微波燙漂預處理下百合熱風干燥特性及動力學模擬

王 怡,董繼先,2,王 棟,2,*,袁越錦,龔桂芬,溫家豪

(1.陜西科技大學機電工程學院,陜西西安 710021; 2.輕工業西安機械設計研究院有限公司,陜西西安 710086)

百合是百合科百合屬多年生草本球根植物,有很高的食用價值和藥用價值,是中國衛生部審批通過的首批藥食兼用植物[1]。鮮百合含水率高,不利于長期貯藏和遠距離運輸[2]。脫水干制是延長百合貯藏期常用的辦法,對緩解產銷矛盾有著重要的意義。

目前百合的常用干燥方法為熱風干燥和真空冷凍干燥[3]。熱風干燥設備操作簡單,成本低,但熱風干燥速率慢,且易發生褐變,影響百合干制品的品質[4]。真空冷凍干制品品質變化較小,能夠最大限度保持產品形、色、香、味不變,營養物質分布均勻,但干燥速率慢、成本高,不適合大規模的工業干燥[5]。近年來,微波干燥技術逐漸興起,微波干燥是內部加熱[6],速度快[7],干燥時間短,但因微波干燥成本和耗電高,且微波功率與物料蒸發量不匹配時易產生焦糊,所以微波干燥不適合整過程干燥[8]。

燙漂是果蔬干燥前關鍵的預處理工藝,可以提高干燥速率,防止褐變。目前,常用的燙漂技術是熱水燙漂,朱文學等[9]研究表明增加熱水漂燙時間和漂燙溫度可提高百合的干燥速率,縮短干燥時間,有效改善干制品的色澤。但熱水燙漂極易造成營養物質流失,近年來微波燙漂技術開始興起,微波燙漂技術優勢在于有很強的穿透力,升溫快且營養物質流失較輕[10]。Wang等[11]比較了熱水、微波、紅外和高濕熱風射流燙漂對紅甜椒干燥特性及品質的影響,結果表明:經微波燙漂處理的辣椒與經熱水漂燙處理的辣椒相比,前者獲得了更高的紅色素、抗壞血酸保留率和總抗氧化活性。

為了研究干燥的過程,一些經驗[12]、半經驗[13]、數值模型[14]被廣泛用于描述干燥過程,但均為對干燥動力學曲線的模擬,模型中各參數意義并不明確。Weibull分布函數因較好的適用性和兼容性,現已在許多領域廣泛應用[15-17]。近年來,研究者們將Weibull函數應用于干燥動力學的模擬,Corzo等[18]研究表明Weibull函數可以描述不同成熟度的芒果片熱風干燥過程;Miranda等[19]用Weibull分布函數描述了蘆薈在不同干燥條件下的對流干燥過程,研究表明,模型中的尺度參數α、形狀參數的物理意義均可與干燥方式相結合;效碧亮等[20]用Weibull函數準確描述了百合熱風薄層干燥過程。

為解決百合熱風干燥過程中存在的易褐變、干燥時間長等問題,本實驗將微波燙漂預處理引入百合的熱風干燥過程中,研究微波燙漂時間、微波功率和熱風溫度對百合干燥過程的影響,并利用Weibull分布函數對干燥過程進行模擬并分析模型中各參數的影響因素,計算百合干燥過程中的有效水分擴散系數和活化能,為Weibull分布函數在百合干燥加工中的廣泛應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘭州新鮮百合 購于蘭州市弄蘭市場,要求潔白無斑點,大小統一,無蟲害,放置在4 ℃冰箱中冷藏保存。

DZF-6020A微波燙漂-熱風干燥箱 科研團隊與南京奧潤微波科技有限公司聯合研發;LE204E/02電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 鮮百合清洗→剝片→瀝干→稱重→微波燙漂→干燥→測量最終數據

