辣椒微波干燥動力學研究

劉莉，劉璐，孔令明

(新疆農業大學 食品科學與藥學學院，烏魯木齊 830052)

辣椒是一種深受人們青睞的調味品，其價值不僅在風味上，還有豐富的辣椒素、VC等多種營養成分[1]。辣椒由于含有酚類化合物等多種活性物質使得其藥用價值很高，因此辣椒產業的發展空間極為廣闊[2]，辣椒在我國蔬菜產業中是第一大產業[3]。但是辣椒采收于多雨季節，因此要及時對采收的新鮮辣椒進行有效的干燥處理[4]，以此來避免長時間的貯存所引起的腐爛、霉變。辣椒經過有效的干制處理之后，貯藏、包裝以及運輸等均比較方便，對調節淡旺季節矛盾，四季均衡供應都發揮著重要的作用。傳統的干燥方法一般采用自然晾曬、風干，而傳統干燥易被限制，不但干燥的周期比較長、效率低而且所得產品的色澤及品質較差[5,6]。

動力學模型可為預測微波干燥過程中辣椒水分含量和控制辣椒干制時間提供理論依據。通過所建立的數學模型，利用干燥動力學優化及控制物料脫水的速率來指導實際的生產是生產中極為重要的一個環節。因此，本文對辣椒的微波干燥特性進行了研究，分析了微波功率對辣椒微波干燥的影響和辣椒微波干燥的規律，為辣椒微波干燥及設備參數的調整提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮辣椒：購于新疆烏魯木齊市。

1.2 試驗設備與儀器

DHG-9140A型鼓風干燥箱；美的M1-L236A型微波爐；AL204型電子天平。

1.3 試驗方法

工藝流程：挑選→清洗、瀝干→切分→微波干燥→冷卻回潮→密封包裝。

首先挑選出形狀規則、顏色均勻、無損傷的新鮮紅辣椒，進行清洗、瀝干及切分，然后進行微波干燥試驗。將辣椒微波干燥試驗的影響因素取為微波功率，以此來分析辣椒微波干燥特性與微波功率之間的關系，進行以下試驗。

將挑選、清洗、瀝干、切分的新鮮紅辣椒選取功率分別為80，240，400，640，800 W進行微波干燥試驗。試驗過程中，每間隔1 min迅速取出，并放在電子天平上進行稱量，同時記錄試驗數據。試驗中隨時觀察辣椒的干燥情況。當辣椒干燥至國標所規定的含水率(≤14%)時，停止干燥。取出，冷卻回潮后放入密封袋中保存。然后繼續進行下一組試驗，以此類推，直至所有試驗全部完成。為了保證準確性，將每組試驗重復3次。

1.4 試驗參數

1.4.1 試樣初始含水率的測定

試樣初始含水率X的測定按公式(1)計算：

(1)

式中：X為試樣初始含水率，g/100 g；m1為稱量瓶(加海砂、玻棒)和試樣的質量， g；m2為稱量瓶(加海砂、玻棒)和試樣干燥后的質量， g；m3為稱量瓶(加海砂、玻棒)的質量，g；100為單位換算系數。

1.4.2 試樣干基含水量的測定

試樣干基含水量 Mt的測定按公式(2)計算：

(2)

式中：Mt為干制到 t 時刻時試樣的干基含水量，g/g；mt為干制到 t 時刻時試樣的質量，g；mg為干制后試樣的質量，g。

1.4.3 試樣干基含水率的測定

試樣干基含水率Wt的測定按公式(3)計算：

Wt=Mt×100%。

(3)

式中：Wt為干制到 t 時刻時試樣的干基含水率，%。

1.4.4 試樣干制速率的測定

干燥特性中的干燥速率，是用來研究干燥動力學的一個很重要的參數，干燥速率能反映出干燥時間與干燥水分含量及干燥速率之間的關系[7]。

試樣干制速率 Dr的測定按公式(4)計算：

(4)

