中間水分大豆振動(dòng) 真空微波聯(lián)合干燥過(guò)程的研究

朱佳琳，何天琦，閆博文，高文華，范大明，趙建新，*

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122;2.南京先歐儀器制造有限公司，江蘇南京210036)

大豆含油量豐富，是我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)產(chǎn)品之一。剛收獲時(shí)的大豆含水量遠(yuǎn)高于它的安全貯藏水分(14%)，需及時(shí)進(jìn)行干燥處理。微波加熱作為一種通過(guò)介電加熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速升溫的方式［1-2］，在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品及其加工食品的熱處理、解凍、殺菌、干燥和膨化過(guò)程中［3］。其中，微波干燥作為一種普及速度較快的新技術(shù)，在谷物干燥、農(nóng)產(chǎn)品加工、木材處理、化學(xué)制品合成、生物制品保藏、污水處理等領(lǐng)域起到了關(guān)鍵作用。然而，常規(guī)單一的干燥方法也存在一些問(wèn)題，熱風(fēng)干燥是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的干燥方法，但高溫?zé)犸L(fēng)對(duì)物料籽粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重［4］，爆腰率高，且溫度梯度與濕度梯度方向易相反，不利于干燥的進(jìn)行［5］;微波干燥的穿透力強(qiáng)，但易出現(xiàn)過(guò)度加熱使局部溫度超過(guò)100℃，從而導(dǎo)致物料的品質(zhì)下降、營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味損失;真空干燥的干燥溫度較低，可在一定程度上保留食品的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分，但其傳熱速度慢，干燥時(shí)間較長(zhǎng)，均勻性較差。周愛(ài)梅［6］等人建議在加工南瓜粉的過(guò)程中，將微波干燥與真空干燥相結(jié)合，干燥初期使用微波干燥蒸發(fā)大部分水分，再采用真空干燥法至物料含水率低于6%為止，大大提高了干燥效率。李波［7］等人研究了豆腐渣的微波真空干燥特性，結(jié)果顯示干燥時(shí)間與熱風(fēng)干燥和冷凍干燥相比節(jié)省了90%，且干燥品質(zhì)與冷凍干燥接近;張麗晶［8］等人發(fā)現(xiàn)運(yùn)用微波真空干燥技術(shù)可減緩茶葉中各營(yíng)養(yǎng)成分的褐變，有利于茶葉中色素的保留;近年來(lái)，聯(lián)合干燥技術(shù)在脫水果蔬上的應(yīng)用也日益廣泛［9］?？梢?jiàn)，圍繞常規(guī)單一模式的干燥技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題［10-13］，將兩種或兩種以上方法的優(yōu)勢(shì)集成互補(bǔ)，開(kāi)展符合物料特性的聯(lián)合干燥技術(shù)，從而起到減少時(shí)間、提高品質(zhì)、降低能耗的效果，已成為干燥領(lǐng)域的創(chuàng)新成長(zhǎng)點(diǎn)［14］。本文以大豆為實(shí)驗(yàn)對(duì)象將物理振動(dòng)強(qiáng)化過(guò)程集成到微波干燥技術(shù)中，并輔助負(fù)壓環(huán)境，充分利用微波干燥速度快的優(yōu)點(diǎn)以及真空低溫干燥的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了中等水分谷物原料的干燥過(guò)程研究，同時(shí)開(kāi)展了干燥品質(zhì)和節(jié)能效果的評(píng)價(jià)。

表1 NBS單位色差值與色差程度的關(guān)系［16］Table 1 The relationship between the unit chromatic aberration and the degree of chromatic aberration［16］

