蓮藕片薄層真空微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

張鐘元 李麗娟 李大婧

摘要：為研究蓮藕片真空微波干燥特性，探討不同真空度、裝載量和微波功率對(duì)蓮藕片薄層真空微波干燥過程的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立蓮藕片薄層真空微波干燥水分比與干燥時(shí)間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行擬合試驗(yàn)，最后計(jì)算蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，蓮藕片薄層真空微波干燥過程符合Page模型，經(jīng)驗(yàn)證，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合良好;蓮藕片薄層真空微波干燥有效擴(kuò)散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內(nèi)。Page模型適合描述蓮藕片薄層真空微波干燥過程。

關(guān)鍵詞：蓮藕片;薄層干燥特性;動(dòng)力學(xué)模型;真空微波;干燥工藝;生產(chǎn)控制

中圖分類號(hào)： TS255.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0201-05

蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn），別稱荷藕、蓮菜等，為睡蓮科蓮屬多年生大型宿根水生草本植物[1]，原產(chǎn)于中國(guó)和印度，歷史悠久，種質(zhì)資源豐富，以肥嫩根狀莖供食用，是我國(guó)極重要的水生蔬菜。蓮藕含有淀粉、膳食纖維、氨基酸、維生素等多種營(yíng)養(yǎng)成分，營(yíng)養(yǎng)豐富，同時(shí)又含有少量生物堿、黃酮類物質(zhì)、鞣質(zhì)等功能性成分，具有清熱涼血、生津止渴、健脾開胃等藥用價(jià)值，廣受消費(fèi)者喜愛[2-3]。蓮藕采收后，易氧化褐變、失水干縮以及腐爛變質(zhì)，不耐貯運(yùn)，而干制可有效延長(zhǎng)其貯藏期限，且便于運(yùn)輸。

真空微波干燥技術(shù)把微波和真空2項(xiàng)干燥方法有效地結(jié)合起來，使二者充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，具有干燥速度快、干燥時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[4]，且能較好地保留干制品的營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味物質(zhì)[5]。在果蔬干燥方面，黃姬俊等研究了香菇微波真空干燥特性及其動(dòng)力學(xué)[6];劉春泉等研究了杏鮑菇真空微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型[7];朱德泉等對(duì)菠蘿片微波真空干燥特性進(jìn)行了研究[8];魏巍等以綠茶為原料，研究其微波真空薄層干燥特性，并建立干燥動(dòng)力學(xué)模型[9];Figiel研究了蒜瓣的真空微波干燥特性[10];Bal等建立了竹筍微波干燥動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)一步得到其有效擴(kuò)散系數(shù)[11];zbek等對(duì)薄荷葉微波干燥特性進(jìn)行分析，建立了動(dòng)力學(xué)模型，并分別計(jì)算了不同干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)[12]。值得一提的是，薄層干燥是常見的片狀果蔬干燥方式，目前已有關(guān)于胡蘿卜[13]、蘿卜絲[14]、木瓜[15]薄層干燥動(dòng)力學(xué)方面的研究報(bào)道，但關(guān)于蓮藕薄層真空微波干燥特性的研究尚未見報(bào)道。

本試驗(yàn)研究真空微波干燥對(duì)蓮藕片干燥特性的影響，并建立蓮藕片薄層真空微波干燥動(dòng)力學(xué)模型，用以描述蓮藕片在薄層真空微波干燥過程中的水分變化，以期為蓮藕真空微波干燥工藝的研究和生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為“美人紅”蓮藕，由江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣天禾食品有限公司特供。全部試驗(yàn)于2016—2017年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所完成。挑選肉質(zhì)肥嫩，色澤潔白，無(wú)明顯機(jī)械傷的蓮藕作為試驗(yàn)原料。

1.2 儀器與設(shè)備

MVD-1型微波真空干燥設(shè)備（南京孝馬機(jī)電設(shè)備廠）;FA2104電子分析天平[賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理 將蓮藕洗凈、去皮后，用不銹鋼刀切分成厚度為5～6 mm的薄片，立即浸于由0.2%檸檬酸和1%氯化鈉組成的護(hù)色劑中護(hù)色，0.5 h后取出，于沸水中燙漂 3 min，流動(dòng)水冷卻至常溫后，置于2%的麥芽糊精溶液中浸漬1 h，取出瀝干，置于-18 ℃左右的冰箱中，凍藏備用。

