金針菇真空微波干燥動力學模型的研究

胡慶國卜召輝陸 寧

（1.合肥學院生物與環境工程系，安徽 合肥 230022；2.安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽 合肥 230036）

金針菇真空微波干燥動力學模型的研究

胡慶國1卜召輝2陸 寧2

（1.合肥學院生物與環境工程系，安徽 合肥 230022；2.安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽 合肥 230036）

研究微波真空干燥金針菇的水分變化規律，通過二次通用旋轉組合設計得到不同干燥條件下金針菇的失水速率，利用SAS統計分析軟件建立該過程水分變化的數學模型即Y1＝6.537 777＋1.417 750X1＋1.279 865X3＋0.871 067X1X3－ 1.877 75X2X3；Y2＝ 5 .977 778＋0.647 004X1＋1.552 102X3＋ 0 .995 606X1X3；Y3＝ 3.962 962 －0.710 643X1＋ 1.484 926X3；Y4＝1.574 445－0.689 43X1＋1.071 267X3－ 0 .470 105X1X3＋ 0 .524 43X2X3＋0.247 222X23；Y5＝ 4.395 555＋0.579 828X1＋1.131 373X3＋0.405X1X3－0.232 223X23。通過試驗，5個階段具有相同的顯著性影響因子即微波功率和裝載量對水分變化的影響極顯著，模型擬合度較好。

脫水規律；真空微波干燥；數學模型

真空微波干燥技術是微波與真空相結合的干燥技術［1］，兼具微波干燥與真空干燥的優點。微波干燥具有干燥速度快，能效高，產品品質均一，易于控制等特點［2－3］；微波干燥從物料內部開始加熱，可以使物料內部水分瞬間轉化為氣態，從而達到脫水的目的。脫水效率的快慢對干燥過程意義重大，甚至直接影響到產品的質量。限于現代干燥技術，要實現物料在干燥過程中水分和溫度的在線檢測仍是個難題，因此對干燥過程中溫度和水分的變化規律進行研究將會為實際生產提供更多的理論依據。但常用的干燥數學模型，如指數模型 MR＝exp（－m t）、單項擴散模型 MR＝n exp（m t）、Page模型 MR＝exp（－m tn）等［4－7］仍無法準確描述真空微波干燥過程實際的水分變化規律，甚至與實際水分變化規律差別很大，因此建立真空微波干燥過程中水分變化的數學模型具有很大的實際意義。本試驗以金針菇為研究對象，探討微波真空干燥金針菇過程中的水分變化規律的數學模型。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

原料：新鮮金針菇，購自合肥農貿市場。

1.2 設備與儀器

真空微波干燥機：WZD2S－08型，南京三樂微波技術發展有限公司。該設備由操作控制面板、微波真空加熱腔體及真空機組。微波功率2kW（分檔可調），微波頻率2 450MHz，干燥室壓力范圍－97.0～－98.8kPa；

數顯恒溫水浴鍋：HH－6系列，國華電器有限公司；

電子天平：FA1004型，德國艾科勒公司。

1.3 試驗設計思路

分別采用單因素及二次通用旋轉組合設計法對微波真空干燥金針菇過程的水分變化規律進行研究。在單因素試驗中，分別考察微波功率（0.6～1.2）kW、干燥室壓力（－55～－85）kPa和裝載量（50～200）g對金針菇脫水速率的影響。在數學模型的建立中，采用二次通用旋轉組合設計，研究微波功率、干燥室壓力和裝載量3因素組合對脫水速率的作用，試驗分5個階段，分別用Y1，Y2，Y3，Y4，Y5表示，其中Y1為干燥時間從0～8min之間的平均脫水速率，Y2為8～16min的平均脫水速率，Y3為16～24min的平均脫水速率，Y4為24～32min的平均脫水速率，Y5為整個干燥過程的平均脫水速率。對這5個階段建立數學模型，假設如果每個階段的數學模型均與其它階段的模型相吻合，那么認為整個干燥過程都遵循這一規律，均適合這一數學模型。從而建立了微波真空干燥過程的水分變化的數學模型。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果及分析

2.1.1 微波功率對干燥速率的影響 將預處理好的金針菇分4組，每組150g于托盤中，放入干燥室內，干燥室壓力為－85kPa，分別用不同微波功率進行脫水試驗。試驗中每隔4min取樣稱重，記錄質量變化。微波功率對干燥速率的影響見圖1。

圖1 不同微波功率干燥速率曲線Figure 1 Effect of MW power on drying rate

由圖1可知，隨著時間的延長，物料含水率逐漸降低。功率增大，物料單位時間的脫水量隨即增加，干燥速率加快。在1.2kW時，曲線斜率最大，即脫水速率最大。但微波功率過大會導致物料內部水分擴散速率超過表面水分蒸發速率，影響對微波能的吸收率。在16min時，由于物料中大部分自由水已被脫去，剩余結合水的去除難度加大，脫水速率變小趨于穩定。胡光華等［8］在研究胡蘿卜微波真空干燥試驗中得出隨著微波功率的增大，單位時間脫水速率隨之增大，這與本試驗結論基本相同。

2.1.2 裝載量對干燥速率的影響 將不同質量的金針菇預處理好后分4組，每組150g于托盤中，放入干燥室內，干燥室壓力為－85kPa，微波功率取1.0kW，裝載量對干燥速率的影響見圖2。

圖2 不同裝載量干燥速率曲線Figure 2 Effect of loading on drying rate

由圖2可知，隨著裝載量的增加，干燥速率明顯下降，其中裝載量150g和200g時干燥速率曲線趨于重合，這可能是由于干燥室的空間限定的，水蒸氣趨于飽和所致。出于干燥效率考慮，100g的裝載量效果最好。