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

大豆 購(gòu)于無(wú)錫雪浪菜市場(chǎng)，為當(dāng)年生產(chǎn)的已自然干燥的雜黃豆。

XO-SM400微波振動(dòng)床 南京先歐儀器有限公司生產(chǎn);DOA-P504-BN真空泵 GAST公司生產(chǎn);FD53熱風(fēng)循環(huán)烘箱 BINDER公司生產(chǎn);51/52II溫度計(jì) Fluke公司生產(chǎn);CR-400色差計(jì) 日本Dnicaminolt公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 以自然條件下干燥的大豆為實(shí)驗(yàn)材料，模擬大豆初收獲時(shí)狀態(tài):挑取完整顆粒，恒溫30℃水浴中按水豆質(zhì)量比1.5∶1浸泡10min，瀝干，包裝，置于4℃環(huán)境中冷藏13h，獲得含水率為20%～30%且顆粒直徑為1～8mm的中等含水率顆粒狀谷物，稱(chēng)取200g為一份實(shí)驗(yàn)樣品。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)四因素三水平實(shí)驗(yàn)，考察相同真空度下功率質(zhì)量比、裝載量、振動(dòng)頻率對(duì)黃豆干燥速率的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)取適量樣品，平鋪于罐體中，密封后裝套橡膠管，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)節(jié)變量。干燥總時(shí)間30min，每隔5min稱(chēng)重1次，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算出物料含水率的變化;設(shè)定不同振動(dòng)頻率(以傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速表示)，對(duì)樣品進(jìn)行水分、色澤、溫度以及爆腰率的測(cè)定;比較不同微波功率下熱風(fēng)干燥、微波干燥、微波振動(dòng)干燥、微波真空振動(dòng)干燥的能耗量以及干燥物料的品質(zhì)。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 含水率測(cè)定:采用兩次烘干法［15］(標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法GB5497-85)測(cè)定復(fù)水大豆的初始含水率。

色差測(cè)定:采用色差計(jì)進(jìn)行色澤的測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定5次。根據(jù)人眼對(duì)顏色色差的分辨，顏色的總差用 ΔE表示，計(jì)算公式為:ΔE=其中，L(亮度/暗度)、a(紅度/綠度)、b(黃度/藍(lán)度)、下標(biāo)“0”表示自然干燥下物料的顏色。采用不同干燥方法下物料作為參照，ΔE越大意味著與自然干燥物料的顏色差別越大。NBS這一色差單位是以賈德(Judd)-亨特(Hunter)建立的色差計(jì)算公式的單位為基礎(chǔ)推導(dǎo)出來(lái)的，1939年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局采納該色差計(jì)算公式，并按此公式計(jì)算顏色的色差，當(dāng)絕對(duì)值為1時(shí)，稱(chēng)為“NBS色差單位”［16］。NBS單位色差值與色差程度的關(guān)系如表1所示。

溫度測(cè)定:采用光纖探針進(jìn)行測(cè)量，將光纖探針插入干燥物料內(nèi)，記錄讀數(shù)。

爆腰率測(cè)定:隨機(jī)取樣干燥后谷物400粒，在爆腰燈下人工檢查爆腰率［17］。文中的爆腰率是指除去初始爆腰率后的爆腰率增值。

總能耗測(cè)定:微波振動(dòng)床干燥過(guò)程中的總能耗采用電能表計(jì)數(shù)，由于單次測(cè)量能耗較小，故采用連續(xù)干燥10次取平均值得單次干燥能耗。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥特性曲線(xiàn)

2.1.1 功率對(duì)干燥過(guò)程的影響 一般干燥曲線(xiàn)可以反映物料含濕量與干燥時(shí)間之間的關(guān)系。圖1為真空度-0.065MPa，振動(dòng)頻率250r/min，功率質(zhì)量比分別為0.50、0.75、1.00W/g的工況下測(cè)定的微波干燥曲線(xiàn)，樣品初始干基含水率26.76%。

圖1 不同干燥功率下大豆含水率與干燥時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Relationship between moisture content of soybeans and the length of drying in different microwave power

由圖1可知，在裝載量和振動(dòng)頻率一定的情況下，隨著微波干燥功率的增加，物料含水率減少的幅度逐漸增大，即達(dá)到安全含水率的時(shí)間縮短。這是因?yàn)閺?fù)水大豆含水率較高、極性較大，受到電磁場(chǎng)的介電效應(yīng)強(qiáng)，熱促效應(yīng)使物料升溫速度增加。干燥功率越大，罐體內(nèi)溫度升高越快，故含水率下降越快。這與蘇偉光［18］等人在實(shí)驗(yàn)中得出的黃豆干燥速率與單位質(zhì)量所占有的微波功率成正比的結(jié)論相同。Shivhare和Raghavan［19］經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，為避免黃豆因快速失水而造成干燥質(zhì)量降低，黃豆干燥實(shí)驗(yàn)的微波功率質(zhì)量比應(yīng)低于1kW/kg。故最佳干燥功率為0.75W/g。

