白果微波干燥特性及干燥動力學模型研究

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(1.重慶市農業機械鑒定站,重慶 402160;2.武夷學院茶與食品學院,福建武夷山 354300;3.西南大學食品學院,重慶 400715)

白果微波干燥特性及干燥動力學模型研究

毛志幸1,孫輝2,3,*,陳宗道3

(1.重慶市農業機械鑒定站,重慶 402160;2.武夷學院茶與食品學院,福建武夷山 354300;3.西南大學食品學院,重慶 400715)

利用微波干燥技術,以干基含水率、干基失水速率和感官評分為指標,采用單因素實驗確定微波功率和裝載量對白果干燥特性的影響。結果表明,微波功率與裝載量比值(微波功率密度)越大,白果干燥時間越短,微波功率密度>10 W·g-1或<6 W·g-1,白果微波干燥過程分為加速和降速階段,而微波功率密度在4.71～9.19 W·g-1干燥過程分為加速、恒速和降速階段;載重量60.0 g,微波功率385 W(微波功率密度6.42 W·g-1)時,白果感官綜合評分(7分)最佳。運用Matlab軟件建立白果的微波干燥的水分比與干燥時間的動力學模型,進行回歸擬合檢驗結果表明,白果干燥過程符合Page模型,模型相關系數為0.999,所得方程能夠用于各階段對干燥速率進行描述。

白果,微波功率密度,干燥特性,動力學模型

銀杏屬于銀杏科裸子植物,銀杏核俗稱白果(Ginkgobiloba),在中國種植產量占全世界的70%。白果富含黃酮、蛋白等營養成分,具有抗過敏、抗氧化等特性,在食品和醫藥領域應用廣泛[1-4]。干燥對白果保存起到決定性作用,是白果加工的關鍵環節,同時也是薄弱環節。目前白果干燥主要采用傳統熱風干燥,其加熱方式為由外至內的加熱。白果外殼堅硬,熱量不易從外部傳至果仁,因此,熱風干燥白果效率較低、能源消耗也高,并且難以保證產品質量[5]。

表1 感官品質評分標準

張彩虹等利用噴霧干燥對白果及白果漿進行干燥研究發現噴霧干燥的瞬間高溫易導致營養成分流失,同時能源成本較高,還有白果漿制備相對復雜[6-7]。白果干燥已經成為白果產業發展的瓶頸。所以,需要將先進的干燥方法應用于白果加工中。

微波加熱具有直接加熱,選擇性加熱和混合加熱的特征,其加熱速度快,能耗低[8],可提高白果干燥效率和產品品質,并具有一定的滅菌作用[9],能有效延長產品保質期,更利于白果的機械化和自動化生產。微波干燥技術在不同農產品及加工食品干燥保藏方面得到廣泛應用[10-13]。馬錦等發現山核桃微波干燥過程分為加速干燥階段和降速干燥階段,山核桃微波干燥特性動力學模型滿足Page方程[14],張黎驊等以微波間歇加熱方式對銀杏果進行干燥,發現微波間歇干燥的失水規律[15]。微波功率和物料裝載量是影響白果微波干燥品質的兩個主要影響因素。不同微波功率和裝載量下白果微波干燥的機理尚不清楚,需要探索不同干燥過程中,白果干燥速率的動力學規律,以便提高白果干燥品質。

本文研究白果在微波功率和裝載量兩個因素共同作用時,干基含水率和干基失水速率隨時間的變化規律及微波干燥對白果感官品質影響,合理控制物料單位質量下微波功率對干燥速率的影響,建立白果微波干燥動力學模型,進行回歸擬合,為提高白果干燥效率、改進干燥工藝、優化產品品質提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

白果 購自重慶市北碚區農貿市場,首先去除新鮮果實的果皮及種皮表面粘附污漬,清洗、瀝干。然后選取顆粒飽滿、大小基本一致、外觀完整勻稱的果實,用保鮮袋密封,存放于-20 ℃冰箱保存備用。

G70D23P-TD(W0)微波爐 東莞市遠鵬電器貿易有限公司;JA2004型電子天平 上海精科天平儀器廠;JA5002型分析天平 上海精天電子儀器有限公司;單相電能表 上海金雀電表廠;DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;耐熱物料網盤 自制。

