冬棗片熱風(fēng)干燥過(guò)程介電參數(shù)變化規(guī)律研究

劉 歡 ，王吉強(qiáng) ，牛玉寶 ，曹玉雪 ，肖紅偉 ，姚雪東 ，鄭霞 ，王強(qiáng)

（1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

0 引言

棗片營(yíng)養(yǎng)豐富，既可以作為干果直接食用，也可以用作泡茶、煮粥、煲湯等調(diào)味配料，深受消費(fèi)者喜愛(ài)。目前棗片干燥主要有自然晾曬、熱風(fēng)干燥、真空脈動(dòng)干燥及熱風(fēng)與紅外干燥等［1-4］，受技術(shù)與成本制約，規(guī)?；臈椘庸と灾饕捎米匀涣罆窕驘犸L(fēng)干燥。與熱風(fēng)干燥相比，自然晾曬干燥周期長(zhǎng)，且需獨(dú)特的地理位置、光照與氣候條件，在通用性與干制品品質(zhì)上均較差。

熱風(fēng)干燥的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)便、成本低，但由于傳質(zhì)與傳熱方向相反，易出現(xiàn)物料表面皺縮與硬化，導(dǎo)致干燥后期水分去除速率低，干燥時(shí)間延長(zhǎng)，干制品品質(zhì)快速下降。因此單一的熱風(fēng)干燥已經(jīng)難以持續(xù)地提高物料干燥速率與干制品品質(zhì)［5］。為解決熱風(fēng)干燥的上述瓶頸問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)展大量的聯(lián)合干燥技術(shù)的相關(guān)研究，熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥技術(shù)就是其中之一［6-8］。

射頻加熱屬于介電加熱范疇，介電加熱過(guò)程中，介電參數(shù)是影響物料對(duì)電磁波吸收和能量轉(zhuǎn)化的決定性因素［9］，常采用介電常數(shù)和介電損耗因子來(lái)表征其介電特性［10］。介電參數(shù)不同導(dǎo)致物料在介電加熱過(guò)程中產(chǎn)生不同的傳熱和傳質(zhì)效果，因此在進(jìn)行熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥前，需對(duì)物料的介電特性變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，為射頻的介入確定適宜的條件。

在介電參數(shù)的測(cè)量上，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的測(cè)定方法主要有：終端開(kāi)路同軸電纜技術(shù)、平行板技術(shù)、傳輸線技術(shù)、自由空間以及諧振腔技術(shù)等。其中終端開(kāi)路同軸電纜技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，常用來(lái)測(cè)定不同熱處理?xiàng)l件下農(nóng)產(chǎn)品的介電參數(shù)［11-12］。不同農(nóng)產(chǎn)品物料形態(tài)各異，介電參數(shù)測(cè)定過(guò)程中常將不規(guī)則形狀物料粉碎、壓實(shí)以去除空氣隙的影響，但物料粉碎過(guò)程中會(huì)受到不可逆破壞，粉碎前后質(zhì)地結(jié)構(gòu)差異較大，就必然會(huì)對(duì)介電參數(shù)的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

綜上所述，本文以新鮮冬棗為試驗(yàn)材料，研究冬棗片熱風(fēng)干燥過(guò)程中非粉碎狀態(tài)下介電常數(shù)與介電損耗因子隨頻率、溫度和含水率的變化規(guī)律，以確定熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥射頻介入的適宜條件，為冬棗片熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥技術(shù)與工藝提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮和田冬棗購(gòu)買(mǎi)自新疆石河子市綜合批發(fā)市場(chǎng)，挑選成熟度一致，外形規(guī)則（縱徑為（30±2）mm，橫徑為（26±2）mm），表面完整無(wú)機(jī)械損傷的冬棗作為試驗(yàn)樣品，將冬棗貯藏在4 ℃環(huán)境下的冰柜內(nèi)，勻濕24 h待用；干燥試驗(yàn)前，采用烘箱法測(cè)得冬棗片樣品初始濕基含水率為（79.6±1）%［13］。

