熱燙藕條微波滾動干燥熱場分布及脫水品質

呂為喬， 宿佃斌， 王天行， 宋 凱， 段振華， 李國華

（1. 賀州學院 食品科學與工程技術研究院，廣西 賀州542899； 2. 中國農業大學 工學院，北京100083）

微波干燥是利用特性波段電磁波對物料中水分子的高頻作用，使水分子獲得較高的能量，進而從物料中分離出來[1-2]。 微波干燥目前廣泛應用在高水分農產品的加工干燥中，如毛豆[3]、生姜[4]、香蕉片[5]等。 由于微波在農產品中具有較強的穿透性，物料為全體積受熱，物料的形態、屬性和所處的位置不同均會造成微波干燥不均[6-7]。 家用的微波爐，采用旋轉盤的二維運動，來改善加熱均勻性。 前期有學者研究了微波熱風振動床干燥[8]、微波噴動床干燥[9-10]，在不同程度上改善了微波干燥的均勻性。 作者采用自主研制的微波熱風滾動床干燥（MARD）裝備，以生鮮藕條為原料，對裝備的原理和過程進行了優化分析。

蓮藕（Nelumbo nuciferaGaertn）為多年生大型宿根草本植物，富含淀粉、纖維素、維生素等多種營養元素[11-12]。 為研究殺青處理方式對蓮藕熱風微波滾動床干燥過程和品質的影響，開發高品質的脫水果蔬食品，采用沸水漂燙的方法，研究漂燙處理對新鮮藕條干燥過程熱像分布、干燥品質和微觀結構的影響。為闡述沸水漂燙對MARD 干燥過程的特定影響，并區別于微波的作用，作者在對藕條的干燥曲線、感官品質等指標進行分析時，以電熱鼓風干燥（Hot-Airflow Drying， AD）工藝進行對照研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

生鮮蓮藕，購于本地農貿市場，含水率81.90%。去皮、切條，截面為0.5 cm×0.5 cm，清水洗去淀粉后備用。

1.2 主要儀器與設備

微波熱風滾動床干燥裝備 （ORW2S-3000R型）：南京奧潤微波電子科技有限公司產品；電熱鼓風干燥箱（GZX-9140MBE型）：上海博訊實業有限公司醫療設備廠產品；色差儀（HP-200型）：廈門新銳儀器儀表有限公司產品； 掃描電子顯微鏡（Hitachi S3400型）：日本日立公司產品；數字風速儀（UT363型）：東莞優利德科技有限公司產品；電子天平（FA1004型）：上海舜宇恒平科技儀器有限公司產品。

MARD 干燥裝備為作者所在團隊自主研發設計，原理圖如圖1 所示。該裝備由3 組100～1000 W的2450 MHz 微波源組成，微波功率可獨立連續控制。 物料置于腰鼓形滾動床體內側，轉速為1～10 r/min連續可調，床體和傳動此輪均采用聚四氟乙烯材料制成，確保對微波干燥過程無干擾。 熱風功率3000 W，風速和風溫連續可調。 干燥倉側門上有紅外傳感器，實時監測滾動床上物料的溫度，若溫度超過設定值，微波源停止工作。 間歇設定時間后，微波源繼續開啟。

圖1 微波熱風滾動床干燥裝備原理圖Fig. 1 Schematic diagram of MARD

1.3 干燥工藝

1.3.1 MARD 干燥將準備好的藕條2 組，每組1000 g， 分別進行沸水漂燙和對照組 （未漂燙）處理，漂燙時間為1 min，處理后置于MARD 裝備滾動床體中。 同時開啟熱風和微波。 入口熱風風速調到2 m/s，溫度設為65 ℃。微波總功率設為800 W，3個磁控管的功率系統設定為平均分配，物料最高溫度設為75 ℃。 當檢測到物料的最高溫度超過設定值時，微波源自動停止工作，經過20 s 后再繼續工作，確保傳感器監測的最高溫度不超過設定值。 干燥終點時，物料干基含水率控制在8%以下[13]。 試驗每10 min 對物料稱量一次，直至干燥終點，為了表征試驗誤差，每組試驗重復3次，繪制物料“干基含水率-干燥時間”關系曲線。 為保證干燥后期品質，最后一階段通過經驗觀察、并多次測量得到，干燥時間和干燥曲線為近似結果。

1.3.2 AD 干燥將準備好的藕條2 組， 每組500 g，分別進行沸水漂燙和對照組（未漂燙）處理，漂燙為沸水， 漂燙時間為1 min。 為了保證過程的穩定性，將處理后的物料置于標準化的電熱鼓風干燥箱中進行AD 干燥。試驗中，熱風溫度設為75 ℃，試驗測得入口風速1 m/s。同樣，試驗每15 min 對物料稱量一次，直至物料干基含水率控制在8%以下。 為了表征試驗誤差，每組試驗重復3次，繪制物料“干基含水率-干燥時間”關系曲線。