選取新鮮百合,剝去外層后清洗,去除泥垢,分瓣,剔除外觀殘缺、褐斑、黃斑的百合瓣,選取大小均一的鱗片清洗并瀝干,得到實驗原材料。試驗開始前,選取70 g左右的百合鱗片,均勻平鋪在微波燙漂設備的物料盤中,微波燙漂后,取出物料盤,稱取百合質量,然后進行熱風干燥,當百合濕基含水率達到10%以下時[21],停止干燥。

1.2.2 單因素實驗 通過前期預實驗的結果,根據干燥時間和干燥速率的評價,在微波燙漂過程中,主要影響因素有微波功率和微波燙漂時間。在干燥過程中,主要影響因素有熱風溫度。本試驗選用燙漂時間為0、90、120、150 s(微波功率為800 W,熱風溫度為70 ℃);微波功率0、630、800、910 W(燙漂時間為120 s,熱風溫度為70 ℃);熱風溫度為60、70、80 ℃[1](微波功率為800 W,燙漂時間為120 s)進行試驗。

1.3 試驗參數計算

1.3.1 初始含水率的測定 105 ℃恒溫干燥法[22],測得新鮮百合初始濕基含水率為59%±1%。

1.3.2 干基含水率的測定及計算式

式(1)

式中:Wt為t時刻物料的干基含水率,g/g;mt為干燥任意t時刻物料的質量,g;md為絕干物料的質量,g。

1.3.3 干燥速率的測定及計算式

式(2)

式中:DR為干燥速率，g·g-1·h-1;Δt為失去水分所需的時間,min。

1.3.4 利用Weibull函數擬合干燥曲線 Weibull分布函數表示為如下形式[18]:

式(3)

式中:MR為物料干燥過程中的水分比；α為尺度參數,表示干燥過程中的速率常數,約等于干燥過程中物料水分比降低到37%時所用的時間;β為形狀參數,其值與干燥過程中干燥曲線的形態有關;t為干燥時間,min。

1.3.5 有效水分擴散系數、活化能的測定 水分比是用來表示一定干燥條件下物料的剩余水分率,其計算方法如下式[20]:

式(4)

式中:W0為物料的初始干基含水率，g/g。

在降速干燥階段,物質的干燥特性可以用簡化的Fick第二定律來描述,其表達式為:

式(5)

式中:Deff為水分有效擴散系數,m2/min;L為物料的厚度,m;t為干燥時間,min。

上式兩邊同時取自然對數后,可得:

式(6)

估算水分有效擴散系數Dcal的值,計算公式如下:

式(7)

式中:Dcal為有效水分擴散系數,m2/min。

Dcal與Deff的關系式為:

式(8)

式中:Rg為幾何參數。

物料的水分有效擴散系數和干燥溫度的關系可以用阿倫尼烏斯公式[19]表示為:

式(9)

將公式(8)代入式(9)后,得:

式(10)

式中:D0為阿倫尼烏斯公式方程的指數前因子,m2/s;Ea為物料的干燥活化能,kJ/mol;R為摩爾氣體常數,其值為8.314 J/(mol·K);T為物料的干燥溫度, ℃。

1.4 數據處理

通過Excel記錄并整理試驗數據,所有試驗數據重復三次進行采集,應用Origin 8.0軟件進行數據處理與模型擬合分析。

2 結果與分析

2.1 微波燙漂對百合干燥特性的影響

微波功率800 W、熱風溫度70 ℃,燙漂時間分別為0、90、120、150 s下的百合干燥特性和干燥速率特性分別如圖1、圖2所示。由圖1可以看出,微波燙漂可以在短時間內快速地降低百合的含水率,當微波燙漂時間為0、90、120、150 s時,百合的熱風干燥所需時間分別為840、735、480、390 min,微波燙漂時間越長,干燥時間越短,可以更快地到達干燥終點。由圖2可以看出,微波燙漂時間越長,前期的干燥速率越快,當達到一定的含水率后,干燥速率基本一致。微波燙漂時間120 s、熱風溫度70 ℃、微波功率分別0、630、800、910 W下的百合干燥曲線和干燥速率特性分別如圖3、圖4所示。由圖3可知,當微波功率為0、630、800、910 W時,百合的熱風干燥所需時間分別為840、570、480、450 min。隨著微波功率的增大,百合的干燥時間逐漸減少。由圖4可知,微波功率越高,干燥速率越快。這是由于微波功率越大,微波能越高,干燥速率越快。同時,微波加熱是在物料里外同時進行,水分不斷往外擴散蒸發[23],減少了干燥時間。當微波功率分別為800和910 W時,干燥所用的時間并無明顯差別,這可能是因為微波功率過大,內部水分快速流失,使得微波能的吸收受到影響[24]。提高微波功率可以減少干燥時間,但若微波功率過大,操作安全性差并且產品容易焦糊[25]。對比空白對照組,微波燙漂預處理下百合的熱風干燥時間明顯少于百合的純熱風干燥時間。

