基于溫度控制的牛蒡微波熱風(fēng)耦合干燥研究

紀　飛，李臻峰，2，*，李　靜，宋飛虎，徐晚秀（.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇無錫2422；2.紹興縣魁聯(lián)機電科技有限公司，浙江紹興32000）

基于溫度控制的牛蒡微波熱風(fēng)耦合干燥研究

紀飛1，李臻峰1，2，*，李靜1，宋飛虎1，徐晚秀1
（1.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇無錫214122；2.紹興縣魁聯(lián)機電科技有限公司，浙江紹興312000）

以牛蒡為原料，研究了微波熱風(fēng)耦合干燥過程中牛蒡內(nèi)部溫度和含水率的變化。微波控溫實驗結(jié)果表明，合適的微波功率密度和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值不但可以縮短干燥時間，還可以減少物料內(nèi)部溫度的控制偏差。為了確定微波熱風(fēng)耦合干燥牛蒡的最佳工藝，利用響應(yīng)面法進行實驗分析，建立了以胡蘿卜素保留率為指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，求出最佳干燥工藝為微波功率密度8.4 W/g，物料內(nèi)部溫度設(shè)定值72.2℃，熱風(fēng)溫度73.2℃，此時胡蘿卜素保留率為60.6%。

牛蒡，微波熱風(fēng)耦合干燥，響應(yīng)面法，溫度控制

牛蒡（Arctium lappa L.），菊科兩年生草本植物，又稱大力子，新鮮牛蒡中含有大量蛋白質(zhì)、脂肪、胡蘿卜素和人體所需的多種維生素等［1］，并具有降血壓、解毒清熱、增強免疫力等功效［2］。但是新鮮牛蒡在儲藏過程中易產(chǎn)生纖維化和褐變［3］，嚴重影響牛蒡的口感和品質(zhì)，一般都會對新鮮牛蒡切片后進行干燥。王慧慧等［4］確定了以牛蒡縮水率為指標(biāo)的最優(yōu)真空干燥參數(shù)。石啟龍等［5］研究了熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥的最佳工藝組合及參數(shù)。

微波干燥過程中，物料內(nèi)部溫度和微波功率是十分重要的因素，決定了物料的干燥速率、干燥時間、干燥效率和干燥品質(zhì)［6］。較高的物料內(nèi)部溫度可以提高干燥速率，但是會損壞物料的一些品質(zhì)特性。國內(nèi)外學(xué)者就微波干燥過程中溫度的控制進行了卓有成效的研究：Cuccurullo等［7］通過紅外熱像儀獲取干燥過程中蘋果片的實時溫度并通過控制微波爐進行間歇干燥試圖使蘋果片的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度（55、65、75℃）附近，在設(shè)定溫度為75℃條件下蘋果片溫度最大偏差值達到了17.1℃，而采用類似方法進行蘋果片微波干燥溫度控制的Li等［8］的溫度偏差為±3.63℃。Kisselmina等［9］采用固定微波功率密度的干燥方式，隨著干燥過程的進行，不斷改變輸入的微波功率，有效地降低了干燥過程中西紅柿的溫度。目前國內(nèi)外對牛蒡微波干燥過程中溫度控制的研究報道較少，本文研究了微波熱風(fēng)耦合干燥牛蒡的過程中牛蒡內(nèi)部溫度變化和干燥特性，并確定微波熱風(fēng)耦合干燥牛蒡的最佳工藝參數(shù)，為牛蒡的干燥加工提供了理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

新鮮牛蒡采購于徐州益順康牛蒡種植基地，直徑在10～20 mm之間，無空心、腐爛等現(xiàn)象，清洗去須后置于1℃冰箱儲藏備用［10］。

微波熱風(fēng)耦合干燥設(shè)備實驗室自制；迷你電子秤永康市艾瑞貿(mào)易有限公司；HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋常州智博瑞儀器制造有限公司；高效液相色譜儀Agilent 1100美國安捷倫科技公司；量筒等。

1.2實驗方法

1.2.1微波熱風(fēng)耦合干燥系統(tǒng)原理實驗室自制微波熱風(fēng)耦合干燥設(shè)備如圖1所示，在文獻［8］的基礎(chǔ)上添加熱風(fēng)干燥裝置，用以研究微波熱風(fēng)耦合干燥的特性，通過在LabVIEW中編程實現(xiàn)控制熱風(fēng)溫度以及控制微波爐通斷的功能。實驗開始前，將光纖探頭插入牛蒡切片的中間以測量內(nèi)部溫度。開始實驗后通過采集卡將溫度的電壓信號傳到計算機，在LabVIEW中轉(zhuǎn)換成實時物料內(nèi)部溫度值后輸入與物料內(nèi)部溫度設(shè)定值進行比較：當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，程序?qū)P(guān)閉微波爐暫停干燥；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，程序?qū)_啟微波爐進行干燥；如此反復(fù)直至物料干燥結(jié)束。實驗過程中，通過RS232接口將電子秤物料的質(zhì)量數(shù)據(jù)實時輸入到計算機程序中，有效避免了在干燥過程中取出物料進行稱重產(chǎn)生的人為誤差。通過微波爐的間歇干燥能夠在保證物料干燥品質(zhì)的前提下達到快速干燥的目的。

