方便米粉微波干燥特性的研究

劉成梅 艾亦旻 萬 婕 羅舜菁 左艷娜 周國輝

（南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330047）

方便米粉的研制始于20世紀(jì)80年代，仿照方便面的生產(chǎn)原理與工藝研制而成［1］。其中干燥是方便米粉生產(chǎn)的重要工序之一［2］。快速有效的干燥方法能夠使得米粉擠壓成型后迅速脫水干燥，固定α化狀態(tài)結(jié)構(gòu)，防止回生，使得米粉保持良好的品質(zhì)，及較長的保質(zhì)期［3］。微波干燥因其獨(dú)特的加熱特性區(qū)別于熱風(fēng)干燥及其他干燥方式［4］，物料在微波場中是內(nèi)部整體加熱，因此易于形成溫度梯度和濕度梯度同向，利于物料水分向外排出［5］。且微波干燥有穿透力強(qiáng)、選擇性加熱、熱慣性小、干燥速度快、時(shí)間短、能量利用率高、符合環(huán)保要求以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)［6］。

薄層干燥是指物料厚度小于2 cm的床層干燥［7］。薄層干燥是食品物料干燥的基本形式，是深床干燥的基礎(chǔ)。薄層干燥的研究是為了探討一定干燥條件下物料含水率隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)而建立薄層干燥方程，為優(yōu)化干燥工藝和指導(dǎo)干燥過程提供依據(jù)［8］。

目前已有較多農(nóng)產(chǎn)品微波薄層干燥的研究，如板栗［9］、馬鈴薯片［10］、紅椒粉［11］和花椒［12］等。有關(guān)方便米粉干燥的研究較少，熊柳等［13］、李新華等［14］研究發(fā)現(xiàn)，微波干燥的米粉與熱風(fēng)干燥的米粉相比，復(fù)水性與食用品質(zhì)相差不大，而微波干燥的時(shí)間遠(yuǎn)短于熱風(fēng)干燥。趙思明等［2，15］研究了方便米粉高溫高濕干燥的數(shù)學(xué)模型和水分?jǐn)U散特性，然而目前關(guān)于方便米粉微波干燥過程的研究還未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以方便米粉為對象，對其微波薄層干燥過程進(jìn)行研究并建立方便米粉的微波薄層干燥數(shù)學(xué)模型，以期為方便米粉微波干燥過程的控制和條件優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

早秈米：南昌市深圳農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場。

1.1.2 儀器

自熟多功能年糕粉絲機(jī)：溫嶺市圣地機(jī)械廠；G80F23CN1P-G5（S0）微波爐：廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

方便米粉的制作工藝：大米→洗米浸泡→粉碎→過篩→混合→自熟擠絲→切斷→復(fù)蒸或煮制→微波干燥→成品。

方便濕米粉的制備：早秈米經(jīng)清洗，浸泡8 h后，粉碎過60目篩，控制含水量在30%左右。經(jīng)自熟式擠絲機(jī)擠絲，擠絲出來的米粉通過風(fēng)冷，按照一定長度切斷。切斷后的米粉條放入95～100℃的沸水中煮制，最后得到濕基含水量（68.45±0.50）%的濕米粉。

微波干燥：將（100.55±0.20）g樣品平鋪于微波爐專用樣品篩（d＝23 mm）中，厚度5 mm，置于微波爐中央，分別用800、640、480、320和 160 W 5檔功率進(jìn)行干燥。每隔0.5 min將樣品取出快速測定其質(zhì)量m，試驗(yàn)進(jìn)行至米粉濕基含水量小于10%。每組試驗(yàn)設(shè)重復(fù)3次，取其平均值。

1.2.2 水分測定

初始濕基含水量 w0：參照國標(biāo) GB 5009.3—2010。

t時(shí)刻干基含水量M：

式中：M為米粉干燥至t時(shí)刻的干基含水量／%；m為米粉干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量／g；m0為米粉初始質(zhì)量／g。

1.2.3 數(shù)據(jù)擬合與分析

1.2.3.1 微波薄層干燥過程數(shù)學(xué)模型的擬合

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過研究不同物料的干燥過程總結(jié)了許多干燥方程。本試驗(yàn)選取了8個(gè)較常用的干燥模型，利用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。所選模型如表1所示［16-22］。

表1 薄層干燥模型列表

米粉水分比MR（moisture ratio）：

1.2.3.2 相關(guān)系數(shù)及誤差分析

測試模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配程度可由相關(guān)系數(shù)R2，卡方值 χ2和均方根誤差 RMSE衡量。按照文獻(xiàn)［25-27］的方法計(jì)算 R2，χ2和 RMSE。R2越大，χ2和RMSE越小，模型的匹配程度越高。

1.2.3.3 有效擴(kuò)散系數(shù)

Fick擴(kuò)散方程常用來描述生物制品的降速干燥階段，適用于長方形、圓柱形等形狀規(guī)則的物料［27-28］。本試驗(yàn)擠出的米粉樣品形狀規(guī)則，水分分布均勻，因此可用下式計(jì)算樣品的有效擴(kuò)散系數(shù)。

