微波泡沫干燥對樹莓果粉介電特性的影響

林 甄 隋良志 鄭先哲 李北芳 鄒凌彥 劉成海（.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 5005；.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 50030）

樹莓等小漿果中含有豐富的花青素和VC等活性成分，但因其含水率高、質(zhì)地柔軟，難以長期貯存［1］。干燥是漿果加工的可行方式，常用干燥方式有真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥等［2－9］。微波輔助泡沫干燥技術(shù)是由鄭先哲等［10］首先提出的新型干燥方法，此法具有熱量傳遞快、蒸發(fā)面積大、干燥速度快和干燥溫度低等優(yōu)點，適合于高黏性、熱敏性強的物料干燥。在微波加熱過程中，物料吸收微波能轉(zhuǎn)化成體積熱［11，12］，體積熱能夠使溫度快速升高從而加速水分?jǐn)U散和蒸發(fā)［13－15］。微波能量的吸收和轉(zhuǎn)化行為取決于物料的介電特性［16］，包括偶極子松弛和離子傳導(dǎo)［17］。在線檢測介電特性有助于微波能量的分配和產(chǎn)品品質(zhì)的控制。因此，研究微波輔助泡沫干燥工藝參數(shù)對樹莓果粉介電特性的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于物料介電特性方面的研究多見于溫度和水分對介電特性的影響等方面。Coronel等［18］研究了牛奶、豆?jié){等流體食品在泵送過程中的介電特性，結(jié)果表明介電常數(shù)和介電損耗因子和溫度變化有關(guān)。Tong等［19］采用諧振腔微擾技術(shù)，測量了豌豆泥（含水率為20%）在9 15MHz和2 450MHz兩種頻率下的介電常數(shù)和介電損耗因子隨著溫度（25～125℃）的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)介電損耗因子與溫度沒有顯著的相關(guān)性。Bell［20］用時域反射法測量了稻米、牛奶等固態(tài)和液態(tài)物料的微波（頻率范圍在100kHz～10GHz）介電松弛特性，發(fā)現(xiàn)了物料的介電特性變化的本質(zhì)原因。郭文川等［21］測定了不同含水率和含鹽量的豬肉糜的介電特性。但國內(nèi)外關(guān)于分析不同微波輔助泡沫干燥條件下果粉介電特性的變化規(guī)律少見報道。

本研究擬以樹莓為試驗對象，采用Box－Behnken試驗設(shè)計方法探究微波功率、風(fēng)速、物料質(zhì)量和干燥時間等因素對樹莓果粉介電特性的影響，旨為控制微波輔助泡沫干燥樹莓果粉品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮的樹莓采自哈爾濱賓縣。采后的樹莓（－18℃）冷凍保藏備用。

1.2 試劑與儀器

分子蒸餾單甘脂（GMS）：廣州市佳士力食品有限公司；

羧甲基纖維素（CMC）：東莞新寶精化有限公司；

大豆分離蛋白（SPI）：哈高科大豆食品有限責(zé)任公司；

微波干燥設(shè)備：WXD10S－17型，南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司；

食品攪拌機：HR1727型，珠海經(jīng)濟特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司；

増力電動攪拌器：JJ－1型，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：DK－98－II型，天津市泰斯特儀器有限公司；

精密電子天平：ARRW61型，上海奧豪斯公司；

微型植物試樣粉碎機：FZ102型，天津泰斯特儀器有限公司；

鼓風(fēng)干燥箱：DHG－9053A型，上海益恒實驗儀器有限公司；

射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀：E5071C型，美國安捷倫公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 起泡果漿的制備 選取成熟飽滿的樹莓，去雜，打漿6min，直至漿果均勻且細(xì)膩。將6g分子蒸餾單甘脂和3g的大豆分離蛋白，溶于100mL蒸餾水中，然后加入10mL濃度為0.5%的羧甲基纖維素作為穩(wěn)定劑，攪拌均勻。70℃水浴30min，水浴的同時用攪拌器勻速攪拌，直到果漿均勻時結(jié)束。

1.3.2 微波干燥過程 取試驗設(shè)定質(zhì)量起泡樹莓果漿樣品平鋪于輸送帶中，在 WXD10S－17型連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進行微波干燥，微波功率取4，7，10kW，按試驗設(shè)定風(fēng)速和干燥時間進行干燥。

