白玉菇中短波紅外干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

陳建福，汪少蕓，林梅西

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院，福建 漳州 363000；2.福州大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108；3.福建省閩中有機(jī)食品有限公司，福建 莆田 351100)

白玉菇(whiteHypsizygusmarmoreus)又名白雪菇、白玉蕈等，是真姬菇的白色變種，是一種木腐型食用菌[1]。白玉菇菇體潔白、鮮滑、質(zhì)地細(xì)膩，含有多糖、維生素、氨基酸和礦物元素等多種有效成分，具有抗炎、抗輻射、抗氧化、降血糖血脂和提高免疫力等多種生物生理活性[2-3]。新鮮白玉菇含水量較高，生理活動(dòng)旺盛，采后易失水、軟化、褐變及滋生細(xì)菌而失去商品價(jià)值，從而影響貨架期，制約白玉菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。食用菌的干制可以使食用菌的含水量和水分活度降低，抑制食用菌體內(nèi)微生物繁殖和鈍化酶活性，以延長(zhǎng)貨架期[5]。中短波紅外干燥是近幾年農(nóng)產(chǎn)品干燥過(guò)程中新興的一種加工技術(shù)，相比傳統(tǒng)干燥方式，具有穿透性強(qiáng)，加熱迅速、均勻，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高農(nóng)產(chǎn)品的干燥效率，延長(zhǎng)貨架期，還能保持農(nóng)產(chǎn)品的色澤，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。李聰?shù)萚6]利用熱風(fēng)和中短波紅外線對(duì)桃渣的干燥特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在相同的干燥溫度下，紅外干燥得到的樣品具有較高的總酚保留率；在所考察的工藝范圍內(nèi)，干燥速率越大，總酚保留率越高，干燥溫度越高，多酚含量越大。司旭等[7]采用不同的紅外干燥條件對(duì)樹(shù)莓的干燥特性和品質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：樹(shù)莓的產(chǎn)品色澤在干燥溫度為70 ℃，功率為675 W時(shí)保持最好，復(fù)水比較高，此時(shí)花青素的保留率也較高，產(chǎn)品對(duì)ABTS和DPPH自由基具有較強(qiáng)的清除能力。目前對(duì)白玉菇進(jìn)行中短波紅外干燥方面的研究還比較少，本研究擬采用中短波遠(yuǎn)紅外線對(duì)白玉菇進(jìn)行干燥，探討干燥溫度和干燥功率對(duì)白玉菇的干燥特性的影響，建立白玉菇中短波紅外干燥動(dòng)力模型，以期為白玉菇干燥產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮白玉菇購(gòu)于漳州市薌城區(qū)北橋市場(chǎng)。將原包裝袋一起存放于(4±1)℃冷藏冰箱中，挑選大小一致的白玉菇作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.2 儀器與設(shè)備

SAK-ZG-WO700型紅外線箱式干燥機(jī)，泰州圣泰科紅外科技有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；AR 224CN型電子分析天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1白玉菇含水量的測(cè)定

稱(chēng)取質(zhì)量為100～120 g新鮮白玉菇，將其平鋪于105 ℃的恒溫干燥箱中干燥。稱(chēng)量白玉菇干燥到恒重時(shí)的質(zhì)量，計(jì)算白玉菇的干基含水率為12.075 4 g/g，濕基含水率為92.35%。

1.3.2紅外干燥過(guò)程

稱(chēng)取100～120 g的新鮮白玉菇，平鋪到已設(shè)定好溫度和功率的中短波紅外干燥箱中，物料厚度為單層0.008 m。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定干燥功率為1 125 W，考察不同干燥溫度(60、70、80、90 ℃)對(duì)白玉菇干燥特性的影響；固定干燥溫度為70 ℃，考察不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)對(duì)白玉菇干燥特性的影響。每隔20 min測(cè)定白玉菇質(zhì)量變化，直至干基含水率小于0.16 g/g后，停止干燥。

