龍眼間歇真空微波干燥動力學(xué)研究

安可婧 徐玉娟 魏 來 余元善 唐道邦 溫 靖 林 羨

(1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 廣州 510610；2. 農(nóng)業(yè)部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510610；3. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

龍眼(DimocarpuslonganLour)是中國著名的熱帶亞熱帶水果，中國作為龍眼的原產(chǎn)國，其種植面積和產(chǎn)量分別占世界的73.6%和59.7%。龍眼果肉中含有豐富的糖類、多酚類等營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)[1]，早在《本草綱目》中就有 “資益以龍眼為良”的記載[2]，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也證實(shí)了龍眼具有抗衰老、增強(qiáng)免疫力等功效，是益氣補(bǔ)血的佳品[3-5]。然而龍眼成熟于夏季，采收期短且果肉水分多，采后代謝旺盛，呼吸作用強(qiáng)，易于腐爛變質(zhì)[6]，因此龍眼干是龍眼的主要加工產(chǎn)品[7-9]。傳統(tǒng)龍眼干制主要有日曬法和火焙法，這2種方法加工生產(chǎn)的龍眼干存在原果營養(yǎng)損失嚴(yán)重，果肉顏色較深，烘干過程干燥不均勻等缺陷，影響龍眼干的市場銷售[10]。張向陽等[11]發(fā)現(xiàn)真空微波干燥可以有效減少龍眼果肉顏色和風(fēng)味物質(zhì)的化學(xué)和酶反應(yīng)，更好地保留龍眼原有的風(fēng)味。

真空微波干燥(Vacuum-microwave drying，MVD)是在微波和真空技術(shù)上發(fā)展起來的新型干燥技術(shù)，具有效率高、能耗小、隔絕氧氣等特點(diǎn)[12]，但微波加熱效率高、干燥速率過快，容易產(chǎn)生“熱點(diǎn)”導(dǎo)致局部過焦的現(xiàn)象。間歇微波是帶有“緩蘇”階段的非連續(xù)性微波干燥。間歇階段可使物料中的水分和溫度均衡分配，提高下階段干燥速率，同時有效控制溫度，適用于熱敏性物料[13]。在目前的真空微波干燥研究[6,14]中，微波多采用恒定功率，但干燥過程中水分含量不斷變化，尤其后期物料的含水率較低，微波能量密度過大會導(dǎo)致物料過度干燥，進(jìn)而破壞熱敏性營養(yǎng)成分，降低品質(zhì)。

本研究擬采用間歇微波與變功率微波相結(jié)合的方式對龍眼進(jìn)行真空微波干燥，從功率密度、真空度、裝載量三個方面分析龍眼果肉在真空微波干燥過程中水分比及干燥速率的變化，建立相關(guān)薄層擬合模型，并優(yōu)化龍眼間歇真空微波干燥的工藝條件，以期為開發(fā)高效節(jié)能保質(zhì)的新型龍眼干加工技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

龍眼：儲良，市售；

Folin-Ciocalteu試劑：分析純，上海源葉生物科技有限公司；

其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

微波真空干燥機(jī)：RX-10ZK型，廣州榮興工業(yè)微波設(shè)備有限公司；

分光光度計：UV-1800型，日本島津公司；

粉碎機(jī)：FS100S型，廣州雷邁機(jī)械設(shè)備有限公司；

自動色差儀：UItraScan VIS型，美國Hunter Lab公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 龍眼真空微波干燥 真空微波干燥設(shè)備經(jīng)過改裝，微波功率和間歇比可調(diào)。微波功率為600～1 800 W，2 450 MHz，依據(jù)前期試驗(yàn)，采用微波起始間歇比(PR)PR1=2(10 s 開—10 s 關(guān))干燥至1 g H2O/g DW后調(diào)整為PR2=3(5 s 開—10 s 關(guān))干燥至終點(diǎn)0.25 g H2O/g DW。干燥的龍眼粉碎后過60目篩，收集備用。

(1) 水分比：干燥動力學(xué)常采用水分比隨時間變化來分析干燥過程的變化規(guī)律。水分比按式(1)計算[15]。

(1)

