山药微波热风耦合干燥特性及动力学模型

王汉羊,刘 丹,于海明*

(黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江 大庆 163319)

摘 要:为探索山药微波热风耦合干燥特性,采用微波热风耦合干燥技术研究不同切片厚度、热风温度、热风速率和微波功率密度对山药干燥特性及水分有效扩散系数的影响,并建立干燥动力学模型。结果表明:山药微波热风耦合干燥过程按干基含水率的变化主要分为加速和降速两个阶段,无明显恒速阶段;山药的水分有效扩散系数范围为0.879 1×10-6~8.245 8×10-6m2/s,其值与切片厚度、热风温度和微波功率密度成正比,并随热风速率的增大先减小后增大;与热风速率和热风温度相比,切片厚度和微波功率密度对水分有效扩散系数的影响更加显著。通过拟合9 种常用干燥模型,表明Two-term exponential模型的R2平均值最大,χ2平均值和均方根误差平均值最小,分别为0.998 0、0.000 2和0.014 7。相同实验条件下Two-term exponential模型的预测值与实验值拟合较好,表明该模型适合预测山药微波热风耦合干燥过程的水分含量变化规律。本研究结果可为微波热风耦合干燥技术应用于山药及其他农产品的干燥提供理论依据。

关键词:山药;微波热风耦合;干燥特性

山药为薯蓣科多年生宿根蔓草植物薯蓣属的块茎,又称山薯、甘薯、土薯、山蓣、玉芋等,是我国传统的药食同源食物之一[1]。山药除含有大量蛋白质、维生素和黏多糖等营养成分外,还富含皂苷、胆碱和尿囊素等多种功能性成分,具有较高的食用、药用和保健价值[2-3]。然而,新鲜山药的含水率较高,同时脆弱的质地易受外力损伤,常温下长时间存储和远距离运输存在一定困难。为延长山药的保质期,经常采用脱水干燥工艺对其进行处理。近年来,很多研究人员对山药干燥技术进行了研究。宋小勇[4]利用远红外辅助热泵干燥方法,研究了该方法对山药片品质的影响,研究发现,远红外辅助热泵干燥方法,对解决山药片传统干燥过程中经常出现的表面硬化、局部过热、颜色不正等现象具有显著效果。李丽等[5]对山药热泵干燥特性及数学模型进行了研究,结果表明,山药的热泵干燥特性符合Page方程,该数学模型能够用于预测山药热泵干燥过程中失水率的变化。

微波热风联合干燥技术主要包括两种方式[6-7]:一种是将微波和热风进行串联,即分阶段进行微波或热风干燥,从而达到干燥目的;另一种是将微波和热风进行并联,又称耦合干燥,即同时进行微波和热风干燥。干燥过程中,在电场、磁场、温度场和速度场4 种物理场的共同作用下,物料中的水分被加热、迁移和蒸发。微波热风耦合干燥过程中传热、传质方向一致,可极大地缩短干燥时间,显著提高干燥效率,降低能耗,同时能够最大限度地保留干燥物料原有的营养元素,提高其干燥品质。

目前,国内外学者针对微波热风串联干燥进行了较多的研究。对于耦合干燥,国外实验室的研究较多,但国内的研究相对较少。Schiffmann[8]首次在微波烤肉炉的设计中将微波与热风进行结合,标志着微波热风联合干燥研究的开始。Dev等[9]对比研究了热风干燥和串联干燥对豆荚干燥品质的影响,利用气相色谱-质谱法分析发现,串联干燥方法可有效降低干燥过程中挥发物的损失。Varith等[10]研究了龙眼肉的耦合干燥过程,研究表明,与65 ℃热风干燥相比,耦合干燥能够缩短64.3%的干燥时间,降低48.2%的能耗。Silva等[11]采用微波辅助热风干燥方法,研究了澳洲坚果的干燥过程,结果表明,该方法对缩短干燥时间和提高干燥品质效果显著。Koné等[12]对番茄微波热风耦合干燥过程进行了研究,通过改变微波功率密度,获得了质量最优的干燥产品。国内周韵等[13]对比研究了微波热风耦合干燥、热风干燥和微波干燥方法对胡萝卜片干燥的影响,发现相比其他两种干燥方法,微波热风耦合干燥极大地提高了干燥速率,同时干燥产品的综合品质较优。卫灵君等[14]研究了热风微波耦合干燥牛蒡过程的动力学模型,得出Lagarithmic模型可以较好地模拟干燥过程牛蒡含水率的变化。然而,利用微波热风耦合干燥技术干燥山药的相关研究鲜见报道。