1.2 儀器與設(shè)備測(cè)量

試驗(yàn)中應(yīng)用介電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冬棗片的介電常數(shù)和介電損耗因子的測(cè)定，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由E4991B-300型阻抗分析儀（Agilent Technologies，Palo Alto，CA，USA）、85070E型同軸探頭（Hewlett Packard Development Company，DE，USA）和與之配套的 Key-Sight測(cè)試軟件等組成。

圖1 介電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of dielectric parameter measurement system

儀器與設(shè)備：BCD-267G型冰柜（海信容聲冷柜有限公司）；DHG9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海恒科學(xué)儀器有限公司）；BSM220.4型電子天平（上海卓精電子科技有限公司）以及沖孔工具（自制）等。

1.3 樣品制備

將冬棗從冰柜取出，恢復(fù)至室溫，選取無(wú)核區(qū)果肉縱切成厚度為（10±0.5）mm的棗片，放置在溫度為45 ℃、風(fēng)速為0.5 m/s的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，在進(jìn)行熱風(fēng)干燥過(guò)程中每隔15 min將樣品取出稱(chēng)重，直到冬棗片的水分含量達(dá)到所需值，然后取出樣品密封、標(biāo)記并冷藏均濕12 h。最終得到目標(biāo)濕基含水率（20±1）%、（35±1）%、（45±1）%、（60±1）% 及（79.6±1）%，為了敘述方便，將目標(biāo)含水率統(tǒng)一表述為20%、35%、45%、60%、80%。

試驗(yàn)過(guò)程中含水率W（濕基）計(jì)算公式［14］：

式中W——樣品含水率，%；

MW——樣品總質(zhì)量，g；

W0——樣品初始濕基含水率，%；

Md——試樣中所含干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4 介電常數(shù)與介電損耗因子測(cè)量方法

應(yīng)用終端開(kāi)路同軸探頭介電特性測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施測(cè)定，測(cè)量頻率為1～300 MHz（101個(gè)測(cè)量點(diǎn)），測(cè)量溫度為 25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃和 85 ℃，測(cè)量含水率為20%、35%、45%、60%和80%，冬棗片在熱風(fēng)干燥過(guò)程隨含水率降低會(huì)出現(xiàn)一定程度的“皺縮”，進(jìn)而導(dǎo)致棗片邊緣局部的“卷曲”，為了減少由此產(chǎn)生的空氣隙，采用沖孔工具將待測(cè)冬棗片沖成直徑為22 mm的圓柱體，確保樣品與夾具充分接觸。

1.5 試驗(yàn)安排與試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

如試驗(yàn)安排表1所示，進(jìn)行不同含水率、不同溫度在不同頻率下的介電常數(shù)和介電損耗因子的測(cè)量，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，以平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Microsoft Excel 2010軟件處理與分析。

表1 試驗(yàn)安排表Tab.1 Experimental schedule

2 結(jié)果與分析

在5個(gè)溫度和5個(gè)含水率（濕基）水平下，應(yīng)用終端開(kāi)路同軸探頭介電特性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定頻率1～300 MHz內(nèi)的熱風(fēng)干燥過(guò)程冬棗片的介電參數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 冬棗片的介電參數(shù)Tab.2 Mean ± standard deviation of dielectric parameters for winter jujube chips

2.1 冬棗片介電參數(shù)隨射頻頻率變化規(guī)律

由表2冬棗片的介電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥過(guò)程冬棗片介電特性在各含水率條件下均呈現(xiàn)隨溫度的升高而增大的趨勢(shì)。因此以冬棗片45%含水率為例，對(duì)1～300MHz射頻頻段下的介電常數(shù)與介電損耗因子變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1.1 介電常數(shù)隨射頻頻率變化規(guī)律

圖2為不同溫度下冬棗片介電常數(shù)隨射頻頻率變化曲線，冬棗片的介電常數(shù)在46.13～74.19范圍內(nèi)隨頻率的減小而增大，在低頻段介電常數(shù)這一變化趨勢(shì)更為明顯。而同一頻率下，冬棗片的介電常數(shù)隨溫度的升高而增大。

圖2 不同溫度下冬棗片介電常數(shù)隨頻率變化曲線Fig.2 Curve of dielectric constant of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.2 介電損耗因子隨射頻頻率變化規(guī)律