式中：

MR——水分比，g/g；

M——物料在任意時刻的干基含水量，g；

M0——物料干燥初始時刻的干基含水量，g；

Me——物料平衡時刻的干基含水量，g。

Me相對于初始干基含水量M0較小，可忽略。

(2) 干燥速率：每克干基單位時間內(nèi)失掉的水分含量，按式(2)計算。

(2)

DR——干燥速率，g H2O/(g DW·min)；

Md,i+1——ti+1時刻干基含水量，g；

Md,i——ti時刻干基含水量，g。

(3) 有效水分?jǐn)U散系數(shù)：它是研究食品物料干燥中非靜態(tài)的質(zhì)量傳遞的常用方法。Fick擴(kuò)散方程被廣泛用于描述生物制品在降速干燥階段的干燥特征，式(3)為Fick定律用于描述球狀物料降速干燥過程的表達(dá)式[16]。

(3)

式中：

MR——水分比；

“S真是瘋了。我不喜歡‘女人身上的小路’這樣的說法。女人也許需要男人或愛情，但絕不是什么道路，更不需要踐踏?！?/p>

Mt——任意時刻樣品干基含水量，g；

M0——樣品初始干基含水量，g；

Deff——干燥過程有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

r——龍眼顆粒半徑，m。

式(3)的對數(shù)形式為：

(4)

式中：

lnMR——時間t的函數(shù)，有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的大小取決于lnMR對時間t作圖的斜率的大小，其斜率k為：

(5)

1.2.2 干燥模型的建立

(1) 模型擬合：選用7種常用薄層干燥模型對龍眼真空微波干燥過程進(jìn)行研究，見表1。

表1 常用薄層干燥模型Table 1 The thin layer drying models commonly used

(2) 模型評價指標(biāo)：模型擬合程度通常由決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)、卡方(2)和平均偏差(MBE)決定。R2越大，RMSE、2和MBE越小，說明擬合程度越好。RMSE、2和MBE分別定義為[24-25]：

(6)

(7)

(8)

式中：

RMSE——均方根誤差；

MBE——平均偏差；

MRpre——水分比的預(yù)測值；

MRpre,i——水分比的試驗(yàn)值；

N——觀測次數(shù)；

n——回歸模型中常數(shù)項個數(shù)。

1.2.3 品質(zhì)指標(biāo)測定

(1) 總酚含量的測定：將干燥后的龍眼果肉粉碎，準(zhǔn)確稱取5 g于燒杯中，加入20～30 mL的80%甲醇超聲提取30 min，4 000 r/min離心5 min，收集上清液，重復(fù)操作至提取液基本無色(提取3～4次)，合并提取液，定容至100 mL。

總酚的測定采用Folin-Ciocalteu法[26]，取適當(dāng)稀釋后的樣品0.4 mL，分別加入稀釋10倍的Folin-Ciocalteu溶液2.0 mL，混勻，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Na2CO3溶液3.0 mL，混勻。常溫下避光反應(yīng)2 h，以甲醇做空白對照，于765 nm波長處測定吸光值。樣品總酚含量以沒食子酸當(dāng)量(GAE)表示。

(2) 顏色的測定：采用分光測色儀的反射模式測定不同參數(shù)下干燥樣品的L*、a*、b*值，其中L*值表示明亮度；a*值表示由紅色(正)向綠色(負(fù))漸變；b*值由黃色(正)向藍(lán)色(負(fù))漸變，△E為兩點(diǎn)之間的變化值。為準(zhǔn)確測定顏色的變化，每組樣品做3個平行試驗(yàn)，每個試驗(yàn)測2次?？偵钪怠鱁按式(9)計算[27]：

(9)

式中：

△E——色差值

L*、a*、b*——分別為龍眼干的測定值；

(3) 復(fù)水性的測定：精確稱取龍眼干10 g置于25 ℃蒸餾水中，當(dāng)復(fù)水龍眼質(zhì)量不變(或2次稱量的質(zhì)量差小于0.1 g)時，取出吸干表面水分，稱重。按式(10)計算復(fù)水比。

(10)

式中：

RR——復(fù)水比；

Wabsorbed——復(fù)水后的龍眼肉質(zhì)量，g；

Winitial——復(fù)水前干燥龍眼肉質(zhì)量，g。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 9.0 和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，P<0.05表示具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率密度對龍眼干燥特性影響

