白玉菇中短波紅外干燥特性及動力學模型

陳建福，汪少蕓，林梅西

(1.漳州職業技術學院 食品工程學院，福建 漳州 363000；2.福州大學 生物科學與工程學院，福建 福州 350108；3.福建省閩中有機食品有限公司，福建 莆田 351100)

白玉菇(whiteHypsizygusmarmoreus)又名白雪菇、白玉蕈等，是真姬菇的白色變種，是一種木腐型食用菌[1]。白玉菇菇體潔白、鮮滑、質地細膩，含有多糖、維生素、氨基酸和礦物元素等多種有效成分，具有抗炎、抗輻射、抗氧化、降血糖血脂和提高免疫力等多種生物生理活性[2-3]。新鮮白玉菇含水量較高，生理活動旺盛，采后易失水、軟化、褐變及滋生細菌而失去商品價值，從而影響貨架期，制約白玉菇產業的發展[4]。食用菌的干制可以使食用菌的含水量和水分活度降低，抑制食用菌體內微生物繁殖和鈍化酶活性，以延長貨架期[5]。中短波紅外干燥是近幾年農產品干燥過程中新興的一種加工技術，相比傳統干燥方式，具有穿透性強，加熱迅速、均勻，節能等優點，可大大提高農產品的干燥效率，延長貨架期，還能保持農產品的色澤，改善農產品品質。李聰等[6]利用熱風和中短波紅外線對桃渣的干燥特性進行了研究，結果表明：在相同的干燥溫度下，紅外干燥得到的樣品具有較高的總酚保留率；在所考察的工藝范圍內，干燥速率越大，總酚保留率越高，干燥溫度越高，多酚含量越大。司旭等[7]采用不同的紅外干燥條件對樹莓的干燥特性和品質進行了研究，結果表明：樹莓的產品色澤在干燥溫度為70 ℃，功率為675 W時保持最好，復水比較高，此時花青素的保留率也較高，產品對ABTS和DPPH自由基具有較強的清除能力。目前對白玉菇進行中短波紅外干燥方面的研究還比較少，本研究擬采用中短波遠紅外線對白玉菇進行干燥，探討干燥溫度和干燥功率對白玉菇的干燥特性的影響，建立白玉菇中短波紅外干燥動力模型，以期為白玉菇干燥產業發展提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮白玉菇購于漳州市薌城區北橋市場。將原包裝袋一起存放于(4±1)℃冷藏冰箱中，挑選大小一致的白玉菇作為實驗材料。

1.2 儀器與設備

SAK-ZG-WO700型紅外線箱式干燥機，泰州圣泰科紅外科技有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；AR 224CN型電子分析天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1白玉菇含水量的測定

稱取質量為100～120 g新鮮白玉菇，將其平鋪于105 ℃的恒溫干燥箱中干燥。稱量白玉菇干燥到恒重時的質量，計算白玉菇的干基含水率為12.075 4 g/g，濕基含水率為92.35%。

1.3.2紅外干燥過程

稱取100～120 g的新鮮白玉菇，平鋪到已設定好溫度和功率的中短波紅外干燥箱中，物料厚度為單層0.008 m。在預實驗的基礎上，固定干燥功率為1 125 W，考察不同干燥溫度(60、70、80、90 ℃)對白玉菇干燥特性的影響；固定干燥溫度為70 ℃，考察不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)對白玉菇干燥特性的影響。每隔20 min測定白玉菇質量變化，直至干基含水率小于0.16 g/g后，停止干燥。

1.4 實驗指標計算方法

1.4.1水分比計算

白玉菇中未被干燥脫去的水分可以用水分比(moisture ratio，MR)表示。水分比是白玉菇干燥速率快慢的指標，計算方法見式(1)。

(1)

式(1)中：MR，水分比；Me，白玉菇干燥平衡時的干基含水率，g/g；M0，白玉菇的初始干基含水率，g/g；Mi，第i次干燥時的干基含水率，g/g。因Me較小，將方程簡化為式(2)。

(2)

1.4.2干燥速率計算

不同干燥時刻白玉菇的干燥速率公式，見式(3)。

(3)

式(3)中：DR，白玉菇的干燥速率，g/min；m1，t1時刻白玉菇的干基含水率，g/g；m2，t2時刻白玉菇的干基含水率，g/g；t1和t2，分別為干燥時間，min。

1.5 干燥動力學模型的建立

利用7種常見的農產品薄層干燥模型(見表1)對白玉菇的干燥過程進行擬合，用決定系數R2、卡方檢驗值χ2和標準誤差RMSE對模型的擬合程度進行評價，其中R2越大、χ2和RMSE越小，則擬合度越好。

