脫水過程中蠶豆種子內(nèi)部水分相態(tài)變化及表面水分損失動力學(xué)研究

諸 凱,李言潔,王雅博,王金山

(天津商業(yè)大學(xué),天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300134)

蠶豆種子作為一種生命材料,與土豆、蘋果等食品的干燥不一樣,有種子發(fā)芽的要求,在保存時對種子活性要求高,收獲后的蠶豆種子需要及時脫水到安全含水率才能長期儲藏。并且因其脫水(傳熱和傳質(zhì))在細(xì)胞層面所展現(xiàn)出的規(guī)律特征,對研究其他種子的長期存活也有一定借鑒作用。熱風(fēng)干燥設(shè)備簡單,操作方便,但傳熱效率較低,產(chǎn)品內(nèi)外干燥不均,易出現(xiàn)表皮硬化現(xiàn)象,不利于內(nèi)部水分排出;微波干燥是從物料的內(nèi)部開始加熱,具有時間短、速度快的特點(diǎn),但由于微波較強(qiáng)的穿透性,使物料內(nèi)部水分快速遷移至表面,致使表面積存大量水分,造成樣品內(nèi)部較硬,表面焦化現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。低溫真空干燥是指物料在具有一定真空度的密閉容器內(nèi)低溫加熱,使物料內(nèi)部的水通過壓力差或濃度差擴(kuò)散到表面,而后被真空泵抽走的干燥方法[2]。既能避免食品物料在高溫下引起的熱力損傷,又能防止冰晶在凍結(jié)過程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷,使物料呈現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)性能。因此對于種子儲存,多采用低溫真空干燥方式將種子脫水到指定含水率進(jìn)行保存。

低場核磁共振(low-filed nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是利用氫原子核在磁場中的自旋弛豫特性[3],通過弛豫時間的變化從微觀的角度解釋樣品中水分的分布變化和遷移情況,具有快速、準(zhǔn)確、無損、無侵入等優(yōu)點(diǎn)[4]。生命組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜,干燥過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水分形態(tài)變化難以了解[5],為更直觀地觀察組織內(nèi)部的水分流動特性,研究人員利用核磁共振技術(shù),觀察到植物組織內(nèi)至少存在兩種或以上的水分相態(tài)[6-11]。Almeida等[6]對硬木材分離出了三種不同形式的水分:導(dǎo)管分子中的液態(tài)水,纖維和薄壁組織中的液態(tài)水以及結(jié)合或細(xì)胞壁水;張緒坤等[7]將胡蘿卜在熱風(fēng)干燥過程中的水分相態(tài)劃分為自由水、半結(jié)合水和結(jié)合水;宋平等[8]發(fā)現(xiàn)水稻浸種過程中種子內(nèi)部水分存在結(jié)合水、自由水2種水分狀態(tài),同時可區(qū)分出內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分分層;Xu等[9]檢測到西蘭花存在三種不同束縛大小的水分,分別是液泡和木質(zhì)部中流動性較高的水分,細(xì)胞質(zhì)中與大分子(如蛋白質(zhì))相互作用的流動性較低的水分以及與細(xì)胞壁多糖結(jié)合的束縛水;Khan等[10]對植物組織細(xì)胞間水、細(xì)胞內(nèi)水和細(xì)胞壁水三種水環(huán)境下的水分進(jìn)行了相態(tài)劃分,胞間水稱為毛細(xì)水或游離水,其束縛程度較弱的胞內(nèi)水為松散束縛水(LBW),而細(xì)胞壁水則為強(qiáng)束縛水(SBW);然而在研究吸濕性食品在干燥過程中細(xì)胞膜破裂現(xiàn)象時,Khan等[11]又認(rèn)為在不同的細(xì)胞環(huán)境中含有游離(FW)和結(jié)合(BW)水。目前,此技術(shù)已成功應(yīng)用于肉質(zhì)食品加工、谷物干燥、果蔬儲存等的干燥過程中的水分相態(tài)及其變化形式,但對蠶豆種子真空脫水過程中水分存在相態(tài)尚無報(bào)道。

