即食慈姑片微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型研究

唐小閑段振華任愛清段偉文羅瀚森林承珍蒙麗雅

(1. 賀州學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899)

慈姑(Sagittariatnfolia)又稱茨菇，為澤瀉科、慈姑屬單葉子多年生沼澤宿根草本植物，在中國被廣泛栽培，資源十分豐富[1-2]。慈姑具有菜食和藥用價(jià)值，其主要食用部分為球莖，球莖中富含粗纖維、脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)及鐵、鋅、硒等[3]，慈姑多糖具有提升免疫力功能和增強(qiáng)抗氧化作用[4]、秋水仙堿有抗痛風(fēng)和抗癌作用[5]。但由于鮮食慈姑有特殊甘苦味，部分消費(fèi)者難以接受，近年來慈姑價(jià)格處于低迷狀態(tài)，銷量不穩(wěn)定、甚至出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了慈姑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年關(guān)于慈姑加工相關(guān)研究主要集中在慈姑淀粉特性[6]、多糖提取工藝[4]、揮發(fā)性風(fēng)味成分分析[7]、慈姑渣粉面包[2]和慈姑餅干[8]等方面，關(guān)于慈姑干燥的研究集中在慈姑片的自然晾曬風(fēng)干、電箱烘烤、熱風(fēng)干燥、微波干燥、熱風(fēng)—微波干燥[1]，慈姑粉的噴霧干燥[9]，關(guān)于采用微波干燥膨化方法加工經(jīng)調(diào)味處理的即食慈姑片的研究未見報(bào)道。

微波干燥技術(shù)具有特殊的膨化功能，且穿透力強(qiáng)、利用率高，微波加熱過程中，由于微波能轉(zhuǎn)化熱能被物料吸收，物料內(nèi)部快速升溫、壓力增大推動(dòng)水分遷移和蒸發(fā)，同時(shí)，物料內(nèi)外壓力差致使物料細(xì)胞膨脹，物料整體的膨化形成疏孔隙結(jié)構(gòu)[10-11]。因此利用微波干燥膨化加工慈姑片制作即時(shí)休閑食品前景寬廣。

研究擬以慈姑為對象，探究即食慈姑片在厚度、鋪料密度和微波功率密度等條件下的微波干燥特性，利用干燥方程構(gòu)建即食慈姑片微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型，以期為即食慈姑片微波干燥參數(shù)的優(yōu)化及實(shí)際干燥工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮慈姑：無機(jī)械損壞、大小均勻，賀州市源貿(mào)易商行；

食用鹽、白砂糖、味精：市售。

1.2 主要儀器

微波爐：G70D20CN1P-D2(S0)型，廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，德國Sartorius公司；

水分測定儀：MX-50型，日本AND公司；

電磁爐：C21-WT2118型，廣東美的生活電器制造有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 即食慈姑片加工工藝流程及前處理

(1) 加工工藝流程：

慈姑→清洗→去皮、去蒂→切片→浸漬調(diào)味→瀝干→擺盤→微波脆化→冷卻→裝袋→檢驗(yàn)→成品

(2) 慈姑脆片前處理：挑選、清洗、去皮、切片、瀝水備用。以慈姑片50 g、調(diào)味液按70 ℃ 熱水200 mL為基準(zhǔn)，加入食用鹽5 g、白砂糖45 g、食用味精2.5 g的量進(jìn)行調(diào)配液調(diào)配，放入慈姑片調(diào)味，設(shè)置電磁爐120 W加熱10 min 后取出，瀝水，備用。

1.3.2 厚度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 在慈姑片鋪料密度0.20 g/cm2、微波功率密度7.0 W/g，分別考察慈姑片厚度為2，3，4 mm時(shí)對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止[12]。

1.3.3 鋪料密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 在慈姑片厚度為3 mm、微波功率密度7.0 W/g，分別考察慈姑片鋪料密度為0.16，0.20，0.24 g/cm2時(shí)對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止。

