微波燙漂預(yù)處理下百合熱風(fēng)干燥特性及動(dòng)力學(xué)模擬

王 怡,董繼先,2,王 棟,2,*,袁越錦,龔桂芬,溫家豪

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安 710021; 2.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710086)

百合是百合科百合屬多年生草本球根植物,有很高的食用價(jià)值和藥用價(jià)值,是中國衛(wèi)生部審批通過的首批藥食兼用植物[1]。鮮百合含水率高,不利于長期貯藏和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸[2]。脫水干制是延長百合貯藏期常用的辦法,對緩解產(chǎn)銷矛盾有著重要的意義。

目前百合的常用干燥方法為熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥[3]。熱風(fēng)干燥設(shè)備操作簡單,成本低,但熱風(fēng)干燥速率慢,且易發(fā)生褐變,影響百合干制品的品質(zhì)[4]。真空冷凍干制品品質(zhì)變化較小,能夠最大限度保持產(chǎn)品形、色、香、味不變,營養(yǎng)物質(zhì)分布均勻,但干燥速率慢、成本高,不適合大規(guī)模的工業(yè)干燥[5]。近年來,微波干燥技術(shù)逐漸興起,微波干燥是內(nèi)部加熱[6],速度快[7],干燥時(shí)間短,但因微波干燥成本和耗電高,且微波功率與物料蒸發(fā)量不匹配時(shí)易產(chǎn)生焦糊,所以微波干燥不適合整過程干燥[8]。

燙漂是果蔬干燥前關(guān)鍵的預(yù)處理工藝,可以提高干燥速率,防止褐變。目前,常用的燙漂技術(shù)是熱水燙漂,朱文學(xué)等[9]研究表明增加熱水漂燙時(shí)間和漂燙溫度可提高百合的干燥速率,縮短干燥時(shí)間,有效改善干制品的色澤。但熱水燙漂極易造成營養(yǎng)物質(zhì)流失,近年來微波燙漂技術(shù)開始興起,微波燙漂技術(shù)優(yōu)勢在于有很強(qiáng)的穿透力,升溫快且營養(yǎng)物質(zhì)流失較輕[10]。Wang等[11]比較了熱水、微波、紅外和高濕熱風(fēng)射流燙漂對紅甜椒干燥特性及品質(zhì)的影響,結(jié)果表明:經(jīng)微波燙漂處理的辣椒與經(jīng)熱水漂燙處理的辣椒相比,前者獲得了更高的紅色素、抗壞血酸保留率和總抗氧化活性。

為了研究干燥的過程,一些經(jīng)驗(yàn)[12]、半經(jīng)驗(yàn)[13]、數(shù)值模型[14]被廣泛用于描述干燥過程,但均為對干燥動(dòng)力學(xué)曲線的模擬,模型中各參數(shù)意義并不明確。Weibull分布函數(shù)因較好的適用性和兼容性,現(xiàn)已在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[15-17]。近年來,研究者們將Weibull函數(shù)應(yīng)用于干燥動(dòng)力學(xué)的模擬,Corzo等[18]研究表明Weibull函數(shù)可以描述不同成熟度的芒果片熱風(fēng)干燥過程;Miranda等[19]用Weibull分布函數(shù)描述了蘆薈在不同干燥條件下的對流干燥過程,研究表明,模型中的尺度參數(shù)α、形狀參數(shù)的物理意義均可與干燥方式相結(jié)合;效碧亮等[20]用Weibull函數(shù)準(zhǔn)確描述了百合熱風(fēng)薄層干燥過程。

為解決百合熱風(fēng)干燥過程中存在的易褐變、干燥時(shí)間長等問題,本實(shí)驗(yàn)將微波燙漂預(yù)處理引入百合的熱風(fēng)干燥過程中,研究微波燙漂時(shí)間、微波功率和熱風(fēng)溫度對百合干燥過程的影響,并利用Weibull分布函數(shù)對干燥過程進(jìn)行模擬并分析模型中各參數(shù)的影響因素,計(jì)算百合干燥過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能,為Weibull分布函數(shù)在百合干燥加工中的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘭州新鮮百合 購于蘭州市弄蘭市場,要求潔白無斑點(diǎn),大小統(tǒng)一,無蟲害,放置在4 ℃冰箱中冷藏保存。

DZF-6020A微波燙漂-熱風(fēng)干燥箱 科研團(tuán)隊(duì)與南京奧潤微波科技有限公司聯(lián)合研發(fā);LE204E/02電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 鮮百合清洗→剝片→瀝干→稱重→微波燙漂→干燥→測量最終數(shù)據(jù)