脫水是一種常用的果蔬、種子保存方法。然而,因?yàn)橹参飪?nèi)部結(jié)構(gòu)以及熱質(zhì)傳遞的復(fù)雜性,了解實(shí)際傳熱傳質(zhì)過程對優(yōu)化能源效率和保持食材質(zhì)量至關(guān)重要[12]。干燥過程中的水分和溫度分布及其傳輸機(jī)制是非常重要的,而水分輸送速率取決于細(xì)胞的大小和方向,以及樣品中細(xì)胞水的類型[13]。因此本文將利用核磁共振技術(shù)觀察蠶豆脫水過程中細(xì)胞層面的水分?jǐn)U散行為,并數(shù)值模擬其傳熱傳質(zhì)過程,減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),降低成本，從而將微觀層面的水分相態(tài)轉(zhuǎn)變與宏觀含水率變化相結(jié)合,研究蠶豆種子在低溫真空環(huán)境下的溫度分布、水分分布以及水分狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律,以及環(huán)境條件對脫水的影響,為蠶豆種子真空干燥工業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)品保藏研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠶豆 新鮮蠶豆樣品在當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I,在使用前在2～4 ℃條件下儲存,初始濕基含水率為65%～70%,單粒約重2.352 g,長25.3 mm,寬17.4 mm,厚8.3 mm。所選樣品大小均勻,無病。

NMI20-025V-I核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技公司;FA2204C電子天平 分度值0.1 mg,上海越平科學(xué)儀器公司;T型熱電偶 0.13 mm,日本;ST700壓力變送器 美國霍尼韋爾;GM10數(shù)據(jù)采集器 日本恒河公司;XODC-1030A低溫恒溫器 南京先歐儀器制造有限公司;JK-100.4擴(kuò)散真空泵(真空室由不銹鋼筒體和平板組成,底部厚度設(shè)計(jì)為1 mm) 上海五洲真空設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低溫真空脫水實(shí)驗(yàn) 將被干燥的物料在高于物料共晶點(diǎn)溫度下的低溫環(huán)境中進(jìn)行凍結(jié),然后將其置于高真空環(huán)境中,使物料中的水分蒸發(fā),從而將物料中的水分除去[14]。大多數(shù)蠶豆在-1 ℃左右的溫度下開始結(jié)冰,當(dāng)溫度繼續(xù)降低至約-5 ℃時,其70%～80%的水分結(jié)冰,蠶豆即隨之變硬。在-5～-1 ℃的溫度下,冰結(jié)晶大量的形成,稱為蠶豆冰結(jié)晶最大形成階段。若溫度進(jìn)一步降低至-35～-30 ℃,凍結(jié)過程隨即完成。本實(shí)驗(yàn)選擇0 ℃以上的幾個溫度作為蠶豆脫水溫度,可以避免蠶豆內(nèi)部水分結(jié)冰使內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)受損,以及便于觀察不同相態(tài)水分間的轉(zhuǎn)化。將挑選好的蠶豆放入低溫真空干燥腔中,通過低溫恒溫水浴裝置設(shè)置腔內(nèi)溫度為0、4、8 ℃,調(diào)節(jié)真空泵控制閥使腔內(nèi)真空度穩(wěn)定在95、97、99 kPa。每脫水1 h后,用電子天平測量不同時刻(0～30 h)的蠶豆重量,計(jì)算此刻蠶豆種子的含水率。

1.2.2 核磁共振分析 設(shè)置核磁共振成像分析儀的檢測溫度,使其穩(wěn)定在32 ℃。將脫水實(shí)驗(yàn)得到的蠶豆樣品,立即放入放樣管中進(jìn)行檢測。利用核磁共振波譜分析軟件中的FID(free induction decay)脈沖序列尋找磁場的中心頻率及硬脈沖脈寬,之后選取硬脈沖回波序列CPMG(carr-purcell-meiboom-gillsequence)測定蠶豆樣品的橫向弛豫時間T2[15],通過弛豫時間的變化從微觀的角度解釋蠶豆樣品中的水分狀態(tài)、含量變化和遷移方向。

1.3 數(shù)值模擬方法

1.3.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分 根據(jù)圖1(a)蠶豆種子實(shí)際形狀,采用Pro ENGINEER 5.0建模軟件對蠶豆種子三維重構(gòu),形成三維實(shí)體,從而建立蠶豆的幾何模型,如圖1(b)。圖1(b)中五點(diǎn)為蠶豆不同位置點(diǎn)處坐標(biāo),長、寬、高方向分別用y、x、z軸表示,蠶豆中心點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0,0)。模型中x方向的最大寬度為19 mm,最小寬度為17 mm;y方向的最大長度為26.5 mm,最小長度為9 mm;z方向最大厚度在兩頭為10 mm,中間部位最薄為7.8 mm。將此三維幾何模型導(dǎo)入多物理場耦合計(jì)算模擬軟件COMSOL Multiphysics 5.4中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共包含764036個自由四面體網(wǎng)格,如圖1(c)。