式中：Dr為試樣的干制速率，g/(g·min)； Mt+Δt為t+Δt時刻時試樣的干基含水量，g/g； Δt 為干制的間隔時間，min。

1.4.5 水分比的測定

水分比(MR)用來表示在一定干燥條件下，物料還有多少水分未被干燥所除去，因此可以用于反映物料干燥速率的快慢[8]。

水分比 MR的測定按公式(5)計算：

(5)

式中：MR為水分比；Me為平衡干基含水量；M0為初始干基含水量，由于Me的值相對于M和M0來說比較小，可以忽略不計，因此公式可以簡化為：

2 結果與討論

2.1 辣椒干燥特性研究

2.1.1 辣椒微波干燥特性曲線

根據微波干燥試驗的結果，繪制出相應的辣椒微波干燥特性曲線，見圖1。

圖1 不同功率條件下辣椒微波干燥特性曲線

由圖1可知，在切分方式及載料量條件恒定的情況下，隨著微波功率的增大，辣椒的含水率與干燥時間的曲率隨之增大，說明微波干燥所用的功率越大，干燥所需要的周期越短。由微波干燥試驗的結果可知，辣椒在干燥功率640 W及800 W時干燥速度明顯高于其他干燥功率條件下的干燥速度。與條件為功率640 W相比，條件為800 W的試驗微波功率雖然加大了160 W，但兩者干燥時間長短差別并不大，這是由于微波的功率過大導致物料表面的水分蒸發速率低于物料內部水分擴散的速率，使得微波能的吸收率受到了影響[9]。但是在此條件下干燥后的辣椒在色澤等外觀方面及質量方面相對于其他干燥條件下的較差。而辣椒在干燥功率80 W的條件下，雖然外觀及質量較好，但干燥速度明顯遠遠低于其他干燥功率條件下的干燥速度，不適用于產業化生產。

2.1.2 辣椒微波干燥速率曲線

根據微波干燥試驗的結果，繪制出相應的辣椒干燥速率曲線，見圖2。

圖2 不同功率辣椒微波干燥速率曲線

將圖2的干燥速率曲線拉伸，可以看出辣椒微波干燥中存在加速干燥、恒速干燥和降速干燥這3 個階段。干燥的初期階段，因為辣椒水分含量高，所吸收的微波能多，水分蒸發較快，干燥速率較大，此為加速干燥階段；隨著微波干燥的繼續進行，因為辣椒表層水分較多，內部的水分可以及時遷移至辣椒表面，表面的溫度保持穩定，干燥速率也保持穩定，此處進入恒速干燥階段；隨著辣椒水分含量的降低，所吸收的微波能減少，蒸發取決于內部水分的擴散速率，當水分向表面的擴散速率低于表面汽化速率時即進入降速干燥階段[10]。

2.2 辣椒微波干燥動力學模型的建立

2.2.1 常見的干燥動力學模型

目前用于描述干燥過程的模型有很多，其中的薄層干燥模型是一類應用較為廣泛的干燥動力學模型，經常被用來描述蔬菜以及其他農作物的干燥過程[11]。用來描述食品干燥過程的薄層干燥模型一般有單項擴散模型、指數模型以及Page方程這3種[12]。建立干燥動力學數學模型，對于研究干燥過程的變化規律以及預測干燥工藝參數均有重要作用。

單項擴散模型：MR=A×exp(-kt)。

(6)

指數模型：MR=exp(-kt)。

(7)

Page方程：MR=exp(-ktN)。

(8)

式中：t為干燥時間，min；A，k，N為待定系數。

2.2.2 辣椒微波干燥模型的選擇以及待定系數的確定

對單項擴散模型、指數模型和 Page方程進行擬合比較以便于更好地反映水分比MR隨著干燥時間t的變化規律。將公式(6)～公式(8)進行線性化處理，分別取對數得到以下公式：