選取新鮮百合,剝?nèi)ネ鈱雍笄逑?去除泥垢,分瓣,剔除外觀殘缺、褐斑、黃斑的百合瓣,選取大小均一的鱗片清洗并瀝干,得到實(shí)驗(yàn)原材料。試驗(yàn)開始前,選取70 g左右的百合鱗片,均勻平鋪在微波燙漂設(shè)備的物料盤中,微波燙漂后,取出物料盤,稱取百合質(zhì)量,然后進(jìn)行熱風(fēng)干燥,當(dāng)百合濕基含水率達(dá)到10%以下時(shí)[21],停止干燥。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,根據(jù)干燥時(shí)間和干燥速率的評價(jià),在微波燙漂過程中,主要影響因素有微波功率和微波燙漂時(shí)間。在干燥過程中,主要影響因素有熱風(fēng)溫度。本試驗(yàn)選用燙漂時(shí)間為0、90、120、150 s(微波功率為800 W,熱風(fēng)溫度為70 ℃);微波功率0、630、800、910 W(燙漂時(shí)間為120 s,熱風(fēng)溫度為70 ℃);熱風(fēng)溫度為60、70、80 ℃[1](微波功率為800 W,燙漂時(shí)間為120 s)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

1.3.1 初始含水率的測定 105 ℃恒溫干燥法[22],測得新鮮百合初始濕基含水率為59%±1%。

1.3.2 干基含水率的測定及計(jì)算式

式(1)

式中:Wt為t時(shí)刻物料的干基含水率,g/g;mt為干燥任意t時(shí)刻物料的質(zhì)量,g;md為絕干物料的質(zhì)量,g。

1.3.3 干燥速率的測定及計(jì)算式

式(2)

式中:DR為干燥速率，g·g-1·h-1;Δt為失去水分所需的時(shí)間,min。

1.3.4 利用Weibull函數(shù)擬合干燥曲線 Weibull分布函數(shù)表示為如下形式[18]:

式(3)

式中:MR為物料干燥過程中的水分比；α為尺度參數(shù),表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料水分比降低到37%時(shí)所用的時(shí)間;β為形狀參數(shù),其值與干燥過程中干燥曲線的形態(tài)有關(guān);t為干燥時(shí)間,min。

1.3.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)、活化能的測定 水分比是用來表示一定干燥條件下物料的剩余水分率,其計(jì)算方法如下式[20]:

式(4)

式中:W0為物料的初始干基含水率，g/g。

在降速干燥階段,物質(zhì)的干燥特性可以用簡化的Fick第二定律來描述,其表達(dá)式為:

式(5)

式中:Deff為水分有效擴(kuò)散系數(shù),m2/min;L為物料的厚度,m;t為干燥時(shí)間,min。

上式兩邊同時(shí)取自然對數(shù)后,可得:

式(6)

估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)Dcal的值,計(jì)算公式如下:

式(7)

式中:Dcal為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m2/min。

Dcal與Deff的關(guān)系式為:

式(8)

式中:Rg為幾何參數(shù)。

物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥溫度的關(guān)系可以用阿倫尼烏斯公式[19]表示為:

式(9)

將公式(8)代入式(9)后,得:

式(10)

式中:D0為阿倫尼烏斯公式方程的指數(shù)前因子,m2/s;Ea為物料的干燥活化能,kJ/mol;R為摩爾氣體常數(shù),其值為8.314 J/(mol·K);T為物料的干燥溫度, ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel記錄并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)三次進(jìn)行采集,應(yīng)用Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與模型擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波燙漂對百合干燥特性的影響

微波功率800 W、熱風(fēng)溫度70 ℃,燙漂時(shí)間分別為0、90、120、150 s下的百合干燥特性和干燥速率特性分別如圖1、圖2所示。由圖1可以看出,微波燙漂可以在短時(shí)間內(nèi)快速地降低百合的含水率,當(dāng)微波燙漂時(shí)間為0、90、120、150 s時(shí),百合的熱風(fēng)干燥所需時(shí)間分別為840、735、480、390 min,微波燙漂時(shí)間越長,干燥時(shí)間越短,可以更快地到達(dá)干燥終點(diǎn)。由圖2可以看出,微波燙漂時(shí)間越長,前期的干燥速率越快,當(dāng)達(dá)到一定的含水率后,干燥速率基本一致。微波燙漂時(shí)間120 s、熱風(fēng)溫度70 ℃、微波功率分別0、630、800、910 W下的百合干燥曲線和干燥速率特性分別如圖3、圖4所示。由圖3可知,當(dāng)微波功率為0、630、800、910 W時(shí),百合的熱風(fēng)干燥所需時(shí)間分別為840、570、480、450 min。隨著微波功率的增大,百合的干燥時(shí)間逐漸減少。由圖4可知,微波功率越高,干燥速率越快。這是由于微波功率越大,微波能越高,干燥速率越快。同時(shí),微波加熱是在物料里外同時(shí)進(jìn)行,水分不斷往外擴(kuò)散蒸發(fā)[23],減少了干燥時(shí)間。當(dāng)微波功率分別為800和910 W時(shí),干燥所用的時(shí)間并無明顯差別,這可能是因?yàn)槲⒉üβ蔬^大,內(nèi)部水分快速流失,使得微波能的吸收受到影響[24]。提高微波功率可以減少干燥時(shí)間,但若微波功率過大,操作安全性差并且產(chǎn)品容易焦糊[25]。對比空白對照組,微波燙漂預(yù)處理下百合的熱風(fēng)干燥時(shí)間明顯少于百合的純熱風(fēng)干燥時(shí)間。

