蓮藕片薄層真空微波干燥特性及動力學模型

張鐘元 李麗娟 李大婧

摘要：為研究蓮藕片真空微波干燥特性，探討不同真空度、裝載量和微波功率對蓮藕片薄層真空微波干燥過程的影響。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立蓮藕片薄層真空微波干燥水分比與干燥時間關系的動力學模型，并對模型進行擬合試驗，最后計算蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴散系數(shù)。結果表明，蓮藕片薄層真空微波干燥過程符合Page模型，經驗證，模型預測值與試驗值擬合良好;蓮藕片薄層真空微波干燥有效擴散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內。Page模型適合描述蓮藕片薄層真空微波干燥過程。

關鍵詞：蓮藕片;薄層干燥特性;動力學模型;真空微波;干燥工藝;生產控制

中圖分類號： TS255.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0201-05

蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn），別稱荷藕、蓮菜等，為睡蓮科蓮屬多年生大型宿根水生草本植物[1]，原產于中國和印度，歷史悠久，種質資源豐富，以肥嫩根狀莖供食用，是我國極重要的水生蔬菜。蓮藕含有淀粉、膳食纖維、氨基酸、維生素等多種營養(yǎng)成分，營養(yǎng)豐富，同時又含有少量生物堿、黃酮類物質、鞣質等功能性成分，具有清熱涼血、生津止渴、健脾開胃等藥用價值，廣受消費者喜愛[2-3]。蓮藕采收后，易氧化褐變、失水干縮以及腐爛變質，不耐貯運，而干制可有效延長其貯藏期限，且便于運輸。

真空微波干燥技術把微波和真空2項干燥方法有效地結合起來，使二者充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，具有干燥速度快、干燥時間短等優(yōu)點[4]，且能較好地保留干制品的營養(yǎng)風味物質[5]。在果蔬干燥方面，黃姬俊等研究了香菇微波真空干燥特性及其動力學[6];劉春泉等研究了杏鮑菇真空微波干燥特性及動力學模型[7];朱德泉等對菠蘿片微波真空干燥特性進行了研究[8];魏巍等以綠茶為原料，研究其微波真空薄層干燥特性，并建立干燥動力學模型[9];Figiel研究了蒜瓣的真空微波干燥特性[10];Bal等建立了竹筍微波干燥動力學模型，并進一步得到其有效擴散系數(shù)[11];zbek等對薄荷葉微波干燥特性進行分析，建立了動力學模型，并分別計算了不同干燥條件下的有效擴散系數(shù)[12]。值得一提的是，薄層干燥是常見的片狀果蔬干燥方式，目前已有關于胡蘿卜[13]、蘿卜絲[14]、木瓜[15]薄層干燥動力學方面的研究報道，但關于蓮藕薄層真空微波干燥特性的研究尚未見報道。

本試驗研究真空微波干燥對蓮藕片干燥特性的影響，并建立蓮藕片薄層真空微波干燥動力學模型，用以描述蓮藕片在薄層真空微波干燥過程中的水分變化，以期為蓮藕真空微波干燥工藝的研究和生產控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為“美人紅”蓮藕，由江蘇省揚州市寶應縣天禾食品有限公司特供。全部試驗于2016—2017年在江蘇省農業(yè)科學院農產品加工研究所完成。挑選肉質肥嫩，色澤潔白，無明顯機械傷的蓮藕作為試驗原料。

1.2 儀器與設備

MVD-1型微波真空干燥設備（南京孝馬機電設備廠）;FA2104電子分析天平[賽多利斯科學儀器（北京）有限公司]。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理 將蓮藕洗凈、去皮后，用不銹鋼刀切分成厚度為5～6 mm的薄片，立即浸于由0.2%檸檬酸和1%氯化鈉組成的護色劑中護色，0.5 h后取出，于沸水中燙漂 3 min，流動水冷卻至常溫后，置于2%的麥芽糊精溶液中浸漬1 h，取出瀝干，置于-18 ℃左右的冰箱中，凍藏備用。

1.3.2 真空微波干燥 將蓮藕片解凍，按不同裝載量（50、100、200 g）放入真空微波設備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調至-40、-60、-80 kPa，分別在微波功率為800、1 200、1 600 W/g的條件下進行微波干燥，每隔 1 min 測定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.1 不同真空度對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將100 g解凍蓮藕片放入真空微波設備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調至-40、-60、-80 kPa，在微波功率為1 200 W/g的條件下進行微波干燥，每隔1 min測定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.2 不同裝載量對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將蓮藕片解凍，按不同裝載量（50、100、200 g）放入真空微波設備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調至-80 kPa，在微波功率為 1 200 W/g 的條件下進行微波干燥，每隔1 min測定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.3.2.3 不同微波功率對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 將100 g解凍蓮藕片放入真空微波設備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調至-80 kPa，在微波功率為800、1 200、1 600 W/g的條件下進行微波干燥，每隔1 min測定1次水分含量并換算為干基含水率，直到干基含水率≤13%為止。