1.3.2 真空微波干燥 將蓮藕片解凍，按不同裝載量（50、100、200 g）放入真空微波設(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動(dòng)真空泵，將真空度調(diào)至-40、-60、-80 kPa，分別在微波功率為800、1 200、1 600 W/g的條件下進(jìn)行微波干燥，每隔 1 min 測(cè)定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.1 不同真空度對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將100 g解凍蓮藕片放入真空微波設(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動(dòng)真空泵，將真空度調(diào)至-40、-60、-80 kPa，在微波功率為1 200 W/g的條件下進(jìn)行微波干燥，每隔1 min測(cè)定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.2 不同裝載量對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將蓮藕片解凍，按不同裝載量（50、100、200 g）放入真空微波設(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動(dòng)真空泵，將真空度調(diào)至-80 kPa，在微波功率為 1 200 W/g 的條件下進(jìn)行微波干燥，每隔1 min測(cè)定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.3 不同微波功率對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將100 g解凍蓮藕片放入真空微波設(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動(dòng)真空泵，將真空度調(diào)至-80 kPa，在微波功率為800、1 200、1 600 W/g的條件下進(jìn)行微波干燥，每隔1 min測(cè)定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.4 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

果蔬干燥常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型如表1所示。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0分析軟件對(duì)表1中各干燥方程的參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓮藕片薄層真空微波干燥特性分析

2.1.1 真空度對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖1可知，真空微波干燥蓮藕片時(shí)，在微波功率為1 200 W、裝載量為100 g的條件下，真空度越高，達(dá)到目標(biāo)含水率所需時(shí)間越短。當(dāng)真空度為-40、-60、-80 kPa時(shí)，蓮藕片干基含水率降至13%以下所需干燥時(shí)間分別為27、20、14 min。可能原因是真空度越高，水的沸點(diǎn)越低，汽化所需時(shí)間越短，蒸發(fā)速率越快[17]。

由圖2可知，在微波功率為1 200 W、裝載量為100 g的條件下，真空度為-40、-60、-80 kPa時(shí)，蓮藕片的真空微波干燥過程均整體分為加速干燥、恒速干燥和降速干燥3個(gè)階段。在加速干燥階段和恒速干燥階段，3條干燥速率曲線均區(qū)分明顯，且真空度越高，相同干基含水率所對(duì)應(yīng)的干燥速率越大，真空度為-80 kPa時(shí)的干燥速率優(yōu)勢(shì)最為明顯，可能是由于在其他條件相同的情況下，真空度越高，腔體內(nèi)溫度達(dá)到水沸點(diǎn)的耗時(shí)越短，進(jìn)而使真空度的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。這與魏巍等通過分析不同真空度下綠茶真空微波干燥特性所得結(jié)論[9]一致。

2.1.2 裝載量對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖3可知，設(shè)定真空度為-80 kPa、微波功率為1 200 W時(shí)，裝載量越小，干燥曲線越陡峭，達(dá)到目標(biāo)含水率所需干燥時(shí)間越短。裝載量為50、100、200 g時(shí)，蓮藕片干基含水率降至13%以下所對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為11、14、20 min。主要是因?yàn)樵谡婵斩取⑽⒉üβ室欢ǖ臈l件下，裝載量越大，單位質(zhì)量水分所吸收的微波能越少，汽化時(shí)間越長(zhǎng)，蒸發(fā)速率越低，導(dǎo)致干燥時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)[18]。

由圖4可知，在真空度為-80 kPa，微波功率為1 200 W的條件下，裝載量為50、100、200 g時(shí)，蓮藕片的干燥過程均整體分為升速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。裝載量越小，恒速干燥階段持續(xù)時(shí)間越短。在整個(gè)干燥過程中，隨著裝載量的增大，相同干基含水率所對(duì)應(yīng)的干燥速率加快。

2.1.3 微波功率對(duì)蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖5可知，在真空度為-80 kPa、裝載量為100 g的條件下，微波功率為800、1 200、1 600 W時(shí)，蓮藕片干基含水率降至13%以下所需時(shí)間分別為24、14、8 min，說明隨著微波功率的降低，達(dá)到目標(biāo)含水率所需干燥時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，干燥曲線也趨于平緩。可能是由于微波功率越低，所提供的微波能越低，物料中的水分汽化時(shí)間延長(zhǎng)，蒸發(fā)速率降低。

