馬蹄濕淀粉微波間歇干燥特性及其動力學(xué)研究

唐小閑，段振華，劉艷，湯泉，陶勝達(dá)，羅楊合

（1.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院/廣西馬蹄加工工程技術(shù)研究中心，廣西賀州542899；2.賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542899；3.賀州學(xué)院理學(xué)院，廣西賀州542899；4.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧大連116034）

馬蹄濕淀粉微波間歇干燥特性及其動力學(xué)研究

唐小閑1，2，4，段振華1，4，*，劉艷1，湯泉2，陶勝達(dá)3，羅楊合1

（1.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院/廣西馬蹄加工工程技術(shù)研究中心，廣西賀州542899；2.賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州542899；3.賀州學(xué)院理學(xué)院，廣西賀州542899；4.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧大連116034）

以馬蹄濕淀粉為對象進(jìn)行微波間歇干燥試驗，研究了不同功率、不同裝載量、不同加熱時間和間歇時間對干燥速率的影響。結(jié)果表明，馬蹄濕淀粉在微波間歇干燥過程中呈現(xiàn)出加速、恒速和降速3個階段；相對于微波功率、裝載量和加熱時間，間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。通過5種經(jīng)典的干燥模型擬合分析，發(fā)現(xiàn)馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學(xué)模型滿足Page方程MR=e-ktn，模型預(yù)測值與試驗值擬合良好。

微波；馬蹄濕淀粉；干燥特性；動力學(xué)

馬蹄（學(xué)名Heleocharis Tuberose Schult），又名荸薺、地栗、烏芋、鳧茨、通天草，屬莎草科荸薺淺水性宿根草本植物[1]。我國現(xiàn)有馬蹄種植面積超過50萬畝，馬蹄產(chǎn)量占全球的95%，年總產(chǎn)量80萬噸以上，且70%的產(chǎn)量在廣西桂東北地區(qū)。生產(chǎn)上，根據(jù)馬蹄的組成和用途，將馬蹄分為粉馬蹄和果馬蹄兩大類。粉馬蹄中含大量的淀粉，加上低聚糖和單糖，占干重的86%以上，此外，馬蹄含豐富的維生素、植物蛋白、磷質(zhì)等[2]。馬蹄經(jīng)加工制成淀粉，可沖調(diào)食用，可作為食品粘合劑、增稠劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑和改良劑，也可用作釀造、制藥、變性淀粉等工業(yè)加工的原輔料，還作為改善某些擠壓膨化食品的沖調(diào)劑，應(yīng)用廣泛。

目前馬蹄淀粉制造過程中，多數(shù)企業(yè)通過燃燒木材、煤炭產(chǎn)生熱量，加熱空氣來實現(xiàn)馬蹄濕淀粉的干燥，甚至少數(shù)企業(yè)通過傳統(tǒng)的自然晾曬來干燥，這些生產(chǎn)方式不僅干燥效率低，衛(wèi)生指標(biāo)難達(dá)到要求，進(jìn)而馬蹄淀粉產(chǎn)品品質(zhì)。而微波干燥具有獨特的加熱特性，如穿透力強(qiáng)、選擇性加熱、熱慣性小、干燥速度快、節(jié)能高效、高度保持食品原有的營養(yǎng)成分及色、香、味、形等優(yōu)點[3-5]，清潔生產(chǎn)符合環(huán)保要求以及易于實現(xiàn)自動控制的特點，因而在農(nóng)產(chǎn)品加工及食品工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。近十年來，國內(nèi)外就有不少關(guān)于微波干燥農(nóng)產(chǎn)品的研究，微波干燥已應(yīng)用到鳙魚[6]、羅非魚[7]、銀杏果[8]、萵筍[9]、蘆筍[10]、黃秋葵[11]、松花粉[12]及板栗淀粉[13]等加工領(lǐng)域，但未見在馬蹄淀粉加工中的研究及應(yīng)用。

微波間歇干燥，在微波停止加熱時間內(nèi)，內(nèi)部熱量填補(bǔ)表面蒸發(fā)消耗的能量，使物料內(nèi)部溫度降低、溫度梯度減小，為物料內(nèi)部水分的重新分配提供了時間，因而能有效防止過熱或燒傷，保證產(chǎn)品品質(zhì)[14]。本研究以馬蹄濕淀粉為對象，研究馬蹄濕淀粉的微波間歇干燥特性，利用干燥方程構(gòu)建馬蹄濕淀粉的動力學(xué)模型，以期為馬蹄濕淀粉微波間歇干燥工藝的研究提供理論依據(jù)，促進(jìn)傳統(tǒng)馬蹄淀粉加工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品品質(zhì)的提高。