1.2實驗方法

1.2.1 操作要點 從冰箱冷凍層取出白果,常溫靜置1 h,擦干表面水分后,測出白果初始干基含水率為42.18%。然后將一定載重量的白果單層擺放在自制耐熱物料網盤上,再放入微波爐干燥腔內進行干燥,每隔2 min取出白果一次,測量干燥過程中物料的質量,根據物料質量計算出白果在不同時刻的干基含水率和干基失水速率,直到干基含水率≤10%停止。

1.2.2 單因素實驗 白果裝載量為60.0 g時,微波功率分別為231(中低火)、385(中火)、539(中高火)、700 W(高火)[16-17]對白果微波干燥特性的影響;在微波功率為385 W時,白果裝載量分別為30.0、60.0、90.0、120.0 g時對白果微波干燥特性的影響。

1.2.3 指標測定與計算

1.2.3.1 干基含水率 采用GB/T 3543.6-1995直接干燥法測定。計算公式如下:

Mt=(mt-mg)/(mg-mb)×100

式(1)

1.2.3.2 干基失水速率 計算公式如下:

DR=dMt/dt=MΔt/Δt=(Mt+Δt-Mt)/Δt

式(2)

1.2.3.3 微波功率密度 計算公式如下：

Mp=P/(mt-mb)

式(3)

式中：Mp微波功率密度，W/g；P微波功率，W；mt稱量瓶和試樣t時刻的質量，g；mb稱量瓶的質量，g。

1.2.3.4 感官品質測定 選取3位有經驗的專家對白果干燥產品果殼裂痕、果仁裂痕、果殼色澤、果仁色澤、香味各項指標分別打分,根據表1評分標準進行評定(結果取平均值)[20]。

1.2.4 常用干燥動力學模型 目前,農業上用來描述薄層物料干燥過程的常見模型有3種:

單項擴展模型:MR=aexp(-kt)

式(4)

指數模型:MR=exp(-kt)

式(5)

Page模型:MR=exp(-ktn)

式(6)

水分比計算公式如下:

MR=(Mt-Me)/(M0-Me)

式(7)

式中：MR[21-22]水分比,M0和Mt為初始時刻和干燥過程t時刻白果的干基含水率,Me為白果平衡時的干基含水率。由于干燥過程中Me值很小。所以,MR近似計算公式:

MR=Mt/M0

式(8)

為便于分析,將式(3)、式(4)、式(5)取對數化成線性[23]:

單項擴展模型:ln(MR)=lna-kt

式(9)

指數模型:ln(MR)=-kt

式(10)

Page模型:ln[-ln(MR)]=lnk+nlnt

式(11)

1.3數據分析

每組實驗重復3次,用Excel 2016軟件對干燥實驗數據作曲線圖,采用Matlab軟件對干燥動力學模型進行回歸擬合分析。

2 結果與分析

2.1微波功率對白果微波干燥特性的影響

不同微波功率的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1、圖2所示。微波功率密度是特定時刻微波功率與物料質量之比,所以根據圖2可推出不同微波功率密度的干燥速率曲線(圖3)。

圖1 微波功率對干基含水率的影響

圖2 微波功率對干基失水速率的影響

圖3 微波功率密度對干基失水速率的影響

由圖1可知,微波功率為231、385、539、700 W時,干燥白果至干基含水率≤10%分別約需要26、11、7、5 min。隨著微波功率增高,干基含水率曲線越陡,即微波功率越高,所需干燥時間短,與唐小閑等[25]對馬蹄濕淀粉的微波干燥規律一致。由于微波是從內而外的加熱方式,導致白果仁中極性分子運動速率和方向發生改變,加速分子運動,增加熱能產生量,加快物料內部水分散發。微波功率越大,極性分子單位時間運動越劇烈,所以白果的失水速率就越快,王賢華等[26]對生物質微波熱解同樣發現相似的物料失水規律。