圖3為不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨射頻頻率變化曲線。冬棗片的介電損耗因子在29.15～527.15范圍內(nèi)隨頻率的減小而增大，同樣在低頻階段介電損耗因子這一變化趨勢(shì)更加明顯。這一變化趨勢(shì)在獼猴桃、蘋(píng)果等果蔬介電特性研究中也有相似發(fā)現(xiàn)［15-16］，出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能是低頻階段“離子傳導(dǎo)”對(duì)介電損耗存在顯著影響［17］。同一頻率下，冬棗片的介電損耗因子隨溫度的升高而增大。

圖3 不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨頻率變化曲線Fig.3 Curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.3 常用射頻頻段下介電參數(shù)變化規(guī)律

目前食品加工常用的射頻頻段為27.12 MHz和 40.68 MHz［18］，圖 4 和圖 5 分別為冬棗片在射頻頻段27.12 MHz和40.68 MHz下介電常數(shù)和介電損耗因子隨溫度變化曲線，兩者的介電常數(shù)隨溫度升高變化趨勢(shì)比較平緩，介電損耗因子隨溫度升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。在27.12 MHz時(shí)的冬棗片介電常數(shù)和介電損耗因子均明顯大于40.68 MHz。

圖4 常用射頻頻率下冬棗片介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig.4 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

圖5 常用射頻頻率下冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

介電加熱過(guò)程中，介電常數(shù)表示物料存儲(chǔ)電場(chǎng)的能力，介電損耗因子則表示將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力［19］。介電常數(shù)和介電損耗因子越大，物料存儲(chǔ)能力和轉(zhuǎn)化能力越高，致使溫度升高，促進(jìn)水分子的布朗運(yùn)動(dòng)，從而縮短了冬棗片的干燥進(jìn)程。而通常采用介電常數(shù)和介電損耗因子描述物料的介電特性，從圖4和圖5發(fā)現(xiàn)27.12 MHz時(shí)冬棗片介電特性較大，更有利于冬棗片的熱風(fēng)干燥速率的提高，因此確定冬棗片熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥的優(yōu)選頻率為27.12 MHz。

2.2 介電參數(shù)隨溫度變化規(guī)律

2.2.1 介電常數(shù)隨溫度變化規(guī)律

圖6為頻率27.12 MHz、不同含水率下冬棗片介電常數(shù)隨溫度變化曲線，介電常數(shù)變化在50.47～75.34范圍內(nèi)隨溫度升高而增大。在含水率為20%和35%介電常數(shù)隨溫度的升高均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；但含水率為45%、60%和80%冬棗片介電常數(shù)均在70以上，接近純水的介電常數(shù)，此時(shí)可見(jiàn)溫度變化對(duì)介電常數(shù)的影響不明顯，這與張麗在紅棗熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥技術(shù)的相關(guān)研究中獲得的結(jié)論相似。而同一溫度下冬棗片的介電常數(shù)隨含水率的增大而增大。

圖6 不同含水率下冬棗片介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

2.2.2 介電損耗因子隨溫度變化規(guī)律

圖7為頻率27.12 MHz時(shí)不同含水率下熱風(fēng)干燥過(guò)程冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線。冬棗片的介電損耗因子在142.62～599.89范圍內(nèi)隨溫度的增大而增大，這與周旭在獼猴桃片的射頻真空及熱風(fēng)聯(lián)合干燥研究中獲得了相似的結(jié)論［20］。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是溫度的升高，加速離子的運(yùn)動(dòng)速率，增加了離子的導(dǎo)電效應(yīng)，從而導(dǎo)致冬棗片介電損耗因子的增大［21］。同一溫度下冬棗片的介電損耗因子隨含水率的增大而增大。