如圖1(a)所示，隨著微波功率密度增大，水分比的下降速率加快，干燥時間縮短。當(dāng)功率密度由6 W/g升到12 W/g時，干燥時間縮短50.24%。由圖1(b)可知，干燥速率隨著微波功率密度的升高而加快。龍眼真空微波干燥速率呈升速和降速兩段式變化趨勢。干燥初期龍眼內(nèi)部受熱，產(chǎn)生溫差，表面水分蒸發(fā)速率大于內(nèi)部水分?jǐn)U散速率，呈升速階段[28]；表面水分蒸發(fā)速率等于內(nèi)部水分?jǐn)U散速率時為恒速干燥階段，但其在真空微波干燥中不明顯；降速階段主要脫去結(jié)合水，物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率低于表面水分的蒸發(fā)速率，速度緩慢。綜上可知，真空微波干燥的加熱效率高，溫差推動水分迅速向外表遷移，不經(jīng)恒速階段，直接脫去結(jié)合水，遵循水分含量的變化趨勢，控制適宜的功率密度和間歇比，可以在提高干燥效率的同時更好地保證產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2 真空度對龍眼干燥特性影響

由圖2(a)可知，水分比的下降速率隨真空度的增大而加快，尤其是90 kPa條件下。當(dāng)真空度由50 kPa升到90 kPa時，干燥時間由615 min縮短到420 min。如圖2(b)所示，不同真空度條件下，干燥速率亦呈現(xiàn)兩段式變化，90 kPa條件下干燥速率明顯最高。綜上可知，隨著真空度的增大，龍眼的干燥時間縮短，干燥速率提高，與莊培榮[12]的研究結(jié)論一致。

2.3 裝載量比對龍眼干燥特性影響

如圖3(a)所示，隨著干燥時間延長，水分比下降速率隨著裝載量的增大而減小。這是由于在微波干燥中物料實(shí)際吸收的能量是按單位質(zhì)量物料吸收的微波能(即能量密度)計算的，微波能量密度隨著裝載質(zhì)量的增大而減小，單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分減少。如圖3(b)所示，不同裝載量的條件下，干燥速率也呈現(xiàn)兩段式變化，且隨著裝載量的增大，干燥速率減小。綜上可知，裝載量對于干燥效率有顯著影響，且隨著裝載量的減少，干燥時間縮短，速率提高。但裝載量過小，干燥后期不易控制。

2.4 干燥動力學(xué)模型擬合

由表2可知，Logarithmic和Two-term model模型的R2均高于0.98，2小于1.15×10-3，RMSE小于0.034，表明這2個模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。其中，Two-term model模型R2最大，2和RMSE最小，說明Two-term model模型擬合效果最好。

圖1 不同功率密度下龍眼真空微波干燥過程中水分比和干燥速率的變化Figure 1 The effect of microwave power density on the changes of moisture ratio and drying rate of Longan

圖2 不同真空度下龍眼真空微波干燥過程中水分比和干燥速率的變化Figure 2 The effect of vacuum degree on the changes of moisture ratio and drying rate of Longan

圖3 不同裝載量的龍眼真空微波干燥過程中水分比和干燥速率的變化Figure 3 The effect of loading capacity on the changes of moisture ratio and drying rate of Longan表2 不同能量密度下薄層干燥模型擬合Table 2 Thinlayer drying model fitting under different energy density conditions

功率密度/(W·g-1)模型編號方程系數(shù)aknbCgR2‰2RMSE1 0.0060.9841.45×10-30.0382 0.0041.0960.9871.22×10-30.0353 1.056 0.0070.9899.97×10-40.03264 1.018 0.0080.0580.9927.10×10-40.0265 1.067 0.0072.74E-3-0.0070.9931.15×10-30.0346-0.0057.12E-60.9851.36×10-30.0377 0.0061.0940.9871.22×10-30.0351 0.0110.9682.72×10-30.0522 0.0210.8480.9771.93×10-30.0443 0.989 0.0110.9682.70×10-30.052124 0.945 0.0160.1100.9972.63×10-40.0165 0.1479.060E-40.91 0.0160.9972.44×10-40.0166-0.0071.35E-50.8909.33×10-40.0967 0.0110.8430.9771.93×10-30.0441 0.0160.9752.12×10-30.0462 0.0170.9740.9752.09×10-30.0463 1.029 0.0160.9762.02×10-30.045184 0.988 0.0210.0900.9899.04×10-40.0305 0.038-0.0041.04 0.0200.9898.60×10-40.0296-0.0124.16E-50.9623.27×10-30.0577 0.0160.9680.9752.09×10-30.046

