辣椒微波干燥動(dòng)力學(xué)研究

劉莉，劉璐，孔令明

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

辣椒是一種深受人們青睞的調(diào)味品，其價(jià)值不僅在風(fēng)味上，還有豐富的辣椒素、VC等多種營(yíng)養(yǎng)成分[1]。辣椒由于含有酚類化合物等多種活性物質(zhì)使得其藥用價(jià)值很高，因此辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間極為廣闊[2]，辣椒在我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)中是第一大產(chǎn)業(yè)[3]。但是辣椒采收于多雨季節(jié)，因此要及時(shí)對(duì)采收的新鮮辣椒進(jìn)行有效的干燥處理[4]，以此來(lái)避免長(zhǎng)時(shí)間的貯存所引起的腐爛、霉變。辣椒經(jīng)過(guò)有效的干制處理之后，貯藏、包裝以及運(yùn)輸?shù)染容^方便，對(duì)調(diào)節(jié)淡旺季節(jié)矛盾，四季均衡供應(yīng)都發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的干燥方法一般采用自然晾曬、風(fēng)干，而傳統(tǒng)干燥易被限制，不但干燥的周期比較長(zhǎng)、效率低而且所得產(chǎn)品的色澤及品質(zhì)較差[5,6]。

動(dòng)力學(xué)模型可為預(yù)測(cè)微波干燥過(guò)程中辣椒水分含量和控制辣椒干制時(shí)間提供理論依據(jù)。通過(guò)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用干燥動(dòng)力學(xué)優(yōu)化及控制物料脫水的速率來(lái)指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)是生產(chǎn)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，本文對(duì)辣椒的微波干燥特性進(jìn)行了研究，分析了微波功率對(duì)辣椒微波干燥的影響和辣椒微波干燥的規(guī)律，為辣椒微波干燥及設(shè)備參數(shù)的調(diào)整提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮辣椒：購(gòu)于新疆烏魯木齊市。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

DHG-9140A型鼓風(fēng)干燥箱；美的M1-L236A型微波爐；AL204型電子天平。

1.3 試驗(yàn)方法

工藝流程：挑選→清洗、瀝干→切分→微波干燥→冷卻回潮→密封包裝。

首先挑選出形狀規(guī)則、顏色均勻、無(wú)損傷的新鮮紅辣椒，進(jìn)行清洗、瀝干及切分，然后進(jìn)行微波干燥試驗(yàn)。將辣椒微波干燥試驗(yàn)的影響因素取為微波功率，以此來(lái)分析辣椒微波干燥特性與微波功率之間的關(guān)系，進(jìn)行以下試驗(yàn)。

將挑選、清洗、瀝干、切分的新鮮紅辣椒選取功率分別為80，240，400，640，800 W進(jìn)行微波干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，每間隔1 min迅速取出，并放在電子天平上進(jìn)行稱量，同時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中隨時(shí)觀察辣椒的干燥情況。當(dāng)辣椒干燥至國(guó)標(biāo)所規(guī)定的含水率(≤14%)時(shí)，停止干燥。取出，冷卻回潮后放入密封袋中保存。然后繼續(xù)進(jìn)行下一組試驗(yàn)，以此類推，直至所有試驗(yàn)全部完成。為了保證準(zhǔn)確性，將每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)

1.4.1 試樣初始含水率的測(cè)定

試樣初始含水率X的測(cè)定按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：X為試樣初始含水率，g/100 g；m1為稱量瓶(加海砂、玻棒)和試樣的質(zhì)量， g；m2為稱量瓶(加海砂、玻棒)和試樣干燥后的質(zhì)量， g；m3為稱量瓶(加海砂、玻棒)的質(zhì)量，g；100為單位換算系數(shù)。

1.4.2 試樣干基含水量的測(cè)定

試樣干基含水量 Mt的測(cè)定按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Mt為干制到 t 時(shí)刻時(shí)試樣的干基含水量，g/g；mt為干制到 t 時(shí)刻時(shí)試樣的質(zhì)量，g；mg為干制后試樣的質(zhì)量，g。

1.4.3 試樣干基含水率的測(cè)定

試樣干基含水率Wt的測(cè)定按公式(3)計(jì)算：

Wt=Mt×100%。

(3)

式中：Wt為干制到 t 時(shí)刻時(shí)試樣的干基含水率，%。

1.4.4 試樣干制速率的測(cè)定

干燥特性中的干燥速率，是用來(lái)研究干燥動(dòng)力學(xué)的一個(gè)很重要的參數(shù)，干燥速率能反映出干燥時(shí)間與干燥水分含量及干燥速率之間的關(guān)系[7]。

