冬棗片熱風干燥過程介電參數變化規律研究

劉 歡 ，王吉強 ，牛玉寶 ，曹玉雪 ，肖紅偉 ，姚雪東 ，鄭霞 ，王強

（1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆石河子 832000；3.中國農業大學 工學院，北京 100083）

0 引言

棗片營養豐富，既可以作為干果直接食用，也可以用作泡茶、煮粥、煲湯等調味配料，深受消費者喜愛。目前棗片干燥主要有自然晾曬、熱風干燥、真空脈動干燥及熱風與紅外干燥等［1-4］，受技術與成本制約，規模化的棗片加工仍主要采用自然晾曬或熱風干燥。與熱風干燥相比，自然晾曬干燥周期長，且需獨特的地理位置、光照與氣候條件，在通用性與干制品品質上均較差。

熱風干燥的優點是技術簡便、成本低，但由于傳質與傳熱方向相反，易出現物料表面皺縮與硬化，導致干燥后期水分去除速率低，干燥時間延長，干制品品質快速下降。因此單一的熱風干燥已經難以持續地提高物料干燥速率與干制品品質［5］。為解決熱風干燥的上述瓶頸問題，國內外研究學者開展大量的聯合干燥技術的相關研究，熱風與射頻聯合干燥技術就是其中之一［6-8］。

射頻加熱屬于介電加熱范疇，介電加熱過程中，介電參數是影響物料對電磁波吸收和能量轉化的決定性因素［9］，常采用介電常數和介電損耗因子來表征其介電特性［10］。介電參數不同導致物料在介電加熱過程中產生不同的傳熱和傳質效果，因此在進行熱風與射頻聯合干燥前，需對物料的介電特性變化規律進行深入研究，為射頻的介入確定適宜的條件。

在介電參數的測量上，現有文獻報道的測定方法主要有：終端開路同軸電纜技術、平行板技術、傳輸線技術、自由空間以及諧振腔技術等。其中終端開路同軸電纜技術應用最為廣泛，常用來測定不同熱處理條件下農產品的介電參數［11-12］。不同農產品物料形態各異，介電參數測定過程中常將不規則形狀物料粉碎、壓實以去除空氣隙的影響，但物料粉碎過程中會受到不可逆破壞，粉碎前后質地結構差異較大，就必然會對介電參數的測定結果產生一定的影響。

綜上所述，本文以新鮮冬棗為試驗材料，研究冬棗片熱風干燥過程中非粉碎狀態下介電常數與介電損耗因子隨頻率、溫度和含水率的變化規律，以確定熱風與射頻聯合干燥射頻介入的適宜條件，為冬棗片熱風與射頻聯合干燥技術與工藝提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮和田冬棗購買自新疆石河子市綜合批發市場，挑選成熟度一致，外形規則（縱徑為（30±2）mm，橫徑為（26±2）mm），表面完整無機械損傷的冬棗作為試驗樣品，將冬棗貯藏在4 ℃環境下的冰柜內，勻濕24 h待用；干燥試驗前，采用烘箱法測得冬棗片樣品初始濕基含水率為（79.6±1）%［13］。

1.2 儀器與設備測量

試驗中應用介電參數測量系統來實現對冬棗片的介電常數和介電損耗因子的測定，如圖1所示。該系統主要由E4991B-300型阻抗分析儀（Agilent Technologies，Palo Alto，CA，USA）、85070E型同軸探頭（Hewlett Packard Development Company，DE，USA）和與之配套的 Key-Sight測試軟件等組成。

圖1 介電參數測量系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of dielectric parameter measurement system

儀器與設備：BCD-267G型冰柜（海信容聲冷柜有限公司）；DHG9070A型電熱鼓風干燥箱（上海恒科學儀器有限公司）；BSM220.4型電子天平（上海卓精電子科技有限公司）以及沖孔工具（自制）等。

1.3 樣品制備

將冬棗從冰柜取出，恢復至室溫，選取無核區果肉縱切成厚度為（10±0.5）mm的棗片，放置在溫度為45 ℃、風速為0.5 m/s的電熱鼓風干燥箱內進行干燥，在進行熱風干燥過程中每隔15 min將樣品取出稱重，直到冬棗片的水分含量達到所需值，然后取出樣品密封、標記并冷藏均濕12 h。最終得到目標濕基含水率（20±1）%、（35±1）%、（45±1）%、（60±1）% 及（79.6±1）%，為了敘述方便，將目標含水率統一表述為20%、35%、45%、60%、80%。

