎn)品品質(zhì)，防止局部過熱則要探索微波在干燥工藝上的創(chuàng)新。采用微波間歇干燥，能有效均衡水分分布和溫度情況，從而避免出現(xiàn)過熱導(dǎo)致燒傷[14]。本試驗(yàn)擬以火龍果為原料，研究火龍果片在微波間歇干燥條件下的干燥特性，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了火龍果片微波間歇干燥的動力學(xué)模型，意為火龍果片微波間歇干燥的相關(guān)基礎(chǔ)研究、工藝設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供參考，解決水果因貯藏期太短而造成浪費(fèi)的問題。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

1.1.1 材料

火龍果：紅肉火龍果，購于賀州泰興超市。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子天平：JJ1000型，常熟市雙杰測試儀器廠；

水分測定儀：MA150 Starorius型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

微波爐：G70D20CN1P-D2(S0)型，廣東格蘭仕微波電器制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 預(yù)處理 火龍果經(jīng)人工去皮后切成一定厚度的火龍果片，5%的NaCl溶液浸泡2 min后，瀝水10 min備用。

1.2.2 微波功率 取60.0 g火龍果片切成6 mm薄片，加熱1 min，間歇1 min，選擇不同功率(350，420，490 W)進(jìn)行微波間歇干燥試驗(yàn)，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質(zhì)量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.3 切片厚度 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，加熱時間1 min，間歇時間1 min，選擇不同切片厚度(3，6，9 mm)的火龍果片進(jìn)行微波間歇干燥試驗(yàn)，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質(zhì)量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.4 加熱時間 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，切片厚度6 mm，加熱時間1 min，間歇時間1 min，選擇不同加熱時間(0.75，1.00，1.25 min)進(jìn)行微波間歇干燥試驗(yàn)，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質(zhì)量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.5 間歇時間 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，切片厚度6 mm，加熱時間1 min，選擇不同間歇時間(0.50，0.75，1.00 min)進(jìn)行微波間歇干燥試驗(yàn)，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質(zhì)量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.3 指標(biāo)

1.3.1 含水量的測定 采用水分測定儀進(jìn)行測定。火龍果片初始含水率的平均測定值為86.81%，任一時刻火龍果干基含水率按式(1)計(jì)算。

1.3.2 干基含水率計(jì)算

(1)

式中：

M——干基基含水率，g/g；

mt——濕物料質(zhì)量，g；

m——絕干物料質(zhì)量，g[11]。

1.3.3 干燥速率計(jì)算

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Δt——兩次相鄰時間之差，min；

m——絕干物料質(zhì)量，g；

△m——兩次相鄰質(zhì)量之差，g[15]。

1.3.4 水分比計(jì)算

(3)

式中：

MR——水分比；

M0——初始含水率，%；

Mt——干燥中某時刻的含水率，%；

Me——平衡含水率(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M0和Mt，通常忽略不計(jì))，%[20-21]。

1.3.5 干燥模型擬合 本試驗(yàn)篩選了5種常見干燥模型來擬合火龍果片的干燥模型。對其進(jìn)行線性化處理以便統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，如表1所示[14]。

表1 5種干燥模型及表達(dá)式?

?k、n、a、b、c均為表達(dá)式中的待定系數(shù)；t為時間，min。

1.4 數(shù)據(jù)分析

最終試驗(yàn)結(jié)果為3組平行試驗(yàn)的平均值；SPSS 17.0進(jìn)行線性回歸和求得模型方程的待定系數(shù)，Excell 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2017繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 火龍果片微波間歇干燥特性

2.1.1 微波功率對火龍果片干燥特性的影響 由圖1可知，隨著微波功率的增大，火龍果片的干燥曲線變化越陡峭，所需干燥時間越短，微波功率為490，420，350 W時，干燥時間分別為22，30，38 min。這是因?yàn)樵诠潭ㄆ渌麠l件不變時，火龍果片中水分子吸收的微波隨著微波功率增大而增加，加劇了火龍果片內(nèi)部振蕩，加快了干燥速度，所需的干燥時間就越少。因此，在一定的微波功率范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)靥岣呶⒉üβ士梢钥s短干燥時間。