1.4 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算方法

1.4.1水分比計(jì)算

白玉菇中未被干燥脫去的水分可以用水分比(moisture ratio，MR)表示。水分比是白玉菇干燥速率快慢的指標(biāo)，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中：MR，水分比；Me，白玉菇干燥平衡時(shí)的干基含水率，g/g；M0，白玉菇的初始干基含水率，g/g；Mi，第i次干燥時(shí)的干基含水率，g/g。因Me較小，將方程簡(jiǎn)化為式(2)。

(2)

1.4.2干燥速率計(jì)算

不同干燥時(shí)刻白玉菇的干燥速率公式，見(jiàn)式(3)。

(3)

式(3)中：DR，白玉菇的干燥速率，g/min；m1，t1時(shí)刻白玉菇的干基含水率，g/g；m2，t2時(shí)刻白玉菇的干基含水率，g/g；t1和t2，分別為干燥時(shí)間，min。

1.5 干燥動(dòng)力學(xué)模型的建立

利用7種常見(jiàn)的農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥模型(見(jiàn)表1)對(duì)白玉菇的干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，用決定系數(shù)R2、卡方檢驗(yàn)值χ2和標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE對(duì)模型的擬合程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中R2越大、χ2和RMSE越小，則擬合度越好。

表1 薄層干燥模型

1.6 水分有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

Fick擴(kuò)散方程可以用來(lái)描述受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制的降速干燥過(guò)程[15]。當(dāng)物料具有相同初始含水率時(shí)，F(xiàn)ick擴(kuò)散方程可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

式(4)中：Deff，水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；t，干燥時(shí)間，min；L0表示白玉菇層高的一半，m。

從式(4)中，可得lnMR與干燥時(shí)間t呈線性函數(shù)關(guān)系，通過(guò)線性方程斜率B，可計(jì)算得Deff，見(jiàn)式(5)。

(5)

1.7 活化能計(jì)算

白玉菇干燥過(guò)程中的Deff可通過(guò)阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)與干燥溫度(t)建立關(guān)系，見(jiàn)式(6)。

(6)

式(6)中：D0，指前因子；Ea，活化能，J/mol；R，摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；t，干燥溫度，℃。

將式(6)兩邊取自然對(duì)數(shù)，得式(7)，即可通過(guò)方程斜率求得干燥活化能。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 白玉菇的紅外干燥特性分析

2.1.1干燥溫度對(duì)白玉菇干燥特性的影響

圖1和圖2為干燥功率固定為1 125 W時(shí)，干燥溫度對(duì)白玉菇紅外干燥過(guò)程中干基含水率和干燥速率的影響。從圖1中可知，同一干燥溫度下，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，白玉菇的干基含水率均逐漸下降，干燥溫度越高，干基含水率下降越明顯。當(dāng)干燥溫度分別為60、70、80、90 ℃時(shí)，白玉菇的干燥時(shí)間分別為180、100、80、60 min。當(dāng)干燥時(shí)間為60 min時(shí)，60、70、80、90 ℃干燥溫度下白玉菇的干基含水率分別為1.826 3、0.403 7、0.173 1、0.087 0 g/g，說(shuō)明干基含水率與干燥溫度呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)殡S著干燥溫度的升高，降低了熱空氣的相對(duì)濕度，增加了熱空氣的水蒸氣容量；同時(shí)溫度的升高也提高了白玉菇與熱空氣之間的對(duì)流強(qiáng)度，強(qiáng)化了物料內(nèi)部水分的遷移與擴(kuò)散，提高了白玉菇中的水分蒸發(fā)量[16]。由圖2的干燥速率曲線可知，干燥初期，白玉菇的干燥速率急劇增加，在20 min時(shí)達(dá)到最大，隨后干燥速率均又開(kāi)始急劇下降，最后趨于平穩(wěn)。可見(jiàn)白玉菇的干燥過(guò)程主要為加速和降速兩個(gè)階段，沒(méi)有明顯的恒速階段，其中降速為主要階段。這是因?yàn)楦稍锍跗诎子窆剿趾枯^高，隨著溫度的升高，水分蒸發(fā)量加大，干燥速率迅速增大，但隨著白玉菇表面水分的蒸發(fā)，白玉菇表面逐漸變硬，水分?jǐn)U散至表面的速率小于表面水分汽化速率，干燥速率逐漸降低[17]，說(shuō)明白玉菇紅外干燥由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制。

