火龍果片微波間歇干燥特性及其動力學研究

盤喻顏段振華劉 艷唐小閑李定金

(1. 賀州學院食品與生物工程學院，廣西 賀州 542899；2. 大連工業大學食品學院，遼寧 大連 116034； 3. 廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西 賀州 542899)

火龍果又稱仙蜜果，源于中美洲，目前中國主要分布在廣西、福建、臺灣、云南等地[1]。火龍果不但富含多種維生素、氨基酸、礦物質等，且含其他植物體內稀有的花青素及植物性白蛋白，是兼備高營養和低熱量的水果，具有預防重金屬中毒、增強骨質、降低膽固醇等作用[2-3]。

火龍果以鮮食為主，含大量水分，易引發腐敗變質，不利于運輸與貯藏。干燥作為食品保存和加工應用的常見方式，是通過脫除物料中的水分，從而限制微生物和化學反應，具備便于產品流通、延長貯藏期等優點，能有效解決水果貯藏期太短而造成浪費的問題[4]。現有關于火龍果干燥的研究較少，陳曉旭等[5]、鄒同華等[6]研究了火龍果熱風聯合變溫壓差膨化干燥、真空冷凍干燥工藝的優化。Yi等[7]研究了微波聯合變溫壓差膨化干燥對火龍果片胞壁多糖改性、理化性質的影響。Nordin等[8-9]研究了關于微波干燥對火龍果片理化性質、質構、顯微結構及復水性的影響。總體上看，已有關于火龍果冷凍干燥、熱風聯合變溫壓差膨化干燥工藝的優化以及微波及其聯合干燥對火龍果品質影響的報道[10-11]，但火龍果微波干燥工藝的優化及動力學研究未見報道。動力學模型的研究作為加工過程中預測水分含量與干燥用時的重要理論依據，缺少相應的理論依據會限制微波干燥在火龍果中的實際應用，所以研究火龍果微波干燥動力學具有重要的意義。

微波干燥有獨特的內部加熱模式，省時節能、保質降本、環保易控[10-11]，因此被廣泛應用于農產品加工保藏及食品工業生產中，包括羅非魚[12-13]、馬蹄淀粉[14]、山藥[15]、黃秋葵[16]、花椒[17]、銀杏果[18]、枸杞[19]等加工領域，但單純使用微波技術進行干燥，易使局部溫度過高，導致物料出現邊緣焦糊和硬化等現象，為保證產品品質，防止局部過熱則要探索微波在干燥工藝上的創新。采用微波間歇干燥，能有效均衡水分分布和溫度情況，從而避免出現過熱導致燒傷[14]。本試驗擬以火龍果為原料，研究火龍果片在微波間歇干燥條件下的干燥特性，并根據試驗數據建立了火龍果片微波間歇干燥的動力學模型，意為火龍果片微波間歇干燥的相關基礎研究、工藝設計及參數優化提供參考，解決水果因貯藏期太短而造成浪費的問題。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

1.1.1 材料

火龍果：紅肉火龍果，購于賀州泰興超市。

1.1.2 主要儀器設備

電子天平：JJ1000型，常熟市雙杰測試儀器廠；

水分測定儀：MA150 Starorius型，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

微波爐：G70D20CN1P-D2(S0)型，廣東格蘭仕微波電器制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 預處理 火龍果經人工去皮后切成一定厚度的火龍果片，5%的NaCl溶液浸泡2 min后，瀝水10 min備用。

1.2.2 微波功率 取60.0 g火龍果片切成6 mm薄片，加熱1 min，間歇1 min，選擇不同功率(350，420，490 W)進行微波間歇干燥試驗，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.3 切片厚度 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，加熱時間1 min，間歇時間1 min，選擇不同切片厚度(3，6，9 mm)的火龍果片進行微波間歇干燥試驗，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.4 加熱時間 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，切片厚度6 mm，加熱時間1 min，間歇時間1 min，選擇不同加熱時間(0.75，1.00，1.25 min)進行微波間歇干燥試驗，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.2.5 間歇時間 每次取60.0 g火龍果片，微波功率420 W，切片厚度6 mm，加熱時間1 min，選擇不同間歇時間(0.50，0.75，1.00 min)進行微波間歇干燥試驗，測定并記錄干燥過程中間歇時間下火龍果片質量，直至干燥至干基含水量≤15%為止。

1.3 指標

1.3.1 含水量的測定 采用水分測定儀進行測定。火龍果片初始含水率的平均測定值為86.81%，任一時刻火龍果干基含水率按式(1)計算。

1.3.2 干基含水率計算

(1)

式中：

M——干基基含水率，g/g；

mt——濕物料質量，g；

m——絕干物料質量，g[11]。

1.3.3 干燥速率計算

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Δt——兩次相鄰時間之差，min；

m——絕干物料質量，g；

△m——兩次相鄰質量之差，g[15]。

1.3.4 水分比計算

(3)

式中：

MR——水分比；

M0——初始含水率，%；

Mt——干燥中某時刻的含水率，%；

Me——平衡含水率(遠遠小于M0和Mt，通常忽略不計)，%[20-21]。

1.3.5 干燥模型擬合 本試驗篩選了5種常見干燥模型來擬合火龍果片的干燥模型。對其進行線性化處理以便統計分析和數據處理，如表1所示[14]。

表1 5種干燥模型及表達式?