1材料與方法

1.1材料

粉馬蹄：購于賀州市農(nóng)貿(mào)市場。選擇個體完整、大小均勻、無機(jī)械損傷的新鮮粉馬蹄，作為制備馬蹄濕淀粉的原料。

1.2主要儀器

G80D20CN1P-D2（S0）微波爐：廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；DHG-9240A電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；BSA124S分析天平：德國賽多利斯；MA150水分測定儀：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.3方法

粉馬蹄經(jīng)清洗去皮，破碎勻漿，過濾、離心后制成馬蹄濕淀粉，測得初始平均干基含水率為69.64%，設(shè)定不同功率（140、280、420W），不同裝載量（0.05、0.075、0.1 kg），在不同加熱時間（0.5、1、1.5min），不同間歇時間（0.75、1、1.25min），進(jìn)行馬蹄濕淀粉微波間歇干燥。試驗中，在每個間歇時間點測定并記錄樣品重量。

1.3.1水分測定

按照GB 5009.3-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》進(jìn)行。

1.3.2水分比測定

參照文獻(xiàn)[15-16]方法進(jìn)行。

1.3.3干燥模型擬合

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者近年在農(nóng)產(chǎn)品物料方面的研究，篩選了如表1所示的5種經(jīng)典干燥模型進(jìn)行馬蹄濕淀粉干燥模型擬合。這五種干燥模型均為非線性模型，為了計算方便進(jìn)行了線性化處理。

表1 常用的干燥數(shù)學(xué)模型Table1 Used dryingm athematicalm odels

1.4數(shù)據(jù)分析

每次試驗做3組平行，試驗結(jié)果取3組平均值；采用軟件origin 7.5、EXCELL 2010和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)值分析。

2結(jié)果與分析

2.1微波功率對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖1、圖2分別是不同微波功率的馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖1 不同微波功率下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.1 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowavepower

圖2 不同微波功率下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowave power

由圖1可知，在裝載量、加熱時間和間歇時間恒定下，微波功率越大，干燥曲線越陡峭，所需干燥時間越短，功率為420、280、140W時，干燥時間分別為26、38、108min。由圖2可知，馬蹄濕淀粉微波間歇干燥過程分加速，恒速和降速3個階段，符合干燥的一般規(guī)律。干燥速率是指單位時間內(nèi)在單位干燥面積上汽化的水分量[17]，微波功率越大，物料吸收的微波能越多，汽化的水分量越大，干燥速率越大，加速、恒速、降速階段耗時越短；在干燥初期，物料含水率比較大，干燥速率加速極為迅速；恒速階段，微波功率越大，干燥速率越大，經(jīng)歷的時間越短。在恒速階段，當(dāng)物料干基含水在30%～55%時，干燥速率大小排序應(yīng)對的微波功率分別為420、280、140W。在降速階段，隨著物料含水率降低，其對微波能吸收能力也降低[18]，干燥速率明顯下降。因此，在一定微波功率范圍內(nèi)，可通過增大微波功率來提高物料干燥速率。

2.2裝載量對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖3、圖4分別是不同裝載量的馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖3 不同裝載量下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.3 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different loadage

由圖3可知，在微波功率、加熱時間和間歇時間恒定下，隨著物料裝載量增大，物料含水率下降緩慢，干燥曲線斜率越大，干燥時間越長。物料裝載量分別為0.05、0.075、1.0 kg的干燥時間為38、54、66min。由圖4可知，物料裝載量越大，加速、恒速、降速階段的干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢；反之，裝載量越小，加速、恒速、降速階段的干燥速率變化越劇烈，含水率下降越迅速。其原因主要是在一定微波功率下，物料的裝載量越大，總含水量越大，單位質(zhì)量水分所吸收的微波能越小[19]，干燥時間越長。

圖4 不同裝載量下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch atdifferent loadage

2.3加熱時間對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖5、圖6分別是不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖5 不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.5 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

圖6 不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.6 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

由圖5可知，在微波功率、裝載量和間歇時間恒定下，加熱時間對干燥過程有較大影響，加熱時間為0.5min時，所需干燥時間為79.5min，干燥進(jìn)程緩慢，尤其干燥后期表現(xiàn)得很平緩；而隨著加熱時間的增大，干燥曲線越趨陡峭，干燥時間縮短。微波加熱時間分別為1.0min和1.5min時，干燥時間僅需38min和37.5min，是微波加熱0.5min干燥時間的1/2。但微波加熱1.0min和1.5min所需干燥時間相差不明顯。由圖6可知，不同加熱時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線也呈現(xiàn)出加速、恒速和降速3階段。微波加熱時間越長，干燥速率升速、降速越快，物料脫水量越大，含水率下降越快，干燥時間越短。

