3种微波干燥模式下板栗片的干燥特性.pdf
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1、食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.17.009基金项目:广西科技计划项目(桂科 AB18294028);贺州市创新驱动发展专项项目(贺科创 CX2009009);贺州市科学研究与技术开发计划创新驱动发展专项项目(贺科创 ZX0710001);广西科学院科研发展基金项目(2018YFJ401)作者简介:吴钊龙(1995),男(汉),研究实习员,硕士,研究方向:农产品加工。*通信作者:李秉正(1982),男,研究员,博士,研究方向:农产品加工;黄志民(1965),男,研究员,博士,研究方向:生物物理和微波
2、应用技术。3种微波干燥模式下板栗片的干燥特性吴钊龙1,李欣慧2,蒙莉3,韦云伊2,李秉正1,2,4*,黄纪民1,4,黄志民1,4*(1.广西科学院 广西壮族自治区微波先进制造工程研究中心,广西 南宁 530007;2.南宁学院 食品与质量工程学院,广西 南宁 530200;3.广西科学院 广西生物炼制重点实验室,广西 南宁 530007;4.广西中科微波先进制造产业技术研究院,广西 南宁 530007)摘要:为确定更优的微波干燥模式以缩短干燥时间、降低干燥能耗,并获得外观无明显褐变的板栗片,研究固定功率连续干燥、固定功率间歇干燥和变功率连续干燥 3 种模式下,微波频率、微波功率和干燥时间对板栗
3、片干燥特性和能耗的影响,并对较佳的微波干燥模式进行对比。结果表明,915MHz 和 2450MHz 频率下,变功率连续干燥均为最好的板栗片微波干燥模式。其中,915 MHz 频率下变功率连续模式干燥用时 120 min,单位质量微波能耗为 7.6(kW h)/kg,干燥效率为 2.22%,优于其他 2 种微波干燥模式;2 450 MHz 频率下变功率连续干燥模式用时和单位质量微波能耗分别为 60 min 和 3.3(kW h)/kg,干燥效率为 4.40%,优于其他 2 种微波干燥模式;2 450 MHz 频率的干燥用时、单位质量微波能耗、亮度 L*值和干燥效率均明显优于采用 915 MHz
4、微波设备的情况。因此,2 450 MHz 变功率连续微波干燥耗时短、能耗低且适应连续化生产要求,是一种具有应用前景的板栗片干燥方法。关键词:微波;板栗片;干燥模式;变功率;干燥特性;能耗Drying Characteristics of Chestnut Slices under Three Microwave Drying ModesWU Zhaolong1,LI Xinhui2,MENG Li3,WEI Yunyi2,LI Bingzheng1,2,4*,HUANG Jimin1,4,HUANG Zhimin1,4*(1.Guangxi Microwave Advanced Manufac
5、turing Engineering Research Center,Guangxi Academy of Science,Nanning 530007,Guangxi,China;2.College of Food Science and Quality Engineering,Nanning University,Nanning 530200,Guangxi,China;3.Guangxi Key Laboratory of Biorefinery,Guangxi Academy of Science,Nanning 530007,Guangxi,China;4.Guangxi Zhong
6、ke Microwave Institute of Advanced ManufacturingIndustrial Technology,Nanning 530007,Guangxi,China)粤遭泽贼则葬糟贼:In order to determine a better microwave drying mode to shorten drying time,reduce the energyconsumption of drying,and obtain chestnut slices with no obvious browning in appearance,fixed power
7、continuous(FPC-MD),fixed power intermittent(FPI-MD),and variable power continuous(VPC-MD)modeswere studied.Effects of microwave frequency,microwave power,and drying time on drying characteristics andenergy consumption of chestnut slices were analyzed under the above three modes,and better microwave
8、dryingmodes were compared.The results showed that under the frequency of 915 MHz and 2 450 MHz,VPC-MD wasthe best microwave drying mode for chestnut slices.Specifically,the drying time of VPC-MD at 915 MHz was120 min.The microwave energy consumption per unit mass was 7.6(kW h)/kg,and the drying effi