圖1 不同微波燙漂時(shí)間下百合水分比曲線Fig.1 Water ratio curve of lily under different microwave time

圖2 不同微波燙漂時(shí)間下百合干燥曲線Fig.2 Drying curve of lily under different microwave time

圖3 不同微波功率下百合水分比曲線Fig.3 Water ratio curve of lily under different microwave power

圖4 不同微波功率下百合干燥曲線Fig.4 Drying curve of lily under different microwave power

2.2 熱風(fēng)溫度對百合干燥的影響

微波功率800 W、燙漂時(shí)間120 s、熱風(fēng)溫度分別為60、70、80 ℃下百合熱風(fēng)干燥特性和干燥速率特性分別如圖5、圖6所示。由圖5干燥水分比曲線可知,隨著熱風(fēng)溫度的升高,干燥所需時(shí)間分別為720、510、490 min,百合干制品達(dá)到指定含水率所需要時(shí)間越短。由圖6干燥速率曲線可知,干燥速率沒有經(jīng)歷恒速干燥段,干燥速率逐漸下降,屬于典型的降速過程,說明百合干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制,這與大多數(shù)生物物料的干燥特性相似[26]。因?yàn)榘俸系暮矢咔揖哂写罅康姆墙Y(jié)合水,與周圍的熱空氣形成了較大的水分梯度,內(nèi)部水分可以快速地轉(zhuǎn)向表面,因此在干燥前期百合的干燥速率下降較快。到達(dá)干燥后期,百合的含水率減小,細(xì)胞之間的結(jié)合水大幅減少,造成水分梯度變小,干燥速率變慢[27]。

圖5 不同熱風(fēng)溫度下百合水分比曲線Fig.5 Water ratio curve of lily under different hot air temperatures

圖6 不同熱風(fēng)溫度下百合干燥曲線Fig.6 Drying curve of lily under different hot air temperatures

2.3 基于Weibull分布函數(shù)的干燥過程模擬

利用Weibull分布函數(shù)對不同試驗(yàn)條件下百合的干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見表1。由表1可以看出,決定系數(shù)R2的區(qū)間在0.9920～0.9988之間。因此,Weibull分布函數(shù)能夠較好地模擬百合經(jīng)不同預(yù)處理?xiàng)l件和溫度干燥溫度的干燥曲線。

表1 不同干燥條件下Weibull模擬結(jié)果Table 1 Weibull model simulation result at different drying conditions

在干燥過程中，Weibull函數(shù)中的尺度參數(shù)α表示干燥過程的速率常數(shù)，其數(shù)值約等于干燥過程中水分比降低到37%時(shí)所用的時(shí)間[28]，α值越小，干燥時(shí)間越短。由表1可知，在不同的微波燙漂時(shí)間下，α值隨微波燙漂時(shí)間的增大而減小，微波燙漂時(shí)間從90 s增加到150 s時(shí)，α值從212.6776 min降至43.0868 min；在不同的微波功率下，α值隨微波功率的增大而減小，微波功率從630 W增加到910 W時(shí)，α值從152.4392 min降至63.3538 min；在相同的預(yù)處理后，隨著干燥溫度從60 ℃提高到80 ℃,α值由120.9838 min減小到了74.4328 min?？芍叨葏?shù)α值與微波預(yù)處理方式和干燥溫度有關(guān)，微波燙漂可以改變百合的組織結(jié)構(gòu)，尺度參數(shù)α與物料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)[29]，燙漂時(shí)間越長，α值越小，微波功率越大，α值越?。淮送?，在同一種微波預(yù)處理方式下，干燥溫度越高，尺度參數(shù)值越小。