2.4間歇時間對馬蹄濕淀粉干燥的影響

圖7、圖8分別是不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線和干燥速率曲線。

圖7 不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線Fig.7 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

圖8 不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥速率曲線Fig.8 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

由圖7可知，不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線具有干燥曲線的典型特性：物料在相同的初始含水率下，含水率隨著干燥時間延長而顯著下降。不同間歇時間下馬蹄濕淀粉干燥曲線，含水率在69.64%～15%時線型變化很相似；間歇時間短的干燥曲線較陡，含水率下降較快，干燥時間較短，而間歇時間較長的干燥曲線變得平緩，含水率下降緩慢，干燥時間延長。由圖8可知，間歇時間越短，加速階段干燥速率上升越快，恒速階段干燥速率越大，降速階段干燥速率下降越快。由于微波作用時瞬間將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，其升溫迅速。采用微波間歇干燥，在間歇時段內(nèi)，物料內(nèi)部熱量可供給與補(bǔ)充表面蒸發(fā)消耗的能量，從而使其內(nèi)部溫度在一定范圍內(nèi)上下波動，溫度梯度減小，為物料內(nèi)部水分的重新分布及向外擴(kuò)散提供了時間[8]，從而能有效防止過熱或焦化，保證干燥品質(zhì)。而采用微波連續(xù)加熱時，雖然物料在短時間達(dá)到脫水效果，但干燥過程升溫過快，易超過其耐熱溫度而影響產(chǎn)品質(zhì)量[14，20]。從圖7可看出，曲線相隔距離較小，說明間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。

3馬蹄淀粉微波間歇干燥干燥動力學(xué)模型

3.1馬蹄淀粉干燥適用模型確定

在表1中Newton、Henderson-Pabis和Lagarithmic模型的-ln MR-t均為線性關(guān)系，因此首先驗證二者在馬蹄濕淀粉干燥過程的相關(guān)性；根據(jù)物料干燥過程水分比的變化，繪制不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下的-ln MR-t曲線圖，如圖9～圖12。

圖9 不同微波功率下-ln MR-t的關(guān)系Fig.9 Relationship between-ln MR and t at differentm icrowave power

圖10 不同裝載量下-ln MR-t的關(guān)系Fig.10 Relationship between-ln MR and t at different loadage

圖11 不同加熱時間下-ln MR-t關(guān)系Fig.11 Relationship between-ln MR and t atdifferentheating tim e

圖12 不同間歇時間下-ln MR-t的關(guān)系Fig.12 Relationship between-ln MR and t at different interm ittent time

由圖9～圖12可知，微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下-ln MR-t是非線性關(guān)系，說明這3種模型不適合馬蹄濕粉微波間歇干燥動力學(xué)模型的建立。

將Wang-Singh和Page模型進(jìn)行擬合，圖13～圖16分別為不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下MR－t的二次曲線，圖17～圖20分別為不同微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間下ln（-ln MR）-ln t曲線圖。

圖13 不同功率下MR－t的二次曲線Fig.13 Second curvesof MR and t at differentm icrowavepower

圖14 不同裝載量下MR－t的二次曲線Fig.14 Second curvesof MR and t at different loadage

圖15 不同加熱時間下MR－t的二次曲線Fig.15 Second curvesof MR and t at differentheating time

圖16 不同間歇時間下MR－t的二次曲線Fig.16 Second curvesof MR and t at different interm ittent time

圖17 不同微波功率下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.17 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentm icrowave power

由圖13～圖16可知，相關(guān)變量下MR-t的二次曲線是非線性關(guān)系，則Wang-Singh模型也不適合馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學(xué)模型的建立。由圖17～圖20可知，相關(guān)變量下ln（-ln MR）-ln t呈線性關(guān)系，Page模型可以描述馬蹄濕淀粉微波間歇干燥的過程，故選用ln（-ln MR）=ln k+nln t作為馬蹄濕淀粉微波干燥動力學(xué)模型。

圖18 不同裝載量下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.18 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at different loadage

圖19 不同加熱時間下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.19 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentheating time