圖1 不同微波燙漂時間下百合水分比曲線Fig.1 Water ratio curve of lily under different microwave time

圖2 不同微波燙漂時間下百合干燥曲線Fig.2 Drying curve of lily under different microwave time

圖3 不同微波功率下百合水分比曲線Fig.3 Water ratio curve of lily under different microwave power

圖4 不同微波功率下百合干燥曲線Fig.4 Drying curve of lily under different microwave power

2.2 熱風溫度對百合干燥的影響

微波功率800 W、燙漂時間120 s、熱風溫度分別為60、70、80 ℃下百合熱風干燥特性和干燥速率特性分別如圖5、圖6所示。由圖5干燥水分比曲線可知,隨著熱風溫度的升高,干燥所需時間分別為720、510、490 min,百合干制品達到指定含水率所需要時間越短。由圖6干燥速率曲線可知,干燥速率沒有經歷恒速干燥段,干燥速率逐漸下降,屬于典型的降速過程,說明百合干燥主要受內部水分擴散控制,這與大多數生物物料的干燥特性相似[26]。因為百合的含水率高且具有大量的非結合水,與周圍的熱空氣形成了較大的水分梯度,內部水分可以快速地轉向表面,因此在干燥前期百合的干燥速率下降較快。到達干燥后期,百合的含水率減小,細胞之間的結合水大幅減少,造成水分梯度變小,干燥速率變慢[27]。

圖5 不同熱風溫度下百合水分比曲線Fig.5 Water ratio curve of lily under different hot air temperatures

圖6 不同熱風溫度下百合干燥曲線Fig.6 Drying curve of lily under different hot air temperatures

2.3 基于Weibull分布函數的干燥過程模擬

利用Weibull分布函數對不同試驗條件下百合的干燥數據進行回歸分析,結果見表1。由表1可以看出,決定系數R2的區間在0.9920～0.9988之間。因此,Weibull分布函數能夠較好地模擬百合經不同預處理條件和溫度干燥溫度的干燥曲線。

表1 不同干燥條件下Weibull模擬結果Table 1 Weibull model simulation result at different drying conditions

在干燥過程中，Weibull函數中的尺度參數α表示干燥過程的速率常數，其數值約等于干燥過程中水分比降低到37%時所用的時間[28]，α值越小，干燥時間越短。由表1可知，在不同的微波燙漂時間下，α值隨微波燙漂時間的增大而減小，微波燙漂時間從90 s增加到150 s時，α值從212.6776 min降至43.0868 min；在不同的微波功率下，α值隨微波功率的增大而減小，微波功率從630 W增加到910 W時，α值從152.4392 min降至63.3538 min；在相同的預處理后，隨著干燥溫度從60 ℃提高到80 ℃,α值由120.9838 min減小到了74.4328 min。可知，尺度參數α值與微波預處理方式和干燥溫度有關，微波燙漂可以改變百合的組織結構，尺度參數α與物料的組織結構有關[29]，燙漂時間越長，α值越小，微波功率越大，α值越小；此外，在同一種微波預處理方式下，干燥溫度越高，尺度參數值越小。

