蓮藕片薄層真空微波干燥特性及動力學(xué)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(guān)系的動力學(xué)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(jié)果表明，蓮藕片薄層真空微波干燥過程符合Page模型，經(jīng)驗證，模型預(yù)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(nèi)。Page模型適合描述蓮藕片薄層真空微波干燥過程。

關(guān)鍵詞：蓮藕片;薄層干燥特性;動力學(xué)模型;真空微波;干燥工藝;生產(chǎn)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(chǎn)于中國和印度，歷史悠久，種質(zhì)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(zhì)、鞣質(zhì)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(zhì)，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(shù)把微波和真空2項干燥方法有效地結(jié)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(fēng)味物質(zhì)[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(xué)[6];劉春泉等研究了杏鮑菇真空微波干燥特性及動力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(guān)于胡蘿卜[13]、蘿卜絲[14]、木瓜[15]薄層干燥動力學(xué)方面的研究報道，但關(guān)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(xué)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(chǎn)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(yīng)縣天禾食品有限公司特供。全部試驗于2016—2017年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所完成。挑選肉質(zhì)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(shè)備

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

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預(yù)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(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調(diào)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(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調(diào)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(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調(diào)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(shè)備的物料盤中均勻鋪開為薄層，啟動真空泵，將真空度調(diào)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(xué)模型

果蔬干燥常用的薄層干燥數(shù)學(xué)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(jié)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?？赡茉蚴钦婵斩仍礁?，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(yīng)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(nèi)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(jié)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(shè)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)致干燥時間相應(yīng)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(yīng)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(yīng)延長，干燥曲線也趨于平緩?？赡苁怯捎谖⒉üβ试降?，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(jīng)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(yīng)的干燥速率越高。

2.2 蓮藕片薄層真空微波干燥動力學(xué)

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(guān)關(guān)系，從圖8、圖10、圖12可以看出，ln[-ln（MR）]與lnt呈線性相關(guān)關(guān)系，表明蓮藕片的真空微波干燥動力學(xué)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(xué)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(xué)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(yù)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(guān)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(nèi)。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(zhì)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(fēng)風(fēng)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(nèi)，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(zhì)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(nèi)，且隨真空度和單位質(zhì)量微波功率的增加而增大[21]，與本試驗結(jié)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(jié)構(gòu)致密，且單位質(zhì)量微波功率低于本試驗，因此內(nèi)部水分擴散較慢。

3 結(jié)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(jīng)驗證，模型的預(yù)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(nèi)，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(nóng)學(xué)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(xué). 全藕粉噴霧干燥工藝試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xué)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(xué)[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)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(xué)模型[J]. 核農(nóng)學(xué)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(xué)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xué)，劉云宏，等. 胡蘿卜薄層干燥動力學(xué)模型研究[J]. 食品科學(xué)，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(xué)模型的建立[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)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(xué)，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(nóng)林大學(xué)，2010：8-17.

[18]胡慶國，卜召輝，陸 寧. 金針菇真空微波干燥動力學(xué)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(fēng)與真空微波聯(lián)合干燥過程研究[D]. 無錫：江南大學(xué)，2006：72-74.