胡蘿卜片微波-熱風滾動床干燥物料特性研究

呂為喬 宿佃斌 王天行 趙 李 棟

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

微波是波長在0.001～1 m之間的電磁波，其熱效應最早發(fā)現(xiàn)于20世紀40年代，隨著大功率磁控管技術的成熟，幾種固定波段的微波逐漸被應用到農(nóng)產(chǎn)品干燥領域[1-2]。微波干燥作為新型物理場干燥技術，其穿透能力強、干燥效率高，在果蔬干燥領域得到廣泛研究和關注[3]。然而，微波的能量隨著穿透深度的增加逐漸減小，果蔬物料自身介電特性和吸收微波的能力參差不齊，干燥不均是微波干燥的主要問題[4]。使物料保持運動狀態(tài)，并與傳統(tǒng)手段相結(jié)合是解決微波干燥不均問題的主要思路。目前，微波干燥主要分為微波噴動床干燥、微波振動床干燥和微波滾動床干燥，排除水汽的主要方式是熱風或者真空作用。華盛頓州立大學將微波和熱風噴動干燥結(jié)合在一起，改善了藍莓微波干燥的均勻性[5]。文獻[6-8]研制了負壓微波噴動干燥裝備，使物料脈沖式間歇噴動，并通過真空泵除水汽，該裝備既提高了干燥均勻性，又對物料產(chǎn)生了膨化效應，在開發(fā)休閑食品方面有相關研究報道。在振動床方面，文獻[9-10]研發(fā)了微波熱風流態(tài)化干燥技術，對提高蘋果丁干燥均勻性效果顯著。微波-熱風滾動床干燥(Microwave-hot-airflow rolling drying, MARD)是一種新的干燥模式，目前有少量的研究報道。文獻[11-12]進行了水平轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)鼓微波干燥黃豆的均勻性試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)中物料微波干燥的均勻性較好。

通過矢量網(wǎng)絡分析儀對物料介電特性進行分析、使用低場核磁共振分析及成像(Low-field nuclear magnetic resonance analysis and imaging, NMR/MRI)方法對物料的水分狀態(tài)和分布進行分析是目前微波干燥常用的研究方法，在微波干燥蘑菇、萵苣、馬鈴薯等研究中多有報道[13-17]。本文設計聚四氟乙烯材料的腰鼓形滾動床，使微波與熱風系統(tǒng)相結(jié)合，將熱風直接饋入到物料表面，并通過紅外傳感器和可編程邏輯控制器(Programmable logic controller, PLC)調(diào)控微波功率，以介電特性分布不均且含水率較高的胡蘿卜片為原料，研究高含水率果蔬微波干燥過程的溫度環(huán)境、水分遷移環(huán)境以及微波作用下物料的介電特性變化，以期提升果蔬物料的微波干燥品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 主要原料

新鮮胡蘿卜(DaucuscarotaL. var. sativa Hoffm.)，購于本地市場，所有試驗原料來自同一批次，無蟲害、無機械損傷，在4℃溫度冷藏備用。用105℃電熱鼓風法測得本批次胡蘿卜濕基含水率為90.50%，干基含水率為9.52%。

1.2 儀器與設備

課題組與南京澳潤微波科技有限公司聯(lián)合研制的ORW2S-3000R型熱風微波滾動床干燥機原理如圖1所示。采用變頻微波源，功率100～2 000 W連續(xù)可調(diào)。干燥腔體為多模不銹鋼微波諧振腔，尺寸：650 mm×500 mm×500 mm。腰鼓形滾筒轉(zhuǎn)速可調(diào)，調(diào)速范圍廣，轉(zhuǎn)速為1～10 r/min，傳動裝置采用齒輪傳動，傳動比準確，齒輪采用聚四氟乙烯材料制作，確保對微波干燥過程無干擾。熱風功率3 000 W，連續(xù)可調(diào)，最大風量408 m3/h，最大風壓達到1 100 Pa，熱風溫度從20℃(室溫)到180℃可調(diào)。為了控制熱風循環(huán)量，在進風口設計了可調(diào)節(jié)風門。在干燥倉側(cè)門上有紅外傳感器，實時監(jiān)測滾動床上物料的溫度，若溫度超過設定值，微波源停止工作。設定間歇時間后，微波源繼續(xù)開啟。監(jiān)測溫度有一定的誤差，物料在設定溫度附近浮動。本試驗利用熱像儀系統(tǒng)分析干燥過程的熱環(huán)境。