圖1 幾何模型建立

1.3.2 熱濕傳遞模型及定解條件 為研究蠶豆在低溫真空脫水過程中的熱質(zhì)傳遞機(jī)理以及其內(nèi)部水分分布規(guī)律,根據(jù)生物多孔介質(zhì)中溫度、水分之間復(fù)雜的耦合關(guān)系,基于菲克擴(kuò)散定律、傅立葉導(dǎo)熱定律等,運(yùn)用有限元法COMSOL Multiphysics 軟件平臺數(shù)值模擬蠶豆水分遷移過程。其中需要考慮以下兩種物理效應(yīng):稀物質(zhì)傳遞(tds)以及固體傳熱(ht)分別描述水分濃度和溫度的瞬態(tài)物理場接口。此模型不對蠶豆外部的對流速度場進(jìn)行建模,因?yàn)橐呀o定與周圍空氣發(fā)生對流傳熱和水分傳遞的系數(shù)。模型基于以下假設(shè):忽略變形不影響熱質(zhì)傳遞,因此當(dāng)僅研究脫水過程中熱質(zhì)傳遞機(jī)理可以忽略蠶豆種子體積和外形的變化;初始時刻蠶豆內(nèi)部水分和溫度均勻分布;蠶豆物性為各向同性。

1.3.2.1 傳熱模型 控制方程:

式(1)

式中,ρeff-蠶豆有效密度,取平均值1210 kg/m3;cp,eff-蠶豆恒壓比熱容,取1859 J/(kg·K);T-蠶豆內(nèi)部溫度,K;t-時間,s;λeff-蠶豆的導(dǎo)熱系數(shù),實(shí)測取平均0.52W(m·K);Q-熱源,W。

蒸發(fā)需要能量,由邊界熱源條件表征:

Q=-Hvaphd(cb-c)

式(2)

式中,Hvap-水的蒸發(fā)潛熱,取2459.1 kJ/mol;hd-蠶豆的傳質(zhì)系數(shù),采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,范圍0.0166～7.67×10-6m/s;cb-空氣水分濃度,取1377.8 mol/m3;c-蠶豆任意時刻的水分濃度,mol/m3(水分濃度均以蠶豆的水分濃度為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換)。

邊界條件:

式(3)

初始條件:

T|t=0=T0

式(4)

式中,h-蠶豆表面對流換熱系數(shù),取10 W/(m2·K)[16];Tb-冷空氣溫度,取0、4、8 ℃;T0-蠶豆初始溫度,取25 ℃。

1.3.2.2 傳質(zhì)模型 控制方程:

式(5)

邊界條件:

式(6)

初始條件:

c|t=0=c0

式(7)

式中,Deff-蠶豆的水分有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s;c0-蠶豆初始水分濃度,取46844 mol/m3。

實(shí)驗(yàn)含水率數(shù)據(jù)采用以下公式進(jìn)行無量綱化:

式(8)

式中,MR-無量綱含水率;Mt、Me和M0分別為任意時刻的干基含水率、脫水平衡時所對應(yīng)的干基含水率以及初始時刻的干基含水率,kg水/kg干物質(zhì),可簡化為Mt/M0。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)是衡量水分輸送能力的重要參數(shù)。水分?jǐn)U散是物料從中心到表面的主要傳質(zhì)機(jī)制[17]?；诜瓶藬U(kuò)散第二定律,采用Crank(1975)的含水率與脫水時間的關(guān)系:

式(9)

式中,M為蠶豆平均含水率,F0表示傳質(zhì)過程中的傅立葉數(shù),n為傅立葉數(shù)的項(xiàng)。此公式非常適合真空脫水,且內(nèi)部傳質(zhì)阻力是控制整個傳質(zhì)過程的主要機(jī)制。水分有效擴(kuò)散系數(shù)則可以表示如下[18]:

式(10)

式中，Deff為水分的有效擴(kuò)散率;L表示特征長度(假設(shè)蠶豆為平板,厚度方向);t是脫水時間。通過實(shí)驗(yàn)可以得到L以及不同時刻的M,利用二分法由式(9)可以得到F0,其中n=60。然后再對F0求導(dǎo),確定有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨時間變化的規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 核磁共振實(shí)驗(yàn)