圖2可知,微波功率越大,干基失水速率曲線越陡。干燥過程分為加速階段和降速階段。微波干燥功率越大,則加速階段時間越短,那么進入減速階段所用的時間則越少。微波功率越大干燥速率上升越快,能達到的最高速率越大,干燥時間也越短,微波功率為231、385、539、700 W時,最大干基失水速率分別為:1.9、4.11、5.82、8.38%/min。加速階段是從干燥起始至失水速率達到最大值的過程,白果完全吸收微波能量,果殼和果仁溫度同時急速上升,果殼水分含量相對較小,水分迅速汽化散失,但果仁中的水分相對比果殼中水分要高,且有種皮和果殼的阻礙,水分蒸發不能及時散失,使得果殼內壓高于外壓。控制果殼失水速率是保證白果干燥品質初始加速階段的關鍵。此后,由于水分繼續蒸發,種皮和果殼干燥后變脆,殼孔加大,果殼內外壓差增大,果殼出現裂紋,果仁中的水分通過種皮和果殼中的孔隙以及果殼裂紋被大量蒸發,白果干燥速率持續增大至最大值。隨后,果仁中的大量水分蒸發后出現收縮,水分難以遷移,使得失水速率逐漸降低。雖然提高功率能加快干燥速率,但同時干燥品質會有所下降,曹小紅等[27-28]研究板栗微波干燥也發現類似規律。

圖3可知,隨著微波功率密度增大,干燥過程不同。微波功率密度在5～10 W·g-1范圍內,干燥過程分為加速、恒速和降速階段;在10～20 W·g-1范圍內,干燥過程只分為加速和降速階段。微波功率密度對白果干燥特性的影響較大,前期微波功率密度越大,則干燥曲線越陡,將物料干燥至干基含水率為10%以下所需要的時間越短。由圖1分析可知,微波功率231 W時,微波功率密度4.71 W·g-1進入恒速干燥階段物料的干基含水率約為28.35%,5.41 W·g-1進入降速干燥階段物料的干基含水率約為17.66%。微波功率385 W時,微波功率密度7.56 W·g-1進入恒速干燥階段物料的干基含水率約為31.63%,9.19 W·g-1進入降速干燥階段物料的干基含水率約為16.95%。10 W·g-1及以上的前期微波功率密度進入降速干燥階段的物料干基含水率約為16.37%。在加速和恒速干燥階段,物料水分多為自由水且內外水分壓差較大,失水速率較快,物料的絕大部分水分在此兩階段脫去。微波功率密度過低(3.85 W·g-1),則干燥時間較長,干燥效率低。因此,對白果進行干燥時,適合的前期微波功率密度范圍為4.71～7.56 W·g-1,此時,干燥后的白果的品質較好,且干燥時間較短。

2.2裝載量對白果微波干燥特性的影響

選擇白果裝載量為30.0、60.0、90.0、120.0 g,在微波功率為385 W,將白果微波干燥至干基含水率10%以下,所得干基含水率變化曲線和干基失水速率變化曲線如圖4和圖5所示。根據圖5可推出不同微波功率密度的干燥速率曲線(圖6)。

圖4 裝載量對干基含水率的影響

圖5 裝載量對干基失水速率的影響

圖6 微波功率密度對干基失水速率的影響

圖4可以看出,裝載量對物料微波干燥時的干基含水率和干基失水速率有一定影響。裝載量越大,干基含水率曲線越平緩,失水速率越小,所需干燥時間越長。由圖4可知,裝載量為30.0、60.0、90.0、120.0 g時,干燥白果至干基含水率小于10%分別約需要7、10、13、16 min。4種裝載量下,尤其是裝載量為90.0、120.0 g時,白果失水速率曲線之間的差異不明顯,說明裝載量比微波功率對白果失水速率的影響小。這可能與微波功率密度的大小有關,即作用在物料單位質量上的微波功率不同導致物料受熱速度不同,造成物料中水分運動規律發生變化。在微波功率為385 W,裝載量分別為30.0、60.0、90.0 g時,單位質量白果吸收微波能量后使得白果溫度上升的速度差異很大,導致失水速率差異變大。由此可知當白果裝載量增大時,干燥至安全儲存干基含水率的時間也隨之增加,即干燥周期延長,但裝載量的增加量與干燥周期的延長量之間成等比例增加的關系。

由圖5可知,白果不同裝載量干燥過程同樣分為加速階段和降速干燥階段。物料裝載量在30.0～60.0 g范圍內,裝載量小的比裝載量大的可獲得較大的失水速率。這是因為微波功率相同時,裝載量小的白果單位質量吸收的能量較多,其溫度上升速度快,果殼內部水分汽化速度快,使得失水速率大,且失水速率變化得快。由此可知當微波功率一定時,裝載量越小,則失水速率越大,干燥周期越短。