2.1.2 裝載量對(duì)干燥過(guò)程的影響 開(kāi)啟真空泵，設(shè)定振動(dòng)頻率250r/min，復(fù)水后樣品的初始含水率為26.07%。測(cè)定在微波功率質(zhì)量比為0.75W/g，裝載量分別為200、300、400g工況下的微波干燥曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 不同裝載量下大豆含水率與干燥時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship between moisture content of soybeans and the length of drying in different load

由圖2可知，裝載量為400g的樣品具有較高的干燥效率，在18min左右出現(xiàn)干燥速率明顯上升直至超過(guò)低裝載量樣品干燥速率的現(xiàn)象，而任奕林［20］等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在微波干燥功率為325W，裝載量分別為20、30、40g的情況下，黃豆失水速率隨裝載量的增加而減慢，即處理的物料(裝載量)越多，干燥所需的時(shí)間越長(zhǎng)。分析其原因，一方面是由于實(shí)驗(yàn)罐體體積一定的情況下，物料表層與罐頂間隙越小，內(nèi)部水分溢出后滯留體積越小，極易達(dá)到飽和，促進(jìn)真空泵對(duì)水分的抽出。另一方面，由于蒸發(fā)冷卻的緣故，物料表面溫度略低于里層溫度，同時(shí)由于物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，以致于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度。初始含水率越高，壓力梯度對(duì)水分排除的影響越大，即有一種“泵”效應(yīng)，驅(qū)使水分流向表面，加快干燥速度［20］?？梢?jiàn)裝載量越多未必干燥速率越低，還與微波“泵”效應(yīng)及在空氣濕含量影響下的物料表面水分遷移速率有關(guān)。

2.1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)干燥過(guò)程的影響 測(cè)定微波功率質(zhì)量比為 0.75W/g，轉(zhuǎn)速分別為 100、250、450r/min工況下的微波干燥曲線(xiàn)，如圖3所示。樣品的初始含水率為22.59%。

圖3 不同振動(dòng)頻率下大豆含水率與干燥時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship between moisture content of soya beans and the length of drying(in different vibration frequency)

由圖3可知，在功率質(zhì)量比一定的條件下，干燥速率隨振動(dòng)頻率的增加明顯增大。這是因?yàn)檎駝?dòng)頻率越大，物料在微波場(chǎng)中的位置變化越頻繁，內(nèi)部水分遷移速率越高，有效提高了物料的干燥均勻性，圖中可觀察出450r/min為最佳轉(zhuǎn)速。蘇偉光［18］等人在實(shí)驗(yàn)中比較了黃豆在轉(zhuǎn)動(dòng)及靜置狀態(tài)下的干燥特性，實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)動(dòng)可有效提高微波場(chǎng)的均勻性，不僅有利于干燥速率的提高，還有利于提高黃豆的干燥品質(zhì)。王瑞芳［21］等人通過(guò)對(duì)水平轉(zhuǎn)盤(pán)與轉(zhuǎn)鼓微波干燥均勻性的實(shí)驗(yàn)研究，指出微波干燥的均勻性主要取決于物料對(duì)微波能吸收的均勻性。即使在不均勻的微波場(chǎng)中，物料位置不斷改變也可提高物料對(duì)微波能吸收的均勻性。

2.2 微波真空振動(dòng)干燥實(shí)驗(yàn)

將樣品放入聚四氟乙烯罐內(nèi)，設(shè)置微波功率0.75W/g，調(diào)制電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為 350、450、550r/min 時(shí)進(jìn)行干燥。設(shè)定運(yùn)行時(shí)間1.3s，間歇時(shí)間1s作為一個(gè)振動(dòng)周期;加熱時(shí)間為30min;待干燥完畢后，冷卻，取樣進(jìn)行水分、色澤、溫度以及爆腰率的測(cè)定，并記錄電表數(shù)字，列于表2。