圖1 微波-熱風滾動床干燥機原理圖Fig.1 Schematic of MARD device1.第二箱體 2.側(cè)開門 3.觀察窗 4.微波源 5.排風機 6.排風管 7.第一箱體 8.觸控屏 9.熱風管 10.滾動床裝置 11.熱風進口 12.電動機 13.傳動軸 14.熱風機

此外，主要分析儀器有MiroMR20-030V-I型低場核磁共振分析儀(紐邁電子科技有限公司)、FLIR E40型紅外熱像儀(前視紅外熱像系統(tǒng)貿(mào)易有限公司)、HP-200型測色色差儀(新銳儀器儀表有限公司)、E5061型矢量網(wǎng)絡分析儀(安捷倫技術有限公司)等。

1.3 試驗方法

將準備好的新鮮胡蘿卜原料清洗，瀝干水分后利用專用切片裝置切片，厚度為(5±0.2) mm。每組物料800 g，置于MARD轉(zhuǎn)動床體中，同時開啟熱風和微波。風量為100 m3/h，入口熱風溫度設為65℃。除繪制干基含水率和干燥時間關系曲線以外，微波功率設為800 W，物料最高溫度設為70℃。當檢測到物料的最高溫度超過設定值時，微波源自動停止工作，經(jīng)過設定的間歇時間(20 s)后再繼續(xù)工作，確保傳感器監(jiān)測的最高溫度不超過設定值。干燥終點時，物料干基含水率控制在8%以下[16-18]。

(1)干基含水率-干燥時間關系曲線

準備胡蘿卜片9組，每組物料800 g，微波功率分別為600、800、1 200 W，對應的熱風入風口最高溫度為60、65、70℃，物料最高溫度依次設為65、70、75℃，測量干基含水率和干燥時間關系曲線。為了表征試驗誤差，每組試驗做3組重復。試驗每10 min對物料稱量一次，直至干燥終點。為保證干燥后期品質(zhì)，最后一階段通過經(jīng)驗觀察并多次測量得到，干燥時間和干燥曲線為近似結(jié)果。

(2)熱像分析

溫度監(jiān)測對表征干燥工藝具有重要作用，設備自身傳感器監(jiān)測的是滾動床內(nèi)部某一點的溫度。為了進一步研究物料在MARD過程的溫度場分布，試驗利用FLIR E40型紅外熱像儀測量胡蘿卜片在干燥開始階段(0 min)、中間階段(40 min)和干燥后期(80 min)的熱像圖，并觀察熱像圖中最高溫度與設定最高溫度的關系，紅外熱像圖反映了物料在微波干燥過程中溫度的均勻度，對控制干燥過程和干燥品質(zhì)有重要作用。

(3)水分分布狀態(tài)分析

質(zhì)子在磁場中形成核磁能級，在垂直于磁場的方向以脈沖的形式照射電磁波，部分低能態(tài)的氫質(zhì)子躍遷到高能態(tài)[15]。如果停止激發(fā)脈沖，氫質(zhì)子將返回到原來的低能態(tài)，氫質(zhì)子在核系統(tǒng)內(nèi)部釋放能量的過程稱為自旋-自旋弛豫，弛豫時間用T2表示。T2反映了氫質(zhì)子所處的化學環(huán)境，與氫質(zhì)子所受的束縛力和自由度有關。氫質(zhì)子受束縛力越大或自由度越小，弛豫時間T2越短，在T2譜上峰位置越靠左；反之則弛豫時間T2越長，在T2譜上峰位置越靠右[19]。將弛豫時間對應的信號作為空間坐標進行區(qū)分，得到二階張量，利用這個信息得到核磁共振圖像[20]。試驗利用NMR/MRI測量胡蘿卜片在不同干燥階段關于弛豫時間T2的信號量曲線及關于MRI的空間分布，分析水分分布狀態(tài)的變化。

