生姜微波干燥動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

田 華

（信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南 信陽 464000）

生姜是姜科姜屬多年生草本植物的根莖，味辛、性微溫，具有解表散寒、溫中止嘔、溫肺止咳、解毒的功效，具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1-2]。生姜含水量高達(dá)90%以上，常溫貯藏較困難。目前生姜加工貯藏的主要手段是薄層干燥，常用的干燥技術(shù)有微波干燥[3-4]、熱風(fēng)干燥[5-6]、真空冷凍干燥[7-9]、熱風(fēng)間歇微波耦合干燥[10-12]、紅外干燥[13]、微波-光波組合技術(shù)干燥[14]、噴霧干燥[15]、低溫吸附干燥[16-17]。微波場具有促進(jìn)物料水分快速蒸發(fā)、易自動(dòng)化操作、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[18]，微波干燥技術(shù)在食品加工中的研究較多[19-22]。目前，關(guān)于薄層微波干燥生姜的研究主要有微波干燥對全粉質(zhì)量的影響[3]及與其他干燥技術(shù)的耦合研究[10-12]。劉紹軍等[3]對微波干燥得到的生姜全粉進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：微波干燥的生姜全粉得率高、感官品質(zhì)較好、堆積密度最低、水合能力最強(qiáng)。但鮮有關(guān)于微波薄層干燥生姜?jiǎng)恿W(xué)模型構(gòu)建方面的報(bào)道。因此，本文利用微波干燥技術(shù)，通過測定生姜干基含水率、脫水率、干燥速率和水分比等指標(biāo)探討生姜傳熱傳質(zhì)特性，篩選最佳的生姜微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)生姜干燥高效低能耗干燥工藝和生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

生姜購于市區(qū)超市，外皮色黃，新鮮、多肉、無腐爛。

1.1.2 儀器與設(shè)備

EM7KCG4-NR型功率可調(diào)微波爐（最大功率700 W），AR2202CN型電子天平。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

從市場購買的新鮮生姜，切成厚度為0.5 cm、直徑約為3.5 cm的圓薄片，備用。

1.2.2 微波薄層干燥方法

將置于培養(yǎng)皿上的生姜片擺放整齊，單層放置于微波爐的中心位置，分別采用210、350、560、700 W的功率加熱10 s后天平稱重，進(jìn)行薄層干燥，直到恒重時(shí)為止[23]。設(shè)置3次重復(fù)。

1.2.3 測定項(xiàng)目與方法

1.2.3.1干基含水率（Mt）

干基含水率Mt的計(jì)算方法見公式（1）：

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率，g/g；mt、mg分別為試樣干燥至t時(shí)刻與干燥恒重時(shí)的質(zhì)量，g。

1.2.3.2 干燥速率（Dr）

干燥速率Dr的計(jì)算方法見公式（2）：

式中：Dr為干燥速率，g·g-1·h-1；Mt和Mt+Δt為干基含水率，g/g；Δt干燥間隔時(shí)間，h。

1.2.3.3 水分比（MR）

水分比（MR）用于表示一定干燥條件下，t時(shí)刻樣品的干基含水率與初始樣品干基含水率的比值，可以用來反映物料干燥速率的快慢，計(jì)算方法見公式（3）：

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的的干基含水率，g/g；M0為初始干基含水率，g/g；Me為平衡干基含水率，g/g。

1.2.3.4有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff），反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，對深入分析物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過程及優(yōu)化干燥工藝具有重要意義。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為生姜片厚度，m；t為干燥時(shí)間，s。當(dāng)物料進(jìn)行長時(shí)間干燥時(shí)，公式（4）可簡化為：

1.2.4 薄層干燥模型

物料干燥是極其復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，常用的薄層干燥模型有表1所示的6種。經(jīng)線性處理后，模型①、⑤、⑥t-lnMR呈線性，模型②lnt-ln(-lnMR)呈線性,模型③t-MR呈指數(shù)方程，模型④t-MR呈二次多項(xiàng)式回歸。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Common mathematical models of thin-layer drying

2 結(jié)果與分析

2.1 生姜微波干燥失水特性

2.1.1 微波功率對生姜微波干燥失水特性的影響

由圖1可以看出，生姜在不同微波功率下（210、350、560、700 W）的水分比MR均呈逐漸下降趨勢，且在微波功率為350 W時(shí)水分比的下降速率最大。由圖2可以看出，在相同的初始質(zhì)量下，生姜微波干燥至恒重的時(shí)間分別是t210W＞t700W＞t560W＞t350W，微波功率為350 W時(shí)生姜干燥至恒重的時(shí)間最短，這與圖1生姜微波干燥過程中微波功率350 W時(shí)水分比MR下降速率最大一致。