研究表明[18,30],形狀參數β的值與干燥過程中水分遷移機理有關：當形狀參數β在0.3～1之間時,則表示由內部水分擴散控制物料的干燥過程，此時則表現為降速干燥的特點。由表1可知，在同樣的干燥溫度下，微波燙漂時間越長，微波功率越大，形狀參數β越小。經過相同微波燙漂處理的百合，在不同的干燥溫度下，其形狀參數β值在0.5371～0.5579之間，并無明顯的變化。由此可見，對于同一種干燥物料，形狀參數β的大小與預處理方式有關，熱風溫度改變對β值的影響較小。這與Corzo等[18]和白竣文等[29]的研究結果是一致的。

2.4 水分有效擴散系數的分析

干燥過程中的水分遷移過程非常復雜[29]。通過試驗方法測量和式(6)計算干燥過程中的有效水分擴散系數Deff，對描述物料干燥特性、優化干燥工藝有重要的意義。

百合干燥過程中的水分擴散系數見表2。

表2 百合干燥過程中的水分擴散系數Table 2 Moisture effective diffusion coefficients of lily drying

有效水分擴散系數Deff值越大，水分擴散能力越強、干燥速率越快。由式(6)計算得出水分有效擴散系數的值，結果見表2。由表2可知，水分有效擴散系數的值隨著微波燙漂時間的增加和微波功率的增大而增大，可知微波燙漂可以提高百合的干燥速率，這是由于微波燙漂處理破壞了百合表皮的蠟質層，高溫處理使百合組織軟化，水分更容易流水[29]。此外，經相同微波預處理的百合，水分有效擴散系數與熱風溫度的高低相關，熱風溫度越高，有效水分擴散系數越大。

Marabi等[31]研究發現幾何參數Rg值與水分有效擴散系數的值無關。由表2可知，幾何參數Rg值隨著有效擴散系數Deff值的變化而變化。本次實驗中，隨著微波燙漂時間從90 s增加到150 s時，Rg值從11.90增加到37.55；微波功率從630 W增加到910 W時，Rg值從16.18增加到26.87。出現這種現象的原因可能是百合經微波高溫燙漂后，內部組織形態發生了變化[29]，巨浩羽等[32]提出Rg值與物料的幾何尺寸相關。因此Marabi等[31]研究與本實驗結果并無矛盾。

2.5 干燥活化能的計算

干燥活化能表示物料在干燥過程中脫除單位摩爾水分所需要的能量，通過干燥活化能Ea的大小可看出物料的干燥難易程度，并估算出干燥能耗。Ea越大，代表物料越難干燥，能耗越高[33]。在不同的干燥溫度下，對lnDcal與1/(T+273.15)進行擬合，根據擬合直線的斜率來計算活化能Ea。由圖7的直線回歸方程可知，百合的微波燙漂-熱風干燥的活化能Ea為23.68 kJ/(mol·K)，有研究報道百合熱風干燥的活化能為86.91 kJ/(mol·K)[34]，微波燙漂后百合熱風干燥的活化能低于百合熱風干燥活化能。

圖7 水分擴散系數與干燥溫度的關系曲線Fig.7 Relation curves of calculated moisture diffusion coefficient and drying temperatures

3 結論

百合的干燥速率與微波燙漂時間、微波功率及熱風溫度均相關，增長微波燙漂時間、增大微波功率和提高熱風溫度，均可減少百合的干燥時間，提高干燥速率。利用Weibull分布函數可以很好地擬合百合在微波燙漂預處理后的熱風干燥過程。尺度參數α與微波燙漂時間、微波功率及熱風溫度均有關，微波燙漂時間越長，α值越小；微波功率越大，α值越小；干燥溫度越高，α值越小。在相同的微波燙漂預處理下不同干燥溫度下形狀參數β的變化并不明顯。計算得出有效水分擴散系數Deff的值在3.374～5.563×10-9m2·min-1之間，且均隨微波燙漂時間加長、微波功率增大、熱風溫度升高而增大。根據阿倫尼烏斯公式計算得出微波燙漂-熱風干燥的活化能Ea為23.68 kJ/(mol·K)，低于百合熱風干燥的活化能，易于干燥。