表2 微波真空振動(dòng)床干燥方法在微波功率0.5W/g下不同電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)干燥物料的影響Table 2 Influences of different motor vibration frequencies on the materials by the method of microwave vacuum vibration drying under 0.5W/g

由表2可以看出，在固定時(shí)間內(nèi)，功率質(zhì)量比、真空度相同的工況下，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，NBS值略有上升，含水率及爆腰率在某一振動(dòng)頻率范圍內(nèi)有最佳數(shù)值。爆腰率產(chǎn)生是由于谷粒內(nèi)部溫度和水分梯度產(chǎn)生的熱、濕應(yīng)力作用的結(jié)果。尤其是受熱不均引起的局部收縮、表面干燥速率過(guò)快、內(nèi)外濕梯度過(guò)大造成了爆腰的主要原因［21-23］。物料在振動(dòng)的作用下，在微波場(chǎng)中呈現(xiàn)翻滾、轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了物料均勻干燥，避免了傳統(tǒng)微波干燥方法中干燥水分附著于物料表面未能及時(shí)排出，導(dǎo)致濕度梯度發(fā)生改變，從而阻礙物料干燥的弊端。真空環(huán)境使物料的沸點(diǎn)降低，導(dǎo)致干燥物料的最終溫度降低，從而降低了物料的爆腰率。

2.3 不同干燥方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將樣品置于干燥室容器內(nèi)，分別采用0.50、0.75、1.0W/g微波功率進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間分別為30、20、12min，開(kāi)啟空氣除濕系統(tǒng)，溫度控制在4～10℃，待干燥完畢后，冷卻，取樣進(jìn)行水分、色澤、溫度以及爆腰率的測(cè)定，并記錄電表數(shù)字，列于表3。

由表3可知同種干燥方法中，爆腰率隨微波功率質(zhì)量比的增加明顯增高，這是由于單位質(zhì)量吸收的微波能的增加導(dǎo)致溫度上升，在一定范圍內(nèi)溫度與爆腰率成正相關(guān);微波真空振動(dòng)干燥的能耗明顯低于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥，爆腰率明顯優(yōu)于微波干燥方法與微波振動(dòng)干燥方法，這是由于微波干燥所需時(shí)間要明顯低于熱風(fēng)干燥，提高的能效利用率，而一定負(fù)壓的存在能降低水分的蒸發(fā)溫度，最終導(dǎo)致物料所需干燥溫度的降低，降低了爆腰率;于秀榮［24］等人認(rèn)為微波加熱對(duì)高水分糧食和具有堅(jiān)硬外殼物料的干燥效果比熱空氣干燥效果好，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)微波加熱后，影響稻米品質(zhì)的脫支酶活力明顯下降，而稻米的食用品質(zhì)和糊化特性變化不大。Qingguo Hua［25］等人的研究表明在微波真空干燥中日本青豆的維他命C和葉綠素保存完好，較其他干燥方式存在明顯優(yōu)勢(shì)。

表3 熱風(fēng)干燥與微波干燥、微波振動(dòng)干燥、微波真空振動(dòng)干燥在不同微波功率下對(duì)干燥物料的影響Table 3 Influences of heated-air drying，microwave drying，microwave vibration drying，microwave vacuum vibration dying in different microwave power

3 結(jié)論

振動(dòng)-真空微波聯(lián)合干燥過(guò)程中，微波功率越大，達(dá)到相同含水率所需的干燥時(shí)間越短。而在振動(dòng)頻率及微波功率不變的工況下，干燥速率與裝載量不呈現(xiàn)顯著相關(guān)，還與微波“泵”效應(yīng)及空氣濕含量影響下的物料表面水分遷移速率有關(guān)。隨著振動(dòng)頻率的不斷增加，NBS值略有上升，含水率及爆腰率在某一振動(dòng)頻率范圍內(nèi)有最佳數(shù)值;提高振動(dòng)轉(zhuǎn)速可有效改善物料干燥的均勻性從而使干燥速率明顯增加;振動(dòng)-真空微波聯(lián)合干燥與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥相比能耗降低70%，與微波振動(dòng)干燥相比爆腰率降低60%。在降低能耗量的同時(shí)保證了物料的干燥品質(zhì)。

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