本研究以山药为对象,利用微波热风耦合干燥技术,研究山药微波热风耦合干燥特性及干燥过程中水分变化规律,探讨不同切片厚度、热风温度、热风速率和微波功率密度对山药干燥特性的影响,并建立山药微波热风耦合干燥动力学模型,以期为山药干燥和微波热风耦合干燥技术的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

本地市场购置新鲜山药。选择粗细均匀、个体完整、表皮无霉、肉质洁白、无机械损伤的长柱形山药。含水率按照105 ℃干燥法测定,采用热风干燥箱干燥山药样品,每隔30 min 称质量一次,直至前后两次称量的干燥样品质量差小于1 mg为止。实验重复3 次,取平均值,测得样品的初始含水率(湿基)为78%。

1.2 仪器与设备

图 1 微波热风干燥设备结构示意图(A)和实物图(B)
Fig. 1 Schematic diagram (A) and actual appearance (B) of microwave coupled with hot air dryer

1.电控部分;2.控制按钮;3.工作指示灯;4.控制面板;5.调速器;6.温度控制仪;7.微波控制显示仪;8.风速显示仪;9.磁控管;10.温度传感器;11.微波谐振腔;12.气流分配器入风口;13.干燥均匀旋转盘;14.加热器;15.进风管;16.风速传感器;17.风机;18.回风管;19.轴流风机。

微波热风耦合干燥实验装置(YHMW900-100)(图1)由黑龙江八一农垦大学工程学院研制,主要包括微波干燥系统和热风干燥系统两部分。微波干燥系统主要由磁控管、控制系统和微波谐振腔组成。磁控管的频率为2 450 MHz,微波输入功率为1 300 W,微波输出功率为900 W;控制系统主要控制微波功率和干燥时间,微波输出功率可以调节为900、720、540、360 W及180 W,干燥控制时间调节范围为0~180 min。热风干燥系统主要由气流分配器、加热器、控制系统和功率为550 W的离心风机组成。微波干燥系统的微波谐振腔和热风干燥系统的气流分配器之间相互连接,用于将热风均匀地送进微波谐振腔内。

T1000型双杰电子天平(精度0.1 g) 美国双杰兄弟有限公司;JA2003N电子精密天平(精度0.001 g)上海精科天美贸易有限公司;509A秒表 深圳市君斯达实业有限公司;MT826数字风速计 香港麦特尔电子科技有限公司;SF2000三按键电子数显卡尺 桂林广陆数字测控股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 预处理

将山药清洗、去皮后,根据实验需求,采用自制不锈钢刀具切成不同的厚度,然后放入护色液,浸泡2 h后取出,沥干水分备用[15-17]。每100 mL护色液含2.5 g NaCl、1.4 g柠檬酸、0.02 g L-半胱氨酸及0.016 VC[18]

1.3.2 单因素试验设计

选取不同的切片厚度、热风温度、热风速率和微波功率密度进行山药微波热风耦合干燥单因素试验,具体设置如表1所示。试验过程中,固定其中3 个因素为中间水平,对第4个因素进行单因素试验。试验前,先运行热风干燥系统10~20 min,待谐振腔内的热风温度达到试验所需温度并稳定后,将装载山药样品的塑料托盘放置于谐振腔内,启动微波干燥系统。在干燥初始阶段,每60 s称量一次干燥样品质量;在干燥后阶段,根据实际情况,每10、20、30 s或40 s称量一次。由于称量过程在几秒内完成,对干燥过程不会产生大的影响[19]。山药切片水分质量分数(湿基)达到8%时干燥结束。

表 1 山药微波热风耦合干燥试验因素和水平
Table 1 Experimental factors and levels

1.3.3 干燥参数计算方法

干基含水率Mt按式(1)计算[20-21]

式中:mt为干燥至t时刻的质量/g;m为干物质质量/g。水分比(moisture ratio,MR)按式(2)计算[22]