1.3.3 試驗設(shè)計 在預(yù)備試驗和前人研究［1，10］的基礎(chǔ)上，選擇微波輔助泡沫干燥主要工藝參數(shù)微波功率、風(fēng)速、物料質(zhì)量和干燥時間為試驗因素，以介電常數(shù)和介電損耗因子為目標(biāo)函數(shù)，采用4因素3水平Box－Behnken優(yōu)化試驗方法設(shè)計試驗。試驗的因素水平編碼表見1。

1.3.4 指標(biāo)測定 采用射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子進行測定。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析 采用Design Expert軟件處理試驗數(shù)據(jù)。每組試驗均重復(fù)取樣3次，取其平均值。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Experiment values and coded level

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

微波輔助泡沫干燥工藝試驗方案和結(jié)果見表2。

表2 試驗方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of repeatedly

2.2 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design Expert軟件對介電常數(shù)和介電損耗因子試驗值進行回歸分析（剔除模型中不顯著項），得到回歸方程為：

用P檢驗法對回歸方程進行檢驗，介電常數(shù)和介電損耗因子回歸模型失擬項P＞0.05，失擬項不顯著。介電常數(shù)和介電損耗因子回歸模型P＜0.01，模型極顯著。由方差分析可知，各因素對介電常數(shù)和介電損耗因子影響主次順序均為：物料質(zhì)量＞干燥時間＞微波功率＞風(fēng)速。說明試驗設(shè)計所獲得的數(shù)學(xué)回歸模型與試驗結(jié)果擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間關(guān)系顯著［22］。

2.3 工藝參數(shù)對果粉介電特性的影響規(guī)律

圖1 微波功率和風(fēng)速的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 1 Interaction of microwave power and wind speed on dielectric constant and dielectric loss factor

2.3.1 微波功率和風(fēng)速對果粉介電特性的影響 在物料質(zhì)量和干燥時間分別固定為0水平（400g，240s）條件下，研究微波功率和風(fēng)速對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。如圖1所示，風(fēng)速一定時，隨著微波功率增加，起泡果漿中水分蒸發(fā)量增大，氣泡數(shù)量減少，果漿內(nèi)含的空氣減少，空氣的介電損耗因子低于水的值，物料介電損耗因子增大；微波功率繼續(xù)增加，果漿黏度降低，導(dǎo)致極性分子的松弛時間明顯降低，引起極性分子向更高頻率移動［23］，物料的介電損耗因子隨溫度升高而減小。在微波功率較低的情況下，物料水分下降對介電損耗因子的作用占主導(dǎo)地位時，介電損耗因子呈增大趨勢；在微波功率較高的情況下，物料黏度下降對介電損耗因子的作用占主導(dǎo)地位，介電損耗因子呈下降趨勢。因此果粉的介電損耗因子隨著水分下降和黏度降低呈先增大后減小趨勢。

2.3.2 微波功率和物料質(zhì)量對果粉介電特性的影響 在風(fēng)速和干燥時間分別固定為0水平（70m3/h，240s）條件下，研究微波功率和物料質(zhì)量對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。由圖2可知，微波功率處于低水平時，物料質(zhì)量增加，微波功率與物料質(zhì)量的比值為微波強度，微波強度降低，物料吸收微波能減小，物料的極化程度減弱，物料質(zhì)量較大時，微波能不足以使大量水分蒸發(fā)，含水率增加，物料介電常數(shù)增大；物料質(zhì)量增加，微波強度低，水分蒸發(fā)速度下降慢，大量氣泡保留在物料中，導(dǎo)致其介電損耗因子減小。微波功率處于高水平時，物料質(zhì)量增加，物料溫度降低，物料內(nèi)部極性分子運動減慢，物料的介電常數(shù)減小；較高的微波功率使得物料干燥充分，物料黏度低，分子間摩擦能力弱，因此介電損耗因子變化平緩。

圖2 微波功率和物料質(zhì)量的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 2 Interaction of microwave power and material mass on dielectric constant anddielectric loss factor

2.3.3 微波功率和干燥時間對果粉介電特性的影響 在物料質(zhì)量和風(fēng)速分別固定為0水平（400g，70m3/h）條件下，研究微波功率和干燥時間對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。由圖3可知，微波功率處于低水平時，在初始干燥階段，起泡果漿的干燥程度較弱，內(nèi)含較多的氣泡，因氣泡內(nèi)空氣的介電常數(shù)低，這樣物料的介電常數(shù)減小，干燥時間增加，物料溫度升高，果漿內(nèi)氣泡減少，介電常數(shù)增大；隨著干燥進程，物料含水率下降，黏度降低，松弛時間變短，介電損耗因子減小。微波功率處于高水平時，物料干燥強度增大，內(nèi)含氣泡大幅減少，介電常數(shù)增大；物料含水率降低，孔隙增加，引起介電損耗因子減小。

