南瓜片微波真空干燥特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福建农林大学食品科学学院 作者:王志艳

  探讨了不同微波强度、腔体绝对压力和南瓜片厚度对南瓜片微波真空干燥特性的影响,通过建立数学模型来预测南瓜片微波真空干燥过程中水分变化。结果表明,微波强度对南瓜片干燥速率的影响明显大于腔体绝对压力和南瓜片厚度;通过决定系数(R2 ) 、残差平方和(SSE) 和均方根误差(RMSE) 等评价指标对12 种数学模型的拟合度进行评价,认为Page 模型适合描述和预测南瓜片微波真空干燥水分变化规律,并提出了试验条件范围内参数k 和n 的经验模型,为南瓜片工业化生产提供技术依据。

  南瓜( Cucurbita moschata Duch. ) 是葫芦科南瓜属作物,营养丰富且具有多种保健和药用功效,中国南瓜总产量位居世界第一,但鲜南瓜含水率高,易腐烂,干制可保持其生物化学活性,延长保质期。干燥湿物料是质量和热量传递同时进行的复杂过程,干燥动力学研究对干燥设备设计、工艺优化和提高终产品质量有重要意义,目前国内外研究人员已经提出了包括基于Fick 第二定律的半理论模型和经验模型在内的十几种适用于农产品干燥的薄层干燥模型,如Lewis,Page,Henderson and Pabis,Twoterm和Wang and Singh 等模型。有关南瓜干燥模型,Doymaz研究认为,Logarithmic 模型和Verma et al. 模型适合描述南瓜片对流干燥过程; Guine等研究发现,Henderson-Pabis 模型适合描述南瓜热风干燥过程; 王瑾等研究表明,Midilli-Kucuk 模型适合描述并预测南瓜浆滚筒干燥过程。

  微波真空干燥是物料在真空环境中通过微波快速加热、低温传质、高效脱水的新型干燥技术,它可有效提高能源利用率和产品质量。微波真空干燥广泛应用于蕨菜、双孢菇、胡萝卜、土豆、绿茶、荔枝和榴莲等农产品干燥并研究建立其微波真空干燥数学模型,但目前尚未见南瓜片微波真空干燥方面的研究报道。因此,本文以新鲜南瓜为原料,研究微波强度、腔体绝对压力和南瓜片厚度对南瓜片微波真空干燥特性的影响,并建立其数学模型,旨在阐明南瓜片微波真空干燥规律,同时为开发新型即食南瓜片产品提供科学依据和生产实践指导。

1、材料与方法

1.1、材料及处理

  供试南瓜购于福建省福州市海峡农副产品批发物流中心的蔬菜市场,品种为月牙瓜。选择大小均匀、无病虫害、无损伤的成熟南瓜为试验材料。南瓜经清水清洗、晾干表面水分后,沿南瓜中心轴切成两半,南瓜经去皮、去瓤、去籽后,用切片机将南瓜切成圆形( 半径2 mm) 的南瓜片。经测定新鲜南瓜片的含水率( 干基) 为8. 90 ~ 11. 03 kg /kg。

1.2、仪器与设备

  KL-4 型微波真空干燥机( 福建农林大学与广州凯棱工业用微波设备有限公司联合研制) ; DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱( 上海精宏实验设备有限公司) ; BS224S 型电子天平( 赛多利斯科学仪器有限公司)

1.3、试验方法

  选取微波强度、腔体绝对压力和南瓜片厚度为因素,分别进行单因素试验。固定腔体绝对压力15kPa,南瓜片厚度6 mm,选取微波强度为4,6,8, 10 和12 kW/kg,研究不同微波强度对南瓜片干燥特性的影响; 固定微波强度8 kW/kg,南瓜片厚度6 mm,选取腔体绝对压力为10, 15, 20, 25 和30 kPa,研究不同腔体绝对压力对南瓜片干燥特性的影响; 固定微波强度8 kW/kg,腔体绝对压力20 kPa,选取南瓜片厚度为2,4,6,8和10 mm,研究不同南瓜片厚度对南瓜片干燥特性的影响。将南瓜片单层平铺于微波盘,按照试验要求设置好设备参数,微波盘几何对称置于干燥室中,并以10 r /min 的速度转动,每2 min 取出并记录物料质量,至含水率( 干基) ≤0. 06 kg /kg。在单因素试验基础上,选取微波强度、腔体绝对压力和南瓜片厚度为试验因素,采用三元二次正交旋转回归组合设计进行南瓜片微波真空干燥多因素试验。因素水平编码表如表1 所示,各组试验条件见表4,其它要求同单因素试验。

1.4、水分测定

  样品含水率测定参照GB/T 5009. 3 -2003。水分比的计算方法,如下式

表1 因素水平编码表

因素水平编码表

  式中: MR为水分比; Mt为样品在t 时刻的含水量,kg /kg( 干基) ; M0为样品的初始水分含水量,kg /kg( 干基) ; Me为样品的平衡水分量,kg /kg( 干基) 。由于Me相对于Mt,M0来说非常小,可忽略不计。故上式可以简化为

因素水平编码表

1.5、干燥模型

  选取12 种国内外相关文献中常用的干燥数学模型( 见表2) 拟合南瓜片微波真空干燥试验数据,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)采用决定系数( R2 ) 、残差平方和( SSE) 和均方根误差( RMSE) 对模型的拟合度进行评价。R2、SSE 和RMSE 的计算表达式如下

决定系数( R2 ) 、残差平方和( SSE) 和均方根误差( RMSE) 对模型的拟合度

  式中:N 为试验数据个数; MRpred,i为模型预测水分比; MRexp,i为试验实测水分比。R2 是评价模型拟合度最重要的指标,R2 越高,SSE 和RMSE 越低,表明模型拟合度越高,从而确定合适的干燥模型。

1.6、数据处理

  利用Excel 2003 软件对南瓜片微波真空干燥试验数据进行绘图,基于Matlab 7. 0 软件,利用Levenberg-Marquart 算法对模型进行非线性拟合求解,利用Design Expert 7. 0 软件对模型参数进行分析。

表2 选择的薄层干燥数学模型

选择的薄层干燥数学模型

2、结果与分析

2.1、南瓜片的微波真空干燥特性

  http://www.chvacuum.com/application/vacuumdrying/085430.html

2.2、南瓜片微波真空干燥的数学模型

  http://www.chvacuum.com/application/vacuumdrying/085431.html

3、结论

  (1) 南瓜片微波真空干燥特性与微波强度、腔体绝对压力和南瓜片厚度有关,且微波强度对南瓜片微波真空干燥速率影响明显大于腔体绝对压力和南瓜片厚度。微波强度越大,干燥速率越快; 减小腔体绝对压力可一定程度上提高干燥速率。南瓜片微波真空干燥过程主要分为升速、恒速、降速三个阶段,其中微波强度可明显影响南瓜片微波真空干燥的恒速干燥的时间。因此,适当提高微波强度是提高南瓜片微波真空干燥速率和缩短干燥时间的最有效方法。

  (2) Page 模型具有拟合参数少、拟合度高等优点,该模型能较准确地表达和预测南瓜片微波真空干燥过程中的水分变化规律。微波强度对干燥速率常数k的影响强于腔体绝对压力和南瓜片厚度,而干燥条件改变对产品常数n 影响不大。

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