圖6可知,隨著微波功率密度增大,干燥過程不同。微波功率密度在6～10 W·g-1范圍內,干燥過程分為加速、恒速和降速階段;在3～6 W·g-1和10～20 W·g-1范圍內,干燥過程只分為加速和降速階段。由圖4進一步分析可知,裝載量120.0 g時,微波功率密度3.38 W·g-1進入恒速干燥階段物料的干基含水率約為38.95%,4.44 W·g-1進入降速干燥階段物料的干基含水率約為19.70%。裝載量90.0 g時,微波功率密度5.22 W·g-1進入恒速干燥階段物料的干基含水率約為29.25%,6.19 W·g-1進入降速干燥階段物料的干基含水率約為16.05%。裝載量60.0 g時,微波功率密度7.56 W·g-1進入恒速干燥階段物料的干基含水率約為31.63%,9.19 W·g-1進入降速干燥階段物料的干基含水率約為16.95%。進入降速干燥階段,物料內部干基含水率較低,熱量基本用于果仁水分由內向外遷移和蒸發,失水速率明顯下降。微波功率密度對白果干燥特性的影響較大,后期微波功率密度超過10 W·g-1或低于6 W·g-1,則降速干燥曲線越陡,但對物料干燥至干基含水率為10%以下所需要時間影響不大。因此,對白果進行干燥時,適合的后期微波功率密度范圍為6.19～9.19 W·g-1,此時,干燥后的白果的品質較好,且干燥時間較短。

2.3白果干燥后感官品質的評價

不同微波功率和不同裝載量下的白果微波干燥樣品感官評價得分,分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同微波功率下干燥后感官品質得分

圖8 不同裝載量下干后感官品質得分

從圖7和圖8可以看出,白果干燥制品的感官品質各項得分均在2分以上,各實驗因素對應感官品質加權總得分在3.5～8.4分之間,樣品滿足生產要求。干燥品質與微波功率及裝載量均有關系。微波功率越大,雖然香味越濃,但是果仁和果殼裂痕越多且顏色加深;裝載量越大,雖然裂痕變少,但是香氣不足,白果色澤差異不明顯。進一步分析可知:在微波功率為385 W,裝載量為60.0 g時(即微波功率密度為6.42 W·g-1),白果的干后品質最好,感官品質得分較高。從實驗結果可知,干燥過程中高火(700 W)烤會發出焦香味,白果仁會出現很多裂紋,果殼爆裂,色澤由黃變褐(褐變甚至炭化),原有的組織結構被破壞。若微波功率密度過大(11.62 W·g-1),白果在干燥前期極易出現爆殼現象,且干燥后果殼色澤呈現焦黑色,感官品質明顯下降。若微波功率密度過小,白果干燥恒速階段過長,增加能耗損失,且果仁堅硬呈淡黃色,可能是能量不足導致水分散失困難所致,造成產品品質降低。

2.4白果微波干燥動力學模型研究

2.4.1 白果微波干燥模型的確定 物料干燥是一個復雜的傳熱、傳質過程,薄層干燥模型的建立,對干燥的研究、干燥工藝參數的預測及優化具有指導性作用。根據實驗數據,以時間(min)和lnt為橫坐標,-ln MR和ln(-ln MR)為縱坐標,分別繪制微波功率和裝載量的-ln(MR)-t曲線和ln[-ln(MR)]-lnt曲線,如圖9a和9b、圖10a和10b所示。從圖9可以看出,-ln(MR)與t呈非線性。從圖10可知,ln[-ln(MR)]與lnt呈線性。可以推出白果微波干燥模型更加滿足Page方程,因此利用Matlab分析軟件驗證此模型。