圖1 干燥溫度對(duì)白玉菇干基含水率的影響

圖2 干燥溫度對(duì)白玉菇干燥速率的影響

2.1.2干燥功率對(duì)白玉菇干燥特性的影響

圖3和圖4為干燥溫度固定為70 ℃時(shí)，干燥功率對(duì)白玉菇紅外干燥過(guò)程中干基含水率和干燥速率的影響。從圖3中可知，在干燥功率分別為675、900、1 125、1 350 W時(shí)，干燥時(shí)間均為100 min，干基含水量對(duì)應(yīng)為0.143 2、0.137 3、0.127 1、0.117 8 g/g。說(shuō)明干燥功率對(duì)白玉菇的干燥有一定的影響，這是因?yàn)樵谝欢ǖ母稍锕β史秶鷥?nèi)，紅外波能快速地滲透到白玉菇內(nèi)部，促進(jìn)白玉菇升溫，加快物料內(nèi)部水分的蒸發(fā)；然而由于白玉菇的水分有限，在快速的干燥過(guò)程中，來(lái)不及辨別干燥功率的作用大小，造成干燥功率對(duì)白玉菇干燥影響較小的表象[18]。由圖4的干燥速率曲線可知，降速階段是干燥的主要階段，說(shuō)明內(nèi)部水分?jǐn)U散控制著干燥過(guò)程。由圖1至圖4可知，干燥溫度和干燥功率對(duì)白玉菇的干燥過(guò)程均有影響，但干燥溫度對(duì)干燥過(guò)程影響更大。

圖3 干燥功率對(duì)白玉菇干基含水率的影響

圖4 干燥功率對(duì)白玉菇干燥速率的影響

2.2 白玉菇紅外干燥動(dòng)力學(xué)模型分析

2.2.1干燥模型的確定

將白玉菇的紅外干燥數(shù)據(jù)分別代入表1中的7個(gè)薄層干燥模型進(jìn)行擬合，并利用Origin pro 8 軟件進(jìn)行回歸，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，所擬合的7種模型除Approximation of diffusion和Wang and Singh外，其余的5個(gè)模型R2均高于0.99，說(shuō)明這5種薄層干燥模型對(duì)白玉菇的紅外干燥過(guò)程的擬合效果都較好。Page薄層干燥模型的R2值最大，均值達(dá)0.999 82；χ2和RMSE的均值最小，分別為2.53×10-5、1.20×10-4，說(shuō)明所考察的7個(gè)薄層干燥模型中Page模型擬合度最好，能較好地描述白玉菇的紅外干燥過(guò)程。

2.2.2Page干燥模型參數(shù)的確定

根據(jù)表2中的擬合數(shù)據(jù)，將Page模型中參數(shù)k、n分別與所考察的干燥溫度(t)和干燥功率(P)建立函數(shù)關(guān)系，并利用Origin pro 8軟件進(jìn)行一元非線性回歸擬合。相關(guān)結(jié)果見(jiàn)式(8)至式(11)。當(dāng)紅外功率為1 125 W時(shí)，有：

k=-0.644 62+0.031 88t-4.864 5×10-4t2+

2.426 67×10-6t3(R2=1);

(8)

n=-0.036 27-0.010 98t+8.15×10-4t2-

6.081 67×10-6t3(R2=1)。

(9)

