即食慈姑片微波干燥特性及動力學模型研究

唐小閑段振華任愛清段偉文羅瀚森林承珍蒙麗雅

(1. 賀州學院食品與生物工程學院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西 賀州 542899)

慈姑(Sagittariatnfolia)又稱茨菇，為澤瀉科、慈姑屬單葉子多年生沼澤宿根草本植物，在中國被廣泛栽培，資源十分豐富[1-2]。慈姑具有菜食和藥用價值，其主要食用部分為球莖，球莖中富含粗纖維、脂肪、淀粉、蛋白質及鐵、鋅、硒等[3]，慈姑多糖具有提升免疫力功能和增強抗氧化作用[4]、秋水仙堿有抗痛風和抗癌作用[5]。但由于鮮食慈姑有特殊甘苦味，部分消費者難以接受，近年來慈姑價格處于低迷狀態，銷量不穩定、甚至出現負增長現象，嚴重制約了慈姑產業的發展。

近年關于慈姑加工相關研究主要集中在慈姑淀粉特性[6]、多糖提取工藝[4]、揮發性風味成分分析[7]、慈姑渣粉面包[2]和慈姑餅干[8]等方面，關于慈姑干燥的研究集中在慈姑片的自然晾曬風干、電箱烘烤、熱風干燥、微波干燥、熱風—微波干燥[1]，慈姑粉的噴霧干燥[9]，關于采用微波干燥膨化方法加工經調味處理的即食慈姑片的研究未見報道。

微波干燥技術具有特殊的膨化功能，且穿透力強、利用率高，微波加熱過程中，由于微波能轉化熱能被物料吸收，物料內部快速升溫、壓力增大推動水分遷移和蒸發，同時，物料內外壓力差致使物料細胞膨脹，物料整體的膨化形成疏孔隙結構[10-11]。因此利用微波干燥膨化加工慈姑片制作即時休閑食品前景寬廣。

研究擬以慈姑為對象，探究即食慈姑片在厚度、鋪料密度和微波功率密度等條件下的微波干燥特性，利用干燥方程構建即食慈姑片微波干燥的動力學模型，以期為即食慈姑片微波干燥參數的優化及實際干燥工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮慈姑：無機械損壞、大小均勻，賀州市源貿易商行；

食用鹽、白砂糖、味精：市售。

1.2 主要儀器

微波爐：G70D20CN1P-D2(S0)型，廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，德國Sartorius公司；

水分測定儀：MX-50型，日本AND公司；

電磁爐：C21-WT2118型，廣東美的生活電器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 即食慈姑片加工工藝流程及前處理

(1) 加工工藝流程：

慈姑→清洗→去皮、去蒂→切片→浸漬調味→瀝干→擺盤→微波脆化→冷卻→裝袋→檢驗→成品

(2) 慈姑脆片前處理：挑選、清洗、去皮、切片、瀝水備用。以慈姑片50 g、調味液按70 ℃ 熱水200 mL為基準，加入食用鹽5 g、白砂糖45 g、食用味精2.5 g的量進行調配液調配，放入慈姑片調味，設置電磁爐120 W加熱10 min 后取出，瀝水，備用。

1.3.2 厚度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 在慈姑片鋪料密度0.20 g/cm2、微波功率密度7.0 W/g，分別考察慈姑片厚度為2，3，4 mm時對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止[12]。

1.3.3 鋪料密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 在慈姑片厚度為3 mm、微波功率密度7.0 W/g，分別考察慈姑片鋪料密度為0.16，0.20，0.24 g/cm2時對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止。

1.3.4 微波功率密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響

在慈姑片厚度為3 mm、鋪料密度0.20 g/cm2，分別考察慈姑片微波功率密度為4.2，5.6，7.0，8.4，9.8 W/g時對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min 記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止。

1.3.5 干基含水率測定 通過用MX-50型水分測定儀測定慈姑調味處理后濕基平均含水率，物料濕基初始含水率W0=(68.0±0.5)%。微波每加熱一次結束，從分析天平讀取慈姑片質量，根據式(1)計算干基含水率[13]。

(1)

式中：

Xt——慈姑片干燥至t時刻的干基含水率，%；

Gt——慈姑片干燥至t時刻的總質量，g；

G——慈姑片絕干物料質量，g。

1.3.6 干燥速率的測定 干燥速率是指在一定的干燥條件下物料在單位時間內水分含量的變化，是研究干燥特性的一個重要參數，用來反映物料在干燥過程中脫水的快慢程度。干燥速率按(2)計算[14-15]。