表1 薄層干燥模型

1.6 水分有效擴散系數計算

Fick擴散方程可以用來描述受內部水分擴散控制的降速干燥過程[15]。當物料具有相同初始含水率時，Fick擴散方程可簡化為式(4)。

(4)

式(4)中：Deff，水分有效擴散系數，m2/s；t，干燥時間，min；L0表示白玉菇層高的一半，m。

從式(4)中，可得lnMR與干燥時間t呈線性函數關系，通過線性方程斜率B，可計算得Deff，見式(5)。

(5)

1.7 活化能計算

白玉菇干燥過程中的Deff可通過阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)與干燥溫度(t)建立關系，見式(6)。

(6)

式(6)中：D0，指前因子；Ea，活化能，J/mol；R，摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；t，干燥溫度，℃。

將式(6)兩邊取自然對數，得式(7)，即可通過方程斜率求得干燥活化能。

(7)

2 結果與分析

2.1 白玉菇的紅外干燥特性分析

2.1.1干燥溫度對白玉菇干燥特性的影響

圖1和圖2為干燥功率固定為1 125 W時，干燥溫度對白玉菇紅外干燥過程中干基含水率和干燥速率的影響。從圖1中可知，同一干燥溫度下，隨著干燥時間的延長，白玉菇的干基含水率均逐漸下降，干燥溫度越高，干基含水率下降越明顯。當干燥溫度分別為60、70、80、90 ℃時，白玉菇的干燥時間分別為180、100、80、60 min。當干燥時間為60 min時，60、70、80、90 ℃干燥溫度下白玉菇的干基含水率分別為1.826 3、0.403 7、0.173 1、0.087 0 g/g，說明干基含水率與干燥溫度呈負相關，這是因為隨著干燥溫度的升高，降低了熱空氣的相對濕度，增加了熱空氣的水蒸氣容量；同時溫度的升高也提高了白玉菇與熱空氣之間的對流強度，強化了物料內部水分的遷移與擴散，提高了白玉菇中的水分蒸發量[16]。由圖2的干燥速率曲線可知，干燥初期，白玉菇的干燥速率急劇增加，在20 min時達到最大，隨后干燥速率均又開始急劇下降，最后趨于平穩?？梢姲子窆降母稍镞^程主要為加速和降速兩個階段，沒有明顯的恒速階段，其中降速為主要階段。這是因為干燥初期白玉菇水分含量較高，隨著溫度的升高，水分蒸發量加大，干燥速率迅速增大，但隨著白玉菇表面水分的蒸發，白玉菇表面逐漸變硬，水分擴散至表面的速率小于表面水分汽化速率，干燥速率逐漸降低[17]，說明白玉菇紅外干燥由內部水分擴散控制。

圖1 干燥溫度對白玉菇干基含水率的影響

圖2 干燥溫度對白玉菇干燥速率的影響

2.1.2干燥功率對白玉菇干燥特性的影響

圖3和圖4為干燥溫度固定為70 ℃時，干燥功率對白玉菇紅外干燥過程中干基含水率和干燥速率的影響。從圖3中可知，在干燥功率分別為675、900、1 125、1 350 W時，干燥時間均為100 min，干基含水量對應為0.143 2、0.137 3、0.127 1、0.117 8 g/g。說明干燥功率對白玉菇的干燥有一定的影響，這是因為在一定的干燥功率范圍內，紅外波能快速地滲透到白玉菇內部，促進白玉菇升溫，加快物料內部水分的蒸發；然而由于白玉菇的水分有限，在快速的干燥過程中，來不及辨別干燥功率的作用大小，造成干燥功率對白玉菇干燥影響較小的表象[18]。由圖4的干燥速率曲線可知，降速階段是干燥的主要階段，說明內部水分擴散控制著干燥過程。由圖1至圖4可知，干燥溫度和干燥功率對白玉菇的干燥過程均有影響，但干燥溫度對干燥過程影響更大。

圖3 干燥功率對白玉菇干基含水率的影響

圖4 干燥功率對白玉菇干燥速率的影響

2.2 白玉菇紅外干燥動力學模型分析

2.2.1干燥模型的確定

將白玉菇的紅外干燥數據分別代入表1中的7個薄層干燥模型進行擬合，并利用Origin pro 8 軟件進行回歸，擬合結果見表2。從表2可知，所擬合的7種模型除Approximation of diffusion和Wang and Singh外，其余的5個模型R2均高于0.99，說明這5種薄層干燥模型對白玉菇的紅外干燥過程的擬合效果都較好。Page薄層干燥模型的R2值最大，均值達0.999 82；χ2和RMSE的均值最小，分別為2.53×10-5、1.20×10-4，說明所考察的7個薄層干燥模型中Page模型擬合度最好，能較好地描述白玉菇的紅外干燥過程。