試樣干制速率 Dr的測(cè)定按公式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Dr為試樣的干制速率，g/(g·min)； Mt+Δt為t+Δt時(shí)刻時(shí)試樣的干基含水量，g/g； Δt 為干制的間隔時(shí)間，min。

1.4.5 水分比的測(cè)定

水分比(MR)用來(lái)表示在一定干燥條件下，物料還有多少水分未被干燥所除去，因此可以用于反映物料干燥速率的快慢[8]。

水分比 MR的測(cè)定按公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：MR為水分比；Me為平衡干基含水量；M0為初始干基含水量，由于Me的值相對(duì)于M和M0來(lái)說(shuō)比較小，可以忽略不計(jì)，因此公式可以簡(jiǎn)化為：

2 結(jié)果與討論

2.1 辣椒干燥特性研究

2.1.1 辣椒微波干燥特性曲線

根據(jù)微波干燥試驗(yàn)的結(jié)果，繪制出相應(yīng)的辣椒微波干燥特性曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 不同功率條件下辣椒微波干燥特性曲線

由圖1可知，在切分方式及載料量條件恒定的情況下，隨著微波功率的增大，辣椒的含水率與干燥時(shí)間的曲率隨之增大，說(shuō)明微波干燥所用的功率越大，干燥所需要的周期越短。由微波干燥試驗(yàn)的結(jié)果可知，辣椒在干燥功率640 W及800 W時(shí)干燥速度明顯高于其他干燥功率條件下的干燥速度。與條件為功率640 W相比，條件為800 W的試驗(yàn)微波功率雖然加大了160 W，但兩者干燥時(shí)間長(zhǎng)短差別并不大，這是由于微波的功率過(guò)大導(dǎo)致物料表面的水分蒸發(fā)速率低于物料內(nèi)部水分?jǐn)U散的速率，使得微波能的吸收率受到了影響[9]。但是在此條件下干燥后的辣椒在色澤等外觀方面及質(zhì)量方面相對(duì)于其他干燥條件下的較差。而辣椒在干燥功率80 W的條件下，雖然外觀及質(zhì)量較好，但干燥速度明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他干燥功率條件下的干燥速度，不適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.2 辣椒微波干燥速率曲線

根據(jù)微波干燥試驗(yàn)的結(jié)果，繪制出相應(yīng)的辣椒干燥速率曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 不同功率辣椒微波干燥速率曲線

將圖2的干燥速率曲線拉伸，可以看出辣椒微波干燥中存在加速干燥、恒速干燥和降速干燥這3 個(gè)階段。干燥的初期階段，因?yàn)槔苯匪趾扛撸盏奈⒉芏?，水分蒸發(fā)較快，干燥速率較大，此為加速干燥階段；隨著微波干燥的繼續(xù)進(jìn)行，因?yàn)槔苯繁韺铀州^多，內(nèi)部的水分可以及時(shí)遷移至辣椒表面，表面的溫度保持穩(wěn)定，干燥速率也保持穩(wěn)定，此處進(jìn)入恒速干燥階段；隨著辣椒水分含量的降低，所吸收的微波能減少，蒸發(fā)取決于內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率，當(dāng)水分向表面的擴(kuò)散速率低于表面汽化速率時(shí)即進(jìn)入降速干燥階段[10]。

2.2 辣椒微波干燥動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.2.1 常見(jiàn)的干燥動(dòng)力學(xué)模型

目前用于描述干燥過(guò)程的模型有很多，其中的薄層干燥模型是一類應(yīng)用較為廣泛的干燥動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)常被用來(lái)描述蔬菜以及其他農(nóng)作物的干燥過(guò)程[11]。用來(lái)描述食品干燥過(guò)程的薄層干燥模型一般有單項(xiàng)擴(kuò)散模型、指數(shù)模型以及Page方程這3種[12]。建立干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，對(duì)于研究干燥過(guò)程的變化規(guī)律以及預(yù)測(cè)干燥工藝參數(shù)均有重要作用。

單項(xiàng)擴(kuò)散模型：MR=A×exp(-kt)。

(6)

指數(shù)模型：MR=exp(-kt)。

(7)

Page方程：MR=exp(-ktN)。

(8)

式中：t為干燥時(shí)間，min；A，k，N為待定系數(shù)。

2.2.2 辣椒微波干燥模型的選擇以及待定系數(shù)的確定

對(duì)單項(xiàng)擴(kuò)散模型、指數(shù)模型和 Page方程進(jìn)行擬合比較以便于更好地反映水分比MR隨著干燥時(shí)間t的變化規(guī)律。將公式(6)～公式(8)進(jìn)行線性化處理，分別取對(duì)數(shù)得到以下公式：