1.4 薄層干燥數(shù)學模型

果蔬干燥常用的薄層干燥數(shù)學模型如表1所示。

1.6 統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0分析軟件對表1中各干燥方程的參數(shù)進行線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 蓮藕片薄層真空微波干燥特性分析

2.1.1 真空度對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖1可知，真空微波干燥蓮藕片時，在微波功率為1 200 W、裝載量為100 g的條件下，真空度越高，達到目標含水率所需時間越短。當真空度為-40、-60、-80 kPa時，蓮藕片干基含水率降至13%以下所需干燥時間分別為27、20、14 min。可能原因是真空度越高，水的沸點越低，汽化所需時間越短，蒸發(fā)速率越快[17]。

由圖2可知，在微波功率為1 200 W、裝載量為100 g的條件下，真空度為-40、-60、-80 kPa時，蓮藕片的真空微波干燥過程均整體分為加速干燥、恒速干燥和降速干燥3個階段。在加速干燥階段和恒速干燥階段，3條干燥速率曲線均區(qū)分明顯，且真空度越高，相同干基含水率所對應的干燥速率越大，真空度為-80 kPa時的干燥速率優(yōu)勢最為明顯，可能是由于在其他條件相同的情況下，真空度越高，腔體內溫度達到水沸點的耗時越短，進而使真空度的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。這與魏巍等通過分析不同真空度下綠茶真空微波干燥特性所得結論[9]一致。

2.1.2 裝載量對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖3可知，設定真空度為-80 kPa、微波功率為1 200 W時，裝載量越小，干燥曲線越陡峭，達到目標含水率所需干燥時間越短。裝載量為50、100、200 g時，蓮藕片干基含水率降至13%以下所對應的干燥時間分別為11、14、20 min。主要是因為在真空度、微波功率一定的條件下，裝載量越大，單位質量水分所吸收的微波能越少，汽化時間越長，蒸發(fā)速率越低，導致干燥時間相應延長[18]。

由圖4可知，在真空度為-80 kPa，微波功率為1 200 W的條件下，裝載量為50、100、200 g時，蓮藕片的干燥過程均整體分為升速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。裝載量越小，恒速干燥階段持續(xù)時間越短。在整個干燥過程中，隨著裝載量的增大，相同干基含水率所對應的干燥速率加快。

2.1.3 微波功率對蓮藕片真空微波干燥特性的影響 由圖5可知，在真空度為-80 kPa、裝載量為100 g的條件下，微波功率為800、1 200、1 600 W時，蓮藕片干基含水率降至13%以下所需時間分別為24、14、8 min，說明隨著微波功率的降低，達到目標含水率所需干燥時間相應延長，干燥曲線也趨于平緩。可能是由于微波功率越低，所提供的微波能越低，物料中的水分汽化時間延長，蒸發(fā)速率降低。

由圖6可以看出，在真空度為-80 kPa、裝載量為100 g的條件下，當微波功率為800、1 200 W時，蓮藕片的真空微波干燥過程整體分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3個階段，而當微波功率達到1 600 W時，蓮藕片的干燥過程不經恒速干燥階段直接進入降速干燥階段。整個干燥過程中，微波功率越大，相同干基含水率所對應的干燥速率越高。

2.2 蓮藕片薄層真空微波干燥動力學

2.2.1 蓮藕片真空微波干燥模型選擇 根據(jù)干燥特性試驗數(shù)據(jù)，分別繪制不同真空度、裝載量和微波功率下的-ln（MR）-t曲線和ln[-ln（MR）]-lnt曲線（圖7至圖12）。從圖7、圖9、圖11可以看出，-ln（MR）與t呈非線性相關關系，從圖8、圖10、圖12可以看出，ln[-ln（MR）]與lnt呈線性相關關系，表明蓮藕片的真空微波干燥動力學模型滿足Page方程，因此可以選擇Page模型作為蓮藕片真空微波干燥的動力學模型。

2.2.3 蓮藕片薄層真空微波干燥模型方程的驗證 選取試驗中的1組數(shù)據(jù)驗證蓮藕片真空微波干燥動力學模型的準確性。試驗條件為真空度-80 kPa，裝載量200 g，微波功率 1 200 W。由圖13可知，Page模型的預測曲線與試驗曲線基本擬合，表明Page方程能較準確地反映蓮藕片真空微波干燥過程中水分的變化規(guī)律。

2.2.4 蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴散系數(shù) 在不同真空微波干燥條件下所得的-ln（MR）-t關系圖中，采用Excel軟件對干燥曲線添加線性趨勢線，從趨勢線方程讀出其斜率。由公式（5）即可求出不同干燥條件下蓮藕片的有效擴散系數(shù)（表2）。

由表2可以看出，在真空微波干燥條件下蓮藕片的有效擴散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內。真空微波干燥條件下蓮藕片的有效擴散系數(shù)隨著真空度和單位質量微波功率的增加而增大，隨著裝載量的增加而降低。當裝載量和微波功率相同時，真空度為-80 kPa時，有效擴散系數(shù)最大，最高可達真空度為-40 kPa的2.9倍，充分體現(xiàn)了真空干燥的優(yōu)勢。