表2 干燥模型數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

當(dāng)紅外干燥溫度為70 ℃時(shí)，有：

k=0.063 91-5.008 44×10-5P+

2.222 22×10-8P2(R2=0.998 55)；

(10)

n=0.855 27+3.846 96×10-4P-

1.431 6×10-7P2(R2=0.984 22)。

(11)

2.2.3Page干燥模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證白玉菇紅外干燥動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，分別選取干燥功率為1 125 W，干燥溫度為60、70、80、90 ℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5；選取干燥溫度為70 ℃，干燥功率分別為675、900、1 125、1 350 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6。由圖5和圖6可知，不同干燥溫度和不同干燥功率下的紅外干燥動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)曲線與實(shí)驗(yàn)值擬合較好，說(shuō)明Page模型可以較好地預(yù)測(cè)白玉菇的紅外干燥過(guò)程，可以用來(lái)定量描述不同干燥溫度和不同干燥功率下白玉菇的紅外干燥過(guò)程的規(guī)律。

圖5 不同干燥溫度下實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較

圖6 不同紅外功率下實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較

2.3 白玉菇紅外干燥水分有效擴(kuò)散系數(shù)分析

根據(jù)圖2和圖4的干燥速率曲線可知，白玉菇紅外干燥過(guò)程由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制，降速是主要干燥階段。通過(guò)Fick定律將干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(4)并進(jìn)行線性回歸，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可知，固定干燥功率為1 125 W時(shí)，Deff隨著干燥溫度的升高而增大，當(dāng)干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃時(shí)，Deff從2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥溫度為70 ℃時(shí)，Deff隨著干燥功率的升高而增大，當(dāng)干燥功率從675 W增加到1 350 W時(shí)，Deff從4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。

表3 白玉菇的水分有效擴(kuò)散系數(shù)

2.4 白玉菇紅外干燥活化能分析

根據(jù)Arrhenius方程，干燥過(guò)程的活化能可由不同溫度下的Deff與干燥溫度(t+273.15)的關(guān)系式得到。將Deff代入式(7)，并作線性回歸，結(jié)果如圖7。不同干燥溫度下的直線回歸方程為y=-4.744 35×10-3x+-5.382 03，R2=0.978 29。計(jì)算得到白玉菇的紅外干燥活化能Ea=39.45 kJ/mol。

圖7 水分有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1)分析了白玉菇在不同干燥溫度(60、70、80、90 ℃)和不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)下的紅外干燥特性曲線。研究結(jié)果表明：干燥溫度和干燥功率對(duì)白玉菇的干燥過(guò)程均有影響，但干燥溫度對(duì)干燥過(guò)程影響更大，干燥溫度越高，干基含水率下降越明顯。

2)白玉菇的干燥過(guò)程主要為加速和降速兩個(gè)階段，沒(méi)有明顯的恒速階段，其中降速階段為主要階段。所考察的7個(gè)薄層干燥模型中，Page模型擬合度最好，Page薄層干燥模型的R2值最大，均值達(dá)0.999 82，χ2和RMSE的均值最小，分別為2.53×10-5、1.20×10-4。Page模型可以較好地預(yù)測(cè)白玉菇的紅外干燥過(guò)程，可以用來(lái)定量描述不同干燥溫度和不同干燥功率下白玉菇的紅外干燥過(guò)程的規(guī)律。

3)固定干燥功率為1 125 W時(shí)，Deff隨著干燥溫度的升高而增大，當(dāng)干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃時(shí)，Deff從2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥溫度為70 ℃時(shí)，Deff隨著干燥功率的升高而增大，當(dāng)干燥功率從675 W增加到1 350 W時(shí)，Deff從4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。白玉菇的紅外干燥活化能Ea為39.45kJ/mol。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以利用Page模型預(yù)測(cè)并控制白玉菇中短波紅外干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律，為白玉菇中短波紅外干燥工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、節(jié)能降耗、保證干制品質(zhì)量提供理論依據(jù)。