圖3 微波功率和干燥時間的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 3 Interaction of microwave power and drying time on dielectric constant and dielectric loss factor

2.3.4 風(fēng)速和物料質(zhì)量對果粉介電特性的影響 在微波功率和干燥時間分別固定為0水平（7kW，240s）條件下，研究風(fēng)速和物料質(zhì)量對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。由圖4可知，微波功率一定時，在同一風(fēng)速下，物料質(zhì)量增加，微波強度下降，對果漿干燥程度弱，物料內(nèi)含較多氣泡，氣泡內(nèi)空氣介電常數(shù)和介電損耗因子低，介電常數(shù)和介電損耗因子減小。物料質(zhì)量大于475g時，質(zhì)量越大微波強度越小，此時物料內(nèi)幾乎為多孔性干物質(zhì)，物料的介電特性無明顯變化。

圖4 風(fēng)速和物料質(zhì)量的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 4 Interaction of wind speed and material mass on dielectric constant and dielectric loss factor

2.3.5 風(fēng)速和干燥時間對果粉介電特性的影響 在物料質(zhì)量和微波功率分別固定為0水平（400g，7kW）條件下，研究風(fēng)速和干燥時間對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。由圖5可知，風(fēng)速一定時，干燥時間增加，果漿內(nèi)的氣泡減少，物料的介電常數(shù)增大，溫度升高，物料黏度下降，分子之間摩擦機會減少，介電損耗因子減小。在風(fēng)速一定的情況下，物料氣泡減少對介電常數(shù)的作用占主導(dǎo)地位，介電常數(shù)呈增大趨勢；溫度升高對介電損耗因子的作用占主導(dǎo)地位，介電損耗因子呈減小趨勢。

圖5 風(fēng)速和干燥時間的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 5 Interaction of wind speed and drying time on dielectric constant and dielectric loss factor

2.3.6 物料質(zhì)量和干燥時間對果粉介電特性的影響 在微波功率和風(fēng)速分別固定為0水平（7kW，70m3/h）條件下，研究物料質(zhì)量和干燥時間對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子的影響規(guī)律。由圖6可知，物料質(zhì)量一定，干燥時間增加，溫度升高，起泡果漿去水多，內(nèi)含的氣泡減少，介電常數(shù)增大，但物料的多孔性使得介電損耗因子減小。干燥時間一定時，物料質(zhì)量增加，微波強度下降，溫度降低，果漿內(nèi)含有的氣泡多，因空氣的介電特性指標(biāo)低于物料中的其他成分，物料的介電常數(shù)和介電損耗因子減小。當(dāng)物料質(zhì)量和干燥時間分別為440g和180s時，果粉的介電常數(shù)最小。物料質(zhì)量在300g時，果粉的介電常數(shù)隨干燥時間增加而增大；物料質(zhì)量在500g時，干燥時間在180～210s內(nèi)，果粉的介電常數(shù)隨干燥時間變化緩慢，在210～300s內(nèi)，果粉的介電常數(shù)隨干燥時間增加而增大。干燥時間在180s時，介電常數(shù)隨物料質(zhì)量增加先減小后緩慢增大；干燥時間在300s時，果粉的介電常數(shù)隨物料質(zhì)量增加而減小。當(dāng)物料質(zhì)量和干燥時間分別為300g和180s時，果粉的介電損耗因子最大。物料質(zhì)量一定時，果粉的介電損耗因子隨干燥時間增加而減小。干燥時間一定時，果粉的介電損耗因子隨物料質(zhì)量增加而減小。

3 結(jié)論

（1）微波功率、風(fēng)速、物料質(zhì)量和干燥時間對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子影響顯著，各因素對樹莓果粉介電常數(shù)和介電損耗因子影響主次順序均為：物料質(zhì)量＞干燥時間＞微波功率＞風(fēng)速。所建立數(shù)學(xué)模型可以描述樹莓果粉介電特性在不同微波干燥條件下的變化。