圖1　微波熱風(fēng)耦合干燥系統(tǒng)Fig.1　Combined microwave-hot air drying system

1.2.2微波不控溫干燥實驗對于微波干燥而言，干燥過程中物料內(nèi)部溫度是一個非常重要的因素，傳統(tǒng)微波干燥一般都是使用固定的功率或者功率密度［11-12］，由于微波干燥十分迅速，在干燥中后期，物料質(zhì)量快速下降，單位質(zhì)量的物料吸收的微波能量就會增大，導(dǎo)致物料內(nèi)部溫度急劇上升，甚至產(chǎn)生焦糊、碳化的現(xiàn)象。為了研究微波干燥過程中溫度的變化，分別用5、10、15 W/g的微波功率密度對物料進行干燥，干燥至干基含水率≤0.15 g/g左右時停止（下同），物料切片厚度為4 mm，裝載量為40 g（下同）。

1.2.3微波控溫干燥實驗物料內(nèi)部溫度的控制實際就是用微波對物料進行間歇干燥，通過控制微波爐的運行來干燥物料，物料內(nèi)部溫度達到設(shè)定值時，通過控制微波爐的斷開來降低物料內(nèi)部溫度，從而使物料內(nèi)部溫度處于相對穩(wěn)定的范圍，保證干燥后產(chǎn)品品質(zhì)。為了更有效的控制物料內(nèi)部溫度，進行一組實驗研究物料內(nèi)部溫度與微波功率密度之間的關(guān)系，以期確定合理微波功率密度和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值，實驗參數(shù)見表1。

表1　微波控溫干燥實驗參數(shù)Table 1　Experimental parameters microwave drying with temperature control

1.2.4響應(yīng)面法確定微波熱風(fēng)耦合干燥最優(yōu)工藝實驗微波干燥過程中，物料內(nèi)部干燥出來的水蒸氣會聚集在物料周圍，如果利用熱風(fēng)吹走這些水蒸氣可以使物料內(nèi)外形成水分濃度差，加快干燥進程。為了確定微波熱風(fēng)耦合干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)，結(jié)合前期實驗結(jié)果，選擇微波功率密度、物料內(nèi)部溫度設(shè)定值、熱風(fēng)溫度三因素進行響應(yīng)面分析實驗，采用Boxbenhnken中心組合實驗法設(shè)計實驗，實驗因素水平見表2。

表2　響應(yīng)面實驗因素水平Table 2　Factors and levels of response surface design

1.3指標(biāo)測定方法

1.3.1含水率測定采用國標(biāo)GB 5009.3-2010中的常壓干燥法在103℃的熱風(fēng)干燥箱中下測得［13］，計算公式為：

式中，X為物料干基含水率；mt為t時刻物料的質(zhì)量，g；md為物料中干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.3.2復(fù)水率測定將干燥好的物料稱重后放入80℃恒溫水浴鍋復(fù)水40 min，取出后用濾紙吸干表面水分，測得物料復(fù)水后的質(zhì)量。計算公式為：

式中，Rf為物料中復(fù)水比；md為物料干燥后質(zhì)量，g；mf為物料復(fù)水后質(zhì)量，g。

1.3.3平均干燥速率的測定計算式為：

式中，V為平均干燥速率，g/g·min；X0為物料初始干基含水率，g/g；X1為干燥后物料干基含水率，g/g；Δt為干燥耗時，min。

1.3.4胡蘿卜素保留率測定采用國標(biāo)GB/T 5009.83-2003中的高效液相色譜法測定物料中胡蘿卜素含量［14］。

1.3.5感官評價主要根據(jù)色澤、收縮程度對干燥后物料進行評價。色澤呈金黃色為優(yōu)，褐色為差［15］。

1.4數(shù)據(jù)處理

使用Excel以及Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理。

2　結(jié)果與分析

2.1微波不控溫干燥特性

在不控制溫度的情況下，微波干燥可以分為三個階段（圖2）：干燥前期，物料內(nèi)部溫度逐漸升高，含水率緩慢下降；干燥中期，物料內(nèi)部溫度處于一個較高但是相對穩(wěn)定的狀態(tài)，物料開始排出大量水分，這個過程持續(xù)時間較長；干燥后期，物料內(nèi)部溫度開始急劇上升，但含水率并沒有出現(xiàn)急劇下降。