(4)介電特性分析

微波干燥是利用水分子在微波場下的高速運動來產(chǎn)生水分蒸發(fā)的能量，物料吸收微波的多少，與自身的介電特性密切相關[21-22]。宏觀上的介電特性可以用介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″分析。其中ε′反映了材料在電磁場中存儲電能的能力，ε″影響電磁能向熱能的轉(zhuǎn)化[23]。胡蘿卜片在單純的微波干燥中，心部易褐變，四周干燥速度慢，說明物料在微波干燥中介電特性分布不均。為了研究胡蘿卜片在微波干燥過程的介電特性分布變化，試驗利用矢量網(wǎng)絡分析儀，測量不同干燥階段心部和邊緣兩個部位物料的介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″。為了表征測量誤差，每個階段抽樣5次，測定平均值和標準差。

(5)脫水產(chǎn)品的色澤變化

采用HP-200型測色色差儀測定胡蘿卜片脫水產(chǎn)品的色澤品質(zhì)變化。其中L*為明度指數(shù)，a*、b*為彩度指數(shù)。該描述方法用的是CLELAB色度空間法，顏色在L*、a*、b*3個不同的坐標軸間取值，具體色度趨向如表1所示[24]。胡蘿卜片物料特性分布不均，心部為淡黃色，邊緣為紅褐色。利用色差儀測量干燥胡蘿卜片不同部位色澤的變化，進而分析MARD工藝對胡蘿卜片感官品質(zhì)的影響。為了表征測量誤差，每個階段抽樣5次，測定平均值和標準差。

表1 色澤參數(shù)L*、a*、b*的物理意義Tab.1 Physical meaning of color parameters L*, a* and b*

2 結(jié)果與討論

2.1 干基含水率-干燥時間關系

胡蘿卜片分3組，每組使用物料800 g，微波功率600、800、1 200 W,物料最高溫度65、70、75℃，測量干基含水率和干燥時間關系曲線。當檢測到物料的最高溫度超過設定值時，微波源停止工作，經(jīng)過設定的間歇時間后再繼續(xù)工作。為了監(jiān)測MARD過程胡蘿卜片干燥質(zhì)量的變化規(guī)律，得到物料干基含水率-干燥時間的關系曲線，如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在MARD干燥過程中，物料在初始40 min內(nèi)干燥速度較快，在干燥后期干燥速度較慢。其中在干燥40～50 min階段，干燥速度明顯降低。說明胡蘿卜片在干燥后期，隨著大部分水分的蒸發(fā)，物料吸收微波的效率較低，干燥速度較慢。在干燥時間上，低功率組(600 W和最高溫度65℃)干燥時間為120 min，高功率組(1 200 W和最高溫度75℃)干燥時間為70 min。干燥功率與干燥速度呈正相關。為保證干燥后期不被糊化，最后一階段(最后10～20 min)通過經(jīng)驗觀察并多次測量得到，干燥時間為近似結(jié)果。

圖2 胡蘿卜片在MARD過程干基含水率-干燥時間 關系曲線Fig.2 Relationship diagram between dry base moisture content and drying time of carrot slices during MARD

2.2 MARD過程的熱像分布

圖3 不同MARD階段胡蘿卜片的紅外熱像圖Fig.3 Infrared thermographs of carrot slices at different MARD stages

