唐小閑段振華任愛(ài)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(guó)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(lái)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(zhǎng)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(jiàn)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(guò)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(duì)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。
新鮮慈姑:無(wú)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。
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(guó)Sartorius公司;
水分測(cè)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。
1.3.1 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(duì)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(duì)慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過(guò)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(duì)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(duì)慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過(guò)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(duì)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(duì)慈姑片微波干燥特性的影響。干燥過(guò)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(cè)定 通過(guò)用MX-50型水分測(cè)定儀測(cè)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(cè)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(lái)反映物料在干燥過(guò)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(guò)程,使用數(shù)學(xué)模型研究食品干燥特性以及預(yù)測(cè)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(jiàn)表1。
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(duì)即食慈姑片微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。
2.1.1 厚度對(duì)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(zhǎng)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(guò)程主要表現(xiàn)為加速、降速2個(gè)階段,沒(méi)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(shuō)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(guò)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(duì)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(zhǎng)。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(zhǎng)。
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(duì)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(guò)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(guò)高會(huì)造成慈姑片焦化使其品質(zhì)下降。因此,通過(guò)增加微波功率密度來(lái)提高物料干燥速率需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)。
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(duì)研究干燥工藝參數(shù)和預(yù)測(cè)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(guò)程水分比的變化驗(yàn)證這6種模型在即食慈姑片干燥過(guò)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(jiàn)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(guò)程-lnMR-t是非線性關(guān)系,說(shuō)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(guò)程MR-t的二次曲線是非線性關(guān)系,說(shuō)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(guò)程的ln(-lnMR)-lnt是線性關(guān)系,說(shuō)明Page模型可以描述即食慈姑片微波干燥的過(guò)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(duì)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(shuō)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(cè)值與試驗(yàn)值擬合度較好,說(shuō)明Page模型能夠較好反映和預(yù)測(cè)即食慈姑微波干燥過(guò)程中的水分變化情況。
試驗(yàn)表明,即食慈姑片微波干燥過(guò)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(zhǎng);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(guò)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(cè)即食慈姑片微波干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律,描述預(yù)測(cè)干燥過(guò)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(duì)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(lái)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