張緒坤，楊祝安，吳肖望，劉勝平，徐 剛，徐建國，李華棟

(1.南昌航空大學(xué)機電設(shè)備研究所，江西南昌330063;2.江西省科學(xué)院食品工程創(chuàng)新中心，江西南昌330096)

蓮子是睡蓮科植物蓮的成熟種子。蓮子中富含蛋白質(zhì)，多種人體所需的維生素以及微量元素，能夠滋養(yǎng)補虛，養(yǎng)心安神，增強免疫能力，具有較高的營養(yǎng)價值、藥用價值［1－3］。然而，蓮子具有收獲時間短、收獲量大的特點，新鮮蓮子在貯藏過程中，非常容易發(fā)生褐變［4］，造成蓮子品質(zhì)下降，營養(yǎng)成分流失。因此，為了有效的保存新鮮蓮子，在收獲蓮子后，及時對新鮮蓮子進行干燥處理具有十分重要的意義?，F(xiàn)如今，日曬結(jié)合炭爐烘烤和烤房烘烤是兩種傳統(tǒng)的蓮子干燥方法［5］，然而采用這兩種方法得到的蓮子外觀、色澤不佳，品質(zhì)較低，營養(yǎng)成分流失嚴(yán)重。微波干燥技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品干燥，具有干燥效率高、干燥品質(zhì)好、操作簡單等優(yōu)點［6－8］。余煉等［9］研究不同微波干燥強度對牡蠣復(fù)水性能、色澤、收縮率等品質(zhì)的影響，研究表明微波干燥強度越大，干燥時間越短;采用中等微波強度(5～8 W/g)，牡蠣干燥品質(zhì)最佳。然而，在微波干燥的后期，常常出現(xiàn)物料溫度飆升造成物料品質(zhì)下降的現(xiàn)象，針對這個問題，有的研究學(xué)者研究在微波干燥時，將物料的溫度設(shè)置在某個區(qū)間中，以此來保證在微波干燥后期不出現(xiàn)溫度飆升的情況。莫愁等［10］設(shè)計了一種微波干燥恒溫控制系統(tǒng)，使得物料在干燥時的溫度處在一個預(yù)設(shè)的溫度區(qū)間中，以此來保障物料干燥的品質(zhì)。陳霖［11］比較了控溫微波干燥與常規(guī)微波干燥下花生品質(zhì)的差別，結(jié)果表明常規(guī)微波干燥的花生出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，控溫微波干燥的花生無焦糊現(xiàn)象，干燥效果比較好。張薇等［12］采用控溫微波干燥丹參，并將其干燥制品與常規(guī)的陰干、曬干、熱風(fēng)干燥在品質(zhì)上進行比較，結(jié)果表明采用控溫微波干燥可以提高丹參藥材的品質(zhì)，減少藥材有效成分的流失。

目前，關(guān)于蓮子控溫微波干燥的研究較少，為了研究基于控溫狀態(tài)下的蓮子微波干燥特性及控溫微波干燥對蓮子品質(zhì)的影響，本文建立蓮子控溫微波干燥動力學(xué)特性，并將控溫微波干燥與熱風(fēng)干燥后的蓮子在復(fù)水率上進行比較分析，為控溫式的蓮子微波干燥工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮蓮子(白蓮) 取自江西廣昌蓮子生產(chǎn)基地，濕基含水率為60% ±0.5%。試驗前將取回的鮮蓮蓬放在保鮮袋中并將其放入(5±1)℃冰箱內(nèi)保存。