單項擴散模型：In(MR)=InA-kt。

(9)

指數模型：In(MR)=kt。

(10)

Page方程： In[-In(MR)]=Ink+N×Int。

(11)

根據試驗數據，結合公式(9)～公式(11)繪制不同微波功率條件下的-In(MR)～t關系曲線，In[-In(MR)]～Int關系曲線，見圖3和圖4。

圖3 不同微波功率條件下的-In(MR)～t曲線

圖4 不同微波功率條件下的ln[-ln(MR)]～lnt曲線

由圖3和圖4可知，不同功率條件下的-ln(MR)～t關系曲線與In[-In(MR)]～Int關系曲線相比較，In[-In(MR)]～Int關系曲線比-In(MR)～t關系曲線的線性關系更好。為了更加準確地選擇干燥模型，對-In(MR)～t關系曲線與In[-In(MR)]～Int關系曲線進行線性回歸擬合分析，所得到回歸的相關指數R2值和相關參數見表1。

表1 不同微波功率-ln(MR)～t及ln[-ln(MR)]～lnt關系的回歸方程及檢驗系數

由表1可知，模型間的R2值相差較大，其中Page模型的R2相對比較大，所有功率條件下的R2均在0.985以上，由此說明其擬合優度較大，線性效果比較好。由此可知Page模型可用來描述辣椒微波干燥試驗范圍內得到的試驗數據。

由圖4可知，在不同微波干燥功率條件下，In[-In(MR)]=Ink+N×Int直線近似于平行移動，因此可以將系數N看作一個常數[13]。Page模型方程中的干燥常數k因試驗條件的不同而隨之改變，因此k是微波功率的函數[14]。可以令

Ink=a+bp。

(12)

式中：P為微波功率，W；a，b為常數。

將公式(12)帶入公式(11)可得到公式：

In[-In(MR)]=a+bP+N×Int。

(13)

將試驗的數據帶入進行回歸分析，可得出：a=-0.029464；b=0.0001733；N=1.7658。

將各項系數帶入公式(13)可得到辣椒微波干燥模型為：

In[-In(MR)]=-0.0294642018+0.0001733P+1.7658×Int。

(14)

將公式(10)～公式(13)進行整理，用于描述辣椒微波干燥過程的 Page 模型如下：

MR=exp(-ktN)，

(15)

k=-0.029464+0.0001733P；N=1.7658。

2.2.3 辣椒微波干燥動力學模型的驗證

圖5 400 W功率條件下試驗值與預測值比較

選取微波功率為400 W的試驗條件進行驗證。由圖5可知，根據微波干燥Page模型預測的MR值與微波干燥實際試驗數據計算出來的MR值相比較，較為一致，由此可知此干燥模型可以用來作為辣椒微波干燥動力學模型。

3 結論

在其他干燥條件恒定的情況下，研究了不同微波功率對辣椒干燥特性的影響，并通過繪制研究辣椒微波干燥曲線和干燥速率曲線發現干燥微波功率的大小對于辣椒微波干燥的干燥特性影響較大，并且隨著微波功率增大，干燥速率也隨之增大，而干燥時間則隨之減少。整個辣椒微波干燥過程可以分為3 個階段，即加速干燥、恒速干燥及降速干燥，而恒速和降速階段是辣椒微波干燥過程的主要階段，這是因為新鮮辣椒的初始水分含量比較高，所吸收的微波能較多，因此會出現比較短暫的加速階段。

經過對各種干燥模型的分析比較得知可以選擇Page 模型來描述辣椒微波干燥的模型，模型具體為：MR=exp(-(-0.029464+0.0001733P)t1.7658) ，經過驗證，可以利用該模型較為準確地預測不同微波干燥功率下，任意時刻辣椒含水率隨著干燥時間的變化規律。同時也為辣椒微波干燥工業化加工過程中對于水分的控制和檢測提供了理論依據，為辣椒的開發和貯藏奠定了理論基礎。