研究表明[18,30],形狀參數(shù)β的值與干燥過程中水分遷移機(jī)理有關(guān)：當(dāng)形狀參數(shù)β在0.3～1之間時(shí),則表示由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制物料的干燥過程，此時(shí)則表現(xiàn)為降速干燥的特點(diǎn)。由表1可知，在同樣的干燥溫度下，微波燙漂時(shí)間越長，微波功率越大，形狀參數(shù)β越小。經(jīng)過相同微波燙漂處理的百合，在不同的干燥溫度下，其形狀參數(shù)β值在0.5371～0.5579之間，并無明顯的變化。由此可見，對于同一種干燥物料，形狀參數(shù)β的大小與預(yù)處理方式有關(guān)，熱風(fēng)溫度改變對β值的影響較小。這與Corzo等[18]和白竣文等[29]的研究結(jié)果是一致的。

2.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)的分析

干燥過程中的水分遷移過程非常復(fù)雜[29]。通過試驗(yàn)方法測量和式(6)計(jì)算干燥過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff，對描述物料干燥特性、優(yōu)化干燥工藝有重要的意義。

百合干燥過程中的水分?jǐn)U散系數(shù)見表2。

表2 百合干燥過程中的水分?jǐn)U散系數(shù)Table 2 Moisture effective diffusion coefficients of lily drying

有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff值越大，水分?jǐn)U散能力越強(qiáng)、干燥速率越快。由式(6)計(jì)算得出水分有效擴(kuò)散系數(shù)的值，結(jié)果見表2。由表2可知，水分有效擴(kuò)散系數(shù)的值隨著微波燙漂時(shí)間的增加和微波功率的增大而增大，可知微波燙漂可以提高百合的干燥速率，這是由于微波燙漂處理破壞了百合表皮的蠟質(zhì)層，高溫處理使百合組織軟化，水分更容易流水[29]。此外，經(jīng)相同微波預(yù)處理的百合，水分有效擴(kuò)散系數(shù)與熱風(fēng)溫度的高低相關(guān)，熱風(fēng)溫度越高，有效水分?jǐn)U散系數(shù)越大。

Marabi等[31]研究發(fā)現(xiàn)幾何參數(shù)Rg值與水分有效擴(kuò)散系數(shù)的值無關(guān)。由表2可知，幾何參數(shù)Rg值隨著有效擴(kuò)散系數(shù)Deff值的變化而變化。本次實(shí)驗(yàn)中，隨著微波燙漂時(shí)間從90 s增加到150 s時(shí)，Rg值從11.90增加到37.55；微波功率從630 W增加到910 W時(shí)，Rg值從16.18增加到26.87。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是百合經(jīng)微波高溫燙漂后，內(nèi)部組織形態(tài)發(fā)生了變化[29]，巨浩羽等[32]提出Rg值與物料的幾何尺寸相關(guān)。因此Marabi等[31]研究與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無矛盾。

2.5 干燥活化能的計(jì)算

干燥活化能表示物料在干燥過程中脫除單位摩爾水分所需要的能量，通過干燥活化能Ea的大小可看出物料的干燥難易程度，并估算出干燥能耗。Ea越大，代表物料越難干燥，能耗越高[33]。在不同的干燥溫度下，對lnDcal與1/(T+273.15)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合直線的斜率來計(jì)算活化能Ea。由圖7的直線回歸方程可知，百合的微波燙漂-熱風(fēng)干燥的活化能Ea為23.68 kJ/(mol·K)，有研究報(bào)道百合熱風(fēng)干燥的活化能為86.91 kJ/(mol·K)[34]，微波燙漂后百合熱風(fēng)干燥的活化能低于百合熱風(fēng)干燥活化能。

圖7 水分?jǐn)U散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of calculated moisture diffusion coefficient and drying temperatures

3 結(jié)論

百合的干燥速率與微波燙漂時(shí)間、微波功率及熱風(fēng)溫度均相關(guān)，增長微波燙漂時(shí)間、增大微波功率和提高熱風(fēng)溫度，均可減少百合的干燥時(shí)間，提高干燥速率。利用Weibull分布函數(shù)可以很好地?cái)M合百合在微波燙漂預(yù)處理后的熱風(fēng)干燥過程。尺度參數(shù)α與微波燙漂時(shí)間、微波功率及熱風(fēng)溫度均有關(guān)，微波燙漂時(shí)間越長，α值越??；微波功率越大，α值越小；干燥溫度越高，α值越小。在相同的微波燙漂預(yù)處理下不同干燥溫度下形狀參數(shù)β的變化并不明顯。計(jì)算得出有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的值在3.374～5.563×10-9m2·min-1之間，且均隨微波燙漂時(shí)間加長、微波功率增大、熱風(fēng)溫度升高而增大。根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算得出微波燙漂-熱風(fēng)干燥的活化能Ea為23.68 kJ/(mol·K)，低于百合熱風(fēng)干燥的活化能，易于干燥。