胡萝卜片微波干燥均匀性研究

俞建峰，赵　江，陈海英，夏晓露，崔政伟

(1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122； 2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)

胡萝卜营养价值高，富含亲脂性(类胡萝卜素、叶黄素)[1]和亲水(多酚)性质[2]的抗氧化物质，具有多方面的保健功能。食品干燥加工是食品保藏的重要手段，也是一项重要的食品加工技术。干燥会降低食品中的水分活动，延长保存期限[3]。目前，红外干燥[4]、热风干燥[5]、冷冻干燥[6]、超声波和真空组合干燥[7]，以及果胶包衣[8]等加工技术都可以用于延长胡萝卜保质期。

微波干燥技术在食品加工中应用广泛。相较于传统干燥技术，微波或微波辅助干燥可以提高食品品质[9]，保持物料的营养成分，增加食物保色性[10]，降低食品干燥收缩程度，增强食品再水化能力[11]。同时，由于微波干燥速率大、能耗低[12]，显示出很高的经济性[13]。但是，微波干燥的均匀性是制约其规模化应用的主要问题之一。物料干燥不均匀会造成部分已经焦化，而部分还未脱水，从而严重降低物料的品质，甚至会引发食品安全问题[14]。特别是在工业生产中，干燥均匀性问题尤为重要。

本文主要研究微波分散和物料在微波腔内不同运动模式对干燥均匀性的影响，分析微波搅拌速度和物料在微波腔内的转速等因素对干燥均匀性的影响，以及微波功率和物料质量对干燥效果的影响。实验结果可为更好地提高胡萝卜片在微波干燥中的均匀性、优化微波干燥均匀性提供技术参考。

1　材料与方法

1.1　实验材料及样品制备

新鲜胡萝卜购买于无锡欧尚超市(高浪路店)，原产地河北霸州，含水量(湿基)为(90±1)%。选择粗细均匀、没有外表损伤的胡萝卜，实验前放置于阴暗室温下。实验中，选取直径4～5 cm的胡萝卜，去皮，清水冲洗，用卫生纸吸除表面水分，横向切成片状(4～8 mm厚)。

1.2　实验仪器设备

ARB120型精密电子天平，奥豪斯国际贸易(上海)有限公司。微波干燥设备由江南大学设计制造，外形如图1。微波干燥设备物料盘由电机控制旋转。微波谐振腔内安装旋转铝片以分散电磁波分布。微波矩形谐振腔规格为360 mm×340 mm×260 mm。磁控管输出频率2 450 MHz，由变压器控制微波输出功率。物料转盘直径310 mm。

图1　微波干燥设备Fig.1　Microwave drying equipment

1.3　实验方法

1.3.1四种模式下微波干燥均匀性比较

微波电磁场分布均匀性和物料在电磁场中的运动形式是影响微波干燥均匀性的主要因素。微波电磁场分布均匀性由位于微波炉上部的微波搅拌器扇片转动速度控制，物料在电磁场中的运动由位于微波炉下部的转盘速度控制。设计4种模式的干燥实验：A，微波搅拌器扇片与物料转盘都不转；B，微波搅拌器扇片不转，物料转盘转动(5 r·min-1)；C，微波搅拌器扇片转动(25 r·min-1)，物料转盘不动；D，微波搅拌器扇片(25 r·min-1)和物料转盘(5 r·min-1)都转动。分别进行4种模式的实验，将准备好的胡萝卜放在聚四氟乙烯板上进行干燥，10 min测一次质量。分析4种模式下的微波干燥均匀程度。

1.3.2单因素实验设计

将切成片状的胡萝卜放在聚四氟乙烯板9个设定的区域内(图2)，放入微波炉腔内，分别设定不同的条件，进行干燥。每10 min测一次各区域内的胡萝卜质量。计算均匀性指标，分析胡萝卜切片的干燥均匀程度。

(1)微波搅拌器扇片转速对干燥均匀性的影响。在微波功率300 W下，每片胡萝卜10 g，选择5、10、25 r·min-1三种转速，考查微波搅拌器扇片转速对干燥均匀性的影响。

(2)物料转盘转速对干燥均匀性的影响。在微波功率300 W下，每片胡萝卜10 g，选择5、30、60 r·min-1三个转盘转速，并与不运动状态下胡萝卜切片的干燥均匀性指数进行比较，考查物料转盘转速对干燥均匀性的影响。

(3)微波功率对干燥均匀性的影响。在微波搅拌器扇片和物料转盘都不转动的情况下，每片胡萝卜10 g，选择300、350、400、450、500 W的微波功率，考查微波功率对干燥均匀性的影响。

图2　聚四氟乙烯板网格划分Fig.2　Teflon plate meshing

(4)胡萝卜质量对干燥均匀性的影响。在微波搅拌器扇片和物料转盘都不转动的情况下，固定微波功率为300 W，将胡萝卜切成不同质量(10、15、20 g)的胡萝卜片，分别进行干燥实验。

