熟化甘薯片微波干燥特性及其動力學模型

(陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院,陜西西安 710119)

甘薯(IpomoeabatatasL.)屬旋花科一年生植物,廣泛種植于全世界近百個國家。中國更是以1.17億噸的年產(chǎn)量,占全世界甘薯年產(chǎn)量的90%[1]。甘薯既有糧食作物所含有的淀粉、蛋白質、脂肪,也有蔬菜、水果含有的胡蘿卜素、維生素(B1、B2、C、E)、氨基酸和豐富的礦物質,具有獨特的生理保健作用和藥用價值,可謂是“營養(yǎng)完全食品”[2-5]。但新鮮甘薯含水率高,貯藏條件很難控制,貯存期間營養(yǎng)成分變化較大,腐敗變質現(xiàn)象嚴重[6]。而甘薯干制是其貯藏的重要手段之一。甘薯干制能平衡淡旺季需求、縮減存儲空間,同時熟化甘薯干作為一種休閑零食已經(jīng)被消費市場所接受。因此,對熟化甘薯片進行干燥處理具有十分重要的意義。

目前,新鮮甘薯的干制方法研究較為普遍,主要有熱風干燥[7]、微波干燥[8-9]、微波聯(lián)合熱風干燥[10]和太陽能干燥[11],而涉及到的熟化甘薯干制方法主要為熱風干燥[12-14]。然而采用熱風干燥得到的熟化甘薯品質較低,營養(yǎng)成分流失嚴重,干燥效率低下。微波干燥技術由于具有加熱速度快、效率高、無污染的特點[15-16],能使物料介質內外同時加熱,因而在食品、農(nóng)產(chǎn)品加工等方面的應用越來越廣泛[17],目前已成功應用于枸杞[18]、龍眼[19]、秋葵[20]、西芹[21]、蘋果[22]、獼猴桃[23]、杏鮑菇[24]、大蒜[25]等很多農(nóng)產(chǎn)品的干燥研究中,并取得了顯著的效果。

目前,關于熟化甘薯片微波干制技術的研究較少。故本研究采用微波干燥技術對熟化甘薯片進行干燥,并探究微波功率、裝載量和切片厚度對熟化甘薯干燥特性及能耗的影響,確定其最佳干燥模型,以期為熟化甘薯片微波干燥工藝提供理論依據(jù),為熟化紅薯的微波干燥設備及其工業(yè)化奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗甘薯 購于西安市華潤萬家超市,產(chǎn)于西安市,紡錘形,表面無霉斑、無蟲害。直徑60～80 mm,質量(300±40.5) g。按照GB 2009.3-2001測定[23],新鮮甘薯的平均干基含水率為75.3%。

ORW08S-5Z型微波真空干燥機 南京澳潤微波科技有限公司;SH-045B型恒溫恒濕箱 上海實驗儀器廠;AB204-N電子分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司,分辨率為0.001 g;GE1701電熱蒸煮壺 美的電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯的熟化與切片 取試驗甘薯,用清水沖洗干凈后,用電熱蒸煮壺蒸煮30 min。含水率按照GB 2009.3-2001測定[26],熟化甘薯的平均干基含水率為80.1%。為了使試驗甘薯片每次的溫度保持一致,試驗前將熟化甘薯樣品在(5±1) ℃的恒溫箱中保存12 h后備用。從恒溫箱中取出,用紙巾吸干表面水分,用刀切去熟化甘薯兩端,并按照試驗要求切片。

1.2.2 熟化甘薯片的微波干燥流程 為節(jié)約稱重時間,將處理好的甘薯均勻平鋪于材質為聚氯乙烯的樣品籃中(27.5 L×20.0 W×7.0 H)。依照預先設定的功率進行干燥。每隔1 min將樣品取出在分析天平上稱量。產(chǎn)品干燥直至干基水分含量小于2%時為止[26]。稱量過程在20 s內完成,每個試驗重復三次。