?k、n、a、b、c均為表達式中的待定系數；t為時間，min。

1.4 數據分析

最終試驗結果為3組平行試驗的平均值；SPSS 17.0進行線性回歸和求得模型方程的待定系數，Excell 2010進行數據分析，Origin 2017繪圖。

2 結果與分析

2.1 火龍果片微波間歇干燥特性

2.1.1 微波功率對火龍果片干燥特性的影響 由圖1可知，隨著微波功率的增大，火龍果片的干燥曲線變化越陡峭，所需干燥時間越短，微波功率為490，420，350 W時，干燥時間分別為22，30，38 min。這是因為在固定其他條件不變時，火龍果片中水分子吸收的微波隨著微波功率增大而增加，加劇了火龍果片內部振蕩，加快了干燥速度，所需的干燥時間就越少。因此，在一定的微波功率范圍內，適當地提高微波功率可以縮短干燥時間。

圖1 火龍果片在不同微波功率下的干燥曲線

由圖2可知，火龍果片微波間歇干燥過程包括前期加速、中期恒速和后期降速階段。火龍果片的干燥速率曲線隨微波功率的增大而變陡峭。干燥前期，火龍果片含有大量水分，能夠吸收大量微波，干燥速率呈上升趨勢；干燥中期，火龍果片吸收的微波均用于蒸發內部的大部分水分，干燥速率保持恒定狀態；干燥后期，隨著火龍果片內部水分子的減少，吸收的微波也減少，干燥速率呈下降趨勢[22]。

圖2 火龍果片在不同微波功率下的干燥速率曲線

2.1.2 加熱時間對火龍果片干燥的影響 由圖3可知，火龍果片的干燥曲線隨著加熱時間的延長而變陡峭，所需的干燥時間縮短，加熱時間為1.25，1.00，0.75 min時，干燥時間相差不大。原因可能是加熱時間越長，增加了火龍果片內的水分子的振蕩時間，增大了干燥速率，所需干燥時間就越短。因此，在一定加熱時間范圍內，可通過增大加熱時間來提高干燥速率。

圖3 火龍果片在不同加熱時間下的干燥曲線

由圖4可知，在微波間歇干燥過程中，干燥速率曲線隨著加熱時間的延長而越陡峭；由前期加速和后期降速階段組合而成，而中期恒速階段不明顯。原因是隨著加熱時間的延長，火龍果片中大量的水分在升溫階段之初就已脫除，所以當加速階段的干燥速率達到極大值時，火龍果片吸收微波的能力明顯下降，干燥速率呈下降趨勢，因此恒速階段不明顯。

圖4 火龍果片在不同加熱時間下的干燥速率曲線

2.1.3 間歇時間對火龍果片干燥的影響 由圖5可知，火龍果片的干燥曲線隨著間歇時間的延長而變平緩，所需的干燥時間增加。間歇時間為0.50，0.75，1.00 min時，所需的干燥時間為19.50，26.25，36.00 min。隨著微波加熱的進行，火龍果片內部溫度急劇上升，造成局部過熱，導致火龍果片燒焦。因此在微波加熱時增加間歇這一步驟，可以有效防止火龍果片燒焦，充分脫除內部水分，通過減少微波加熱時間，降低能耗。

由圖6可知，在微波間歇干燥過程中，干燥速率曲線隨著間歇時間的增加而變平緩。由于火龍果片中的水分子在微波作用下，摩擦生熱從而達到干燥的目的，但間歇時間內沒有微波的輔助，只能依靠殘留的熱能進行干燥，所以間歇時間越長，干燥時間越久。因此，在一定間歇時間范圍內，可通過縮短間歇時間來提高干燥速率。

圖5 火龍果片在不同間歇時間下的干燥曲線

圖6 火龍果片在不同間歇時間下的干燥速率曲線

2.1.4 切片厚度對火龍果片干燥特性的影響 由圖7可知，隨著切片厚度的增大，火龍果片的干燥曲線變化越平緩，所需的干燥時間越長。切片厚度為3，6，9 mm時，所需的干燥時間分別為26，38，48 min。這是由于火龍果片的厚度決定了內部水分遷移的距離，火龍果片越薄，內部水分遷移的距離就越小，干燥所需的時間就越短；火龍果片越厚，內部水分遷移的距離就越大，內部傳熱傳質阻力越大，所需的干燥時間就越長[23]。因此，在一定的切片厚度范圍內，適當減小切片厚度可以縮短干燥時間。