9、ciency was2.22%,whichbothwere better thanthe other two microwave drying modes.The drying time and microwave energyconsumption per unit mass of VPC-MD at 2 450 MHz were 60 min and 3.3(kW h)/kg,and the drying efficiencywas 4.40%,which were all better than the other two microwave drying modes.VPC-MD at
10、 2 450 MHz wassignificantly better than that at 915 MHz in terms of drying time,microwave energy consumption per unit mass,luminance L*,and drying efficiency.In conclusion,VPC-MD at 2 450 MHz showed a shorter drying time andlower energy consumption,andit was suitable forcontinuous productionrequirem
11、ents,whichmade it a promisingmethod fordrying chestnut slices.基础研究53食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期板栗又名栗子、栗果,是一种壳斗科属植物,是重要的食用坚果和经济作物资源1。板栗营养价值较高,富含淀粉、蛋白质、维生素和人体所需的 8 种必需氨基酸,有“干果之王”、“铁杆庄稼”的美誉2-4。但新鲜板栗水分含量较高,新陈代谢旺盛,不耐贮藏,且被致密内皮和外壳紧密包裹,在贮藏和运输过程中易出现发芽、霉变生虫等现象5-6。因此需对新鲜板栗进行适度干燥加工处理以保持其较好的品质特性。微波是利用波长在 11 00
12、0 mm,频率在 0.3300 GHz 的电磁波,工业微波工作频率为 915 MHz 和2 450 MHz,属于非电离辐射7。微波干燥具有快速、反应灵敏、易于控制等特点,已被广泛应用于蔬菜、水果和中药材的加工8。袁源等9通过研究风干、晒干、烘干、微波干燥和冻干等干燥方式对槟榔理化性质和抗氧化能力的影响,发现微波干燥耗时最短,黄酮、多酚和槟榔碱等活性物质的得率最高。唐毓玮等10通过研究热风干燥、真空冷冻干燥和微波干燥对睡莲花茶总酚、黄酮含量及抗氧化活性的影响,发现微波干燥效率高,能较好地保留睡莲花茶中酚类物质,使其具有较强的抗氧化活性。王红利等11发现甘蓝采用微波干燥方式优于热风干燥和热风-微波
13、联合干燥。王振帅等12发现微波干燥对朝鲜蓟粉酚类物质的保护效果最好,其干燥后的物料抗氧化能力最强,香气物质也较丰富。但只使用微波技术进行干燥,微波功率密度过大易导致物料内部局部过热而烧焦等品质问题,微波功率密度过低不能发挥微波干燥的优越性。本试验以板栗为主要研究对象,分别在 915 MHz和 2 450 MHz 下探究板栗在不同微波干燥模式下的干燥特性,分析干燥过程中温度、水分变化规律和能耗,并确定恰当的微波干燥模式和工艺参数,为板栗的加工生产提供理论和技术支持。1材料与方法1.1材料板栗:市售,平均单粒质量 8g,初始湿基含水量为50.7%,去壳、去红衣后,用旋转切片机切成厚度约为4 mm
14、薄片,切片后 2 h 内进行干燥处理。1.2试验设备915 MHz 微波设备:自主设计制造(结构如图 1 所示);2 450 MHz 微波设备(Webox-A6 型):株洲市微朗科技有限公司;手持红外热像仪(TiS10 型):美国Fluke公司;色彩色差计(CR-10plus 型):日本 KONICA MI原NOLTA 公司;快速水分测定仪(DHS-20A 型):力辰科技宁波有限公司。1.3试验方法1.3.1微波干燥试验1)板栗片固定功率密度微波连续干燥分别在 915 MHz 和 2 450 MHz 下,考察微波功率密度(1.0、2.0、3.0 W/g)对板栗片微波连续干燥特性的影响。干燥过程
15、中,当观察到板栗片开始出现褐变现象时,记录出现褐变现象的时间及对应的物料温度和湿基含水率。当湿基含水率小于 9.0%时,停止微波干燥试验并记录能耗。2)板栗片固定功率密度微波间歇干燥分别在 915 MHz 和 2 450 MHz 下,固定加热时间为 2 min、间歇时间为 1 min,考察微波功率密度(1、2、3 W/g)对板栗片微波间歇干燥特性的影响。当观察到板栗片开始出现褐变现象时,记录出现褐变现象的时间及对应的物料温度和湿基含水率,湿基含水率小于9.0%时,停止微波干燥试验并记录能耗。3)板栗片变功率密度微波连续干燥将干燥过程分为 3 个阶段,选取微波功率密度为运藻赠 憎燥则凿泽:mic
16、rowave;chestnut slices;drying mode;variable power;drying characteristics;energy con原sumption引文格式:吴钊龙,李欣慧,蒙莉,等.3 种微波干燥模式下板栗片的干燥特性J.食品研究与开发,2023,44(17):53-60,177.WU Zhaolong,LI Xinhui,MENG Li,et al.Drying Characteristics of Chestnut Slices under Three Microwave Drying ModesJ.Food Research and Developm
17、ent,2023,44(17):53-60,177.1.进料区;2.传送系统;3.微波腔体;4.腔体门;5.微波抑制器;6.出料区。图 1915 MHz 微波干燥装置Fig.1915 MHz microwave drying device基础研究54食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期1、2 W/g 或 3 W/g,按微波功率密度先高后低的原则对不同阶段的微波功率密度和处理时间进行组合。结合固定功率密度连续模式和固定功率密度间歇模式的干燥曲线、干燥速率曲线、板栗片外观变化,兼顾效率和品质寻求较优的干燥参数组合。通过预试验,得到的干燥参数组合见表 1。1.3.2干基含水率的