單項(xiàng)擴(kuò)散模型：In(MR)=InA-kt。

(9)

指數(shù)模型：In(MR)=kt。

(10)

Page方程： In[-In(MR)]=Ink+N×Int。

(11)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合公式(9)～公式(11)繪制不同微波功率條件下的-In(MR)～t關(guān)系曲線，In[-In(MR)]～I(xiàn)nt關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同微波功率條件下的-In(MR)～t曲線

圖4 不同微波功率條件下的ln[-ln(MR)]～lnt曲線

由圖3和圖4可知，不同功率條件下的-ln(MR)～t關(guān)系曲線與In[-In(MR)]～I(xiàn)nt關(guān)系曲線相比較，In[-In(MR)]～I(xiàn)nt關(guān)系曲線比-In(MR)～t關(guān)系曲線的線性關(guān)系更好。為了更加準(zhǔn)確地選擇干燥模型，對(duì)-In(MR)～t關(guān)系曲線與In[-In(MR)]～I(xiàn)nt關(guān)系曲線進(jìn)行線性回歸擬合分析，所得到回歸的相關(guān)指數(shù)R2值和相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同微波功率-ln(MR)～t及l(fā)n[-ln(MR)]～lnt關(guān)系的回歸方程及檢驗(yàn)系數(shù)

由表1可知，模型間的R2值相差較大，其中Page模型的R2相對(duì)比較大，所有功率條件下的R2均在0.985以上，由此說(shuō)明其擬合優(yōu)度較大，線性效果比較好。由此可知Page模型可用來(lái)描述辣椒微波干燥試驗(yàn)范圍內(nèi)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖4可知，在不同微波干燥功率條件下，In[-In(MR)]=Ink+N×Int直線近似于平行移動(dòng)，因此可以將系數(shù)N看作一個(gè)常數(shù)[13]。Page模型方程中的干燥常數(shù)k因試驗(yàn)條件的不同而隨之改變，因此k是微波功率的函數(shù)[14]?？梢粤?/p>

Ink=a+bp。

(12)

式中：P為微波功率，W；a，b為常數(shù)。

將公式(12)帶入公式(11)可得到公式：

In[-In(MR)]=a+bP+N×Int。

(13)

將試驗(yàn)的數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行回歸分析，可得出：a=-0.029464；b=0.0001733；N=1.7658。

將各項(xiàng)系數(shù)帶入公式(13)可得到辣椒微波干燥模型為：

In[-In(MR)]=-0.0294642018+0.0001733P+1.7658×Int。

(14)

將公式(10)～公式(13)進(jìn)行整理，用于描述辣椒微波干燥過(guò)程的 Page 模型如下：

MR=exp(-ktN)，

(15)

k=-0.029464+0.0001733P；N=1.7658。

2.2.3 辣椒微波干燥動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

圖5 400 W功率條件下試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較

選取微波功率為400 W的試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證。由圖5可知，根據(jù)微波干燥Page模型預(yù)測(cè)的MR值與微波干燥實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的MR值相比較，較為一致，由此可知此干燥模型可以用來(lái)作為辣椒微波干燥動(dòng)力學(xué)模型。

3 結(jié)論

在其他干燥條件恒定的情況下，研究了不同微波功率對(duì)辣椒干燥特性的影響，并通過(guò)繪制研究辣椒微波干燥曲線和干燥速率曲線發(fā)現(xiàn)干燥微波功率的大小對(duì)于辣椒微波干燥的干燥特性影響較大，并且隨著微波功率增大，干燥速率也隨之增大，而干燥時(shí)間則隨之減少。整個(gè)辣椒微波干燥過(guò)程可以分為3 個(gè)階段，即加速干燥、恒速干燥及降速干燥，而恒速和降速階段是辣椒微波干燥過(guò)程的主要階段，這是因?yàn)樾迈r辣椒的初始水分含量比較高，所吸收的微波能較多，因此會(huì)出現(xiàn)比較短暫的加速階段。

經(jīng)過(guò)對(duì)各種干燥模型的分析比較得知可以選擇Page 模型來(lái)描述辣椒微波干燥的模型，模型具體為：MR=exp(-(-0.029464+0.0001733P)t1.7658) ，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可以利用該模型較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同微波干燥功率下，任意時(shí)刻辣椒含水率隨著干燥時(shí)間的變化規(guī)律。同時(shí)也為辣椒微波干燥工業(yè)化加工過(guò)程中對(duì)于水分的控制和檢測(cè)提供了理論依據(jù)，為辣椒的開(kāi)發(fā)和貯藏奠定了理論基礎(chǔ)。