KL－2D－3WRS型熱泵－微波聯(lián)合干燥機(見圖1) 由廣州凱棱工業(yè)微波設(shè)備有限公司生產(chǎn)制造，可在微波干燥條件或在熱泵干燥條件下單獨運行，也可進行熱泵微波聯(lián)合干燥。圖2為該干燥機在微波干燥條件下單獨運行時原理圖，由微波發(fā)生器產(chǎn)生微波，經(jīng)過饋能裝置輸入干燥室內(nèi)中，物料中的水分在微波加熱的情況下逐漸被去除，并通過排濕系統(tǒng)(風(fēng)機)排出干燥室外從而達到干燥的目的。該干燥機可在微波干燥條件單獨運行時，通過干燥機內(nèi)的紅外探頭檢測物料表面溫度，并通過顯示面板設(shè)置物料表面溫度，從而達到控制物料表面溫度的效果;DHG－9075A型電加熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱 上海一恒科技有限公司;DT1000A電子天平 意歐儀表有限公司，分表率為0.01 g;DDS666型三相電度表 浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司;SHA－C型水浴恒溫振蕩器 金壇市榮華儀器制造有限公司;TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司;玻璃培養(yǎng)皿若干。

圖1 微波熱泵組合干燥機Fig.1 Combined microwave with heat pump drying machine

圖2 微波熱泵聯(lián)合干燥機基本原理圖Fig.2 Combined microwave with heat pump dryer basic principle diagram during microwave drying alone

1.2 實驗方法

1.2.1 蓮子的剝?nèi)?將蓮蓬從冰箱中取出，挑選出蓮子長軸直徑為(17.20±0.5)mm，短軸直徑為(15.50±0.5)mm(外形尺寸，成熟度與色澤基本一致)、通過蓮子剝殼機去除蓮子殼、手工去除蓮子薄膜，稱取蓮子400 g。

1.2.2 蓮子的干燥

1.2.2.1 蓮子的微波干燥試驗流程 微波干燥單因素實驗流程:先開啟微波－熱泵聯(lián)合干燥機，在微波干燥條件下運行，開啟干燥機內(nèi)的風(fēng)道和循環(huán)風(fēng)機，保證干燥室內(nèi)空氣流通，循環(huán)風(fēng)機頻率保持恒定為15 Hz，室內(nèi)空氣流速恒定。將微波表面溫度設(shè)置為溫度間隔為5℃的預(yù)定區(qū)間，將蓮子平鋪，無疊層放入干燥室內(nèi)后，緊閉干燥箱門，并記錄質(zhì)量讀數(shù)和電表讀數(shù)，通過觀察顯示屏中物料的表面溫度，當(dāng)物料表面溫度達設(shè)定區(qū)間的最大值時，關(guān)閉微波，當(dāng)物料表面溫度達設(shè)定區(qū)間的最小值時，開啟微波，從而使得物料表面溫度始終處于設(shè)定物料表面溫度區(qū)間。每隔20 min，記錄電表讀數(shù)和顯示面板上的質(zhì)量讀數(shù)。當(dāng)質(zhì)量讀數(shù)顯示在蓮子濕基含水率10%以下時，停止干燥試驗，并記錄最后的電表讀數(shù)和質(zhì)量稱重讀數(shù)。每個試驗重復(fù)三次。

1.2.2.2 蓮子的熱風(fēng)干燥試驗流程 熱風(fēng)干燥試驗流程:開啟電加熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，對電加熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱進行預(yù)熱，之后將其設(shè)置至預(yù)設(shè)溫度，將蓮子平鋪呈薄層狀放入干燥箱中進行干燥，干燥箱內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)速恒定為1.1 m/s，每隔20 min將蓮子從干燥箱中取出，記錄蓮子的稱重，蓮子干燥濕基含水率在10%以下停止實驗。每個試驗重復(fù)三次。

1.2.3 單因素實驗設(shè)計

1.2.3.1 微波單因素干燥實驗水平設(shè)計 在前期探索性的試驗和農(nóng)產(chǎn)品微波干燥文獻［13－15］試驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合相應(yīng)的微波干燥裝置的特點，以復(fù)水率、相對單位能耗、干燥時間進行單因素微波干燥實驗時，將干燥物料的微波功率固定設(shè)置為600 W，干燥物料的表面溫度分別設(shè)置為溫度間隔為5℃的區(qū)間(55～60 ℃)、(50～55 ℃)、(45～50 ℃);將干燥物料的表面溫度區(qū)間固定設(shè)置為(50～55℃)，干燥功率分別設(shè)置為400、600、800 W。