1.3.4 微波功率密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響

在慈姑片厚度為3 mm、鋪料密度0.20 g/cm2，分別考察慈姑片微波功率密度為4.2，5.6，7.0，8.4，9.8 W/g時(shí)對慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過程中，每加熱1 min 記錄樣品重量，樣品干燥接近恒重為止。

1.3.5 干基含水率測定 通過用MX-50型水分測定儀測定慈姑調(diào)味處理后濕基平均含水率，物料濕基初始含水率W0=(68.0±0.5)%。微波每加熱一次結(jié)束，從分析天平讀取慈姑片質(zhì)量，根據(jù)式(1)計(jì)算干基含水率[13]。

(1)

式中：

Xt——慈姑片干燥至t時(shí)刻的干基含水率，%；

Gt——慈姑片干燥至t時(shí)刻的總質(zhì)量，g；

G——慈姑片絕干物料質(zhì)量，g。

1.3.6 干燥速率的測定 干燥速率是指在一定的干燥條件下物料在單位時(shí)間內(nèi)水分含量的變化，是研究干燥特性的一個(gè)重要參數(shù)，用來反映物料在干燥過程中脫水的快慢程度。干燥速率按(2)計(jì)算[14-15]。

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/min；

Δt——相鄰2次測量的時(shí)間差，min；

Mt+Δt——t+Δt時(shí)刻慈姑片的干基含水量，g；

Mt——t時(shí)刻慈姑片的干基含水量，g。

1.3.7 水分比的測定 按式(3)計(jì)算[16-17]。

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥至t時(shí)刻樣品的干基含水率，%；

M0——樣品初始干基含水率，%；

Me——樣品平衡干基含水率，%。

由于Me較M0和Mt顯得非常小，通?？梢院雎圆挥?jì)，故可將式(3)簡化成式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

1.3.8 干燥模型擬合 物料干燥是一個(gè)非常復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，使用數(shù)學(xué)模型研究食品干燥特性以及預(yù)測和優(yōu)化干燥工藝參數(shù)具有重要作用，建立干燥模型已成為干燥技術(shù)研究的重要內(nèi)容。試驗(yàn)選了6種比較常用的干燥模型[13,18]進(jìn)行慈姑片微波干燥模型線性擬合，選用的6種干燥模型及其線性化處理表達(dá)式見表1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.5進(jìn)行圖表繪制，用Excel 2010和SPSS 22.0對即食慈姑片微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 即食慈姑片微波干燥特性

2.1.1 厚度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 由圖1(a)可知，鋪料密度和功率密度恒定時(shí)，慈姑片干基含水率隨干燥時(shí)間的延長持續(xù)下降，慈姑片厚度越小，干燥曲線越陡峭，所需干燥時(shí)間越短，厚度為2，3，4 mm時(shí)，干燥時(shí)間分別為34，38，46 min。由圖1(b)可知，即食慈姑片微波干燥過程主要表現(xiàn)為加速、降速2個(gè)階段，沒有明顯的恒速階段。干燥速率是指單位時(shí)間內(nèi)物料蒸發(fā)的水分質(zhì)量。厚度為2，3，4 mm時(shí)，物料干燥速率最大值分別為2.135，1.940，1.655 g/min，說明慈姑片厚度越小，越縮短了熱量向物料表面?zhèn)鬟f和水分從物料中心向外擴(kuò)散的距離，內(nèi)部水分遷移阻力變小，傳質(zhì)與傳熱的速度加快[19]，從而干燥速度也越快。在加速階段，物料含水率較高，干燥速率加速較快；在降速階段，物料熱能吸收能力隨含水率降低而減小，干燥速率明顯下降。因此，干燥條件恒定情況下，可通過減小物料厚度提高物料干燥速率。

表1 6種干燥數(shù)學(xué)模型?