式中:M0为初始干基含水率/(g/g);Me为干燥到平衡时的干基含水率/(g/g);Mt为任意干燥t时刻的干基含水率/(g/g)。

由于平衡干基含水率Me远小于M0和Mt,公式(2)可以简化为公式(3)[23-24]

干燥速率按式(4)计算。

式中:Mti+1为ti+1时刻的干基含水率/(g/g);Mti为ti时刻的干基含水率/(g/g);Δt为ti+1与ti时刻的时间差/min。

根据菲克第二扩散方程,水分有效扩散系数Deff可通过实验样品干燥数据依据ln MR-t的直线方程进行描述,如式(5)所示[25-28]

式中:Deff为物料的水分有效扩散系数/(m2/s);L为山药的物料厚度/m;t为干燥时间/s。

1.3.4 数学模型

为更好地描述与预测微波热风耦合干燥过程中山药的水分散失情况,本研究从经典干燥动力学模型中选取9 个数学模型拟合山药的干燥曲线,具体见表2。根据拟合结果筛选出最适合描述与预测山药微波热风耦合干燥的数学模型。

表 2 山药微波热风耦合干燥曲线拟合数学模型
Table 2 Mathematical models for fitting of drying rate curves

参考文献[19,29],在对动力学模型进行选择和优劣判断时,一般遵循以下评价标准:相关系数R2、卡方值χ2和均方根误差(root-mean-square error,RMSE)。相关系数R2反映各变量间的密切程度,R2越大且接近1,表示回归关系越显著。χ2和RMSE表示期望值与实际值的变异程度,大小与回归方程的预测精度成反比。R2、χ2和RMSE分别按式(6)~(8)计算。

式中:MRexp,i为第i个实验测得的水分比;MRpre,i为第i个预测的水分比;N为观察量的个数;j为模型参数的个数。

1.4 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据处理,采用Origin 8.0软件进行图形的绘制及干燥动力学模型的拟合。

2 结果与分析

2.1 干燥条件对干燥过程中山药MR的影响

图 2 不同干燥条件下山药MR变化曲线
Fig. 2 Moisture ratio curves under different drying conditions

由图2可知,山药干燥MR随干燥时间的延长呈逐渐降低的趋势,切片越薄干燥时间越短,MR降低越快,该结果符合果蔬薄层干燥的一般规律。厚度为5 mm和8 mm的切片干燥时间相差不大,明显小于其他3 组,主要是因为随切片厚度的增加,山药内部水分迁移距离增大,干燥时间随之延长。风温越高,干燥速率越大。该实验结果与已有关于微波热风耦合干燥技术研究的报道存在一定差异[6],可能是干燥物料种类、干燥条件等不同造成的。当热风速率由1.5 m/s升高至3.5 m/s时,干燥时间先延长后缩短。产生时间波动的原因主要是:微波热风耦合干燥过程中,热风不仅促进山药表面的水分扩散至空气中,同时风速的作用会降低山药表面的温度。当热风速率由1.5 m/s升高至2.0 m/s时,风速对干燥的辅助作用小于降低干燥物料表面温度的作用,因而干燥时间延长;当风速超过2.0 m/s时,热风对山药表面水分扩散的促进作用大于对物料表面温度降低的作用,因此干燥时间逐渐缩短。微波功率密度越大,干燥耗时越短,其中微波功率密度为2 W/g的干燥时间明显长于其他实验组,而另外4 组的干燥时间相差不大。产生这种现象的原因主要是干燥过程中微波的作用使物料内部极性水分子以每秒上亿次的频率进行转动,分子间的摩擦和碰撞产生大量的热,随微波功率密度的增大,水分子吸收的微波能量增加,山药内部产生的热量增加,加速了水分子的迁移和扩散,从而缩短了干燥时间[10]

2.2 干燥条件对山药干燥速率的影响

图 3 不同干燥条件下山药干燥速率变化曲线
Fig. 3 Drying rate curves under different drying conditions

由图3可知,随干基含水率的降低,山药干燥过程主要表现为增速干燥阶段和降速干燥阶段,无明显恒速干燥阶段。在干燥的初期阶段,随干基含水率的降低,干燥速率急剧增加,并达到一个峰值。随干基含水率的进一步减小,干燥进入降速阶段。这说明在干燥的初期阶段,山药表层水分快速升温,并迅速向空气中扩散,从而导致干燥速率增加。随着干燥过程的进行,山药表层水分降到一定程度后,内部水分的迁移和扩散成为影响干燥的主要因素,干燥中后期干燥物料内部水分迁移距离不断增大,同时物料表层的硬化增加了热质传递阻力,导致干燥速率降低[5,26]