圖20 不同間歇時間下ln（-ln MR）-ln t曲線Fig.20 Curvesof ln（-ln MR）and ln t atdifferent interm ittent time

式中：P為微波功率，W；L為裝載量，kg；T1為加熱時間，min；T2為間歇時間，min；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j為待定系數(shù)，可得到：

ln（-ln MR）=a+b P+c L+d T1+e T2+（f+g P+h L+i T1+j T2）ln t

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，求得方程線性擬合各待定系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學(xué)模型Table2 The kineticsmodelofwater chestnutwet-starch by interm ittentm icrowavepower

F=1 366.31，P＜0.000 1；表明所求得的回歸方程顯著；復(fù)測定系數(shù)R2=0.975 6，說明模型的按擬合效果良好，試驗誤差較小。所得回歸方程：ln（-ln MR）=-3.909 0+0.002 0P-38.155 3L+0.272 1 T1+0.476 7 T2+（0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4 T1-0.601 8 T2） ln t，即MR=e-ktn，其中n=0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。

3.2馬蹄濕淀粉干燥動力學(xué)模型的檢驗

為了進(jìn)一步檢驗回歸模型的準(zhǔn)確度性，選擇試驗中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證：設(shè)定功率280W，裝載量0.05 kg，加熱時間1min，間歇時間分別為1min。由Page模型在此條件下進(jìn)行預(yù)測，模型預(yù)測值與該組試驗值進(jìn)行作比較，結(jié)果如圖21所示。

圖21 相同條件下試驗值與擬合值的比較Fig.21 Comparison between experim entaldata and p redicted data at sam e condition

由圖21可知，Page模型預(yù)測值與試驗值基本擬合，說明Page模型能夠作為馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學(xué)模型，利用此模型可較準(zhǔn)確地反映馬蹄濕淀粉在不同干燥條件下的干燥規(guī)律，對其干燥過程可起到較好的預(yù)測作用。

4結(jié)論

馬蹄濕淀粉微波間歇干燥過程呈現(xiàn)出明顯的加速、恒速和降速3個階段，微波功率越大、加熱時間越長，干燥速率越大，物料脫水量越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速階段耗時越短；料裝載量越大、間歇時間越長，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢，干燥時間越長。相對于微波功率、裝載量和加熱時間，間歇時間對馬蹄濕淀粉微波干燥速率的影響較小。

通過五種經(jīng)典的干燥模型擬合分析，發(fā)現(xiàn)馬蹄濕淀粉微波間歇干燥動力學(xué)模型滿足Page方程：MR=0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。該模型可以用于預(yù)測馬蹄濕淀粉微波干燥過程中的水分變化情況。

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Research of Interm ittent M icrowave Drying Properties and K inetic M odel ofW ater ChestnutW et-starch

TANGXiao-xian1，2，4，DUANZhen-hua1，4，*，LIUYan1，TANGQuan2，TAOSheng-da3，LUOYang-he1
（1.Instituteof Food Scienceand Engineering Technology/GuangxiWaterChestnutProcessEngineering Technology Research Center，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；2.College ofChemicaland Biological Engineer，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；3.SchoolofScience，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；4.Schoolof Food Scienceand Technology，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，Liaoning，China）

Thewater chestnutwet-starch as the research object，the intermittentmicrowave drying experiments were conducted，Effects of differentmicrowave power，loadage，heating time and intermittent time on drying speed were investigated.Resultsshowed that：the intermittentmicrowave drying processofwater chestnutwetstarch presenting acceleration，constant rate，and falling rate three stages.Compared with themicrowave power，loadageand heating time，the intermittent time had littleeffecton themicrowave drying rateofwater chestnut starch.Itwas found that through the fitting analysis of five classical dryingmodels，the dynamicmodel of water chestnutwet-starch intermittentmicrowave drying satisfies the Page equation and MR=e-ktn.The predicted valueof themodel is in good agreementwith theexperimentaldata.

microwavedrying；waterchestnutwet-starch；dehydration characteristics；kineticmodel

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.05.004

2016-11-17

廣西特色果蔬深加工與保鮮技術(shù)研究（YS201601）；賀州學(xué)院“果蔬深加工與保鮮團(tuán)隊建設(shè)”項目（YS201602）；廣西特聘專家專項經(jīng)費（廳發(fā)[2016]21號）

唐小閑（1984—），女（漢），研究實習(xí)員，在讀研究生，研究方向：食品加工新技術(shù)。

*通信作者：段振華（1965—），男（漢），教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向：現(xiàn)代食品加工新技術(shù)研究。