1.4 分析方法

1.4.1 MARD 過程的溫度分布試驗在MARD 工藝干燥開始階段（干燥0 min，10 min）、中間階段（干燥60 min）和干燥后期（漂燙處理物料干燥110 min，未漂燙處理物料120 min）暫停微波，打開倉門，利用FLIR E40型紅外熱像儀第一時間測得藕條的熱像圖，并觀察熱像圖中最高溫度與設定最高溫度的關系， 以及物料在微波干燥過程中溫度的波動情況。

1.4.2 脫水藕條干燥色澤在色澤變化上， 采用“Hunter Lab”色度空間法，測定藕條脫水產品的色澤品質變化。 其中，其中L 代顏色的深淺，正值亮度較高；a 代表顏色的紅綠方向， 正值紅度較高；b 值代表顏色的黃藍方向，正值黃度較高[14]。 試驗采用HP-200型測色色差儀測定藕條脫水產品的色澤品質變化，基于藕條干燥產品色澤指標的數值變動較大，將4 組不同工藝下的脫水藕條粉碎，然后測量數L、a、b。 為了表征測量誤差，每個階段抽樣3次，測定均值和標準差。

1.4.3 脫水藕條的微觀結構分別取4 組不同干燥工藝中的脫水藕條各一塊，貼到樣品臺上、鍍膜，通過Hitachi S3400型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）掃描觀察，在適宜的倍數下拍照，采集數據。

2 結果與討論

根據試驗過程監測到的數據，得到未漂燙藕條MARD 干燥、沸水漂燙藕條藕條MARD 干燥、未漂燙藕條AD 干燥、 沸水漂燙藕條AD 干燥4 組干燥工藝下的“干基水分質量分數-干燥時間”的規律性變化曲線，結果見圖2。 可以發現，在相同干燥參數下，未漂燙藕條MARD 干燥，達到干燥終點時所需要的時間為120 min， 沸水漂燙藕條的干燥時間為110 min，沸水漂燙顯著提高了干燥效率。 在干燥過程中，物料在開始階段水分降低較快，隨著干燥的持續進行，干燥速度逐漸降低。 分析認為，物料的游離水首先被微波干燥，剩余不易流動水和結合水干燥阻力較大，干燥速度降低。

在AD 干燥中， 未漂燙藕片的干燥時間為405 min，沸水漂燙后的藕片干燥時間為390 min。沸水漂燙同樣提高了熱風干燥的效率。 分析認為沸水漂燙過程破壞了細胞的組織結構，使水分更容易從干物質中分離出來。 AD 干燥過程中，干燥速度開始階段比較平穩，隨著干燥的進行，先升高，后降低。分析認為物料在開始階段逐漸升溫，自由水含量較高但起始溫度較低，AD 干燥的速度較為平穩。 隨著干燥的進行，物料溫度升高，干燥速度加快。 在干燥后期，剩余水分與干物質的結合力較強，同時，由于表面硬化，傳質阻力增大，導致干燥速率變慢

圖2 不同工藝下藕條干燥過程的水分變化曲線Fig. 2 Moisture content of lotus-root sticks during different drying process

2.1 藕條干燥過程的熱像結果

藕條MARD 干燥過程熱像圖的分布，反映了物料的干燥狀態。 物料最高溫度設為75 ℃，但物料處于滾動狀態，傳感器對物料的監測有一定浮動。 與此同時，物料本身在MARD 干燥過程溫度分布也有一定的波動。 試驗采用紅外熱像儀對干燥初期（物料放入階段干燥0 min、干燥10 min）、中期（干燥60 min）和后期（干燥終止階段110 min、120 min）物料的溫度進行監測，能在宏觀上反映物料的溫度狀態。 未漂燙藕條MARD 干燥、 沸水漂燙藕條藕條MARD 干燥兩組工藝下的紅外熱像圖如圖3 和圖4所示。 在熱像圖中存儲物料的地方取線，可通過熱像儀系統軟件提取相關溫度。

結果發現，未漂燙以及沸水漂燙藕條在MARD干燥過程有著相同的規律， 起始階段物料溫度較低，干燥倉體的溫度已通過熱風系統首先升溫。 隨著MARD 干燥工藝的進行， 物料溫度逐漸升高，物料的升溫速度高于倉體的升溫速度，在開始階段和中間階段物料均未達到設定的最高溫度，微波干燥持續進行。 在最終階段，物料的水分大部分散失，受熱基數變小。 溫度升高較快，圍繞設定值浮動，局部地區超過了設定溫度75 ℃， 因此干燥最終階段是控制物料品質的關鍵階段。