2.1.3 干燥室壓力對干燥速率的影響 微波功率1.0kW，裝載量150g，干燥室壓力分別為－55，－65，－75，－85kPa，干燥室壓力對干燥速率的影響見圖3。

圖3 不同干燥室壓力干燥速率曲線Figure 3 Effect of pressure on drying rate

由圖3可知，干燥室壓力對脫水速率的影響也呈現一定規律，干燥速率隨著干燥時間的延長逐漸變小，此外，隨著干燥室壓力的下降，干燥速率隨之加快。朱德泉、鄧宇等［9－10］分別研究了菠蘿片和蕨菜的微波真空干燥的特性，同樣得出隨著壓力的下降，脫水速率隨之加快的結論。

2.2 二次通用旋轉組合設計試驗結果及分析

根據單因素試驗結果，建立三因素二次通用旋轉設計因素編碼表見表1，試驗結果見表2，回歸分析結果見表3。

表1 試驗因素因素編碼Table 1 Factors and levels of orthogonal test

采用SAS統計分析軟件對試驗數據進行分析，經回歸擬合后，得到回歸方程：

剔除不顯著項后優化方程為：

表2 試驗結果Table 2 Experimental results

表3 Y5回歸分析結果?Table 3 Regression analysis of the model

方程可信度分析見表4，其中復相關系數的平方R2＝97.93%，表明失水速率Y5（g/min）的變化有97.93%來源于變量微波功率、干燥室壓力和裝載量。因此，該回歸方程對試驗擬合情況較好，說明回歸方程可靠性較高。其中變異系數CV表示試驗穩定性，其值越低，試驗穩定性越好。本試驗CV值5.013 086，具有良好的穩定性。

表4 回歸方程可信度分析Table 4 Credibility analysis of the regression equation

同理，由回歸分析可得到Y1、Y2、Y3、Y4優化后的模型見表5。

表5 5個階段水分變化模型比較Table 5 Models comparison of the five stages

由表5可知，5個階段的模型具有相同的顯著性影響因子，其中一次項X1、X3是對各階段的水分變化影響最顯著的因子。在干燥后期階段，因子X3的二次項對試驗有顯著影響。交叉項X1X3、X2X3除了階段3外，在各階段均表現出顯著性。各模型均沿著顯著性由強到弱即X1→X3→X1X3→X2X3→X23的規律變化。

3 結果與討論

在真空微波干燥金針菇的過程中，微波功率和裝載量對水分的變化影響顯著，而干燥室壓力在單因素試驗中表現出一定的規律，即隨著壓力的下降，水分散失越快，但在二次通用旋轉組合設計試驗中，表現不顯著，5個階段均未表現出顯著性。可能是在干燥過程中，由于干燥室密閉性不太理想，關閉真空泵后，出現壓力不斷上升的現象，需要不斷抽真空，引起壓力不穩定所致。

通過比較可以看出5個階段的模型具有相同的顯著性影響因子，其中一次項X1、X3在各階段具有相同的顯著性。交叉項X1X3、X2X3也是對各個方程具有共同影響的兩項。5個階段的模型擬合度較高，從而認為在整個干燥過程中，金針菇內部的水分變化遵循著這一數學模型。

1 張麗晶，林向陽，Rogor Ruan，等.綠茶微波真空干燥工藝的優化［J］.食品與機械，2010，26（2）：143～147.

2 丁媛媛，畢金峰，木泰華，等.干燥技術在甘薯加工中的應用現狀及前景［J］.食品與機械，2010，26（2）：155～158.

3 胡慶國，張慜.間歇操作方式在厚層真空微波干燥中的應用［J］.食品與機械，2007，23（6）：62～75.

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5 姜元欣，許時嬰，王璋.南瓜渣的微波真空干燥［J］.食品與發酵工業，2004，30（5）：58～62.

6 Antonio Vega－Ga’lvez，Alfredo Ayala－Apente，Eduardo Notte，et al.Mathematical Modeling of Mass Transfer during Convective Dehydration of Brown Algae Macrocystis Pyrifera［J］.Drying Technology，2008，26（12）：1 610～1 616.

7 Adam Figiel.Drying kinetics and quality of vacuum－microwave dehydrated garlic cloves and slices［J］.Journal of Food Engineering，2009，94（1）：98～104.

8 胡光華，張進疆，王喜鵬.胡蘿卜微波真空干燥試驗研究［J］.干燥技術與設備，2005，3（4）：176～178.

9 朱德泉，曹成茂，朱琳，等.菠蘿片微波真空干燥特性及工藝參數優化［J］.糧油食品科技，2009，17（1）：52～59.

10 鄧宇，鄭先哲.蕨菜微波真空干燥特性和品質試驗研究［J］.農業工程學報，2008，24（5）：253～257.

Study on the mathematical model of water loss in microwave－vacuum drying

HU Qing－guo1BU Zhao－hui2LU Ning2

（1.Department of Biological and Environmental Engineering，Hefei University，Hefei，Anhui230022，China；2.College of Tea＆Food Science And Technology of Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui，230036，China）

The mathematical models of water loss in vacuum microwave drying were studied.Through orthogonal experiments，the water loss rates of flammulina under different drying conditions are

.Then Use the software of SAS statistical analysis，the model of water loss was established and provided a theoretical basis for the production.The results show that microwave power and loading are significant on the impact of moisture，and the model better fit.

drying rate；microwave－vacuum drying； m athematical model

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.014

胡慶國（1960－），男，合肥學院教授，博士。E－mail：hqg1001＠126.com

陸寧

2010－05－11