由圖3~4可以看出，生姜微波薄層干燥分為加速干燥階段和降速干燥兩個(gè)階段。隨著微波時(shí)間的增加，生姜脫水率逐漸增大。干燥時(shí)間100 s時(shí)，微波功率350 W的生姜干燥速率Dr達(dá)到最大值32.772 4 g·g-1·h-1，之后降低。造成此種變化的原因在于微波干燥過程中生姜自由水含量先高后低的蒸發(fā)過程，從而導(dǎo)致微波干燥速率發(fā)生由快變慢的變化。

2.1.2 微波功率對生姜微波干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的影響

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）反映了水分蒸發(fā)速率的快慢，該系數(shù)對物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過程的深入分析及干燥工藝的優(yōu)化具有重要意義。由圖5可以看出，在相同的微波功率下，干燥前期物料的Deff增加明顯，但是不同的微波功率（210、350、560、700 W）有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff差別不明顯。從干燥80 s開始，不同微波功率下物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)的變化開始加劇，微波干燥時(shí)間160 s時(shí)，350 W下物料的Deff為1.797 7×10-7m2/s，而 700、560、210 W 下物料的Deff分別為 7.148 3×10-8、6.686 5×10-8、5.377 8×10-8m2/s。干燥160 s時(shí)，微波功率350 W的生姜已經(jīng)干燥到恒重。由此可見，微波功率對生姜微波干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff影響特別大。

對不同微波功率下（210、350、560、700 W）干燥到恒重的生姜剖開面觀察，微波功率為700 W和560 W的生姜孔徑粗大，姜塊中心過早變硬；微波功率為350 W和210 W的生姜孔徑細(xì)密緊湊，姜塊中心快到恒重時(shí)才開始變硬。結(jié)合圖1~5可推測：生姜由于纖維含量高，較大的微波功率（560、700 W）可能使干燥后的生姜孔徑粗大，姜塊中心過早變硬反而不利于水分的蒸發(fā)；較小的微波功率（210、350 W）因功率小，有效水分?jǐn)U散系數(shù)小，水分蒸發(fā)速度慢，從而導(dǎo)致生姜干燥到恒重的耗時(shí)長。對比4個(gè)微波功率的干燥效果，350 W微波干燥時(shí)各參數(shù)最佳。目前，微波干燥過程中干燥樣品硬度等品質(zhì)的細(xì)微變化研究較少，還需結(jié)合電鏡觀察等深入研究。

2.2 生姜微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)

干燥模型的建立對研究干燥變化趨勢、預(yù)測干燥質(zhì)量及干燥工藝參數(shù)有非常重要的作用。描述薄層干燥過程常用的動(dòng)力學(xué)模型有6種，模型方程如表1所述。根據(jù)生姜微波薄層干燥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別制作不同微波功率的t-(-lnMR)、t-MR、lnt-ln(-lnMR)曲線。

由圖6可見，圖中4個(gè)線性回歸方程的R2均小于0.9，故不符合Newton、HendersonandPabis和Logaritlunic模型；由圖7可見，圖中4個(gè)回歸方程的R2均大于0.97，符合Two term模型；由圖8可知，圖中4個(gè)線性回歸方程R2均大于0.97，符合Page模型；由圖9可以看出，圖中4個(gè)回歸方程的R2均大于0.98，符合Wang and Singh模型。因此，Page方程、Two term方程和Wang and Singh方程均可作為生姜微波干燥動(dòng)力學(xué)模型。其次，采用SPSS軟件對得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)值殘差平方和RSS、決定系數(shù)R2、卡方χ2進(jìn)行對比，確定最佳模型。

分別將MR-t關(guān)系圖中各曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求得不同干燥功率下的R2值，目的是找到最佳的生姜片微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型。通常R2越高，同時(shí)χ2值和RSS值越小，動(dòng)力學(xué)模型的擬合度和準(zhǔn)確性越高。由表2可以看出，Page方程在不同的微波功率下擬合得到方程的R2均大于 0.979，χ2≥6×10-4，RSS≤0.004，說明Page方程最適于描述生姜片微波薄層干燥過程。由表2中Page方程的各參數(shù)可以看出，隨著微波功率增加，N值先增后降，r值無明顯變化趨勢。

表2 薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型數(shù)值分析Table 2 Statistical analysis of thin-layer drying dynamic models

3 結(jié)論

為研究生姜微波薄層干燥特性，本論文研究了鮮姜片在不同微波功率下（210、350、560、700 W）薄層干燥的動(dòng)力學(xué)特性，試驗(yàn)表明：生姜干燥前期的干燥速率、脫水率、Deff增加明顯，MR值下降明顯，干燥后期各參數(shù)變化與干燥前期相反，350 W是生姜微波干燥的最佳功率。采用6種常用的食品薄層干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過比較決定系數(shù)R2、殘差平方和RSS、卡方 χ2得出，Page 方程對生姜片微波薄層干燥過程的擬合度最高，這為鮮姜片微波薄層干燥技術(shù)應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。