圖3 新鮮藕條MARD 干燥過程的熱像分布以及對應的采樣點溫度Fig. 3 Thermogram and corresponding temperature of sampling points during MARD for fresh lotus-root sticks

圖4 沸水漂燙物料MARD 干燥過程的熱像分布以及對應的采樣點溫度Fig. 4 Thermogram and corresponding temperature of sampling points during MARD for boiling-water blanching lotusroot sticks

比較沸水漂燙對物料溫度的影響，圖4 漂燙物料起始溫度比圖3 未漂燙物料高，物料在MARD 干燥過程中升溫速度較快。 由于整個干燥過程藕條溫度平均值較高，同時生物組織中的水分受過漂燙處理， 物料在MARD 中的干燥時間減少了約10 min，在干燥110 min 時達到干燥終點。

2.2 脫水藕條色澤變化

試驗得到 “未漂燙+AD， 漂燙+AD， 未漂燙+MARD 以及漂燙+MARD”4 組不同工藝下的脫水藕條產品，如圖5 所示。未經漂燙的MARD 產品和AD產品色澤明亮，漂燙過的MARD 產品和AD 產品色澤較暗，基于藕條干燥產品色澤指標的數值變動較大，將4 組不同工藝下的脫水藕條打粉，每組粉體抽樣3次，測定均值和標準差。 利用“Hunter Lab”色度空間法， 顏色在L、a、b 3個不同指標的坐標軸間取值，不同工藝下脫水藕粉的色澤指標如表1 所示。

從所得藕片色澤數值上看， 相對于AD 干燥，MARD 干燥產品的L 值和b 值變化不顯著，未漂燙的產品中，MARD 工藝下的產品紅度指數a 值偏高。 相對于未漂燙的產品，L 值減小，a 值增大，且在95%的置信區間上有顯著差異， 說明無論是MARD還是AD 工藝，沸水漂燙均能顯著降低產品的亮度，紅度值顯著升高。 從物料的b 值上看，黃度指標變化不顯著。

圖5 不同工藝下藕條干燥形態及藕粉Fig. 5 Dehydrated lotus-root sticks and corresponding powders in different drying processes

表1 不同工藝下脫水藕粉的Hunter Lab 色澤指標Table 1 "Hunter Lab" color index of dehydrated lotusroot powders in different drying processes

2.3 藕條干燥后的SEM 形貌

在未經漂燙和漂燙的藕條經過MARD 干燥和AD 干燥的產品中取樣處理， 經掃描電子顯微鏡掃描觀察，得到樣品500 倍的微觀形貌，如圖6 所示。圖中6（a）和6（b）相比較反映了漂燙對MARD 干燥過程的影響，發現二者結構緊密，呈層狀斷面，未見清晰的細胞內結構和特殊大分子組織，漂燙對微波干燥形貌的影響不顯著。 圖中6（c）和6（d）相比較反映了漂燙對AD 干燥過程的影響， 未漂燙藕條熱風干燥后產品有清晰的淀粉顆粒，而經過漂燙的藕條的微觀結構中，未發現清晰的淀粉顆粒，說明沸水漂燙過程對物料的組織結構發生了破壞性改變。以上4 組數據也說明了， 微波和沸水漂燙都會破壞物料的組織結構。 結合藕條的干燥速度曲線，說明微波和沸水漂燙在加快干燥速度的同時，破壞了藕片的組織結構，二者存在交互影響。

圖6 不同工藝下脫水藕條的SEM 形貌Fig. 6 Microstructure of dehydrated lotus-root sticks in different drying processes

3 結 語

在MARD 干燥試驗裝備的基礎上，以AD 干燥過程為對照，以沸水漂燙為預處理手段，研究了藕條在MARD 干燥過程的熱像分布、水分變化規律以及干燥產品的品質和影響因素，得到如下結論：

1） 藕條MARD 過程在熱風和微波的協同作用下溫度逐漸升高，最終穩定在設定范圍。 在MARD過程，物料溫度場在滾動床內部動態調整，可實現均勻穩定干燥。

2） 隨溫度和水分的變化， 藕條在MARD 干燥過程中干燥速度先增大后減小，沸水漂燙顯著減少MARD 干燥時間，但漂燙處理對MARD 過程熱像分布影響不顯著。

3） 沸水漂燙會使MARD 工藝下脫水藕條的色澤變暗、同時使紅度提高，沸水漂燙和微波干燥過程都會破壞藕條的微觀結構。