Sharma等分別采用不同的微波功率與不同熱風風速、溫度同時組合干燥蒜片，得到蒜片的Deff值在1.29×10-10～31.68×10-10 m2/s范圍內，且隨微波功率的增大而升高[19];Evin研究了薊的薄層微波干燥特性，并得到其微波功率為 90～800 W時，有效擴散系數(shù)為5.5×10-8～3.5×10-7 m2/s，且隨微波功率的增加而增大[20];胡慶國在不同的真空度和單位質量微波功率條件下真空微波干燥毛豆，分析得出，有效擴散系數(shù)在1.306×10-9～4.573×10-9 m2/s范圍內，且隨真空度和單位質量微波功率的增加而增大[21]，與本試驗結論一致。本試驗中蓮藕片的Deff值遠大于上述研究，可能是由于蒜片和薊是在常壓下進行微波干燥，而毛豆雖然在真空狀態(tài)下進行微波干燥，但其組織結構致密，且單位質量微波功率低于本試驗，因此內部水分擴散較慢。

3 結論

蓮藕片薄層真空微波干燥過程可基本分為升速干燥、恒速干燥、降速干燥3個階段;蓮藕片薄層真空微波干燥過程符合Page模型，模型方程為MR=exp（-ktN），其中，k=exp（-3.191+0.014 9X1-0.008 87X2+0.000 973X3），N=0.495+0.002 30X1+0.001 51X2+0.000 306X3;R值均大于0.95，P值均小于0.05，說明擬合顯著。經驗證，模型的預測值與試驗值擬合良好;蓮藕片薄層真空微波干燥條件下的有效擴散系數(shù)在0.508×10-6～6.556×10-6 m2/s范圍內，且真空度和微波功率越高、裝載量越低，有效擴散系數(shù)越大。

參考文獻：

[1]壽森炎，宰文珊，黃錫志. 蓮藕膨大過程中褐變酶活性的變化[J]. 核農學報，2005，19（4）：279-281.

[2]Xing Y G，Li X H，Xu Q L，et al. Effects of chitosan-based coating and modified atmosphere packaging （MAP） on browning and shelf life of fresh-cut lotus root （Nelumbo nucifera Gaerth）[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，11（4）：684-689.

[3]劉建學. 全藕粉噴霧干燥工藝試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，2006，22（9）：229-231.

[4]Cui Z W，Xu S Y，Sun D W. Microwave-vacuum drying kinetics of carrot slices[J]. Journal of Food Engineering，2004，65（2）：157-164.

[5]江 寧，劉春泉，李大婧，等. 甘薯片真空微波干燥工藝的優(yōu)化[J]. 中國食品學報，2011，11（7）：81-88.

[6]黃姬俊，鄭寶東. 香菇微波真空干燥特性及其動力學[J]. 福建農林大學學報（自然科學版），2010，39（3）：319-324.

[7]劉春泉，嚴啟梅，江 寧，等. 杏鮑菇真空微波干燥特性及動力學模型[J]. 核農學報，2012，26（3）：494-499.

[8]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(shù)優(yōu)化[J]. 糧油食品科技，2009，17（1）：52-55，59.

[9]魏 巍，李維新，何志剛，等. 綠茶微波真空干燥特性及動力學模型[J]. 農業(yè)工程學報，2010，26（10）：367-371.

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

[11]Bal L M，Kar A，Satya S，et al. Drying kinetics and effective moisture diffusivity of bamboo shoot slices undergoing microwave drying[J]. Food Science & Technology，2010，45（11）：2321-2328.

[12]zbek B，Dadali G. Thin-layer drying characteristics and modelling of mint leaves undergoing microwave treatment[J]. Journal of Food Engineering，2007，83（4）：541-549.

[13]種翠娟，朱文學，劉云宏，等. 胡蘿卜薄層干燥動力學模型研究[J]. 食品科學，2014，35（9）：24-29.

[14]彭桂蘭，吳文福，陳曉光，等. 蘿卜絲薄層干燥試驗及其數(shù)學模型的建立[J]. 農業(yè)機械學報，2005，36（3）：79-81，94.

[15]唐偉琴. 木瓜的薄層微波干燥特性實驗研究[D]. 南寧：廣西大學，2006：18-20.

[16]中華人民共和國衛(wèi)生部. 食品中水分的測定：GB 5009.3—2010[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[17]雷小琴. 香蕉片微波真空干燥特性及干燥工藝的研究[D]. 福州：福建農林大學，2010：8-17.

[18]胡慶國，卜召輝，陸 寧. 金針菇真空微波干燥動力學模型的研究[J]. 食品與機械，2010，26（5）：48-50，77.

[19]Sharma G P，Prasad S，Chahar V K. Moisture transport in garlic cloves undergoing microwave-convective drying[J]. Food and Bioproducts Processing，2009，87（1）：11-16.

[20]Evin D. Thin layer drying kinetics of Gundelia tournefortii L[J]. Food and Bioproducts Processing，2012，90（2）：323-332.

[21]胡慶國. 毛豆熱風與真空微波聯(lián)合干燥過程研究[D]. 無錫：江南大學，2006：72-74.