2.1.1 NMR總信號幅值與純水含量關(guān)系分析 確定純含水量與核磁共振總信號幅值(峰面積總和)的關(guān)系,如圖2所示。可以看出蠶豆水含量與NMR信號幅值呈顯著的線性關(guān)系,并且可由回歸方程求得脫水過程中各狀態(tài)水分的含量。因此,通過分析核磁共振弛豫譜可以間接反映出蠶豆種子脫水過程水分的分布及遷移規(guī)律[19]。由于含水量與信號幅值之間呈線性關(guān)系,蠶豆水含量變化則可由核磁共振信號幅值定量表示,以便觀察和分析。

圖2 NMR總信號幅值與純水含量擬合曲線

核磁共振橫向弛豫譜(transverse relaxation spectrum),即T2弛豫譜,給出了T2弛豫譜信號幅值以及對應(yīng)的 T2弛豫時間,其中前者與純水含量有關(guān),后者反映了水分相態(tài)信息[20]。不同化學(xué)微環(huán)境中的質(zhì)子具有不同的橫向時間[21],T2弛豫時間越短,質(zhì)子的自由度越小,對應(yīng)狀態(tài)的水分越不易被排出;T2弛豫時間越長,質(zhì)子的自由度越大,對應(yīng)狀態(tài)的水分越易被排出[22]。植物性食品材料具有多孔性和吸濕性,組織內(nèi)包含細(xì)胞間水、細(xì)胞內(nèi)水和細(xì)胞壁水三種水環(huán)境[5]。借鑒Sun等[23]對微波真空干燥過程中果蔬的水分狀態(tài)劃分方法,新鮮蠶豆一般有3～4個峰,較短弛豫時間范圍T21(0.01～1 ms)對應(yīng)與細(xì)胞內(nèi)大分子結(jié)合的結(jié)合水,較長弛豫時間范圍T22(1～50 ms)對應(yīng)親附于組織膠體表面的半結(jié)合水,以及最長弛豫時間范圍T23(50～300 ms)對應(yīng)游離在細(xì)胞間,自由度較高的自由水。

蠶豆在溫度為4 ℃、真空度為97 kPa的環(huán)境中脫水,并利用核磁共振技術(shù)檢測其水分含量與狀態(tài)。將脫水不同時長的T2弛豫譜放到同一坐標(biāo)軸上,可以觀察到其水分變化的過程,如圖3所示。顯然,隨著脫水時間的延長,信號幅值總是往低橫向弛豫時間方向遷移,最終趨于零。這是由于自由度高的水分不斷蒸發(fā)并減少,使整個蠶豆的水分狀態(tài)逐漸趨于自由度低的狀態(tài)。

圖3 蠶豆在4 ℃、97 kPa條件下T2弛豫譜隨脫水時間的變化

2.1.2 蠶豆內(nèi)部水分狀態(tài)變化規(guī)律 圖4為三種水分狀態(tài)占比隨脫水時間變化,圖5是各狀態(tài)水分對應(yīng)的信號幅值隨脫水時間變化。從圖4、圖5中可以看出在低溫真空脫水過程中,總體水含量不斷減少,各相態(tài)水分含量也在不斷變化。自由水含量最多,因其自由度高,在脫水開始后迅速向外排出,一直不斷減少,約12 h蒸發(fā)完。半結(jié)合水在自由水大部分被脫除前不會向外逸出,且在前8 h還會緩慢增多,這是由于葡萄糖、果糖等碳水化合物濃度的升高,小部分自由水向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化,另一方面,隨著脫水的進(jìn)行,物料內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)以及酶分解出的結(jié)合水也會轉(zhuǎn)化為半結(jié)合水[24]。同時,由于自由水的減少,也使得半結(jié)合水占比在前12 h內(nèi)持續(xù)上升,在此之后開始減少,在t=26 h時含量減少了88.5%。結(jié)合水占比雖然一直在增大,但受到的束縛最強(qiáng),為維持細(xì)胞內(nèi)外水分濃度平衡,含量僅小幅度波動變化,到t=26 h時含量減少了45.3%。