2.1.2 鋪料密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響 由圖2(a)可知，物料厚度和功率密度恒定時(shí)，隨著物料鋪料密度增大，物料含水率下降緩慢，干基含水率降至平衡耗時(shí)越長。物料裝載量分別為1.96，2.94，3.93 kg/m2的干燥時(shí)間為26，38，44 min。由圖2(b)可知，物料厚度和功率密度恒定，物料鋪料密度最大為0.24 g/cm2時(shí)，干燥曲線加速、恒速、降速各階段均較明顯，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢；而物料鋪料密度較小時(shí)，如0.16 g/cm2和0.20 g/cm2，干燥曲線加速和降速階段的干燥速率變化越劇烈，含水率下降越快，但未顯現(xiàn)恒速階段。原因是在相同微波功率密度下，鋪料密度越大，總含水量越大，單位時(shí)間內(nèi)物料所吸收的微波能越小[20]，物料水分蒸發(fā)量越小，物料干燥速率越小，干燥時(shí)間越長。

圖1 不同厚度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

圖2 不同鋪料密度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

2.1.3 微波功率密度對慈姑片微波干燥特性的影響 由圖3(a)可知，在物料厚度和鋪料密度恒定下，微波功率密度越大，干燥曲線越陡峭，干基含水率降至平衡所經(jīng)歷的時(shí)間越短，微波功率密度為9.8，8.4，7.0，5.6，4.2 W/g時(shí)，干燥時(shí)間分別為26，30，38，48，62 min，原因是微波干燥中物料實(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(jì)算的[21]，鋪料密度恒定，微波能量密度越大，微波能耗越大，單位時(shí)間內(nèi)遷移的水分越大。由圖3(b) 可知，當(dāng)微波功率密度較大，為5.6～9.8 W/g時(shí)，干燥速率曲線只存在加速和降速兩個(gè)階段；當(dāng)功率密度較小，為4.2 W/g時(shí)，干燥速率曲線存在加速、恒速、降速階段。慈姑片微波干燥過程呈現(xiàn)出加速、恒速和降速3個(gè)階段，功率密度比較小，干燥速度曲線存在恒速階段。在恒定的干燥條件下，微波功率密度越大，物料吸收的能量密度越大，物料水分遷移動(dòng)力和蒸發(fā)量增加使干燥速率增大，縮短干燥時(shí)間；加速階段主要表現(xiàn)在干燥初期，物料流動(dòng)水多，自由度低，含水率較大，物料吸收微波能后較容易遷移排出[22]，物料干燥速率加速迅速；恒速階段和降速階段，物料含水率慢慢變小，物料流動(dòng)水較少，水分被物料組織緊密鎖住，物料干燥速率也逐漸減少。但是，微波干燥功率密度過高會(huì)造成慈姑片焦化使其品質(zhì)下降。因此，通過增加微波功率密度來提高物料干燥速率需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)來設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 即食慈姑片微波干燥動(dòng)力學(xué)

2.2.1 即食慈姑片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型的選擇 干燥模型的正確選擇對研究干燥工藝參數(shù)和預(yù)測干燥質(zhì)量具有極其重要作用[23]。Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic 3種模型的-lnMR-t均為線性關(guān)系，Two term和Wang and Singh干燥模型的MR-t均為線性關(guān)系， Page 模型的ln(-lnMR)-lnt線性關(guān)系，根據(jù)物料干燥過程水分比的變化驗(yàn)證這6種模型在即食慈姑片干燥過程的相關(guān)性，繪制不同厚度、鋪料密度和功率密度下-lnMR-t、MR-t和ln(-lnMR)-lnt關(guān)系圖，見圖4～12。

圖3 不同微波功率密度下即食慈姑片微波干燥曲線及干燥速率曲線

圖4 不同厚度條件下-lnMR-t關(guān)系

圖5 不同鋪料密度條件下-lnMR-t關(guān)系

由圖4～6可知，相關(guān)變量下，即食慈姑片微波干燥過程-lnMR-t是非線性關(guān)系，說明Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic模型不符合即食慈姑片干燥動(dòng)力學(xué)模型的選擇要求。