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/min；

Δt——相鄰2次測量的時間差，min；

Mt+Δt——t+Δt時刻慈姑片的干基含水量，g；

Mt——t時刻慈姑片的干基含水量，g。

1.3.7 水分比的測定 按式(3)計算[16-17]。

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥至t時刻樣品的干基含水率，%；

M0——樣品初始干基含水率，%；

Me——樣品平衡干基含水率，%。

由于Me較M0和Mt顯得非常小，通常可以忽略不計，故可將式(3)簡化成式(4)進行計算：

(4)

1.3.8 干燥模型擬合 物料干燥是一個非常復雜的傳質傳熱過程，使用數學模型研究食品干燥特性以及預測和優化干燥工藝參數具有重要作用，建立干燥模型已成為干燥技術研究的重要內容。試驗選了6種比較常用的干燥模型[13,18]進行慈姑片微波干燥模型線性擬合，選用的6種干燥模型及其線性化處理表達式見表1。

1.4 數據分析

試驗數據采用Origin 8.5進行圖表繪制，用Excel 2010和SPSS 22.0對即食慈姑片微波干燥試驗數據進行回歸擬合。

2 結果與分析

2.1 即食慈姑片微波干燥特性

2.1.1 厚度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 由圖1(a)可知，鋪料密度和功率密度恒定時，慈姑片干基含水率隨干燥時間的延長持續下降，慈姑片厚度越小，干燥曲線越陡峭，所需干燥時間越短，厚度為2，3，4 mm時，干燥時間分別為34，38，46 min。由圖1(b)可知，即食慈姑片微波干燥過程主要表現為加速、降速2個階段，沒有明顯的恒速階段。干燥速率是指單位時間內物料蒸發的水分質量。厚度為2，3，4 mm時，物料干燥速率最大值分別為2.135，1.940，1.655 g/min，說明慈姑片厚度越小，越縮短了熱量向物料表面傳遞和水分從物料中心向外擴散的距離，內部水分遷移阻力變小，傳質與傳熱的速度加快[19]，從而干燥速度也越快。在加速階段，物料含水率較高，干燥速率加速較快；在降速階段，物料熱能吸收能力隨含水率降低而減小，干燥速率明顯下降。因此，干燥條件恒定情況下，可通過減小物料厚度提高物料干燥速率。

表1 6種干燥數學模型?

2.1.2 鋪料密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 由圖2(a)可知，物料厚度和功率密度恒定時，隨著物料鋪料密度增大，物料含水率下降緩慢，干基含水率降至平衡耗時越長。物料裝載量分別為1.96，2.94，3.93 kg/m2的干燥時間為26，38，44 min。由圖2(b)可知，物料厚度和功率密度恒定，物料鋪料密度最大為0.24 g/cm2時，干燥曲線加速、恒速、降速各階段均較明顯，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢；而物料鋪料密度較小時，如0.16 g/cm2和0.20 g/cm2，干燥曲線加速和降速階段的干燥速率變化越劇烈，含水率下降越快，但未顯現恒速階段。原因是在相同微波功率密度下，鋪料密度越大，總含水量越大，單位時間內物料所吸收的微波能越小[20]，物料水分蒸發量越小，物料干燥速率越小，干燥時間越長。

圖1 不同厚度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

圖2 不同鋪料密度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

2.1.3 微波功率密度對慈姑片微波干燥特性的影響 由圖3(a)可知，在物料厚度和鋪料密度恒定下，微波功率密度越大，干燥曲線越陡峭，干基含水率降至平衡所經歷的時間越短，微波功率密度為9.8，8.4，7.0，5.6，4.2 W/g時，干燥時間分別為26，30，38，48，62 min，原因是微波干燥中物料實際吸收的能量是按單位質量物料吸收的微波能(即能量密度)計算的[21]，鋪料密度恒定，微波能量密度越大，微波能耗越大，單位時間內遷移的水分越大。由圖3(b) 可知，當微波功率密度較大，為5.6～9.8 W/g時，干燥速率曲線只存在加速和降速兩個階段；當功率密度較小，為4.2 W/g時，干燥速率曲線存在加速、恒速、降速階段。慈姑片微波干燥過程呈現出加速、恒速和降速3個階段，功率密度比較小，干燥速度曲線存在恒速階段。在恒定的干燥條件下，微波功率密度越大，物料吸收的能量密度越大，物料水分遷移動力和蒸發量增加使干燥速率增大，縮短干燥時間；加速階段主要表現在干燥初期，物料流動水多，自由度低，含水率較大，物料吸收微波能后較容易遷移排出[22]，物料干燥速率加速迅速；恒速階段和降速階段，物料含水率慢慢變小，物料流動水較少，水分被物料組織緊密鎖住，物料干燥速率也逐漸減少。但是，微波干燥功率密度過高會造成慈姑片焦化使其品質下降。因此，通過增加微波功率密度來提高物料干燥速率需要根據實際生產來設計參數。