試驗過程中含水率W（濕基）計算公式［14］：

式中W——樣品含水率，%；

MW——樣品總質量，g；

W0——樣品初始濕基含水率，%；

Md——試樣中所含干物質的質量，g。

1.4 介電常數與介電損耗因子測量方法

應用終端開路同軸探頭介電特性測量系統實施測定，測量頻率為1～300 MHz（101個測量點），測量溫度為 25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃和 85 ℃，測量含水率為20%、35%、45%、60%和80%，冬棗片在熱風干燥過程隨含水率降低會出現一定程度的“皺縮”，進而導致棗片邊緣局部的“卷曲”，為了減少由此產生的空氣隙，采用沖孔工具將待測冬棗片沖成直徑為22 mm的圓柱體，確保樣品與夾具充分接觸。

1.5 試驗安排與試驗數據處理

如試驗安排表1所示，進行不同含水率、不同溫度在不同頻率下的介電常數和介電損耗因子的測量，每次試驗重復3次，以平均值作為試驗數據，通過Microsoft Excel 2010軟件處理與分析。

表1 試驗安排表Tab.1 Experimental schedule

2 結果與分析

在5個溫度和5個含水率（濕基）水平下，應用終端開路同軸探頭介電特性測量系統測定頻率1～300 MHz內的熱風干燥過程冬棗片的介電參數，測定結果如表2所示。

表2 冬棗片的介電參數Tab.2 Mean ± standard deviation of dielectric parameters for winter jujube chips

2.1 冬棗片介電參數隨射頻頻率變化規律

由表2冬棗片的介電參數試驗數據分析發現，熱風干燥過程冬棗片介電特性在各含水率條件下均呈現隨溫度的升高而增大的趨勢。因此以冬棗片45%含水率為例，對1～300MHz射頻頻段下的介電常數與介電損耗因子變化規律進行分析。

2.1.1 介電常數隨射頻頻率變化規律

圖2為不同溫度下冬棗片介電常數隨射頻頻率變化曲線，冬棗片的介電常數在46.13～74.19范圍內隨頻率的減小而增大，在低頻段介電常數這一變化趨勢更為明顯。而同一頻率下，冬棗片的介電常數隨溫度的升高而增大。

圖2 不同溫度下冬棗片介電常數隨頻率變化曲線Fig.2 Curve of dielectric constant of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.2 介電損耗因子隨射頻頻率變化規律

圖3為不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨射頻頻率變化曲線。冬棗片的介電損耗因子在29.15～527.15范圍內隨頻率的減小而增大，同樣在低頻階段介電損耗因子這一變化趨勢更加明顯。這一變化趨勢在獼猴桃、蘋果等果蔬介電特性研究中也有相似發現［15-16］，出現這種趨勢的原因可能是低頻階段“離子傳導”對介電損耗存在顯著影響［17］。同一頻率下，冬棗片的介電損耗因子隨溫度的升高而增大。

圖3 不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨頻率變化曲線Fig.3 Curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.3 常用射頻頻段下介電參數變化規律

目前食品加工常用的射頻頻段為27.12 MHz和 40.68 MHz［18］，圖 4 和圖 5 分別為冬棗片在射頻頻段27.12 MHz和40.68 MHz下介電常數和介電損耗因子隨溫度變化曲線，兩者的介電常數隨溫度升高變化趨勢比較平緩，介電損耗因子隨溫度升高呈現先增大后減小趨勢。在27.12 MHz時的冬棗片介電常數和介電損耗因子均明顯大于40.68 MHz。

圖4 常用射頻頻率下冬棗片介電常數隨溫度變化曲線Fig.4 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

圖5 常用射頻頻率下冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

介電加熱過程中，介電常數表示物料存儲電場的能力，介電損耗因子則表示將電磁能轉化為熱能的能力［19］。介電常數和介電損耗因子越大，物料存儲能力和轉化能力越高，致使溫度升高，促進水分子的布朗運動，從而縮短了冬棗片的干燥進程。而通常采用介電常數和介電損耗因子描述物料的介電特性，從圖4和圖5發現27.12 MHz時冬棗片介電特性較大，更有利于冬棗片的熱風干燥速率的提高，因此確定冬棗片熱風與射頻聯合干燥的優選頻率為27.12 MHz。

2.2 介電參數隨溫度變化規律

2.2.1 介電常數隨溫度變化規律

圖6為頻率27.12 MHz、不同含水率下冬棗片介電常數隨溫度變化曲線，介電常數變化在50.47～75.34范圍內隨溫度升高而增大。在含水率為20%和35%介電常數隨溫度的升高均呈現增大趨勢；但含水率為45%、60%和80%冬棗片介電常數均在70以上，接近純水的介電常數，此時可見溫度變化對介電常數的影響不明顯，這與張麗在紅棗熱風與射頻聯合干燥技術的相關研究中獲得的結論相似。而同一溫度下冬棗片的介電常數隨含水率的增大而增大。