由圖7～9可知，相關(guān)變量下慈姑片微波干燥過程MR-t的二次曲線是非線性關(guān)系，說明Two term和Wang and Singh模型不符合即食慈姑片干燥動(dòng)力學(xué)模型的選擇要求。

由圖10～12可知，相關(guān)變量下即食慈姑片微波干燥過程的ln(-lnMR)-lnt是線性關(guān)系，說明Page模型可以描述即食慈姑片微波干燥的過程，故選MR=e-ktn作為即食慈姑片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型。

圖6 不同微波功率密度條件下-lnMR-t關(guān)系

圖7 不同厚度下MR-t關(guān)系圖

圖8 不同鋪料密度下MR-t關(guān)系圖

采用Page模型ln(-lnMR)=lnk+nlnt建立即食慈姑片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型：

lnk=a+bH+cL+dP，

(5)

n=e+fH+gL+hP，

(6)

式中：

H——厚度，mm；

L——鋪料密度，g/cm2；

P——微波密度，W/g；

圖9 不同微波密度下MR-t關(guān)系圖

圖10 不同厚度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

圖11 不同鋪料密度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

圖12 不同微波功率密度條件下ln(-lnMR)-lnt曲線

a、b、c、d、e、f、g、h——待定系數(shù)。

將lnk=a+bH+cL+dP、n=e+fH+gL+hP代入ln(-lnMR)=lnk+nlnt，可得到：

ln(-lnMR)=a+bH+cL+dP+(e+fH+gL+hP)lnt。

(7)

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，求得方程線性擬合待定系數(shù)a=-4.866 57，b=-0.060 97，c=-0.045 56，d=0.006 81，e=2.227 89，f=-0.086 77，g=-0.000 14，h=-0.000 21。擬合方程為ln(-lnMR)=-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P+(2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P)lnt即：

MR=e-ktn，

(8)

式中：

k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P；

n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P。

該擬合方程F=3 136.907 03，P<0.000 1，表明所求得的回歸方程顯著；回歸方程的決定系數(shù)R2=0.990 66，說明模型的擬合度良好，試驗(yàn)誤差較小。

2.2.2 動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證 為檢驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，設(shè)定試驗(yàn)條件為慈姑片厚度3 mm，鋪料密度0.20 g/cm2，微波功率密度7.0 W/g進(jìn)行驗(yàn)證。由圖13可知，Page模型預(yù)測值與試驗(yàn)值擬合度較好，說明Page模型能夠較好反映和預(yù)測即食慈姑微波干燥過程中的水分變化情況。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，即食慈姑片微波干燥過程呈現(xiàn)出加速、恒速和降速3個(gè)階段，物料厚度越大、鋪料密度越大，干燥速率變化越小，含水率降低越緩慢，干燥耗時(shí)越長；微波功率密度越大，干燥速率越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速階段干燥時(shí)間越短。通過6種干燥模型擬合分析，發(fā)現(xiàn)慈姑片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型滿足Page模型：MR=e-ktn，其中k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P，n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P，該模型能夠較準(zhǔn)確地表征和預(yù)測即食慈姑片微波干燥過程的水分變化規(guī)律，描述預(yù)測干燥過程某時(shí)刻慈姑片水分比的含量。試驗(yàn)在研究微波功率密度對即食慈姑片微波干燥特性的影響時(shí)，僅做了單一微波功率密度，并未考慮不同大小組合的、多段式的微波功率密度的影響。后續(xù)可尋求一種以計(jì)算機(jī)算法來達(dá)到優(yōu)化多微波功率密度組合的微波干燥加工即食慈姑片工藝的數(shù)值模擬模型，以更好地為即食慈姑片微波干燥參數(shù)的優(yōu)化及實(shí)際干燥工藝提供參考。

圖13 即食慈姑片微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型檢驗(yàn)曲線