2.2 即食慈姑片微波干燥動力學

2.2.1 即食慈姑片微波干燥動力學模型的選擇 干燥模型的正確選擇對研究干燥工藝參數和預測干燥質量具有極其重要作用[23]。Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic 3種模型的-lnMR-t均為線性關系，Two term和Wang and Singh干燥模型的MR-t均為線性關系， Page 模型的ln(-lnMR)-lnt線性關系，根據物料干燥過程水分比的變化驗證這6種模型在即食慈姑片干燥過程的相關性，繪制不同厚度、鋪料密度和功率密度下-lnMR-t、MR-t和ln(-lnMR)-lnt關系圖，見圖4～12。

圖3 不同微波功率密度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

圖4 不同厚度條件下-lnMR-t關系

圖5 不同鋪料密度條件下-lnMR-t關系

由圖4～6可知，相關變量下，即食慈姑片微波干燥過程-lnMR-t是非線性關系，說明Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic模型不符合即食慈姑片干燥動力學模型的選擇要求。

由圖7～9可知，相關變量下慈姑片微波干燥過程MR-t的二次曲線是非線性關系，說明Two term和Wang and Singh模型不符合即食慈姑片干燥動力學模型的選擇要求。

由圖10～12可知，相關變量下即食慈姑片微波干燥過程的ln(-lnMR)-lnt是線性關系，說明Page模型可以描述即食慈姑片微波干燥的過程，故選MR=e-ktn作為即食慈姑片微波干燥動力學模型。

圖6 不同微波功率密度條件下-lnMR-t關系

圖7 不同厚度下MR-t關系圖

圖8 不同鋪料密度下MR-t關系圖

采用Page模型ln(-lnMR)=lnk+nlnt建立即食慈姑片微波干燥動力學模型：

lnk=a+bH+cL+dP，

(5)

n=e+fH+gL+hP，

(6)

式中：

H——厚度，mm；

L——鋪料密度，g/cm2；

P——微波密度，W/g；

圖9 不同微波密度下MR-t關系圖

圖10 不同厚度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

圖11 不同鋪料密度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

圖12 不同微波功率密度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

a、b、c、d、e、f、g、h——待定系數。

將lnk=a+bH+cL+dP、n=e+fH+gL+hP代入ln(-lnMR)=lnk+nlnt，可得到：

ln(-lnMR)=a+bH+cL+dP+(e+fH+gL+hP)lnt。

(7)

對試驗數據進行多元線性回歸，求得方程線性擬合待定系數a=-4.866 57，b=-0.060 97，c=-0.045 56，d=0.006 81，e=2.227 89，f=-0.086 77，g=-0.000 14，h=-0.000 21。擬合方程為ln(-lnMR)=-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P+(2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P)lnt即：

MR=e-ktn，

(8)

式中：

k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P；

n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P。

該擬合方程F=3 136.907 03，P<0.000 1，表明所求得的回歸方程顯著；回歸方程的決定系數R2=0.990 66，說明模型的擬合度良好，試驗誤差較小。

2.2.2 動力學模型驗證 為檢驗動力學模型的準確性，設定試驗條件為慈姑片厚度3 mm，鋪料密度0.20 g/cm2，微波功率密度7.0 W/g進行驗證。由圖13可知，Page模型預測值與試驗值擬合度較好，說明Page模型能夠較好反映和預測即食慈姑微波干燥過程中的水分變化情況。

3 結論

試驗表明，即食慈姑片微波干燥過程呈現出加速、恒速和降速3個階段，物料厚度越大、鋪料密度越大，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢，干燥耗時越長；微波功率密度越大，干燥速率越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速階段干燥時間越短。通過6種干燥模型擬合分析，發現慈姑片微波干燥動力學模型滿足Page模型：MR=e-ktn，其中k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P，n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P，該模型能夠較準確地表征和預測即食慈姑片微波干燥過程的水分變化規律，描述預測干燥過程某時刻慈姑片水分比的含量。試驗在研究微波功率密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響時，僅做了單一微波功率密度，并未考慮不同大小組合的、多段式的微波功率密度的影響。后續可尋求一種以計算機算法來達到優化多微波功率密度組合的微波干燥加工即食慈姑片工藝的數值模擬模型，以更好地為即食慈姑片微波干燥參數的優化及實際干燥工藝提供參考。

圖13 即食慈姑片微波干燥的動力學模型檢驗曲線