2.2.2Page干燥模型參數的確定

根據表2中的擬合數據，將Page模型中參數k、n分別與所考察的干燥溫度(t)和干燥功率(P)建立函數關系，并利用Origin pro 8軟件進行一元非線性回歸擬合。相關結果見式(8)至式(11)。當紅外功率為1 125 W時，有：

k=-0.644 62+0.031 88t-4.864 5×10-4t2+

2.426 67×10-6t3(R2=1);

(8)

n=-0.036 27-0.010 98t+8.15×10-4t2-

6.081 67×10-6t3(R2=1)。

(9)

表2 干燥模型數據擬合結果

當紅外干燥溫度為70 ℃時，有：

k=0.063 91-5.008 44×10-5P+

2.222 22×10-8P2(R2=0.998 55)；

(10)

n=0.855 27+3.846 96×10-4P-

1.431 6×10-7P2(R2=0.984 22)。

(11)

2.2.3Page干燥模型的驗證

為進一步驗證白玉菇紅外干燥動力學模型的準確性，分別選取干燥功率為1 125 W，干燥溫度為60、70、80、90 ℃的實驗數據與模型的預測值進行比較，結果如圖5；選取干燥溫度為70 ℃，干燥功率分別為675、900、1 125、1 350 W時的實驗數據與模型的預測值進行比較，結果如圖6。由圖5和圖6可知，不同干燥溫度和不同干燥功率下的紅外干燥動力學模型預測曲線與實驗值擬合較好，說明Page模型可以較好地預測白玉菇的紅外干燥過程，可以用來定量描述不同干燥溫度和不同干燥功率下白玉菇的紅外干燥過程的規律。

圖5 不同干燥溫度下實驗值與預測值的比較

圖6 不同紅外功率下實驗值與預測值的比較

2.3 白玉菇紅外干燥水分有效擴散系數分析

根據圖2和圖4的干燥速率曲線可知，白玉菇紅外干燥過程由內部水分擴散控制，降速是主要干燥階段。通過Fick定律將干燥實驗數據代入公式(4)并進行線性回歸，具體數據見表3。從表3可知，固定干燥功率為1 125 W時，Deff隨著干燥溫度的升高而增大，當干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃時，Deff從2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥溫度為70 ℃時，Deff隨著干燥功率的升高而增大，當干燥功率從675 W增加到1 350 W時，Deff從4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。

表3 白玉菇的水分有效擴散系數

2.4 白玉菇紅外干燥活化能分析

根據Arrhenius方程，干燥過程的活化能可由不同溫度下的Deff與干燥溫度(t+273.15)的關系式得到。將Deff代入式(7)，并作線性回歸，結果如圖7。不同干燥溫度下的直線回歸方程為y=-4.744 35×10-3x+-5.382 03，R2=0.978 29。計算得到白玉菇的紅外干燥活化能Ea=39.45 kJ/mol。

圖7 水分有效擴散系數與干燥溫度的關系

3 結 論

1)分析了白玉菇在不同干燥溫度(60、70、80、90 ℃)和不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)下的紅外干燥特性曲線。研究結果表明：干燥溫度和干燥功率對白玉菇的干燥過程均有影響，但干燥溫度對干燥過程影響更大，干燥溫度越高，干基含水率下降越明顯。

2)白玉菇的干燥過程主要為加速和降速兩個階段，沒有明顯的恒速階段，其中降速階段為主要階段。所考察的7個薄層干燥模型中，Page模型擬合度最好，Page薄層干燥模型的R2值最大，均值達0.999 82，χ2和RMSE的均值最小，分別為2.53×10-5、1.20×10-4。Page模型可以較好地預測白玉菇的紅外干燥過程，可以用來定量描述不同干燥溫度和不同干燥功率下白玉菇的紅外干燥過程的規律。

3)固定干燥功率為1 125 W時，Deff隨著干燥溫度的升高而增大，當干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃時，Deff從2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥溫度為70 ℃時，Deff隨著干燥功率的升高而增大，當干燥功率從675 W增加到1 350 W時，Deff從4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。白玉菇的紅外干燥活化能Ea為39.45kJ/mol。在實際生產中，可以利用Page模型預測并控制白玉菇中短波紅外干燥過程的水分變化規律，為白玉菇中短波紅外干燥工藝設計、設備選型、節能降耗、保證干制品質量提供理論依據。