1.2.3 微波干燥的單因素實驗設計 在前期探索性的試驗和農(nóng)產(chǎn)品微波干燥文獻[12,24]試驗參數(shù)的基礎上,再結合相應的微波干燥裝置的特點,以相對單位能耗、干燥時間為指標進行單因素微波干燥實驗。其中,微波干燥功率固定設置為400 W,切片厚度固定為8 mm時,裝載量分別設置為200、300、400 g;切片厚度固定為8 mm,裝載量固定為300 g,微波干燥功率分別設置為200、400、600 W;裝載量固定設置為300 g,微波干燥功率固定設置為400 W,切片厚度分別設置為6、8、10 mm。

1.3 干燥參數(shù)的計算方法

1.3.1 水分比與干燥速率 整個干燥過程,熟化甘薯的水分比(MR),通過式(1)[27]求得:

式(1)

式中:Mt為熟化甘薯片在t時刻的干基含水量,g/g;M0為熟化甘薯片的初始干基含水量,g/g;Me為熟化甘薯片的平衡干基含水量,g/g。

由于微波干燥的強度比較大,可假定熟化紅薯片在微波干燥條件下的平衡干基含水量為0,故將試驗中不同時刻物料的干基含水量與初始干基含水量的比作為干燥過程中的水分比[22],即:

式(2)

干燥速率(DR)由式(3)求得:

式(3)

式中:Mt+Δt為t+Δt時刻的干基含水量,g/g;t為干燥時間,min;DR為干燥速率,g/(g·min)。

1.3.2 微波干燥的能耗 微波干燥時,不同裝載量、微波功率及切片厚度對于微波干燥能效的影響可以通過單位耗能(MJ/kg)來表示[22]。單位能源消耗可由式(4)進行計算,即蒸發(fā)脫出物料中單位質量水所消耗的能源。

式(4)

式中:Es為單位能源消耗,即從物料中蒸發(fā)1 g水所消耗的能源,MJ/kg;mw為被蒸發(fā)的水蒸汽質量,kg;P為射頻輸出功率,W;t′為間隔時間,s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中,非線性或者線性回歸分析均采用SPSS 19.0軟件進行處理,應用Origin 2015軟件進行繪圖。其中,顯著性水平取0.05。

2 結果與分析

2.1 熟化甘薯片微波干燥特性

2.1.1 裝載量對熟化甘薯微波干燥特性的影響 圖1所示為微波干燥功率固定為400 W、切片厚度固定為8 mm的條件下,熟化甘薯片的裝載量分別為200、300和400 g時干燥曲線。由圖1可知,熟化甘薯片的水分比隨著時間的延長而持續(xù)降低,特別是物料干燥初期,物料的水分比變化較大。裝載量越大,干燥到所需水分含量的耗時越長。裝載量越小,干燥曲線越陡峭。其中在200、300和400 g裝載量條件下,熟化甘薯片微波干燥時間分別為28、33和46 min。其原因在于固定微波干燥功率,隨著熟化甘薯裝載量的減少,單位質量熟化甘薯片所分配到的微波功率密度增大,物料產(chǎn)生的熱量更快,形成與周圍熱空氣較大的水分梯度,熟化甘薯內部形成的蒸汽壓越大,其向外擴散的驅動力也越大,干燥時間也就越短。由熟化甘薯片的干燥特性曲線可以看出,干燥開始的初期,物料內部水分比下降劇烈,隨著干燥時間的推移,水分比變化趨于平緩。這與枸杞[19]、龍眼[20]、秋葵[21]和西芹[22]的微波干燥曲線具有相同規(guī)律,但具有更高的干燥速率和較短的干燥時間。其原因為物料之間的物性差異和熟化甘薯片本身的高含水率。

圖1 裝載量對熟化甘薯的干燥特性曲線的影響Fig.1 Effect of loadings on drying characteristic curve of cooked sweet potato