由于紅外傳感器監(jiān)測物料溫度的對象是一個點，物料在MARD過程中不斷滾動，導致干燥過程物料的溫度有一定的誤差。與此同時，紅外傳感器不能完全真實反映物料的溫度分布。本試驗采用熱紅外成像儀對干燥倉體、干燥前期(0 min)、干燥中期(40 min)和干燥后期(80 min)的物料進行分析，得到不同干燥階段的熱像分布圖，如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，MARD開始階段物料含水率較高，并在微波和熱風的協(xié)同作用下快速蒸發(fā)，物料在開始階段并未達到最高溫度。隨著干燥的持續(xù)進行，物料溫度逐漸升高。在干燥后期，物料達到最高溫度，微波源開始間歇工作，物料達到穩(wěn)定的溫度。在MARD過程中，物料不停地翻轉(zhuǎn)，干燥溫度分布均勻。相對于傳統(tǒng)的微波干燥，熱風和滾動床的結(jié)合有效地實現(xiàn)了微波干燥過程胡蘿卜片干燥溫度的均勻穩(wěn)定[25]。隨著含水率降低物料體積和質(zhì)量均變小，紅外傳感器監(jiān)測溫度存在一定的誤差，后期熱像局部溫度超過設定值70℃屬于合理范圍。微波功率在高溫環(huán)境下會不斷啟停，由于干燥后期物料溫度升高，微波間歇工作。該過程與干基含水率-干燥時間曲線中，后期物料降水速度變慢的結(jié)果相吻合。

2.3 水分狀態(tài)

試驗對不同干燥階段胡蘿卜片取樣分析，測得干燥0、40、80 min物料在NMR下的橫向弛豫時間T2，不同弛豫時間對應的信號量如圖4所示。信號量A2，又稱為總的信號幅度，它反映在某一狀態(tài)下氫質(zhì)子的多少，為無量綱指標，在農(nóng)產(chǎn)品干燥中信號量的信息主要來源于水分[26]。在信號量與T2的關系曲線中，右側(cè)傾向于自由水，左側(cè)傾向于結(jié)合水，中間為不易流動水。對于3種水分的劃分，目前在弛豫時間上尚沒有具體的量化指標[14-27]。在圖4的信號量與T2的關系曲線中發(fā)現(xiàn)，氫質(zhì)子在NMR中的橫向弛豫時間在1 000 ms以內(nèi)，信號量在橫坐標的對數(shù)曲線上波峰變化規(guī)律顯著。在開始階段，NMR圖譜的主峰值靠右，絕大多數(shù)氫質(zhì)子的弛豫時間較長，說明新鮮物料的自由水含量較高。隨著干燥的進行，在MARD干燥40 min后，主峰值減小，位置向左移動，說明物料的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰琢鲃铀?。在干燥后期以結(jié)合水的狀態(tài)為主。NMR圖譜表明，隨著干燥的進行，水分向更難以蒸發(fā)的方向轉(zhuǎn)變，同時造成了后期干燥的困難和干燥速度的變慢。NMR圖譜結(jié)果與MARD后期干燥速度變慢、干燥熱像圖中溫度升高的結(jié)果相一致，共同表征了水分流動特性。

圖4 不同MARD干燥階段胡蘿卜片的NMR信號 量-弛豫時間關系曲線Fig.4 Relationship curves of NMR signal amplitude and relaxation time of carrot slices at different drying stages of MARD

MRI可以提供自旋的空間信息，得到質(zhì)子在物料空間的分布。樣品復雜結(jié)構(gòu)的清晰度主要受組分中含水率的影響。圖像中的亮度越高，說明氫質(zhì)子的狀態(tài)越活躍，在胡蘿卜片脫水過程中，表現(xiàn)為水分的多少及其活躍程度。試驗測得MARD干燥0、40、80 min物料的MRI圖，經(jīng)過統(tǒng)一映射，得到的結(jié)果如圖5所示。所有樣品在三維空間內(nèi)部切分掃描?？梢园l(fā)現(xiàn)，新鮮的胡蘿卜片內(nèi)部水分豐富且分布均衡。隨著干燥的進行，含水率逐漸降低。在干燥后期，水分出現(xiàn)輕微的干燥不均現(xiàn)象，由于水分信號非常低，結(jié)合實際品質(zhì)結(jié)果在可接受的范圍。MRI信號顯示，胡蘿卜片在熱風微波滾動床協(xié)同作用下，干燥過程不均現(xiàn)象不明顯。與文獻[28]報道的靜態(tài)物料微波干燥相比，熱風和床體的滾動緩解了胡蘿卜片微波干燥不均的問題。