圖6 物料質(zhì)量和干燥時間的交互作用對介電常數(shù)和介電損耗因子的影響Figure 6 Interaction of material mass and drying time on dielectric constant and dielectric loss factor

（2）本試驗在前人［1，10］研究不同物料的微波加工工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，通過研究樹莓果粉介電特性在微波干燥條件下的變化規(guī)律，揭示了微波場對物料作用機理。

（3）雖然本研究闡明了樹莓果粉介電特性在微波干燥條件下的變化規(guī)律，但介電特性和果粉品質(zhì)的關(guān)系以及介電特性和溫度、水分的關(guān)系仍需深入研究。

1 鄭先哲，劉成海，周賀.黑加侖果漿微波輔助泡沫干燥特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009（8）：288～293.

2 Derya A M，Musa O，Hakan O M.Evaluation of drying methods with respect to drying parameters，some nutritional and colour characteristics of peppermint（Mentha x piperita L.）［J］.Energy Conversion and Management，2010，51（12）：2 769～2 775.

3 呂麗爽.微波干燥技術(shù)在食品中的應(yīng)用［J］.食品與機械，2006，22（5）：119～122.

4 張麗晶，林向陽，Roger R，等.綠茶微波真空干燥工藝的優(yōu)化［J］.食品與機械，2010，26（2）：143～147.

5 常虹，李遠(yuǎn)志，龔麗，等.微波真空干燥菠蘿粉初步研究［J］.食品與機械，2008，24（3）：112～115.

6 胡慶國，卜召輝，陸寧，等.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.

7 李恩婧，李次立，王吉，等.干燥方式對野生蒲公英品質(zhì)的影響［J］.食品與機械，2012，28（6）：70～73.

8 張鐘，王華.不同干燥方法對大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響［J］.食品與機械，2003，19（2）：11～12.

9 蘇慧，鄭明珠，蔡丹，等.微波輔助技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進展［J］.食品與機械，2011，27（2）：165～167.

10 孫宇，鄭先哲，李強，等.微波輔助泡沫干燥藍(lán)靛果果粉工藝的研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012（5）：17～23.

1 1 L ombrana J I，Rodriguez R，Ruiz U.Microwave－drying of sliced mushroom analysis of temperature control and pressure［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，11（4）：652～660.

12 宋文瀚，王瑞芳，李占勇，等.導(dǎo)電粒子對改善微波加熱食品中局部過熱現(xiàn)象的研究［J］.食品與機械，2014，30（1）：15～20.

1 3 Dincov D D，Parrott K A，Pericleous K A.Heat and mass transfer in two－phase porous materials under intensive microwave heating［J］.Journal of Food Engineering，2004，65（3）：403～412.

14 Campanone L A，Zaritzky N E.Mathematical analysis of microwave heating process［J］.Journal of Food Engineering，2005，69（3）：359～368.

15 Salvi D，Ortego J，Arauz C，et al.Experimental study of the effect of dielectric and physical properties on temperature distri－bution in fluids during continuous flow microwave heating［J］.Journal of Food Engineering，2009，93（2）：149～157.

16 Santos T，Valente M A，Monteiro J，et al.Electromagnetic and thermal history during microwave heating［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（16）：3 255～3 261.

17 Zhang H，Datta A K.Microwave power absorption in single and multiple item foods［J］.Food and Bioproducts Processing，2003，81（3）：57～65.

18 Coronel P J，Simunovic K P，Sandeep P.Dielectric properties of pumpable food materials at 915MHz［J］.International Journal of Food Properties，2008，11（3）：508～518.

19 Tong C H，Lentz R R，Rossen J L.Dielectric properties of pea puree at 915MHz and 2 450MHz as a function of temperature［J］.Journal of Food Science，1994，59（1）：121～122.

20 Bell J W，F(xiàn)arkas B A E，Hale S A，et al.Effect of thermal treatment on moisture transport during steam cooking of skipjack tuna（Katsuwonas pelamis）［J］.Journal of Food Science，2001，66（2）：307～313.

21 郭文川，谷洪超，呂俊峰.水和鹽對豬里脊肉糜介電特性的影響［J］.食品科學(xué)，2009，30（23）：171～175.

22 徐中儒.試驗回歸設(shè)計［M］.哈爾濱：黑龍江科技出版社，1988.

23 Datta A K，Anantheswaran R C.Handbook of microwave technology for food application［M］.New York：Marcel Dekker，Inc，2001.