圖7 火龍果片在不同切片厚度下的干燥曲線

由圖8可知，在微波間歇干燥過程中，隨著切片厚度的減小，干燥速率曲線變化越陡峭，中期恒速階段越不明顯。這是由于火龍果片的加熱過程是內外同時進行，隨著切片厚度的減小，從外到內熱量傳遞的距離減小，從內到外水分遷移的距離也減小，加快了熱量和水分的傳遞速度，從而增大了干燥速率。

圖8 火龍果片在不同切片厚度下的干燥速率曲線

2.2 火龍果片微波間歇干燥動力學

2.2.1 模型的選擇 在篩選的5種模型中Wang-Singh模型的MR—t為線性關系，Lagarithmic、Henderson-Pabis、Newton3種模型的-lnMR-t均為線性關系，Page模型的ln(-lnMR)-lnt為線性關系，所以以MR、-lnMR、ln(-lnMR)為縱坐標，t、t、lnt為對應的橫坐標，分別繪制不同微波功率、加熱時間、間歇時間、切片厚度下的MR-t、-lnMR-t、ln(-lnMR)-lnt曲線圖，如圖9～11所示。

由圖9可知，Wang-Singh模型不適用于建立目前模型，因為相關變量下MR-t是非線性關系，通過分析計算可知，Wang-Singh模型擬合方程的R2=0.943。

由圖10可知，這3種模型均不適用于建立目標模型，因為相關變量下-lnMR-t是非線性關系，通過分析計算可知，Logarithmic模型擬合方程的R2=0.964，Handerson and Pabis模型擬合方程的R2=0.935，Newton模型擬合方程的R2=0.908。

由圖11可知，在所篩選的模型中，只有相關變量下ln(-lnMR)-lnt呈線性關系，通過分析計算可知，Page模型擬合方程的R2=0.991，優于前面4個模型所得的R2值，表明Page的模型能更好地適應所有干燥條件，所以采用Page模型作為火龍果片微波干燥動力學模型。

Page模型：ln(-lnMR)=lnk+nlnt，令：

lnk=a+bP+cH+dX1+eX2，

(4)

n=f+gP+hH+iX1+jX2，

(5)

式中：

P——微波功率，W；

X1——加熱時間，min；

X2——間歇時間，min；

H——切片厚度，mm；

a、b、c、d、e、f、g、h、i、j——待定系數。

圖9 火龍果片在不同因素下MR與t的關系曲線

圖10 火龍果片在不同因素下-lnMR與t的關系曲線

圖11 火龍果片在不同因素下ln(-lnMR)與lnt的關系曲線

可得到：

ln(-lnMR)=a+bP+cH+dX1+eX2+(f+gP+hH+iX1+jX2)lnt。

(6)

將不同功率、不同加熱時間、不同間歇時間、不同切片厚度試驗所得的數據依次代入，由SPSS 17.0進行多元線性回歸求得方程線性擬合各待定系數，為a=-5.95，b=0.008，c=-0.458，d=1.578，e=-1.314，f=2.441，j=-0.373，h=0.056，i=-0.458，g=0.000。

得擬合方程：

ln(-lnMR)=-5.95+0.008P-0.458H+1.578X1-1.314X2+(2.441+0.056H-0.458X1-0.373X2)lnt，

(7)

即

MR=e-ktn，

(8)

式中：

k=e-5.95+0.008P-0.458H+1.578X1-1.314X2；

n=2.441+0.056H-0.458X1-0.373X2。

該擬合方程的F為2 192.294，顯著性水平P<0.001，R2=0.991，表明該方程極顯著且擬合度較高。

2.2.2 模型的檢驗 如圖12所示，設定條件為功率420 W，加熱時間1 min，間歇時間1 min時，切片厚度6 mm，試驗值與擬合值有較高的擬合度，Page模型適用于描述和預測火龍果片微波間歇干燥過程中水分變化和干燥用時情況。

3 結論

試驗表明，火龍果片微波間歇干燥包括加速、恒速和降速階段，其中切片厚度，間歇時間與干燥速率、物料脫水量呈負相關，與干燥時間呈正相關。加熱時間、微波功率與干燥時間呈負相關，與干燥速率、物料脫水量呈正相關，其中加熱時間對火龍果片微波間歇干燥速率的影響較小。比較了5種常見的干燥模型,經擬合得到火龍果片微波間歇干燥的最佳模型為Page模型。但本試驗所用的火龍果片為了之后的工藝優化均用5% NaCl浸泡過，可能會與鮮果存在一定差異，批量生產時應做小批量的預試驗。

圖12 Page模型的擬合值與試驗值的比較