圖4 各水分狀態(tài)含水比率隨脫水時間變化

圖5 三種水分狀態(tài)水含量隨脫水時間變化

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的數(shù)值估計(jì) 蠶豆水分?jǐn)U散系數(shù)Deff隨時間變化的結(jié)果如圖6所示。與預(yù)期一樣,真空和溫度對Deff的影響是顯而易見的。Deff值先迅速增大,達(dá)到最大值,然后隨時間逐漸減小。在高真空環(huán)境下,隨著溫度的升高,Deff的變化更加明顯。這是因?yàn)楫?dāng)真空度較高時,水分更容易變成水蒸氣,導(dǎo)致Deff更易增大,而當(dāng)脫水時間超過8 h后,兩個因素的影響都較弱。實(shí)驗(yàn)得到的平均有效水分?jǐn)U散系數(shù)為0.65～2.97×10-10m2·s-1,與Zogzas等[25]分析的生物材料有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍在10-9～10-11m2·s-1內(nèi)的結(jié)果一致。然后將計(jì)算得到的水分?jǐn)U散系數(shù)結(jié)果作為參數(shù)輸入模型中,對蠶豆脫水過程進(jìn)行模擬。

圖6 蠶豆脫水過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨時間的變化

2.2.2 模型驗(yàn)證 模型驗(yàn)證主要通過比較試驗(yàn)和模擬蠶豆脫水曲線。圖7表示溫度為4 ℃、真空度為97 kPa時,初始溫度為25 ℃的蠶豆脫水實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的對比曲線。從圖7中可看出,蠶豆實(shí)驗(yàn)曲線和模擬脫水曲線趨勢一致,兩者之間最大相對誤差為15%,低于一般數(shù)值模擬的20%精度要求,因此數(shù)學(xué)模型得到驗(yàn)證。

圖7 模擬與實(shí)驗(yàn)蠶豆脫水曲線

2.2.3 蠶豆在低溫真空環(huán)境的溫度分布 模擬了初始溫度為25 ℃(298.15 K)的蠶豆,在溫度為4 ℃、真空度為97 kPa的環(huán)境下的脫水過程,其脫水初期的溫度分布及各內(nèi)部點(diǎn)(位置示意圖見圖1(b))處溫度變化曲線,如圖8、圖9所示。在脫水初期,蠶豆表面與外部環(huán)境存在壓力差,導(dǎo)致水分?jǐn)U散系數(shù)急劇增大,水分迅速蒸發(fā),帶走大部分熱量,使得蠶豆溫度急劇下降。因此在0.7 h內(nèi)蠶豆溫度下降了約25 K,之后水分?jǐn)U散減慢,蠶豆與空氣之間對流換熱,溫度緩慢上升3～6 K,直至達(dá)到冷空氣溫度277.15 K。從圖9中可以看出,外部點(diǎn)4溫度變化最大可達(dá)26.7 K,內(nèi)部點(diǎn)溫度變化最小,這表示蠶豆邊界點(diǎn)較中心位置降溫快,導(dǎo)致在脫水初期內(nèi)部會存在溫度梯度。在t=0.3 h時刻內(nèi)部點(diǎn)和外表面溫差可達(dá)17 K,隨著熱量的傳遞,溫差逐漸減小,直至為零,使整個蠶豆溫度均勻且與外部空氣溫度一致。

圖8 不同時刻蠶豆內(nèi)部溫度分布

圖9 蠶豆各內(nèi)部點(diǎn)溫度變化曲線

2.2.4 蠶豆在低溫真空環(huán)境的水分分布 圖10為蠶豆在溫度為4 ℃、真空度為97 kPa的模擬環(huán)境下,不同時刻(t=5,10,15,20,25 h)中心點(diǎn)處XY截面的蠶豆內(nèi)部水分分布圖?？梢钥吹?蠶豆內(nèi)部水分在兩頭各為中心向外擴(kuò)散。這是因?yàn)樾Q豆中間部分比較薄,而上下兩頭比中間凹陷部分更厚,當(dāng)蠶豆表面的水分向周圍空氣逸出后,由于厚度不均,其內(nèi)部水分濃度也呈不均勻分布。蠶豆種子內(nèi)部的水分在初始時刻呈均勻分布,隨著脫水的進(jìn)行,水分通過邊界不斷向周圍環(huán)境蒸發(fā),使得整個種子呈現(xiàn)中心含水量相對更高的水分不均勻分布狀態(tài)。