式中：L0為物料層厚度的一半／m，Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)／m2。

對于長時(shí)間的干燥過程來說，上式可以進(jìn)一步對數(shù)變化簡化為［29］：

由上式可知lnMR與t呈線性關(guān)系，由該線斜率可計(jì)算出Deff。

2 結(jié)果與分析

2.1 方便米粉的干燥特性

2.1.1 方便米粉的干燥特性曲線

圖1為不同微波功率下，米粉水分比MR與干燥時(shí)間的關(guān)系圖。由圖1可知，MR隨干燥時(shí)間的增加不斷下降。干燥初期MR下降速度較為勻速，隨后下降變慢并趨于平緩。但總體而言，在整個(gè)干燥過程中MR下降較為均勻，這可能是受微波干燥機(jī)理及水分?jǐn)U散等因素影響。微波的穿透能力較大，可使物料內(nèi)外整體加熱干燥。微波功率越大干燥時(shí)間越短。160W功率下，米粉干燥至MR為0.02的時(shí)間為60 min，而320、480、640及800 W功率下米粉干燥至MR為0.02的時(shí)間時(shí)間分別為為35、23、18和15 min。因此，在一定的微波功率范圍內(nèi)，可以通過提高微波功率來加速干燥的過程，縮短干燥的時(shí)間。

圖1 不同微波功率條件下的干燥曲線

式中：MR為米粉水分比；M為t時(shí)刻米粉的干基含水量；Me為米粉平衡干基含水量；Mo為米粉的初始干基含水量。

因?yàn)镸e相對于M和Mo來說較小，可以忽略不計(jì)，因此上式可簡化為［22-24］：

2.1.2 米粉的干燥速率曲線

一般干燥過程可分為3個(gè)階段：加速期、恒速期和降速期。本試驗(yàn)條件下，米粉干燥過程的加速期均較短。如圖2所示，在干燥初始的2 min內(nèi)，物料的干燥速率迅速上升，并達(dá)到最大值，且干燥速率隨著微波功率的增大而增大。480、640和800 W時(shí)，未出現(xiàn)明顯恒速期，物料的干燥速率達(dá)到最大值后即開始下降。320 W和160 W物料經(jīng)歷了一段較明顯的恒速期，然后進(jìn)入降速期。所選微波功率下物料的干燥過程大部分時(shí)間都處在降速期。

圖2 微波干燥速率與時(shí)間的關(guān)系曲線

在干燥初期，米粉含水量較大時(shí)，干燥速率都處在相對較高的水平，當(dāng)米粉的含水量逐漸下降后，干燥速率也明顯的降低。這可能與微波干燥的原理有關(guān)，物料中水分較大時(shí)，物料對微波的吸收能力較高，隨著物料中水分的減少，物料對微波的吸收能力也相應(yīng)降低，干燥速率迅速下降。相同含水量的物料，隨著微波功率的增加，物料內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，物料的溫度將變得更高，干燥速率越大［5］。

2.2 米粉的干燥數(shù)學(xué)模型

2.2.1 干燥數(shù)學(xué)模型的建立

將不同微波功率條件下得到的MR與時(shí)間t變化的干燥曲線和所選的12個(gè)薄層干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。以不同功率條件下R2，χ2，RMSE的均值為指標(biāo)對各方程的擬合效果進(jìn)行排序［30-31］，發(fā)現(xiàn)Midilli-Kucuk模型的擬合效果最好。因此選擇Midilli-Kucuk模型對方便米粉的微波薄層干燥過程進(jìn)行模擬。

2.2.2 Midilli-Kucuk模型常數(shù)a，b，k和n的確定

由表2可知，模型常數(shù)隨著微波功率的變化而變化。參考文獻(xiàn)［31-32］的方法，采用回歸分析來考察微波功率P（W）對Midilli-Kucuk模型常數(shù)a，b，k和 n的影響，得到 a，b，k，n與 P的關(guān)系式。最后可得以干燥時(shí)間t及干燥功率P為自變量的方便米粉微波薄層干燥的數(shù)學(xué)模型：

式中：

2.2.3 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Midilli-Kucuk模型擬合效果，以MR實(shí)驗(yàn)值為橫坐標(biāo)，MR預(yù)測值為縱坐標(biāo)作圖。結(jié)果如圖3所示，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在y＝x線周圍，說明Midilli-Kucuk模型對MR的預(yù)測與試驗(yàn)值非常接近，Midilli-Kucuk模型較適合模擬方便米粉微波干燥過程。

圖3 微波干燥Midilli-Kucuk模型試驗(yàn)值與預(yù)測值

2.3 有效擴(kuò)散系數(shù)

不同微波功率的干燥條件下方便米粉的水分有效擴(kuò)散系數(shù)如表3所示。有效擴(kuò)散系數(shù)隨著微波功率的增大而增大。其中160、320與480 W的有效系數(shù)有明顯差異，640與800 W功率下的擴(kuò)散系數(shù)相差不大，這也解釋了圖1中160～480 W干燥時(shí)間有很大差異，而640 W與800 W功率下干燥時(shí)間相差較小。

表3 方便米粉在不同微波功率干燥條件下的D

表2 各薄層干燥數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果

3 結(jié)論

1.44×10-9～6.42×10-9m2／s之間，且隨著微波功率的增大而增大。

本研究考察了方便米粉的微波薄層干燥過程。方便米粉的微波干燥過程可分為加速期，恒速期和降速期。本試驗(yàn)所選微波功率條件下干燥過程的加速期均較短，且僅320、160 W可觀察到較明顯的恒速期，所選微波功率下的干燥過程都是處在降速期。

采用8個(gè)薄層干燥模型對方便米粉的微波干燥過程進(jìn)行擬合，其中Midilli-Kucuk模型具有較高的擬合度，能較好的描述方便米粉的薄層微波干燥過程，可用于預(yù)測不同含水率方便米粉的干燥時(shí)間。方便米粉的微波薄層干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在

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