不同裝載量下,熟化甘薯片的微波干燥速率曲線如圖2所示。由圖2可知,熟化甘薯片微波干燥的脫水過程可分為三個階段:加速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。這與多數(shù)食品物料[12,28-30]干燥速率曲線相似?？赡艿脑蛴?干燥初期階段,因為熟化甘薯片的水分含量高,所吸收的微波能多,水分蒸發(fā)較快,干燥速率較大,此為加速干燥階段;隨著微波干燥時間的推移,熟化甘薯片內部的水分可以及時遷移至甘薯片表面,表面的溫度保持穩(wěn)定,干燥速率也保持穩(wěn)定,此為恒速干燥階段;隨著熟化甘薯片水分含量的降低,吸收的微波能減少,蒸發(fā)取決于內部水分的擴散速率,當水分向表面的擴散速率低于表面汽化速率時,即進入降速干燥階段。干燥速率曲線再次說明了裝載量越小,脫水速率越大。熟化甘薯的干燥過程發(fā)生在恒速階段。開始時的高干燥速率可能是由于水分迅速蒸發(fā)和遷移的物理結構引起的。其中,恒速階段干燥速率波動是受熟化甘薯高濃度糖的影響。

圖2 裝載量對熟化甘薯的干燥速率曲線的影響Fig.2 Effects of loadings on the drying rate curves of cooked sweet potato

熟化甘薯片的微波干燥特性與其熱風干燥[18]特性的差異較大,主要表現(xiàn)在:微波干燥速率遠大于熱風干燥方式;熟化甘薯片熱風干燥為降速干燥,而微波干燥為恒速干燥。其可能原因為熱風干燥速率隨著水分比的降低而減小,水分從內部遷移到表面的速率和表面蒸發(fā)到周圍空氣的速率都隨之降低。

2.1.2 微波功率對熟化甘薯片微波干燥特性的影響 不同微波功率下,熟化甘薯片微波干燥特性曲線如圖3所示,其中切片厚度固定為8 mm、裝載量固定為300 g,微波功率分別設置為200、400和600 W。由圖3可知,熟化甘薯片的水分比隨著時間的延長而持續(xù)降低,且微波功率越大,干燥曲線越陡峭,干燥到所需水分含量所需時間越短。在微波功率分別在200、400和600 W條件下,熟化甘薯片干燥時間分別為43、33和26 min。在實驗微波功率范圍內,微波干燥功率對熟化甘薯片的微波干燥時間有較為明顯的影響。其原因為:裝載量固定時,微波干燥功率越大,單位質量物料所分配到的微波功率越大,物料產(chǎn)生的熱量更快,形成與周圍熱空氣較大的水分梯度,熟化甘薯內部形成的蒸汽壓越大,其向外擴散的驅動力也越大,干燥時間也就越短。

圖3 微波功率對熟化甘薯的干燥特性曲線的影響Fig.3 Effects of microwave power on the drying characteristic curves of cooked sweet potato

圖4為不同微波功率下,熟化甘薯片微波干燥速率曲線。由圖4可知,熟化甘薯微波干燥的脫水過程也可分為加速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段三個階段。其中,微波功率越大,干燥速率越高。熟化甘薯片的干燥過程發(fā)生在恒速階段。隨著微波功率的增大,單位物料產(chǎn)生的熱量更快,形成與周圍熱空氣較大的水分梯度,熟化甘薯內部形成的蒸汽壓越大,其向外擴散的驅動力也越大。

圖4 微波功率對熟化甘薯的干燥速率曲線的影響Fig.4 Effects of microwave power on the drying rate curves of cooked sweet potato

2.1.3 切片厚度對熟化甘薯微波干燥特性的影響 微波干燥功率固定為400 W,裝載量固定為300 g,熟化甘薯切片厚度分別設置為6、8、10 mm的干燥曲線和干燥速率曲線如圖5、圖6所示。如圖5所示,隨著干燥時間的增加,熟化甘薯片的水分比呈現(xiàn)降低趨勢,且熟化甘薯的切片厚度越大,到達平衡含水率所需的時間越小。其中,在切片厚度分別在6、8和10 mm條件下,熟化甘薯片干燥時間分別為34、33和32 min。如圖6所示,熟化甘薯的干燥速率隨著物料切片厚度的減小,其干燥速率越大。熟化甘薯片切片厚度越薄,內部水分遷移的距離就越小。

圖5 熟化甘薯在不同切片厚度下的干燥特性曲線Fig.5 Effects of different slice thickness on drying characteristic curve of cooked sweet potato

圖6 不同切片厚度對熟化甘薯的干燥速率曲線的影響Fig.6 Effects of different slice thickness on the drying rate curves of cooked sweet potato