圖10 不同時刻蠶豆內(nèi)部水分分布

圖11是蠶豆內(nèi)部點(diǎn)含水率模擬變化曲線。顯然,外部點(diǎn)4比內(nèi)部點(diǎn)1脫水更快,在t=3 h時含水率相差約0.65。與核磁共振水分相態(tài)結(jié)合分析可知,在脫水過程的前10 h內(nèi),自由水迅速蒸發(fā);在10～15 h期間,自由水蒸發(fā)完全,大量半結(jié)合水開始蒸發(fā),但蒸發(fā)速度較慢,這是由于整體含水率較低,內(nèi)外濃度差較小,導(dǎo)致脫水緩慢;而在15～30 h內(nèi),結(jié)合水和剩余的小部分半結(jié)合水極其緩慢地蒸發(fā),蠶豆含水率僅略有降低。在真空脫水過程中,物料表面水分蒸汽與干燥腔內(nèi)蒸汽存在壓力差,且壓力越低,水的沸點(diǎn)越低,傳熱溫差越大,物料的水分蒸氣壓與干燥室內(nèi)蒸汽分壓的壓差越大[26],自由水越容易蒸發(fā)被抽走,移動性降低。隨著干燥的進(jìn)行,物料表面水分減少,內(nèi)部擴(kuò)散阻力增加,水分的不易流動性增強(qiáng),各狀態(tài)水分的自由度降低,引起蒸發(fā)速度減慢[3]。

圖11 蠶豆各內(nèi)部點(diǎn)無量綱含水率變化曲線

2.2.5 溫度和壓力對蠶豆脫水特性的影響 在不同溫度和真空條件下,蠶豆脫水過程中無量綱含水率隨時間的變化如圖12所示。結(jié)果表明,在所有情況下,含水率均隨溫度和真空度的升高而迅速降低。隨著干燥腔內(nèi)壓力的降低,即真空度增加,周圍空氣中的水分濃度降低,分壓梯度引起氣相水分向表面遷移,從而促進(jìn)水分蒸發(fā);隨著溫度升高,水分蒸發(fā)加快,蒸發(fā)速率增大,加快脫水過程。而在同一時刻,8 ℃脫水環(huán)境下的蠶豆含水率比0 ℃時的含水率降低了29.925%;99 kPa脫水環(huán)境下的蠶豆含水率比95 kPa時的含水率降低了39.273%。這表明真空壓力對含水率影響更大。并且隨著溫度和真空度的升高,脫水時間也縮短。在97 kPa下,溫度從0 ℃上升到8 ℃,脫水時間縮短了7 h。在4 ℃條件下,從95～99 kPa,脫水時間縮短5.5 h。這是由于溫度和真空度的升高,提高了水蒸氣壓力,從而加強(qiáng)了蠶豆內(nèi)部的水分傳遞,縮短了脫水時間。此外,溫度對脫水時間的影響更為重要。因此在種子保存時,若要得到含水率更低的種子,可以考慮適當(dāng)增大真空度來實(shí)現(xiàn);而若要快速達(dá)到指定含水率狀態(tài),可以通過提高脫水溫度來控制。

圖12 不同環(huán)境溫度(a)或真空度(b)下含水率變化模擬曲線

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)并模擬的方法研究了不同溫度和真空度條件下蠶豆種子的脫水過程,結(jié)合核磁共振技術(shù)檢驗(yàn)了不同時刻種子內(nèi)部的水分相態(tài),分析了溫度、壓力對蠶豆脫水特性的影響,研究表明,蠶豆組織有三種水分相態(tài),在自然成熟后摘取的蠶豆種子內(nèi)部通常會同時存在。自由水游離于細(xì)胞間隙,當(dāng)外界施加壓力和溫度時,迅速向外排出。而半結(jié)合水在自由水大部分被脫除前不會向外逸出,且在脫水前期會有部分自由水和結(jié)合水向其轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致含量增多。結(jié)合水受到大分子束縛,為維持細(xì)胞內(nèi)外水分濃度平衡,含量僅小幅度波動變化,只有長時間脫水才有可能使之完全脫完;真空壓力對脫水樣品整體的含水率影響更大,而溫度對脫水時間的影響更為重要,在種子保存時,應(yīng)根據(jù)期望樣品達(dá)到的狀態(tài)以及可接受的脫水時間適當(dāng)提高真空壓力或者脫水溫度。

本研究通過研究脫水過程蠶豆種子微觀和宏觀的水分變化,為種子工業(yè)化保存提供了理論依據(jù)。而脫水過程中還伴隨著種子的收縮變形,未來應(yīng)著重研究種子力學(xué)行為與水分?jǐn)U散之間的關(guān)聯(lián)以及相互影響,完善種子保存的理論基礎(chǔ)。