由表3可知，Logarithmic和Two-term model模型的R2均高于0.99，2小于7.00×10-4，RMSE小于0.026，表明這2個模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。其中，Two-term model模型R2最大，2和RMSE最小，說明Two-term model模型擬合效果最好。

由表4可知，Logarithmic和Two-term model模型的R2均高于0.987，2小于8.87×10-4，RMSE小于0.029，表明這2個模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。其中，Two-term model模型的R2最大，2和RMSE最小，說明Two-term model模型擬合效果最好。綜上，對不同條件下龍眼真空微波干燥動力學(xué)擬合而言，Two-term model模型擬合效果最好。

表3 不同真空度下薄層干燥模型擬合Table 3 Thinlayer drying model fitting under different vacuum conditions

表4 不同裝載量下薄層干燥模型擬合Table 4 Thinlayer drying model fitting under different loading capacity

2.5 有效擴(kuò)散系數(shù)

如表5所示，當(dāng)功率密度由6 W/g增加到18 W/g時，有效擴(kuò)散系數(shù)由3.31×10-8m2/s 增加到7.47×10-8m2/s；當(dāng)真空度由50 kPa增加到90 kPa時，有效擴(kuò)散系數(shù)由2.86×10-8m2/s 增加到4.16×10-8m2/s；當(dāng)裝載量由50 g增加到150 g，有效擴(kuò)散系數(shù)由5.59×10-8m2/s降低到2.22×10-8m2/s。

表5不同間歇真空微波條件下龍眼有效系數(shù)擴(kuò)散的值

Table 5 Values of effective diffusivity obtained for longan at different intermittent vacuum-microwave conditions

功率密度/(W·g-1)真空度/kPa裝載量/g有效擴(kuò)散系數(shù)/(m2·s-1)6901003.31×10-812901004.16×10-8 18901007.47×10-812501002.86×10-812701003.25×10-812901004.16×10-81290505.59×10-812901004.16×10-812901502.22×10-8

2.6 正交試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定龍眼真空微波干燥工藝，以微波功率密度、真空度、裝載量為考察因素，以總酚、復(fù)水性、顏色為考察指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表6、7。

極差結(jié)果顯示，功率密度是影響總酚含量最重要的因素；真空度是影響復(fù)水性和顏色最重要的因素；裝載量對總酚和復(fù)水性的影響最小?；诟稍锼俾省⒖偡雍?、復(fù)水性以及顏色等品質(zhì)指標(biāo)，龍眼間歇真空微波干燥的最佳干燥工藝為功率密度12 W/g，真空度90 kPa，裝載量100 g，此時龍眼的總酚、復(fù)水比以及色差分別為6.02 mg/g DW，2.56和16.28，與前期本實(shí)驗(yàn)室的龍眼熱泵干燥[10,29]結(jié)果比較，間歇真空微波干燥效果更佳。

表6 正交試驗(yàn)因素水平表Table 6 Design form of orthoronal test

表7 真空微波干燥工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)Table 7 Orthogonal test of optimization of microwave vacuum drying process

3 結(jié)論

由龍眼間歇真空微波干燥動力學(xué)可知，龍眼干燥速率和有效擴(kuò)散系數(shù)隨著微波功率密度的增加、真空度的增大以及裝載量的減小而增大。7種薄層模型對龍眼間歇真空微波干燥動力學(xué)的擬合結(jié)果顯示，Two-term model模型R2最大，2，RMSE最小，擬合效果最好。結(jié)合動力學(xué)和品質(zhì)指標(biāo)，確定龍眼間歇真空微波干燥的最佳工藝為：功率密度12 W/g，真空度90 kPa，裝載量100 g。