18、测定利用 DHS-20A 型快速水分测定仪测定板栗片的含水量,得到板栗片平均初始湿基含水率为 50.7%。板栗片干基含水率的计算公式如下13。M=mt-mm式中:M 为板栗片干燥至 t 时刻的干基含水率,%;mt为板栗片干燥至 t 时刻的质量,g;m 为绝干板栗片的质量,g。1.3.3干燥速率的测定干燥速率的计算公式如下14。D=Mt+驻t-Mt驻t式中:D 为干燥速率,g/(g min);驻t 为相邻 2 次测定板栗片的时间间隔,min;Mt+驻t为干燥至 t+驻t 时刻板栗片的干基含水量,g/g;Mt为干燥至 t 时刻板栗片的干基含水量,g/g。1.3.4色泽的测定利用色彩色差计测定不同干
19、燥模式制备的板栗干片亮度值(L*值)。L*值表示明暗,其值越大,产品的亮度越好,可以间接反映产品色泽的好坏15-16。每个样品测定 3 片板栗干片的 L*值,并计算平均值。1.3.5单位质量微波能耗的计算单位质量微波能耗计算公式如下17。e=P伊tm式中:e 为单位质量微波能耗,(kW h)/kg;P 为微波功率,kW;t 为微波加热时间,h;m 为除去的水分质量,kg。1.3.6干燥效率的计算干燥效率指微波干燥过程中,板栗片中的水分吸收的能量与微波源所发出的能量之比18。干燥效率的计算公式如下。浊=m伊 姿P伊 t 伊 103伊100式中:浊 为干燥效率,%;P为微波源输出功率,W;姿 为水
20、的汽化潜热,2 257 kJ/kg;t 为干燥时间,s;m 为干燥过程中物料所失去的水的质量,kg。1.4数据分析采用 Excel 2010 整理试验数据,采用 Origin 2018.0软件制图。2结果与分析2.1板栗片固定功率密度微波连续干燥分析2.1.1915 MHz 微波设备连续干燥结果分析图 2 为板栗片在 915 MHz 下,固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线。由图 2 可以看出,在不同微波功率密度下,板栗片温度均呈现先迅速升高后接近匀速升温的规律。在干燥终点,1.0、2.0、3.0 W/g 微波功率密度下物料的最高温度分别达到 103、122、132 益。表明微波功率密
21、度越大,干燥过程中温度越高。表 2 为利用 915 MHz 微波设备进行固定功率密度连续微波干燥,板栗片开始出现褐变的时间、温度和湿基含水率。表 1板栗片变功率密度微波连续干燥Table 1Chestnut slice variable power density microwavecontinuous drying微波频率/MHz第 1 阶段第 2 阶段第 3 阶段9153.0 W/g,40 min 2.0 W/g,10 min1.0 W/g,直至含水率约9.0%2 4503.0 W/g,10 min 2.0 W/g,30 min1.0 W/g,直至含水率约9.0%1401201008060
22、40200050250时间/min1001502003.0 W/g2.0 W/g1.0 W/g图 2915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线Fig.2Temperature variation profiles during continuousmicrowave drying of chestnut slices at a fixed power density at915 MHz表 2915 MHz 下板栗片固定功率微波连续干燥的褐变时间、温度和湿基含水率Table 2Browning time,temperature and moisture content
23、ofwet base for continuous drying of chestnut slices at 915 MHz withfixed power microwaves微波功率密度/(W/g)褐变时间/min温度/益湿基含水率/%1.0-2.07510419.123.04310524.03注:-表示未褐变。基础研究55食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期由表 2 可以看出,微波功率密度为 1.0 W/g 时,板栗片在整个干燥过程中均未出现褐变现象;微波功率密度为 2.0 W/g 时,板栗片在 75 min 开始出现褐变现象,此时物料的温度为 104 益,湿基含水
24、率为 19.12%;微波功率密度为 3.0 W/g 时,板栗片出现褐变现象的时间为 43 min,此时物料的温度为 105 益,湿基含水率为24.03%。微波功率密度越大,板栗片出现褐变的时间越短,褐变发生时物料湿基含水率越高。图 3 为 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线。从图 3(a)可以看出,微波功率密度分别为 1.0、2.0、3.0 W/g 时,板栗片湿基含水率从 50.7%降至 9.0%以下所用时间分别为 240、120、80 min,微波功率密度越高,干燥至安全储存水分含量所需时间越短。虽然采用较高微波功率密度(3.0 W/g)可明显缩短干燥时间,但
25、当湿基含水率降低到一定程度时,物料温度过高会出现褐变现象,严重损害干制品品质。相反,采用较低微波功率密度(1.0 W/g)可避免干燥过程出现褐变现象,但整个干燥过程耗时为 3.0 W/g 时的 3 倍。从图 3(b)可以看出,微波功率密度为 1.0 W/g 时有明显的加速、恒速、降速 3 个阶段,微波功率密度为2.0 W/g 和 3.0 W/g 时有明显的加速、降速两个阶段,说明微波功率密度越大,干燥速率越快,恒速阶段不明显。主要是由于微波功率密度越大,板栗片内部的水分子吸收能量越多,水分汽化速度越快,因此物料水分降低速度也越快,当采用较大微波功率密度处理时,板栗片中的绝大部分水在初始的加速阶
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