圖2　微波不控溫干燥牛蒡內(nèi)部溫度曲線和干燥曲線Fig.2　Internal temperature and drying curve of burdock by microwave drying without temperature control

微波干燥過程中，如果不對物料內(nèi)部溫度進行控制，在干燥中后期物料內(nèi)部溫度將會達到十分高的水平（120℃甚至更高），對于果蔬類食品來說，過高的干燥溫度將會損壞其營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生焦糊、碳化等現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)。Rodrigo等［16］通過對西紅柿干燥研究發(fā)現(xiàn)，干燥過程中西紅柿內(nèi)部溫度越高，干燥后西紅柿顏色改變就越明顯。Lu等［17］發(fā)現(xiàn)在微波干燥土豆切片過程中，干燥后期較高的土豆溫度會產(chǎn)生焦糊、碳化的現(xiàn)象。因此微波干燥中對物料內(nèi)部溫度進行控制是十分必要的。

圖3　微波控溫干燥牛蒡內(nèi)部溫度曲線Fig.3　Internal temperature of burdock by microwave drying with temperature control

圖4　微波控溫干燥牛蒡干燥曲線Fig.4　Drying curve of burdock by microwave drying with temperature control

2.2微波控溫干燥特性

從圖3、圖4可以看出，對物料內(nèi)部溫度進行控制時，不同微波功率和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值的控制效果是不同的。如果采用較小的微波功率密度和較大的物料內(nèi)部溫度設(shè)定值組合，物料內(nèi)部溫度上升緩慢，干燥速度也相應(yīng)較慢，體現(xiàn)不出微波快速干燥的優(yōu)勢，但是物料內(nèi)部溫度偏差較??；如果采用較大的微波功率密度和較小的物料內(nèi)部溫度設(shè)定值組合，物料內(nèi)部溫度很快就會達到設(shè)定值，微波爐就會停止工作以降低溫度，物料的有效干燥時間就會較短，也會減緩物料的干燥速度，并且由于微波功率密度較大，物料內(nèi)部溫度也會產(chǎn)生較大的偏差。因此，需要選擇合適的微波功率密度和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值，在降低干燥時間的同時減少物料內(nèi)部溫度的偏差，使其穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，本次實驗選擇微波功率密度在6～10 W/g之間，物料內(nèi)部溫度設(shè)定值在60～80℃之間進行響應(yīng)面實驗。

2.3微波熱風(fēng)耦合干燥特性

2.3.1響應(yīng)面分析實驗結(jié)果實驗共進行15組，其中1～12為析因?qū)嶒灒?3～15為中心實驗，用來估算實驗誤差。

采用Design-Expert軟件對響應(yīng)值和各因素進行多項式擬合，建立如下二次回歸方程：

胡蘿卜素保留率Y（%）=-600.88333+45.53333A+ 8.71042B+4.27792C+0.32875AB-0.29625AC+ 0.61000BC-2.83958A2-0.11033B2-0.042333C2

各因素的方差和顯著性分析見表4，可以看出，模型的p值小于0.01，即二次回歸模型影響極顯著。同時失擬項p值大于0.05，表明響應(yīng)面實驗結(jié)果和數(shù)學(xué)模型一致性較好，能夠用此數(shù)學(xué)模型進行實驗結(jié)果的預(yù)測。通過F值大小可以看出三個因素對胡蘿卜素保留率的影響排序為：微波功率密度A＞熱風(fēng)溫度C＞物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B。

表3　微波熱風(fēng)耦合干燥牛蒡響應(yīng)面分析實驗結(jié)果Table 3　Experimental results of response surface by combined microwave-hot air drying

方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.9698，說明可以用這個方程來解釋96.98%的實驗數(shù)據(jù)，方程擬合較好。變異系數(shù)CV=6.92%，說明模型的方程較好的反映了真實的實驗結(jié)果，可信度較高。

2.3.2響應(yīng)面與等高線圖分析為了進一步分析兩因素間的交互作用的胡蘿卜素保留率的影響，固定其中一個因素為零水平，觀察另外兩個因素對胡蘿卜素保留率的影響，如圖5～圖7所示。等高線的形狀反應(yīng)了因素間交互作用的強弱程度，橢圓代表兩因素交互作用顯著，圓形則代表不顯著，圖5～圖7中等高線圖均呈橢圓形，說明圖中兩因素交互作用顯著。

圖5　微波功率密度和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值對胡蘿卜素保留率影響的響應(yīng)面圖Fig.5　Response surface of the effects of the set value of sample’s internal temperature and the temperature of hot air on the reservation rate of carotene

圖6　微波功率密度和熱風(fēng)溫度對胡蘿卜素保留率影響的響應(yīng)面圖Fig.6　Response surface of the effects of microwave density and the temperature of hot air on the reservation rate of carotene

