微波干燥對大豆機械強度及品質的影響

宋玲玲，張麗娟，王 喆，王瑞芳，徐 慶，李占勇

（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

微波干燥對大豆機械強度及品質的影響

宋玲玲，張麗娟，王 喆，王瑞芳，徐 慶，李占勇

（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

針對微波干燥大豆容易產生內部過熱及爆腰等品質破壞問題，在矩形微波腔內對大豆的含水率、內部溫度、爆腰率以及干制品的機械強度進行實驗研究.結果表明：當微波功率密度小于 0.2，W/g（有效吸收功率密度小于0.1，W/g）時，大豆品質得以保證；其中，大豆爆腰率可控制在工業(yè)要求5%，以下（本實驗中為2%，），大豆內部溫度低于蛋白質變性溫度60，℃，大豆干制品可承受的壓力極值為101.11，N.

微波干燥；大豆；功率密度；品質；機械強度

在大豆干制過程中，降低干燥成本，提高干燥品質是競爭大豆市場的重要環(huán)節(jié).目前，大豆的干燥方法有自然干燥、熱風干燥［1-3］、干燥劑干燥［4］、冷凍干燥［5-6］、超干燥［7-8］、微波干燥［9］等.國外主要采用熱風干燥，而我國主要采用自然晾曬，其用時較長，不能很好保證產品的品質［10］.微波是一種波長在 1，mm～l，m、頻率在 300，MHz ～300，GHz，具有穿透性的電磁波［11］.微波加熱由于體積加熱特性，具有干燥速度快、選擇性加熱、避免環(huán)境高溫等特點［12］.目前，微波已廣泛應用于淀粉食品的膨化干燥加工、水果蔬菜的脫水保鮮加工、肉類食品的熟制和干燥加工、食品儲藏［13-15］等方面.

本文采用微波干燥大豆，旨在加快干燥速度的同時提高產品品質，主要研究了微波干燥過程中大豆的含水率、內部溫度、爆腰率以及可承受的壓力，探尋微波干燥條件對大豆機械強度及品質的影響.

1　材料與方法

1.1實驗材料與裝置

選用市售籽粒飽滿、表面光滑的干大豆，在室溫下（24，℃）用水浸泡10，min后放入密閉的聚乙烯袋子中，4，℃恒溫保存72，h，在實驗前2，h取出，于室溫下存放.

干燥裝置如圖 1所示.裝置采用單雙模諧振腔微波多功能綜合實驗平臺（ZDM-2B型，南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司），輸出功率為 0～1.5，kW（連續(xù)可調），微波工作頻率（2，450±50）Hz，波導型號為MZY1500S-1，腔體尺寸為 330，mm×330，mm× 215，mm.采用電子天平（JJ3000型，精度為±0.1，g，G&G公司）在線稱量，采用光纖測溫儀（FOT-L-SDC1-F1-M2-R1-ST型，精度為±0.01，℃，F(xiàn)ISO公司）在線測溫.

大豆的機械強度由電子萬能試驗機（CMT6503型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司）測量，施加力的范圍為0～5，kN，準確度等級為0.5級.

圖1　實驗裝置圖Fig.1 Experimental apparatus

1.2測試方法

1.2.1初始濕基含水率

在101～105，℃、常壓下將20，g樣品置于干燥箱中干燥6～7，h后，每隔1，h稱量一次樣品質量，前后兩次質量差不超過 2，mg時，即為質量恒定［16］，此時測得絕干大豆的質量.濕基含水率的計算公式為

式中：m為濕物料初始質量，kg；sm為絕干物料質量，kg.實驗測得大豆初始濕基含水率為20%，.

1.2.2爆腰率

爆腰是指大豆在干燥過程中出現(xiàn)表面裂紋現(xiàn)象.根據文獻［17］，從經過微波處理的大豆中隨機取出100粒，其中的爆腰粒數與取樣粒數的比值即為爆腰率.每批樣品重復3次實驗，取其平均值.

1.2.3大豆內部溫度

在大豆上打一直徑為 1.5，mm的孔，將光纖測溫儀（光纖溫度探頭直徑約為 1.5，mm）插入大豆內部，在線測量大豆中心的溫度.大豆平均粒徑為 8，mm，光纖探頭尺寸相對較小，對大豆升溫的影響可忽略.

1.2.4微波吸收效率測定

在微波干燥中，微波功率密度（簡稱功率密度）是最重要的工藝參數，其決定提供能量的大小及產品的品質.但在目前的文獻中，功率密度的定義［18］往往忽略了微波的吸收效率，不能充分反映用于加熱物料的實際能量大小.本文根據國際微波協(xié)會（IMPI）的方法（量熱法）測定微波吸收效率［19］.將裝有250，mL水的燒杯置于微波腔中央，分別在微波功率為 100、200、300、400、500、600，W 下測定升溫曲線.根據式（2）計算不同微波功率時水的微波吸收效率，其平均值即為本實驗裝置的微波吸收效率.

式中：c為水的比熱容，J/（kg·℃）；m為水的質量，kg；TΔ為水的溫差，℃；P為微波功率，W；t為加熱時間，s.

2　結果與分析

2.1微波吸收效率

不同微波功率時，水的升溫曲線見圖 2，水的微波吸收效率見表1.計算可得該裝置的微波吸收效率平均為40.9%，.