圖1 火龍果片在不同微波功率下的干燥曲線

由圖2可知，火龍果片微波間歇干燥過程包括前期加速、中期恒速和后期降速階段。火龍果片的干燥速率曲線隨微波功率的增大而變陡峭。干燥前期，火龍果片含有大量水分，能夠吸收大量微波，干燥速率呈上升趨勢；干燥中期，火龍果片吸收的微波均用于蒸發(fā)內(nèi)部的大部分水分，干燥速率保持恒定狀態(tài)；干燥后期，隨著火龍果片內(nèi)部水分子的減少，吸收的微波也減少，干燥速率呈下降趨勢[22]。

圖2 火龍果片在不同微波功率下的干燥速率曲線

2.1.2 加熱時間對火龍果片干燥的影響 由圖3可知，火龍果片的干燥曲線隨著加熱時間的延長而變陡峭，所需的干燥時間縮短，加熱時間為1.25，1.00，0.75 min時，干燥時間相差不大。原因可能是加熱時間越長，增加了火龍果片內(nèi)的水分子的振蕩時間，增大了干燥速率，所需干燥時間就越短。因此，在一定加熱時間范圍內(nèi)，可通過增大加熱時間來提高干燥速率。

圖3 火龍果片在不同加熱時間下的干燥曲線

由圖4可知，在微波間歇干燥過程中，干燥速率曲線隨著加熱時間的延長而越陡峭；由前期加速和后期降速階段組合而成，而中期恒速階段不明顯。原因是隨著加熱時間的延長，火龍果片中大量的水分在升溫階段之初就已脫除，所以當(dāng)加速階段的干燥速率達(dá)到極大值時，火龍果片吸收微波的能力明顯下降，干燥速率呈下降趨勢，因此恒速階段不明顯。

圖4 火龍果片在不同加熱時間下的干燥速率曲線

2.1.3 間歇時間對火龍果片干燥的影響 由圖5可知，火龍果片的干燥曲線隨著間歇時間的延長而變平緩，所需的干燥時間增加。間歇時間為0.50，0.75，1.00 min時，所需的干燥時間為19.50，26.25，36.00 min。隨著微波加熱的進(jìn)行，火龍果片內(nèi)部溫度急劇上升，造成局部過熱，導(dǎo)致火龍果片燒焦。因此在微波加熱時增加間歇這一步驟，可以有效防止火龍果片燒焦，充分脫除內(nèi)部水分，通過減少微波加熱時間，降低能耗。

由圖6可知，在微波間歇干燥過程中，干燥速率曲線隨著間歇時間的增加而變平緩。由于火龍果片中的水分子在微波作用下，摩擦生熱從而達(dá)到干燥的目的，但間歇時間內(nèi)沒有微波的輔助，只能依靠殘留的熱能進(jìn)行干燥，所以間歇時間越長，干燥時間越久。因此，在一定間歇時間范圍內(nèi)，可通過縮短間歇時間來提高干燥速率。

圖5 火龍果片在不同間歇時間下的干燥曲線

圖6 火龍果片在不同間歇時間下的干燥速率曲線

2.1.4 切片厚度對火龍果片干燥特性的影響 由圖7可知，隨著切片厚度的增大，火龍果片的干燥曲線變化越平緩，所需的干燥時間越長。切片厚度為3，6，9 mm時，所需的干燥時間分別為26，38，48 min。這是由于火龍果片的厚度決定了內(nèi)部水分遷移的距離，火龍果片越薄，內(nèi)部水分遷移的距離就越小，干燥所需的時間就越短；火龍果片越厚，內(nèi)部水分遷移的距離就越大，內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力越大，所需的干燥時間就越長[23]。因此，在一定的切片厚度范圍內(nèi)，適當(dāng)減小切片厚度可以縮短干燥時間。

圖7 火龍果片在不同切片厚度下的干燥曲線

由圖8可知，在微波間歇干燥過程中，隨著切片厚度的減小，干燥速率曲線變化越陡峭，中期恒速階段越不明顯。這是由于火龍果片的加熱過程是內(nèi)外同時進(jìn)行，隨著切片厚度的減小，從外到內(nèi)熱量傳遞的距離減小，從內(nèi)到外水分遷移的距離也減小，加快了熱量和水分的傳遞速度，從而增大了干燥速率。

圖8 火龍果片在不同切片厚度下的干燥速率曲線

2.2 火龍果片微波間歇干燥動力學(xué)

