紅外輻射加熱條件下雙孢菇的干燥特性研究

張麗麗，石啟龍，趙國勇

（1. 山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博 255049；2. 山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255049）

雙孢菇種植比較廣泛，且營養(yǎng)價值較高，但是雙孢菇本身容易發(fā)生褐變，且難以儲存，一般在室溫條件下能保存24 h 左右。因此，采后加工就變得比較重要。干燥作為果蔬深加工的一種重要方式，在果蔬采后加工貯藏方面起著重要的作用。

近年來，紅外加熱干燥技術(shù)得到了較快發(fā)展，大量試驗表明其具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點[1-5]。但紅外輻射干燥是復雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱、傳質(zhì)過程，物料內(nèi)部水分的傳遞特性是干燥過程的重要參數(shù)，水分擴散系數(shù)反映了物料在一定干燥條件下的脫水能力，其大小不僅與食品成分、多孔性、水分含量等物料性質(zhì)有關(guān)，更取決于外部干燥方式和干燥條件，對深入分析物料內(nèi)部水分擴散過程及優(yōu)化干燥工藝具有重要意義。

因此，在紅外干燥條件下對雙孢菇進行干燥，研究不同紅外干燥條件下物料內(nèi)部的有效擴散系數(shù)變化，以便進一步研究紅外輻射干燥中雙孢菇的水分傳遞機制；研究不同輻射強度和不同厚度對雙孢菇有效水分擴散系數(shù)的影響；基于Fick 第二擴散定律，通過從控制條件下的干燥試驗得到的干燥曲線，提供水分傳遞機制的有用信息，用其來確定水分的有效擴散系數(shù)?？蓪?yōu)化雙孢菇干燥工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

材料選用直徑在4.0±0.5 cm 的新鮮雙孢菇，購買于淄博市邊河食用菌示范基地。

試驗采用自制的遠紅外干燥試驗裝置，由碳纖維紅外加熱管、干燥室、溫度傳感器、晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)、電子天平及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。通過晶閘管調(diào)節(jié)電壓，從而能夠調(diào)節(jié)輻射功率以保證干燥室內(nèi)溫度的恒定。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計見表1。

表1 試驗設(shè)計

1.3 試驗方法

1.3.1 紅外輻射干燥雙孢菇的方法及過程

將4.0±0.5 cm 左右的雙孢菇去大部分根，因為紅外線具有滅酶的作用[6]，所以在干燥前未使用護色處理。樣本厚度按照試驗設(shè)計安排表1，每次試驗將500 g 雙孢菇片作為待測樣本，均攤于網(wǎng)狀料盤中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每30 s 記錄質(zhì)量的變化。試驗中采用輻射距離為150 mm。

1.3.2 含水率測定方法

初始含水率采用105 ℃常壓干燥法，離線計算，并根據(jù)初始含水率和1.3.1 中在線測量的雙孢菇質(zhì)量計算出干燥過程雙孢菇的實時含水率，結(jié)果均以干基計算。

1.3.3 干燥模型

各種食品的薄層干燥理論模型一般由Fick 第二擴散定律得出，如公式（1） 所示[7]：

式中：

M——局部含水率，干基表示；

①建立合理的調(diào)價機制，工程在實際運行過程中的價格應由低到高逐步調(diào)整到“還貸、保本、微利”，便于水價的平穩(wěn)過渡。

t——干燥時間，s；

D——水分擴散系數(shù)，m2/s。

為了得到水分的有效擴散系數(shù)，對于此次干燥，假設(shè)如下[8]：

水分轉(zhuǎn)移是以擴散為主，外部對水分擴散的阻力相比于內(nèi)部阻力忽略不計，樣本中初始水分分布是均勻的，擴散系數(shù)是常量而不是溫度梯度的函數(shù)，不考慮物料的收縮。