圖7 不同含水率下冬棗片介電損耗因子隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

溫度越高冬棗片介電常數(shù)和介電損耗因子越大，介電特性就越大，內(nèi)部溫升也就越快，更能加快水分向表面遷移，從而提高冬棗片的干燥速率。但介電損耗因子過(guò)大，產(chǎn)生的熱能過(guò)多，導(dǎo)致冬棗片內(nèi)部溫度驟升，易出現(xiàn)“加熱失控”及“加熱不均勻”等現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)冬棗片的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成破壞，因此熱風(fēng)干燥過(guò)程中射頻的介入溫度是熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥的重要參數(shù)，為了能夠有效地保留冬棗片的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及避免干燥過(guò)程出現(xiàn)“加熱失控”等現(xiàn)象，射頻介入時(shí)的熱風(fēng)溫度不宜過(guò)高。此外，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，27.12 MHz時(shí)冬棗片的介電損耗因子在75 ℃附近達(dá)到最大值，結(jié)合熱風(fēng)干燥的常用溫度范圍可以確定冬棗片熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥的適宜溫度范圍為55 ℃～75 ℃。

2.3 介電參數(shù)隨含水率變化規(guī)律

2.3.1 介電常數(shù)隨含水率變化規(guī)律

圖8為頻率27.12MHz，不同溫度下冬棗片介電常數(shù)隨含水率的變化曲線。冬棗片的介電常數(shù)在50.47～75.34范圍內(nèi)隨含水率的增大呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，這與黃孟陽(yáng)等在草果的介電特性研究中的結(jié)論相似［22］，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是冬棗片自由水含量越高，與射頻波的相互作用就越顯著，導(dǎo)致冬棗片的介電常數(shù)增大［23］。同一含水率下冬棗片的介電常數(shù)隨溫度的增大而增大。

圖8 不同溫度下冬棗片介電常數(shù)隨含水率變化的曲線Fig.8 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

2.3.2 介電損耗因子隨含水率變化規(guī)律

圖9為頻率27.12 MHz，不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨含水率的變化曲線。介電損耗因子隨含水率的增大而增大，這與王婧在小雜糧的介電特性研究中獲得的結(jié)論相似［24］，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是在外加電場(chǎng)的作用下，冬棗片含水率的升高會(huì)加速水分的取向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生更多的摩擦碰撞，進(jìn)而增大了冬棗片的介電損耗因子。而同一含水率下介電損耗因子隨溫度的增大而增大。

圖9 不同溫度下冬棗片介電損耗因子隨含水率變化的曲線Fig.9 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

在各個(gè)溫度下，含水率越低，冬棗片的介電常數(shù)和介電損耗因子越小，對(duì)電磁波的吸收能力就越小。水作為一種極性分子，對(duì)冬棗片的介電特性存在顯著影響，水分含量越高，冬棗片的介電特性就越大，導(dǎo)致冬棗片電磁波吸收和轉(zhuǎn)化熱能的能力越大，物料內(nèi)部溫升就越快，能夠加速水分子向冬棗片的表面擴(kuò)散，從而加速冬棗片的干燥進(jìn)程。含水率較低時(shí)，水分?jǐn)U散速率與熱量傳遞速率均隨之降低，導(dǎo)致物料內(nèi)部成分含量改變，改變了物料的介電特性。在干燥過(guò)程中容易出現(xiàn)“加熱過(guò)度”和“焦糊”等現(xiàn)象，造成干制品品質(zhì)的急劇下降。因此在熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥過(guò)程中，射頻介入的含水率條件不宜過(guò)低，較適宜的含水率范圍為45%～80%。如果物料的含水率較低或在干燥后期階段，應(yīng)注意降低熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥的熱風(fēng)溫度或考慮變溫干燥工藝。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了冬棗片熱風(fēng)干燥過(guò)程介電常數(shù)與介電損耗因子隨頻率、溫度和含水率的變化規(guī)律，進(jìn)而為冬棗片熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥中射頻的介入確定適宜的參數(shù)條件，除頻率、溫度與含水率外，影響果蔬類(lèi)物料介電特性的因素還包括新鮮度、成熟度、含糖量、酸度等品質(zhì)或成分因素，因此后續(xù)在研究完善熱風(fēng)與射頻聯(lián)合干燥傳熱傳質(zhì)機(jī)理的同時(shí)應(yīng)結(jié)合介電特性隨品質(zhì)的變化規(guī)律，在加快干燥速率的同時(shí)兼顧干制品的品質(zhì)保持與提升。