1.2.3.2 熱風(fēng)單因素干燥實驗水平設(shè)計 在前期探索性的試驗和農(nóng)產(chǎn)品熱風(fēng)干燥文獻［16］試驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合相應(yīng)的熱風(fēng)干燥裝置的特點，在進行熱風(fēng)單因素干燥試驗時，設(shè)置熱風(fēng)干燥溫度分別為50、60、70、80 ℃。

1.2.4 干燥參數(shù)的計算方法

1.2.4.1 水分比及干燥速率 在干燥過程中，蓮子水分比(moisture ratio)的計算公式［17］為:

式中:MR為蓮子水分比;M0為蓮子的初始干基含水率，g/g;Me為蓮子的平衡干基含水率，g/g;Mt為干燥過程t時刻蓮子的干基含水率，g/g。

由于Me相對于M0和Mt很小，可以忽略，因此式(1)可以簡化為:

蓮子中的水分去除快慢可用干燥速率DR(g/(g·s))來表示，其計算公式［18］為

式中:M(t+Δt)為干燥過程中(t+Δt)時刻蓮子干基含水率，g/g;Δt為失去水分的時間，s。

1.2.4.2 能耗的計算 干燥能耗是評價干燥工藝優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，采用相對單位能耗來來計算不同干燥條件下蓮子微波控溫干燥的能耗，相對單位能耗的計算公式為［19］:

式中:W為相對單位能耗，k J/g;W1為干燥前電能表讀數(shù)，kW·h;W2為干燥后電能表讀數(shù)，kW·h;M1為干燥前物料總質(zhì)量，g;M2為干燥后物料總質(zhì)量，g。

1.2.4.3 蓮子干燥動力學(xué)模型 為了研究蓮子微波干燥過程中水分比隨著時間變化的關(guān)系，選用常見的干燥模型對蓮子微波干燥進行擬合分析，常見的數(shù)學(xué)模型為 Lewis、Henderson and Pabis、Page、Wang－Singh、Logarithmic、Midilli、Two－ term model 7 種模型［20－25］，這7種模型的數(shù)學(xué)表達式及參數(shù)說明可見于表1。

決定系數(shù)R2越大、離差平方和χ2、均方根誤差RMSE越小，則方程的擬合程度越高。計算決定系數(shù)(R2)、離差平方和(χ2)、均方根誤差(RMSE)的公式有:

表1 薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematical thin－layer drying models

式中:MRexp，i為干燥試驗實測的第i個水分比;MRpre，i為利用模型預(yù)測的第i個水分比;N為試驗測得的數(shù)據(jù)個數(shù);z為因素水平個數(shù)。

1.2.5 有效擴散系數(shù)與活化能 有效擴散系數(shù)是能對物料的傳熱傳質(zhì)進行定量分析的一個重要參數(shù)。研究學(xué)者提出了有效擴散系數(shù)的計算方法。其計算公式為［26］:

式中:Deff為有效擴散系數(shù)，m2/s;t為試驗時間，s;δ為蓮子試驗樣本的厚度的一半，m;在本試驗中取δ為蓮子的平均半徑;n為試驗采樣數(shù)。

對上式進行兩邊取對數(shù)，可得:

從上式的函數(shù)關(guān)系中可以確定有效擴散系數(shù)的對數(shù)與時間呈現(xiàn)較高的線性關(guān)系，可以通過函數(shù)的斜率來求得。其斜率的表達式為:

通過阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程可得出有效擴散系數(shù)、活化能的關(guān)系，阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程為［27］:

式中:D0為指前因子，m2/s;Ea為擴散活化能，J/mol;R 為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K);T 為溫度，K。

將式(11)兩邊取對數(shù)可得:

從式(12)中可以看出，lnDeff與1/T呈現(xiàn)線性關(guān)系，可通過數(shù)據(jù)擬合式(12)可得出斜率，從而求出活化能。1.2.6 蓮子微波干燥的品質(zhì) 復(fù)水率的測定:取不同微波干燥條件下的蓮子各1組，每組3顆蓮子，每次試驗取不同的蓮子一顆，試驗重復(fù)3次，取平均值作為該干燥條件下的蓮子復(fù)水率。干蓮子去除蓮心后，記錄其質(zhì)量并記為mg，放入不同編號的燒杯中，向燒杯中加入60℃的熱水，并將裝有熱水、蓮子的燒杯放入充滿了60℃熱水的水浴恒溫振蕩器中，30 min后取出蓮子，并將其放在干凈的濾紙上，瀝水5 min后稱重記為mf。根據(jù)試驗前后蓮子質(zhì)量的變化來計算復(fù)水率，計算復(fù)水率的公式為［28］:

式中:mf為蓮子復(fù)水前的質(zhì)量，g;mg為蓮子復(fù)水后的質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用 Origin 8.5.1、MATLAB R2012b及 Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓮子控溫微波干燥特性

2.1.1 物料表面溫度對蓮子微波干燥特性的影響 圖3為400 g蓮子在微波功率600 W，不同物料表面溫度區(qū)間(55～60、50～55、45～50 ℃)下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖3a中可以看出，溫度越高，干燥曲線越陡峭。干燥溫度區(qū)間為(55～60℃)、(50～55℃)、(45～50℃)時，干燥所用時間分別為:140、200、320 min。從總體干燥曲線來看，物料表面溫度是影響蓮子微波干燥時間的一個重要因素。從圖3b中可以看出，蓮子微波干燥過程整體表現(xiàn)為降速干燥過程，這是因為水分在物料內(nèi)部擴散速度低于蒸發(fā)速度所致［29］。從整體來看，物料表面溫度區(qū)間越大，干燥速率越快。這是因為物料表面溫度區(qū)間越大，溫度越高，傳熱傳質(zhì)效率越高。

圖3 不同溫度區(qū)間下蓮子的干燥曲線和干燥速率曲線Fig.3 Drying curves and drying rate curves of lotus seed at different temperature range

2.1.2 微波干燥功率對蓮子干燥特性的影響 圖4為400 g蓮子在物料表面溫度區(qū)間為(50～55℃)，不同微波干燥功率(400、600、800 W)下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖4a中可以看出在控制微波干燥表面溫度在一定的區(qū)間范圍內(nèi)時，所有的微波干燥功率干燥時間都是200 min，并且在相同時間下，水分比幾乎一樣，可看出微波干燥功率對于蓮子微波干燥速率的影響非常小。這是因為微波功率小，溫度上升慢，微波啟停間隔時間長，而微波功率大，溫度上升快，微波啟停間隔時間短，從而導(dǎo)致在整個微波干燥過程中，蓮子吸收的微波能量幾乎是一致的。從圖4b中可以看出，整個微波干燥過程整體表現(xiàn)為降速干燥，這與常規(guī)微波干燥速率曲線的變化規(guī)律不同［30］。

圖4 不同微波功率下的蓮子干燥曲線和干燥速率曲線Fig.4 Drying curves and drying rate curves of lotus seed at different microwave drying power

2.1.3 溫度區(qū)間和微波功率對相對單位能耗的影響 圖5是表示的是在不同的溫度區(qū)間、微波功率下的相對單位能耗。從圖5中可以看出，在相同的溫度區(qū)間(50～55 ℃)，不同的微波功率(800、600、400 W)的干燥條件下，相對單位能耗分別為36.943、35.044、35.357 k J/g。微波功率對相對單位能耗的影響較小，這是因為在不同微波功率的干燥條件下，對于相同質(zhì)量的蓮子吸收的微波能是幾乎一致的。這與微波功率對蓮子干燥速率的影響分析是一致的。從圖5中還可以看出，在相同的微波功率(600 W)、不同的溫度區(qū)間的干燥條件((55～60℃)、(50～55℃)、(45～50℃))下，蓮子微波控溫干燥的相對單位能耗分別為 29.469、35.044、49.018 k J/g。溫度區(qū)間對相對單位能耗的影響較大。這是因為溫度區(qū)間越小，溫度越低，干燥時間越長，微波開啟的時間越長，相對單位能耗就越高。