圖5 胡蘿卜片MRI斷面掃描結(jié)果Fig.5 Cross-sectional scanning results of MRI of carrot slices

2.4 介電特性

介電特性與物料吸收微波的過程密切相關，胡蘿卜片心部和邊緣介電特性存在一定的差異，胡蘿卜片在MARD過程中，介電特性不斷變化。試驗測得了MARD干燥10、20、30、40、50、60、70、80 min胡蘿卜片心部和邊緣介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″的變化，測量結(jié)果為無量綱指標，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著干燥的進行，胡蘿卜片的含水率降低，邊緣介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″顯著降低。比較而言，介電常數(shù)ε′降低幅度更大，說明物料儲能的能力減弱，導致干燥后期微波干燥的能效降低。對于不同區(qū)域來說，邊緣部位介電常數(shù)較高，但介電損耗較低，說明微波儲能的能力較高，但向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的能力較低。這一結(jié)果造成心部更容易吸收微波能促進水分蒸發(fā)。但隨著干燥的進行，心部和邊緣的這種差別逐漸減小，宏觀上表現(xiàn)為微波能將集中到含水率高的位置。隨著干燥的進行，物料在干燥均勻性上具有自我調(diào)整的能力。同時，適當?shù)倪M行翻滾，并施加足夠強度的熱風，能調(diào)整介電特性，避免干燥不均造成的品質(zhì)劣變。

圖6 MARD過程中胡蘿卜片心部和邊緣介電常數(shù)ε′ 和介電損耗因子ε″變化曲線Fig.6 Changing curves of dielectric constant ε′and dielectric loss factor ε″ in core and edge of carrot slices during MARD

2.5 色差和感官品質(zhì)

新鮮胡蘿卜片和脫水后胡蘿卜片的色差如表2所示。隨著MARD干燥的完成，胡蘿卜片的L*值顯著減小，在外觀上表現(xiàn)為明度減小，在彩度上，a*和b*變小，物料更接近于紅色和黃色。相對于新鮮胡蘿卜的色差ΔE，心部比邊緣變化值更大。產(chǎn)品的色澤影響到產(chǎn)品的感官品質(zhì)。試驗盡可能減小ΔE，以接近物料原有的顏色。

表2 胡蘿卜片MARD干燥前后的色澤指標Tab.2 Chromatic aberration of carrot slices before and after MARD drying

3 結(jié)論

(1)MARD過程干燥速度逐漸降低，物料溫度分布均勻，隨著干燥的進行溫度穩(wěn)定在設定范圍。相對于物料靜止的微波干燥，熱風和滾動床的結(jié)合實現(xiàn)了微波干燥過程胡蘿卜片干燥溫度的均勻穩(wěn)定。

(2)NMR波譜下的水分信號量逐漸降低且主峰向左移，水分向與干物質(zhì)結(jié)合緊湊的方向轉(zhuǎn)化，MRI信號顯示，MARD干燥過程中水分分布均勻。相對于物料靜止的微波干燥，MARD過程水分狀態(tài)變化較快，實現(xiàn)了胡蘿卜片的均勻干燥。

(3)隨著MARD進行，物料介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″顯著降低，心部介電損耗比邊緣部位高。隨著干燥的進行，這種差別逐漸減小，微波對水分的吸收具有自我調(diào)整的能力。

(4)經(jīng)過MARD脫水，胡蘿卜片色澤變深，在彩度上，物料更接近于紅色和黃色。相對于新鮮胡蘿卜的色差ΔE，心部比邊緣變化值更大，應盡可能減小物料色差，以保持物料原有的顏色。