圖7　物料內(nèi)部溫度設(shè)定值和熱風(fēng)溫度對胡蘿卜素保留率影響的響應(yīng)面圖Fig.7　Response surface of the effects of microwave density and the set value of sample’s internal temperature on the reservation rate of carotene

圖5表明，微波功率密度A和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B均較低時，干燥后物料胡蘿卜素保留率較低，但是較高的微波功率密度A和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B也會降低干燥后物料的胡蘿卜素保留率，可能是因為溫度過高導(dǎo)致胡蘿卜素產(chǎn)生氧化。圖6表明，在微波功率密度A和熱風(fēng)溫度C取較大值時，可以獲得較高的胡蘿卜素保留率，從等高線圖可以看出，微波功率密度A為8.5 W/g左右，熱風(fēng)溫度C為72℃左右時胡蘿卜素保留率取得最大值。圖7表明，在物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B適中時，熱風(fēng)溫度C在較大范圍內(nèi)均可以獲得較高的胡蘿卜素保留率。

表5　不同干燥方式品質(zhì)比較Table 5　Quality of different drying method

2.3.3最佳干燥工藝確定與驗證對上述回歸方程進行優(yōu)化求解，得到微波功率密度A=8.38 W/g、物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B=72.20℃、熱風(fēng)溫度C=73.24℃，胡蘿卜素保留率為60.9%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)并結(jié)合實驗條件參數(shù)設(shè)定為微波功率密度A=8.4 W/g、物料內(nèi)部溫度設(shè)定值B=72.2℃、熱風(fēng)溫度C=73.2℃進行三組重復(fù)驗證實驗，得到胡蘿卜素保留率平均值為60.6%，與預(yù)測值偏差較小，因此可以認為響應(yīng)面分析所得模型是可靠的。

2.4不同干燥方式對牛蒡品質(zhì)的影響

從表5可以看出，干燥過程中如果不對物料內(nèi)部溫度進行控制，物料干燥后品質(zhì)較差?？刂莆锪蟽?nèi)部溫度的微波熱風(fēng)耦合干燥的胡蘿卜素保留率較微波控溫干燥（8 W/g+70℃）提高了29.5%，復(fù)水率和平均干燥速率分別提高了11.1%和68.3%，感官評價也較好，綜合品質(zhì)較單純微波干燥有明顯提高。

3　結(jié)論

微波干燥過程中控制物料內(nèi)部溫度是十分必要的，在干燥的中后期，物料質(zhì)量的快速下降導(dǎo)致物料內(nèi)部溫度急劇升高，嚴重影響物料品質(zhì)。但是進行溫度控制時，微波功率密度和物料內(nèi)部溫度設(shè)定值要合理的選取，以加快物料干燥速率，提高干燥品質(zhì)。

選取微波功率密度、物料內(nèi)部溫度設(shè)定值和熱風(fēng)溫度三個因素進行響應(yīng)面實驗，得到胡蘿卜素保留率最高的工藝為微波功率密度8.4 W/g，物料內(nèi)部溫度設(shè)定值72.2℃，熱風(fēng)溫度73.2℃，此時胡蘿卜素保留率為60.6%，與模型預(yù)測值偏差較小，表明此方法合理可行。

微波熱風(fēng)耦合干燥同控溫微波干燥相比，基于溫度控制的微波熱風(fēng)耦合干燥具有快速、安全和經(jīng)濟的特點，在食品干燥中有著較為廣泛的應(yīng)用前景。

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Research on characteristics of combined microwave-hot air drying of burdock based on temperature control

JI Fei1，LI Zhen-feng1，2，*，LI Jing1，SONG Fei-hu1，XU Wan-xiu1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shaoxing Queland Mechatronics Technology Co.Ltd.，Shaoxing 312000，China）

The temperature and moisture content change of combined microwave-hot air drying were studied using burdock as the raw material.The results of microwave drying with temperature control showed a shortening of drying time and reduction of deviation of the sample’s internal temperature by selecting appropriate microwave power density and the set value of sample’s internal temperature.Response surface methodology was used to optimize the drying technology and the mathematical model was built to describe the reservation rate of carotene.The optimal drying conditions were as follow：microwave density 8.4 W/g，the set value of sample’s internal temperature 72.2℃and the temperature of hot air 73.2℃，the predicted value of reservation rate of carotene was 60.6%.

Burdock；combined microwave-hot air drying；response surface methodology；temperature control

TS255.3

B

1002-0306（2015）20-0284-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.050

2015－01－04

紀飛（1990-），男，碩士研究生，研究方向：食品微波、熱風(fēng)干燥，E-mail：jifei_xz@foxmail.com。

李臻峰（1968-），男，博士，教授，研究方向：食品無損檢測，微波、熱風(fēng)干燥，E-mail：352151043@qq.com。

國家自然基金項目（51406068）。