把公式（1） 進行解析，得出公式（2） 所示：

式中：

MR——水分比；

Defft——有效水分擴散系數(shù)，m2/s；

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件對雙孢菇片干燥的影響

不同輻射溫度下雙孢菇片厚度為5 mm 的水分比變化曲線見圖1。

由圖1 可知，3 種干燥條件下水分比的整體趨勢來看，對于相同厚度（5 mm） 的雙孢菇片，高溫條件比低溫條件下的干燥時間要明顯縮短。干燥溫度為50，60，70 ℃時，干燥時間分別為280，235，180 min，輻射強度從50 ℃增加到70 ℃后，時間減少了100 min。在所有的干燥條件下，初始階段水分的減少速率比較明顯，干燥到一定時間后，水分比的降低會逐漸下降。干燥速率隨著干燥溫度升高而升高，然后干燥速率開始下降，直至干燥過程結(jié)束為止。可以解釋為干燥初始階段所去除的水分是物料中的自由水，而干燥末期所去除的是結(jié)合水，因此水分減少速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖1 不同輻射溫度下雙孢菇片厚度為5 mm 的水分比變化曲線

在溫度低的干燥條件下，恒速干燥階段明顯一些，但是隨著溫度的增加，恒速干燥階段越來越不不明顯?？赡苁怯捎谠诟叩妮椛錅囟认拢砻嫠终舭l(fā)的速度高于物料內(nèi)部水分從內(nèi)部到表面擴散的速度，因此物料表面的脫水層變硬而阻礙了內(nèi)部水分向外遷移。

不同厚度雙孢菇片干燥溫度為60 ℃的水分比變化曲線見圖2。

圖2 不同厚度雙孢菇片干燥溫度為60 ℃的水分比變化曲線

由圖2 可知，樣本厚度的變化對加熱時間影響也非常顯著。對于相同溫度（60 ℃） 的雙孢菇片，雙孢菇片越厚需要的時間越長。厚度分別為3，5，7 mm 時，干燥時間分別為175，235，301 min，厚度從3 mm 增加到7 mm 后，時間增加了126 min。在不同的樣本厚度下，干燥速率也顯著不同，在干燥初始階段，樣本厚度越小，干燥速率越大；隨著時間的增加，干燥速率也都越來越小。

2.2 不同干燥條件下雙孢菇片的水分擴散分析

將9 組試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為lnMR-t，并將試驗過程得到的干燥試驗數(shù)據(jù)利用Matblab 軟件進行線性擬合，擬合方程的斜率為B，根據(jù)公式（3），從而計算得到Deff。

不同干燥條件下雙孢菇的水分擴散系數(shù)見表2。

表2 不同干燥條件下雙孢菇的水分擴散系數(shù)

干燥活化能Ea按照公式（4） 計算：

式中：

D0——物料中的擴散基數(shù)，m2/s；

Ea——物料的活化能，kJ/mol；

R——氣體摩爾常數(shù)，其值為8.314/（mol·k）；

T——物料的干燥溫度，℃。

把公式（4）兩邊取自然對數(shù)，將InDeff與進行擬合，根據(jù)擬合得出的直線斜率算出物料的活化能。最后計算得出雙孢菇片的平均活化能為36.48 kJ/mol。

根據(jù)公式（3） 對不同含水率條件下的水分擴散系數(shù)進行了計算，由表1 看出雙孢菇廢片水分有效擴散系數(shù)隨著輻射溫度的升高和切片厚度的增加而升高，水分擴散系數(shù)值分布在1.396×10-8～1.343 8×10-7m2/s，水分擴散系數(shù)值大小的變化分布在干制食品的正常范圍內(nèi)（10-12～10-8m2/s）[10-11]，水分擴散系數(shù)值大小的變化分布在干制食品的正常分布范圍內(nèi)。當然由于各種食品本身的組織結(jié)構(gòu)特性及物理狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)處理方法，物料間擴散率的差別小于相同物料中溫度或含水量所引起的差別。

3 結(jié)論

上述研究發(fā)現(xiàn)，在紅外干燥雙孢菇的過程中輻射溫度和樣本厚度對物料干燥過程的影響比較顯著，在整個干燥過程中，物料水分去除的速率都是呈先快后慢的趨勢，在干燥時間較長的過程中，恒速干燥階段比較明顯。

基于Fick 第二擴散定律的薄層干燥理論模型，得出了各種干燥參數(shù)條件下lnMR-t 的線性擬合方程，由此求出了有效水分擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其分布在1.396×10-8～1.343 8×10-7m2/s，最后計算得出雙孢菇片的平均活化能為36.48 kJ/mol。