因此,在山药干燥的初期阶段,增大介质流速可有效加速物料表面水分的蒸发;而在干燥后期,应当加快山药内部水分向表面迁移的速率,使内部水分的迁移速率和表面水分的扩散速率相协调,才能有效缩短干燥时间,提高干燥品质[30]

在不同的干燥条件下,山药干燥过程由增速阶段过渡至降速阶段的转折点的干基含水率称为临界含水率,由图3可以发现山药干燥的临界点为2.0 g/g左右[26]。临界含水率既与干燥物料性质有关,同时随干燥条件的变化有所改变,是烘干设备的一个重要设计参数。干燥时降低临界含水率能够有效地提高干燥速率和干燥产品品质[31]

2.3 干燥条件对山药Deff的影响

山药的干燥过程大部分处于降速干燥阶段,该阶段的热质传递由干燥物料的内部阻抗控制,物料内部水分的扩散速率决定了山药的干燥速率,因此山药干燥的水分有效扩散系数可采用菲克第二定律进行预测[26,32]

将计算得到的MR、物料厚度L和干燥时间t代入公式(5),计算得出不同实验条件下的Deff,如表3所示。

表 3 不同干燥条件下山药微波热风耦合干燥水分Deff
Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of Chinese yam using microwave coupled with hot air under different drying conditions

由表3可知,当热风温度为60 ℃、热风速率为2.5 m/s、微波功率密度为6 W/g、切片厚度为5~17 mm时,山药的Deff为0.879 1×10-6~8.245 8×10-6m2/s;当切片厚度为11 mm、热风速率为2.5 m/s、微波功率密度为6 W/g、热风温度为50~70 ℃时,山药的Deff为3.477 0×10-6~5.310 7×10-6m2/s;当切片厚度为11 mm、热风温度为60 ℃、微波功率密度为6 W/g、热风速率为1.5~3.5 m/s时,山药的Deff为3.694 8×10-6~4.755 6×10-6m2/s;当切片厚度为11 mm、热风温度为60 ℃、热风速率为2.5 m/s、微波功率密度为2~10 W/g时,山药的Deff为1.595 3×10-6~7.060 2×10-6m2/s。

山药的Deff随切片厚度、热风温度和微波功率密度的升高而升高,随着热风速率的增大先减小后增加,而且切片厚度和微波功率密度对山药水分有效扩散系数的影响比热风温度和热风速率对其的影响更加突出。该结果与Yu Haiming等[32]利用微波热风耦合干燥山楂的水分有效扩散系数相比高一个数量级,这可能是由于干燥物料种类、干燥条件等差异所导致。而且,相比于山药,山楂的质地更为致密,致使物料内部水分的迁移和扩散更为缓慢,因而其Deff相对较低。

2.4 干燥动力学模型的拟合

2.4.1 模型的选择

对实验数据进行计算,采用Orgin 8.0软件通过表2中的9 个常用干燥模型对所测数据进行拟合,得到各个模型的R2、χ2和RMSE如表4所示。

表 4 山药微波热风耦合干燥动力学模型R2、χ2和RMSE
Table 4 R2, χ2and RMSE of drying kinetic models for Chinese yam

由表4可知,Two-term exponential模型具有最大的平均R2,最小的平均χ2和RMSE,其值分别为0.998 0、0.000 2和0.014 7,说明该模型为所选9 个模型中最适合描述山药微波热风耦合干燥的动力学模型。Two-term exponential模型的干燥常数如表5所示。

表 5 Two-term exponential模型的干燥常数
Table 5 The parameters of Two-term exponential model

2.4.2 模型的求解

Two-term exponential模型的干燥常数a和k是切片厚度、热风温度、热风速率和微波功率密度的函数,采用二次多项式来拟合上述干燥常数,拟合方程如式(9)和(10)。