圖5 溫度區(qū)間和微波功率對相對單位能耗的影響Fig.5 Effects of temperature range and microwave power on relative unit energy consumption

2.2 蓮子微波干燥動力學(xué)模型

2.2.1 干燥動力學(xué)模型的選擇 采用7種常見的干燥模型擬合蓮子在不同干燥條件下的干燥過程，其擬合結(jié)果如表2所示，從表2中可以看出，在7種常見的干燥模型中，Midilli模型的平均R2為0.998904，平均 χ2為1.493 ×10－4，平均RMSE 為0.010198，相較于其它數(shù)學(xué)模型，擬合效果最佳。

2.2.2 模型的驗證 由表2可知，Midilli模型最適合描述基于控溫狀態(tài)下蓮子微波干燥過程中的水分變化規(guī)律，Midilli模型參數(shù)a，k，n，b可以看作是物料表面溫度區(qū)間、微波功率的函數(shù)，為了便于計算，采用物料表面溫度區(qū)間的中心值(57.5、52.5、57.5℃)來代表物料表面溫度區(qū)間((55～60℃)、(50～55℃)、(45～50 ℃))，令［31］:

表2 干燥模型擬合結(jié)果Table 2 Fitting results obtained from drying models

式中:T，為溫度區(qū)間的中心值，℃;W為微波功率，w;A1、A2、A3、A4、A5、A6為多項式的系數(shù)。

通過Matlab軟件使用最小二乘法求解超定方程組，可求得:

在矩陣［B］、［C］、［D］、［E］中 6 個元素分別為Midilli模型參數(shù) a，k，n，b 的六個系數(shù)。

為了驗證Midilli模型的準(zhǔn)確性，在微波功率為600 W，物料表面溫度區(qū)間為(52～57℃)的干燥條件下進行驗證實驗，將理論值與試驗值進行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，擬合結(jié)果表明理論值與試驗值擬合程度非常高，決定系數(shù)R2為0.99927，均方根誤差為0.0082，這說明該方程可用于描述基于控溫狀態(tài)下的蓮子微波干燥過程任意時刻水分比與時間的關(guān)系。

圖6 Midilli模型驗證曲線Fig.6 Verification curves of Midilli model

2.3 有效擴散系數(shù)與活化能

通過公式(9)和公式(10)計算得出在不同溫度區(qū)間、不同微波功率下的蓮子控溫微波干燥的有效擴散系數(shù)，其結(jié)果列于表3。從表3中可以看出有效擴散系數(shù)的范圍為 8.9891 ×10－10～2.22431 ×10－9m2/s。有效擴散系數(shù)隨著物料表面溫度的不斷升高，其擴散系數(shù)也在不斷的增大。這說明隨著溫度的不斷升高，加快了水分子間的運動，提高了干燥速率。

表3 蓮子在不同干燥條件下的有效擴散系數(shù)Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of lotus seed under different drying conditions

選取物料表面溫度區(qū)間的中心值來計算，通過上述計算得出在不同溫度區(qū)間、不同微波功率下的有效擴散系數(shù)，對lnDeff與1/T關(guān)系式進行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示，決定系數(shù)為R2＞0.999，p＜0.05，呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系，根據(jù)方程(12)可求得，控溫微波干燥蓮子在微波功率600 W，不同物料表面溫度區(qū)間的干燥條件下，活化能Ea為79.85 kJ/mol。

圖7 在不同物料表面溫度區(qū)間下lnDeff與1/T的擬合結(jié)果Fig.7 Fitting results between lnDeff with 1/T under different material surface temperature range