由圖6可以看出，在真空度為-80 kPa、裝載量為100 g的條件下，當(dāng)微波功率為800、1 200 W時(shí)，蓮藕片的真空微波干燥過程整體分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3個(gè)階段，而當(dāng)微波功率達(dá)到1 600 W時(shí)，蓮藕片的干燥過程不經(jīng)恒速干燥階段直接進(jìn)入降速干燥階段。整個(gè)干燥過程中，微波功率越大，相同干基含水率所對(duì)應(yīng)的干燥速率越高。

2.2 蓮藕片薄層真空微波干燥動(dòng)力學(xué)

2.2.1 蓮藕片真空微波干燥模型選擇 根據(jù)干燥特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制不同真空度、裝載量和微波功率下的-ln（MR）-t曲線和ln[-ln（MR）]-lnt曲線（圖7至圖12）。從圖7、圖9、圖11可以看出，-ln（MR）與t呈非線性相關(guān)關(guān)系，從圖8、圖10、圖12可以看出，ln[-ln（MR）]與lnt呈線性相關(guān)關(guān)系，表明蓮藕片的真空微波干燥動(dòng)力學(xué)模型滿足Page方程，因此可以選擇Page模型作為蓮藕片真空微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

2.2.3 蓮藕片薄層真空微波干燥模型方程的驗(yàn)證 選取試驗(yàn)中的1組數(shù)據(jù)驗(yàn)證蓮藕片真空微波干燥動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)條件為真空度-80 kPa，裝載量200 g，微波功率 1 200 W。由圖13可知，Page模型的預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線基本擬合，表明Page方程能較準(zhǔn)確地反映蓮藕片真空微波干燥過程中水分的變化規(guī)律。

2.2.4 蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù) 在不同真空微波干燥條件下所得的-ln（MR）-t關(guān)系圖中，采用Excel軟件對(duì)干燥曲線添加線性趨勢(shì)線，從趨勢(shì)線方程讀出其斜率。由公式（5）即可求出不同干燥條件下蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)（表2）。

由表2可以看出，在真空微波干燥條件下蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內(nèi)。真空微波干燥條件下蓮藕片的有效擴(kuò)散系數(shù)隨著真空度和單位質(zhì)量微波功率的增加而增大，隨著裝載量的增加而降低。當(dāng)裝載量和微波功率相同時(shí)，真空度為-80 kPa時(shí)，有效擴(kuò)散系數(shù)最大，最高可達(dá)真空度為-40 kPa的2.9倍，充分體現(xiàn)了真空干燥的優(yōu)勢(shì)。

Sharma等分別采用不同的微波功率與不同熱風(fēng)風(fēng)速、溫度同時(shí)組合干燥蒜片，得到蒜片的Deff值在1.29×10-10～31.68×10-10 m2/s范圍內(nèi)，且隨微波功率的增大而升高[19];Evin研究了薊的薄層微波干燥特性，并得到其微波功率為 90～800 W時(shí)，有效擴(kuò)散系數(shù)為5.5×10-8～3.5×10-7 m2/s，且隨微波功率的增加而增大[20];胡慶國(guó)在不同的真空度和單位質(zhì)量微波功率條件下真空微波干燥毛豆，分析得出，有效擴(kuò)散系數(shù)在1.306×10-9～4.573×10-9 m2/s范圍內(nèi)，且隨真空度和單位質(zhì)量微波功率的增加而增大[21]，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。本試驗(yàn)中蓮藕片的Deff值遠(yuǎn)大于上述研究，可能是由于蒜片和薊是在常壓下進(jìn)行微波干燥，而毛豆雖然在真空狀態(tài)下進(jìn)行微波干燥，但其組織結(jié)構(gòu)致密，且單位質(zhì)量微波功率低于本試驗(yàn)，因此內(nèi)部水分?jǐn)U散較慢。

3 結(jié)論

蓮藕片薄層真空微波干燥過程可基本分為升速干燥、恒速干燥、降速干燥3個(gè)階段;蓮藕片薄層真空微波干燥過程符合Page模型，模型方程為MR=exp（-ktN），其中，k=exp（-3.191+0.014 9X1-0.008 87X2+0.000 973X3），N=0.495+0.002 30X1+0.001 51X2+0.000 306X3;R值均大于0.95，P值均小于0.05，說明擬合顯著。經(jīng)驗(yàn)證，模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合良好;蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內(nèi)，且真空度和微波功率越高、裝載量越低，有效擴(kuò)散系數(shù)越大。

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