2.2.1 模型的選擇 在篩選的5種模型中Wang-Singh模型的MR—t為線性關(guān)系，Lagarithmic、Henderson-Pabis、Newton3種模型的-lnMR-t均為線性關(guān)系，Page模型的ln(-lnMR)-lnt為線性關(guān)系，所以以MR、-lnMR、ln(-lnMR)為縱坐標(biāo)，t、t、lnt為對應(yīng)的橫坐標(biāo)，分別繪制不同微波功率、加熱時間、間歇時間、切片厚度下的MR-t、-lnMR-t、ln(-lnMR)-lnt曲線圖，如圖9～11所示。

由圖9可知，Wang-Singh模型不適用于建立目前模型，因?yàn)橄嚓P(guān)變量下MR-t是非線性關(guān)系，通過分析計(jì)算可知，Wang-Singh模型擬合方程的R2=0.943。

由圖10可知，這3種模型均不適用于建立目標(biāo)模型，因?yàn)橄嚓P(guān)變量下-lnMR-t是非線性關(guān)系，通過分析計(jì)算可知，Logarithmic模型擬合方程的R2=0.964，Handerson and Pabis模型擬合方程的R2=0.935，Newton模型擬合方程的R2=0.908。

由圖11可知，在所篩選的模型中，只有相關(guān)變量下ln(-lnMR)-lnt呈線性關(guān)系，通過分析計(jì)算可知，Page模型擬合方程的R2=0.991，優(yōu)于前面4個模型所得的R2值，表明Page的模型能更好地適應(yīng)所有干燥條件，所以采用Page模型作為火龍果片微波干燥動力學(xué)模型。

Page模型：ln(-lnMR)=lnk+nlnt，令：

lnk=a+bP+cH+dX1+eX2，

(4)

n=f+gP+hH+iX1+jX2，

(5)

式中：

P——微波功率，W；

X1——加熱時間，min；

X2——間歇時間，min；

H——切片厚度，mm；

a、b、c、d、e、f、g、h、i、j——待定系數(shù)。

圖9 火龍果片在不同因素下MR與t的關(guān)系曲線

圖10 火龍果片在不同因素下-lnMR與t的關(guān)系曲線

圖11 火龍果片在不同因素下ln(-lnMR)與lnt的關(guān)系曲線

可得到：

ln(-lnMR)=a+bP+cH+dX1+eX2+(f+gP+hH+iX1+jX2)lnt。

(6)

將不同功率、不同加熱時間、不同間歇時間、不同切片厚度試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)依次代入，由SPSS 17.0進(jìn)行多元線性回歸求得方程線性擬合各待定系數(shù)，為a=-5.95，b=0.008，c=-0.458，d=1.578，e=-1.314，f=2.441，j=-0.373，h=0.056，i=-0.458，g=0.000。

得擬合方程：

ln(-lnMR)=-5.95+0.008P-0.458H+1.578X1-1.314X2+(2.441+0.056H-0.458X1-0.373X2)lnt，

(7)

即

MR=e-ktn，

(8)

式中：

k=e-5.95+0.008P-0.458H+1.578X1-1.314X2；

n=2.441+0.056H-0.458X1-0.373X2。

該擬合方程的F為2 192.294，顯著性水平P<0.001，R2=0.991，表明該方程極顯著且擬合度較高。

2.2.2 模型的檢驗(yàn) 如圖12所示，設(shè)定條件為功率420 W，加熱時間1 min，間歇時間1 min時，切片厚度6 mm，試驗(yàn)值與擬合值有較高的擬合度，Page模型適用于描述和預(yù)測火龍果片微波間歇干燥過程中水分變化和干燥用時情況。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，火龍果片微波間歇干燥包括加速、恒速和降速階段，其中切片厚度，間歇時間與干燥速率、物料脫水量呈負(fù)相關(guān)，與干燥時間呈正相關(guān)。加熱時間、微波功率與干燥時間呈負(fù)相關(guān)，與干燥速率、物料脫水量呈正相關(guān)，其中加熱時間對火龍果片微波間歇干燥速率的影響較小。比較了5種常見的干燥模型,經(jīng)擬合得到火龍果片微波間歇干燥的最佳模型為Page模型。但本試驗(yàn)所用的火龍果片為了之后的工藝優(yōu)化均用5% NaCl浸泡過，可能會與鮮果存在一定差異，批量生產(chǎn)時應(yīng)做小批量的預(yù)試驗(yàn)。

圖12 Page模型的擬合值與試驗(yàn)值的比較