2.4 蓮子控溫微波干燥與熱風(fēng)干燥品質(zhì)與干燥時間比較分析

圖8是蓮子在熱風(fēng)干燥條件下和控溫微波干燥條件下的復(fù)水率和干燥時間。復(fù)水率被認為是評判干燥后物料品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，復(fù)水性能的好壞取決于細胞和結(jié)構(gòu)的破壞程度。在干燥過程中，物料的細胞與結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，越徹底，物料的復(fù)水性能越差［32］。從圖8a中可以看出，熱風(fēng)干燥條件下的蓮子與控溫微波干燥條件下的蓮子在復(fù)水率上差別不顯著(p＞0.05)，這是因為熱風(fēng)干燥的干蓮子由于熱風(fēng)干燥本身的干燥特性，使得熱風(fēng)對蓮子的細胞和組織破壞較嚴(yán)重，而采用控溫微波干燥對蓮子進行干燥，會損壞蓮子表層的細胞壁，在進行復(fù)水時，復(fù)水能力會下降，從而使得兩者的差異不明顯，這與曾紹校等［28］的研究結(jié)果相似。在控溫微波干燥中，在A～C的干燥條件下，即在物料表面溫度區(qū)間都為(50～55℃)，不同微波干燥功率的干燥條件下，微波功率為600 W時的蓮子復(fù)水率最好，復(fù)水率為1.72;在D～F表示的干燥條件下，即在相同的微波干燥功率，不同的物料表面溫度時，物料表面溫度區(qū)間為(50～55℃)的蓮子復(fù)水率最佳，復(fù)水率為1.72;這說明干燥工藝為表面溫度區(qū)間都為(50～55℃)，微波干燥功率為600 W干燥出來的蓮子復(fù)水率最好，能夠得到較高品質(zhì)的蓮子。

圖8 蓮子在不同干燥條件下的復(fù)水率和干燥時間Fig.8 Rehydration rate and drying time of lotus seed under different drying methods注:a、b、c、d 表示的是熱風(fēng)溫度 50、60、70、80 ℃，A、B、C表示的是物料表面溫度(50～55℃)，微波功率分別為800、600、400 W;D、E、F 表示的是微波功率 600 W，物料表面溫度分別為(55～60 ℃)、(50～55 ℃)、(45～50 ℃)。

從圖8b中可以看出，將蓮子干燥至目標(biāo)含水率(10%以下)，蓮子微波控溫干燥時間最短只需140 min，低于蓮子熱風(fēng)最短干燥時間(200 min)。在A～C的干燥條件下，干燥時間相同，這說明微波功率對干燥時間的影響較小。在D～F的干燥條件下，溫度區(qū)間越大，干燥時間越短，溫度區(qū)間對干燥時間的影響顯著(p＜0.05)。在微波干燥功率600 W、物料表面溫度為(55～60℃)的干燥條件下，干燥時間最短，為 140 min。

綜上所得，蓮子在控溫微波干燥條件下，微波功率600 W、溫度區(qū)間為(50～55℃)為最佳工藝。

3 結(jié)論

在基于可控溫的蓮子微波干燥過程中，物料表面溫度區(qū)間對蓮子干燥特性影響較大，微波干燥表面溫度區(qū)間越大，蓮子干燥速率越快，時間越短;微波干燥功率對蓮子干燥影響較小;蓮子微波控溫干燥總體呈現(xiàn)降速干燥的趨勢。

通過7種常見的薄層干燥模型與試驗數(shù)據(jù)進行擬合比較，得出最適合描述蓮子控溫微波干燥過程水分變化規(guī)律的模型為Midilli模型;Midilli模型的4個參數(shù)均可用關(guān)于微波功率和溫度區(qū)間的中心值的多項式進行表示;蓮子微波控溫的有效擴散系數(shù)為8.9891 ×10－10～2.22431 ×10－9m2/s;蓮子在相同微波功率、不同溫度區(qū)間下的活化能為79.85 k J/mol。

蓮子控溫微波干燥時間短于熱風(fēng)干燥時間;熱風(fēng)干燥與控溫微波干燥的蓮子在復(fù)水率上差異不顯著(p＞0.05);在不同的控溫微波干燥條件中，在微波干燥功率600 W、物料表面溫度區(qū)間為(50～55℃)的干燥條件下，蓮子復(fù)水率最好。