圖2　不同微波功率下水的升溫曲線Fig.2　Water temperature curve under different microwave power

表1　不同微波功率下水的微波吸收效率Tab.1　Microwave absorption efficiency of water under different microwave power

2.2功率密度對大豆含水率的影響

設置微波功率為100，W，分別取不同裝載量的大豆置于微波腔內，對應功率密度分別為 0.2、0.4、0.6、0.8，W/g.將濕基含水率（簡稱含水率）為 20%，的大豆干燥至可儲藏含水率12%，，含水率變化曲線見圖3.

由圖 3可見，當功率密度小于 0.6，W/g時，功率密度的增加可大大提高干燥速率，其干燥時間大幅減少；但當功率密度大于 0.6，W/g時，繼續(xù)增大功率密度對干燥速率的影響不再明顯，而且過大的功率密度導致大豆爆腰率急劇增加，見表 2；當功率密度大于0.2，W/g時，爆腰率超過工業(yè)要求5%，.考慮微波吸收效率，作用于大豆的微波有效功率密度不可以大于0.1，W/g，該結論與文獻［20］相符.

圖3　不同功率密度時的含水率變化曲線Fig.3 The change of moisture content in different power density

表2　不同功率密度下大豆的爆腰率Tab.2 Crack ratio of soybean in different power density

2.3功率密度對大豆內部溫度的影響

由于微波具有由內向外的加熱特點，物料內部容易發(fā)生過熱現(xiàn)象.在大豆干燥過程中，大豆內部溫度超過 60，℃時，蛋白質會發(fā)生變性.因此，嚴格控制大豆內部溫度至關重要.圖 4為不同功率密度下的大豆內部溫度變化曲線.

圖4　不同功率密度下大豆內部溫度隨干燥時間的變化Fig.4 Internal temperature of soybeans with different drying time and different power density

由圖 4可見：當微波功率密度為 0.2，W/g時，其內部溫度穩(wěn)定于56，℃，而在0.4、0.6、0.8，W/g時，大豆內部溫度最終分別達到 60、62、64，℃；當大豆內部溫度超過 60，℃時，內部組織部分糊化，由于微波干燥的不均勻性，個別溫度過高部分甚至焦糊.因此，為了控制大豆干制品的品質，大豆內部溫度不可超過60，℃，而大豆溫度主要取決于功率密度，當功率密度小于0.2，W/g（有效功率密度小于0.1，W/g）時，大豆內部溫度能得到較好的控制.

2.4功率密度對大豆機械強度的影響

為了研究微波干燥過程對大豆機械強度的影響，將干燥后的大豆在電子萬能試驗機上進行壓力破壞實驗，分別測其可承受的壓力極值.在功率密度為0.2，W/g時的干制品中，隨機取20粒大豆進行壓力實驗，其壓力曲線如圖5所示.當壓力曲線出現(xiàn)下降拐點時，表示大豆被破壞.此時作用的力為大豆可承受的最大壓力.由于大豆內部組織的差異性，20個籽粒的最大壓力值各不相同，總體位于60～200，N區(qū)間.

圖5　功率密度為0.2，W/g時，20粒大豆的壓力曲線Fig.5　Pressure curves of 20 soybeans when the power density is 0.2 W/g

為了更好地比較，分別對不同功率密度下干燥得到的大豆干制品進行實驗，圖6為不同功率密度時大豆干制品可承受的壓力極值的平均值.可以看出，在功率密度為 0.2、0.4、0.6、0.8，W/g時，大豆所承受的壓力極值分別為 101.11、89.19、83.58、65.95，N.功率密度為零表示沒有經過浸泡干燥的原試樣，其壓力極值為 132.76，N.結果表明：微波干燥過程中，功率密度越大，其內部組織破壞越嚴重，大豆的脆性越強，因此其承受的壓力極限值越小.可根據此結果控制大豆在運輸及儲藏過程中的機械運動.

圖6　不同功率密度下的壓力極值曲線Fig.6　Curve of the failure force with different power density

3　結 論

在微波干燥過程中，功率密度是影響干制品品質最重要的因素.本文以大豆為物料，研究不同功率密度對大豆含水率、內部溫度、爆腰率及可承受壓力的影響.結果表明：當功率密度小于0.2 W/g（有效功率密度小于0.1 W/g）時，大豆爆腰率可控制在工業(yè)要求5%，以下（本文為 2%，），大豆內部溫度低于蛋白質變性溫度 60，℃，內部品質得以保證.在運輸和儲藏過程中，大豆干制品可承受的壓力極值為 101.11 N，否則容易被壓潰，出現(xiàn)干燥后期破損.

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責任編輯：常濤

Effect of Microwave Drying on Mechanical Properties and Qualities of Soybeans

SONG Lingling，ZHANG Lijuan，WANG Zhe，WANG Ruifang，XU Qing，LI Zhanyong
（College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

To solve the easily occurring problems in microwave drying of soybeans such as cracking and internal overheating，soybeans were dried in a rectangular microwave cavity.The transient moisture content，internal temperature of the soybeans were monitored，and the cracking ratio and the mechanical strength of the dry products were evaluated.The results show that，when the microwave power density was less than 0.2，W/g（effective absorption power density was less than 0.1，W/g），the quality of the dried soybean can be ensured：the soybean crack ratio can be controlled to meet the industrial requirements of 5%，（2%， in this research）；the internal temperature of soybean was lower than that of the protein denaturation temperature and the mean yield stress of the soybean was 101.11，N.

microwave drying；soybean；power density；quality；mechanical property

TQ051.5

A

1672-6510（2016）04-0065-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150115

2015-09-07；

2015-12-03

高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20111208110004）；國家自然科學基金資助項目（21106104）

宋玲玲（1979—），女，湖北人，碩士研究生；通信作者：王瑞芳，副教授，wangruifang@tust.edu.cn.