式中:T为热风温度/℃;V为热风速率/(m/s);P为微波功率密度/(W/g);x0~x4、y0~y4为待定系数。

根据表5所示实验条件及Two-term exponential模型的干燥常数a和k值,对方程(9)和(10)进行非线性回归,分别求出干燥常数a和k的回归方程,分别如式(11)和(12)所示。

其中,干燥常数a的回归方程的相关系数R2=0.91,P<0.001;干燥常数k的回归方程的相关系数R2=0.97,P<0.001。

2.4.3 模型的验证

在切片厚度11 mm、热风温度60 ℃、热风速率2.5 m/s和微波功率密度6 W/g条件下,比较山药微波热风耦合干燥实验值与Two-term exponential模型的预测值,结果如图4所示。

图 4 相同干燥条件下的实验值与预测值
Fig. 4 Experimental values and predicted values under the same drying conditions

由图4可以看出,实验值与模型预测值的拟合度较高,说明Two-term exponential模型能够较好地反映山药微波热风耦合干燥中MR的变化规律,更适于描述实验条件下山药微波热风耦合的干燥过程。

3 结 论

山药微波热风耦合干燥主要分为两个阶段:前期增速干燥阶段和后期降速干燥阶段,无明显恒速干燥阶段,干燥过程大部分处于降速阶段。山药Deff随切片厚度、热风温度和微波功率密度的增大而增大,随热风速率的增大先减小后增大。利用式(5)求得山药Deff范围为0.879 1×10-6~8.245 8×10-6m2/s,与热风温度和热风速率相比,切片厚度与微波功率密度对Deff的影响更为显著。利用9 种常用果蔬干燥动力学模型对山药微波热风耦合干燥过程进行拟合,通过非线性回归分析,得出最优动力学模型为Two-term exponential模型,其平均R2值最大,平均χ2值和RMSE值最小,分别为0.998 0、0.000 2和0.014 7。在相同的实验条件下,对模型进行验证,结果表明,模型的预测值与实验值拟合较好,该模型能很好地预测山药微波热风耦合干燥过程。

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Drying Characteristics and Kinetic Model of Chinese Yam Using Microwave Coupled with Hot Air

WANG Hanyang, LIU Dan, YU Haiming*
(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract:The effects of material thickness, air temperature, air velocity and microwave power on the drying characteristics and effective moisture diffusion coefficient were investigated by using microwave coupled with hot air. Meanwhile, a model for describing the drying kinetics was established through nonlinear fitting. The experimental results showed that the drying process was mainly divided into two periods, namely accelerated and decelerated change of dry basis moisture content, without obvious constant-speed period. The effective moisture diffusion coefficients, ranging from 0.879 1 × 10-6to 8.245 8 × 10-6m2/s, were directly proportional to material thickness, air temperature and microwave power density and initially decreased and then increased with increasing air velocity. Furthermore, the effects of material thickness and microwave power density on effective moisture diffusion coefficient were greater than those of air temperature and air velocity. Among 9 common drying kinetic models, the mean values of R2, χ2and root-mean-square error for the Two-term exponential model were minimum, which were 0.998 0, 0.000 2 and 0.014 7, respectively. The predicted values from this model were nearly consistent with the experimental values under identical experimental conditions. Therefore, the model could be used to predict the moisture change of Chinese yam during the drying process. These research findings can provide a technical foundation for the application of microwave coupled with hot air in the drying of Chinese yam and other agricultural products.

Keywords:Chinese yam; microwave coupled with hot air; drying characteristics

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815017

收稿日期:2017-05-03

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B01);黑龙江省自然科学基金项目(C2015037)

第一作者简介:王汉羊(1982—),男,讲师,博士,研究方向为农产品干燥技术。E-mail:Michaelyang198217@163.com

*通信作者简介:于海明(1973—),男,教授,博士,研究方向为农产品加工与贮藏工程。E-mail:yhm1973@163.com

中图分类号:TS255.36

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2018)15-0115-07

引文格式:

王汉羊, 刘丹, 于海明. 山药微波热风耦合干燥特性及动力学模型[J]. 食品科学, 2018, 39(15): 115-121. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815017. http://www.spkx.net.cn

WANG Hanyang, LIU Dan, YU Haiming. Drying characteristics and kinetic model of Chinese yam using microwave coupled with hot air[J]. Food Science, 2018, 39(15): 115-121. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815017. http://www.spkx.net.cn