2.2 熟化甘薯片微波干燥耗能

2.2.1 裝載量對熟化甘薯微波干燥能耗的影響 在微波功率固定為400 W、物料厚度固定為8 mm的條件下,考察裝載量分別為200、300和400 g時對熟化甘薯片干燥耗能的影響。其干燥能耗曲線如圖7所示。由圖7可知,不同裝載量水分比較高及較低時,干燥能耗均有所增加。水分含量較高時,熟化甘薯片需要吸收較多的能量以加快干燥速度;而水分含量較低時,熟化甘薯片需要更多能量才能蒸發(fā)剩余的水分。其中,裝載量為200、300和400 g的熟化甘薯片能耗的平均值為3.5526、4.4653和4.8765 kJ/g。微波能耗隨著裝載量的增加而增加,但從整體來看,不同裝載量下的干燥能耗曲線幾乎重疊,說明裝載量對微波能耗的影響不明顯。

圖7 裝載量對熟化甘薯的干燥能耗曲線的影響Fig.7 Effects of loadings on the energy consumption curves of cooked sweet potato

2.2.2 微波功率對熟化甘薯微波干燥能耗的影響 不同微波功率下,熟化甘薯片微波干燥能耗曲線如圖8所示,其中微波功率分別設置為200、400和600 W。由圖8可知,不同微波功率下,水分比較高及較小時,干燥耗能均有所增加。不同微波功率下蒸發(fā)相同質量的水分的能耗是不同的。其中,微波功率為200、400和600 W的熟化甘薯片能耗的平均值為2.8235、4.4653和5.6289 kJ/g。隨著微波功率的增大,干燥耗能逐漸增大。

圖8 微波功率對熟化甘薯的干燥能耗曲線的影響Fig.8 Effects of microwave power on the energy consumption curves of cooked sweet potato

2.2.3 切片厚度對熟化甘薯微波干燥能耗的影響 在微波功率和裝載量固定的情況下,不同的切片厚度對熟化甘薯的微波干燥耗能曲線如圖9所示。由圖9可知,不同切片厚度下,水分比較高及較小時,干燥耗能均有所增加。其中,切片厚度為6、8和10 mm的熟化甘薯片能耗的平均值為5.2621、4.4653和4.8817 kJ/g。從整體來看,不同切片厚度下的干燥能耗曲線幾乎重疊,說明裝載量對微波干燥能耗的影響不明顯。

圖9 切片厚度對熟化甘薯的干燥能耗曲線的影響Fig.9 Effects of slice thickness on the energy consumption curves of cooked sweet potato

熟化甘薯片的微波干燥能耗隨著微波功率的減小,切片厚度的增大而減小。該結論與未熟化甘薯片的微波干燥[12]具有類似的結果。陳金日等[8]的研究發(fā)現(xiàn),功率增加,裝載量減少時,能耗增加但不明顯。不同試驗條件下,熟化甘薯片微波干燥能耗的范圍為2.8235～5.6289 kJ/g,未熟化甘薯片的微波干燥能耗范圍大約為3～5 kJ/g。熟化甘薯的能耗大于未熟化甘薯的微波能耗,其主要原因為,熟化和未熟化甘薯的物料差異,熟化甘薯片的含水量高于未熟化的甘薯,散失的水分高于未熟化的甘薯。

2.3 熟化甘薯微波干燥數(shù)學模型擬合

2.3.1 熟化甘薯微波干燥特性的最佳模型 運用如表1所示的4種常見的薄層干燥模型對熟化甘薯微波干燥數(shù)據(jù)進行擬合。

表1 熟化甘薯微波干燥數(shù)學模型Table 1 Mathematical drying model of cooked sweet potato slices

為了便于分析,將表1所示的式(5)～式(7)取對數(shù),其分別表示為:

圖10 不同裝載量下-t - ln(-MR) 和lnt與ln(ln(-MR))曲線Fig.10 -t - ln(-MR)and lnt 與ln(ln(-MR))curves under different loadings

ln(MR)=-kt

式(9)

ln[-ln(MR)]=lnk+nlnt

式(10)

ln(MR)=lna-kt

式(11)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制不同實驗條件下的MR-t,-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt的變化曲線如圖10～圖12所示。由圖1、圖10,圖3、圖11,圖5、圖12可知,t -MR曲線和-t- ln(-MR)曲線各點的處的斜率均存在差異,因此兩者呈現(xiàn)非線性關系,即Newton模型、Henderson and Pabis模型和Wang and Singh模型不適合于熟化甘薯片微波干燥數(shù)學模型的建立;而圖10、圖11、圖12中的lnt與ln(ln(-MR))基本呈線性關系,滿足Page方程的模型?？梢酝ㄟ^式(10)進行描述。為了簡化計算,參考王紅提等[35]方法,將式(10)進行簡化。令:

lnk=a+bP+cP2

式(12)

n=d+cP+fP2

式(13)

式中:P為微波功率密度,W/g;a,b,c,d,e,f為待定系數(shù)。

將式(12)和式(13)代入式(10)中可得:

ln[-ln(MR)]=(a+bP+cP2)+(d+eP+fP2)lnt

式(14)

利用SPSS 19.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理,并進行多元線性回歸擬合,得到不同微波功率密度下的回歸方程、相關性及待定系數(shù)。結果如表2所示。

圖11 不同功率下-t - ln(-MR)和lnt與ln(ln(-MR))曲線Fig.11 -t - ln(-MR)and lnt 與ln(ln(-MR))curves under different powers

圖12 不同切片厚度下-t - ln(-MR) 和lnt與ln(ln(-MR))曲線Fig.12 -t - ln(-MR)and lnt 與ln(ln(-MR))curves under different slice thicknesses

表2 不同功率條件下熟化甘薯片微波干燥的回歸方程及相關檢驗Table 2 Regression equation and related test for microwave drying of cooked sweet potato chips under different power conditions

表4 熟化甘薯片微波干燥Page模型系數(shù)及檢驗Table 4 Model and test of microwave drying model of cooked sweet potato slices

表3 n,k與P的關系Table 3 The relationship of n,k and P

由表4可知,回歸方程極顯著(P<0.01),且R2=0.9996,說明所選擇的Page模型擁有較為理想的擬合度。且得到的回歸方程為:

ln[-ln(MR)]=(-5.7356+0.9282P-0.1028P2)+(1.3517+0.2911P-0.05222P2)lnt

式(15)

其中,k=e-5.7356+0.9282P-0.1028P2,n=1.3517+0.2911P-0.05222P2。

本論文研究的熟化甘薯片的微波干燥最佳模型為Page模型,這與大多數(shù)物料在進行微波干燥時,在相應的試驗條件下,Page模型和Modified Page模型為最合適的干燥模型相符,如枸杞[19]、龍眼[20]、秋葵[21]和西芹[22]。

2.4 干燥動力學模型的驗證

根據(jù)參考文獻[33]的方法,選取了兩組不同微波功率時的試驗數(shù)據(jù)對模型的準確度進行檢驗,其中圖13和圖14分別是兩種不同條件下的實測值與模型值的相關性結果,從圖中可以看出,實測值與模型的預測值具有良好的擬合度(R2>0.99)。因此,Page模型可比較準確地描述熟化甘薯片的微波干燥過程中的水分變化情況。

圖13 實測值與預測值的相關性Fig.13 Correlation between the tested and predicted value

圖14 實測值與預測值的相關性Fig.14 Correlation between the tested and predicted value

3 結論

本研究探討了不同微波功率、裝載量與切片厚度對于熟化甘薯片微波干燥特性及能耗的影響。研究結果表明:熟化甘薯片的微波干燥可分為加速、恒速和降速三個階段。裝載量減小時,干燥速率明顯升高,能耗有所降低但變化不明顯;微波功率增加時,干燥速率明顯升高,能耗亦有明顯增加;熟化甘薯片切片厚度減小時,干燥速率提高,能耗無明顯差異。采用4種常見的薄層干燥模型對微波干燥過程進行擬合,結果表明Page模型是最適合描述熟化甘薯片微波干燥過程中水分變化規(guī)律的薄層干燥模型。在微波功率200～600 W,裝載量200～400 g,切片厚度6～10 mm范圍內,熟化甘薯片的微波干燥能耗為2.8235～5.6289 kJ/g。研究結果可為熟化甘薯片微波干燥工藝提供參考。