圖6 不同含水率下冬棗片介電常數隨溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

2.2.2 介電損耗因子隨溫度變化規律

圖7為頻率27.12 MHz時不同含水率下熱風干燥過程冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線。冬棗片的介電損耗因子在142.62～599.89范圍內隨溫度的增大而增大，這與周旭在獼猴桃片的射頻真空及熱風聯合干燥研究中獲得了相似的結論［20］。出現這種現象的原因可能是溫度的升高，加速離子的運動速率，增加了離子的導電效應，從而導致冬棗片介電損耗因子的增大［21］。同一溫度下冬棗片的介電損耗因子隨含水率的增大而增大。

圖7 不同含水率下冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

溫度越高冬棗片介電常數和介電損耗因子越大，介電特性就越大，內部溫升也就越快，更能加快水分向表面遷移，從而提高冬棗片的干燥速率。但介電損耗因子過大，產生的熱能過多，導致冬棗片內部溫度驟升，易出現“加熱失控”及“加熱不均勻”等現象，這會對冬棗片的營養物質造成破壞，因此熱風干燥過程中射頻的介入溫度是熱風與射頻聯合干燥的重要參數，為了能夠有效地保留冬棗片的營養物質以及避免干燥過程出現“加熱失控”等現象，射頻介入時的熱風溫度不宜過高。此外，由圖5可以發現，27.12 MHz時冬棗片的介電損耗因子在75 ℃附近達到最大值，結合熱風干燥的常用溫度范圍可以確定冬棗片熱風與射頻聯合干燥的適宜溫度范圍為55 ℃～75 ℃。

2.3 介電參數隨含水率變化規律

2.3.1 介電常數隨含水率變化規律

圖8為頻率27.12MHz，不同溫度下冬棗片介電常數隨含水率的變化曲線。冬棗片的介電常數在50.47～75.34范圍內隨含水率的增大呈現先增大后趨于穩定的變化趨勢，這與黃孟陽等在草果的介電特性研究中的結論相似［22］，出現這一現象的原因可能是冬棗片自由水含量越高，與射頻波的相互作用就越顯著，導致冬棗片的介電常數增大［23］。同一含水率下冬棗片的介電常數隨溫度的增大而增大。

圖8 不同溫度下冬棗片介電常數隨含水率變化的曲線Fig.8 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

2.3.2 介電損耗因子隨含水率變化規律

圖9為頻率27.12 MHz，不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨含水率的變化曲線。介電損耗因子隨含水率的增大而增大，這與王婧在小雜糧的介電特性研究中獲得的結論相似［24］，出現這一現象的原因可能是在外加電場的作用下，冬棗片含水率的升高會加速水分的取向運動，產生更多的摩擦碰撞，進而增大了冬棗片的介電損耗因子。而同一含水率下介電損耗因子隨溫度的增大而增大。

圖9 不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨含水率變化的曲線Fig.9 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

在各個溫度下，含水率越低，冬棗片的介電常數和介電損耗因子越小，對電磁波的吸收能力就越小。水作為一種極性分子，對冬棗片的介電特性存在顯著影響，水分含量越高，冬棗片的介電特性就越大，導致冬棗片電磁波吸收和轉化熱能的能力越大，物料內部溫升就越快，能夠加速水分子向冬棗片的表面擴散，從而加速冬棗片的干燥進程。含水率較低時，水分擴散速率與熱量傳遞速率均隨之降低，導致物料內部成分含量改變，改變了物料的介電特性。在干燥過程中容易出現“加熱過度”和“焦糊”等現象，造成干制品品質的急劇下降。因此在熱風與射頻聯合干燥過程中，射頻介入的含水率條件不宜過低，較適宜的含水率范圍為45%～80%。如果物料的含水率較低或在干燥后期階段，應注意降低熱風與射頻聯合干燥的熱風溫度或考慮變溫干燥工藝。

3 結語

本文研究了冬棗片熱風干燥過程介電常數與介電損耗因子隨頻率、溫度和含水率的變化規律，進而為冬棗片熱風與射頻聯合干燥中射頻的介入確定適宜的參數條件，除頻率、溫度與含水率外，影響果蔬類物料介電特性的因素還包括新鮮度、成熟度、含糖量、酸度等品質或成分因素，因此后續在研究完善熱風與射頻聯合干燥傳熱傳質機理的同時應結合介電特性隨品質的變化規律，在加快干燥速率的同時兼顧干制品的品質保持與提升。