圖9 不同微波功率(a),裝載量(b)下-ln(MR)與時間的關系

圖10 不同微波功率(a),裝載量(b)下ln[-ln(MR)]與lnt的關系

2.4.2 Page模型建立和統計分析 根據表2不同條件下的數據,進行非線性擬合,得到白果微波干燥模型常數與微波功率密度的關系如表3所示。

表2 白果不同干燥條件下干燥模型常數擬合結果

表3 白果微波干燥動力學模型

對各方程進行方差分析和F檢驗(表2),p=0.000<0.001,說明回歸方程呈極顯著水平。由表3可知,決定系數R2均大于0.989,殘差平方和SSE均<0.0055,RMSE<0.074,說明回歸模型的擬合程度很高,能夠表明白果微波干燥失水過程。所以,模型常數與微波功率密度的關系可以用以下方程表示:

ln[-ln(MR)]=lnk+nlnt

其中:

lnk=(-0.033X13+0.871X12-9.592X1+17.79)/(X1-2.354)

式(11)

n=(0.023X13-0.45X12+4.679X1-12.75)/(X1-3.91)

式(12)

2.4.3 動力學模型的校驗 為校驗回歸模型的準確性,選取微波功率為385 W,載重量為60.0 g進行白果干燥驗證實驗。此時模型方程ln[-ln(MR)]=-4.090+1.924lnt。將干燥過程中水分比的預測值與實驗值進行比較,如圖11所示。

圖11 預測值和實驗值的比較

由圖11可知,預測值和實驗值基本一致,相關系數0.999,證明Page模型能有效預測白果干燥失水規律,能夠用于闡述白果的微波干燥過程。

3 結論

白果的微波干燥過程在不同微波功率密度下,表現為不同的干燥階段。微波功率越大,裝載量越小,微波功率密度則越大,干燥時間越短,當前微波功率密度>10 W·g-1,后微波功率密度>10 W·g-1或<6 W·g-1,干燥過程分為加速和降速階段;當前微波功率密度在4.71～7.56 W·g-1,后微波功率密度在6.19～9.19 W·g-1干燥過程僅分為加速、恒速和降速階段。綜合考慮感官品質特性,確定載重量60.0 g,微波功率385 W(微波功率密度6.42 W·g-1)時,白果干燥制品各項感官品質加權總得分7分,平均失水速率2.93%/min。因此,合理選擇微波功率和載重量,可以得到適宜干燥的微波功率密度范圍,從而控制白果干燥過程,能夠有效保證白果的微波干燥質量。

運用Matlab軟件對實驗數據進行回歸分析,發現白果微波干燥符合Page模型。經過驗證實驗,相關系數為0.999,Page模型預測值與實驗值吻合程度很高。因此,所得回歸方程能夠用于對白果的微干燥過程進行預測。

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StudyonthemicrowavedryingcharacteristicsanddryingkineticsmodelofGinkgobiloba

MAOZhi-xing1,SUNHui2,3,*,CHENZong-dao3

(1.Chongqing City Agricultural Machinery Appraisal Station,Chongqing 402160,China;2.College of Tea and Food Science,Wuyi University,Wuyishan 354300,China;3.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China)

Using the microwave drying technology,this paper took moisture content,misture loss rate and sensory score as evalution indexs standard,and made a single factor experiment to define the sui Table microwave power and material load witch to affect the drying properties of ginkgo fruit. Result showed that the ratio of microwave power to material load(microwave power density),higher microwave power density carried out to shorter drying time. Microwave power density of >10 W·g-1or<6 W·g-1,the microwave drying subsection process of ginkgo fruit was contained two stages:speed-up and speed-down,while microwave power density in the 4.71～9.19 W·g-1,the microwave drying subsection process of ginkgo fruit was contained three stages:speed-up,constant-speed and speed-down. Material load 60.0 g,microwave power 385 W(microwave power density 6.42 W·g-1),the best sensory quality score of dried products was 7. A kinetic model of moisture content and action time of microwave drying of ginkgo was established by Matlab based on experimental data and test of fit was carried out for the model. Results showed that model of page could accurately describe the microwave drying process of ginkgo fruit,coefficients of models were above 0.999 and the moisture content and drying rate at each period could be described by the equation obtained.

ginkgo fruit;microwave power density;drying properties;kinetics model

2017-04-01

毛志幸(1986-)，男，本科，網絡工程師，研究方向：農業機械化工程，E-mail:mao_z_x@163.com。

*

孫輝(1986-)，女，博士研究生，講師，研究方向：食品化學與營養學，E-mail:636939.sunhui@163.com。

TS255.6

A

1002-0306(2017)22-0011-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.003