1.4　参数计算

1.4.1胡萝卜初始含水量

胡萝卜初始含水量按照GB 50093—2010中的方法测定。初始含水量(干基)计算公式为

(1)

式(1)中x为试样中的初始含水量(干基)，m1为初始质量(g)，m0为干燥到质量不再变化时的干物质质量(g)。

1.4.2微波干燥均匀性指标

通过从样品中除去的水的均匀度来评价干燥均匀性。干燥均匀性指数(kα)[15]的计算公式为

(2)

2　结果与分析

2.1　四种模式下的干燥均匀性指数

由图3可以看出：微波搅拌器扇片与物料转盘都不转动的模式(A)下，干燥均匀性最差，而物料转盘和微波搅拌器扇片都转动的模式(D)下，干燥均匀性最好。干燥60 min，D模式下的干燥均匀指数比A模式下高10个百分点，而且B、C模式下的干燥均匀指数在干燥的时间段内始终好于模式A。说明物料吸收微波能量的不均匀可以通过改变微波场均匀性和使物料在不均匀场中运动来改善。

图3　四种模式下的干燥均匀性Fig.3　Drying uniformity under four modes

2.2　微波搅拌器扇片转速对干燥均匀性的影响

微波出口处的搅拌器将微波耦合到腔内，旋转起来把微波向各个方向分散。如图4所示，微波搅拌器扇片转速对干燥均匀性有重要影响，除了在50 min时10 r·min-1条件下的干燥均匀性指数略高于25 r·min-1条件下外，其他时间都显示转速越高，微波分散均匀性越好，干燥均匀性越高。

2.3　物料转盘转速对干燥均匀性的影响

从图5可以看出，物料在微波谐振腔中的位置变化快慢对微波干燥均匀性有很大影响。当物料在腔内静止时，微波辐照到不同区域内的能量是不同的。在物料进行转动的情况下，干燥60 min时的胡萝卜干燥均匀指标要比静止不动下约高10个百分点。60 r·min-1转速下的胡萝卜干燥均匀指标优于5 r·min-1和30 r·min-1条件下。在无法改变微波产生装置和谐振腔的情况下，可以通过改变物料的运动减轻微波场不均匀对干燥效果的影响，而且随着物料运动速度的加快，可以显著改善微波干燥的不均匀性。

图4　微波搅拌器扇片转速与干燥均匀性的关系Fig.4　Relationship of microwave stirrer fan speed and drying uniformity

图5　物料转盘转速与干燥均匀性的关系Fig.5　Relationship of material turntable speed and drying uniformity

2.4　微波功率对干燥均匀性的影响

由图6可以发现，干燥均匀性随着微波功率增加而显著变差。前40 min内，300 W功率下的均匀性指数是500 W下的2～3倍，500 W条件下显示出脱水非常不均匀的情况。微波干燥脱水量跟含水量有关，电介质吸收微波产生的热量与介电常数成正比，而水的介电常数大；因此，在吸收微波的位置开始阶段脱水缓慢而后迅速，随着含水量的减少，其脱水速度下降，而未能辐照微波的区域内胡萝卜脱水量很少但比较匀速。在干燥末期，不同区域的脱水量开始接近，这也是干燥后期均匀性指数会上升的原因。

由图7可以看到，不同区域(图2中1～9)内的胡萝卜脱水量存在很大差异，功率增大会放大微波场的不均匀度对干燥的影响。整体上看，300 W时含水量变化关系图更紧密，均匀性较好，而500 W时的图形比较鼓，反映出不同区域干燥情况差别很大，尤其是500 W时，某些区域内不仅胡萝卜脱水速率差别很大，最终产品的含水量相互差异也很大。这可能是由于功率密度决定物料的干燥速率，功率密度越高，干燥速率越大，物料质构破坏也较大[16-17]，由此造成4号、5号区域内胡萝卜焦化，严重影响产品质量。

图6　微波功率与干燥均匀性的关系Fig.6　Relationship between microwave power and drying uniformity

图7　功率为300 W(a)和500 W(b)时的含水率变化Fig.7　Variation of moisture content at 300 W (a) and 500 W (b)

2.5　物料质量与干燥均匀性的关系

从图8可以看出：300 W功率下，10 g的胡萝卜在60 min内各个时刻的干燥均匀度都要优于15 g和20 g的胡萝卜。干燥60 min，10 g胡萝卜的干燥均匀性指标要比20 g的胡萝卜高2倍以上。微波干燥是将物料内部加热导致水蒸发，随后产生压力，内部压力梯度将水分向外驱散到材料的表面。较大的质量意味着较大的厚度，厚度大的胡萝卜在干燥过程中其水分扩散路径与厚度薄的胡萝卜扩散路径长度不同，因此会造成微波腔不同位置胡萝卜干燥不均匀程度增加。

图8　胡萝卜质量与均匀性指标的关系Fig.8　Relationship between carrots weight and drying uniformity

3　结论

物料干燥的不均匀主要是由不同区域内物料吸收的能量不同所致，改善微波能量分布可以提高物料微波干燥的均匀性。本实验结果表明，微波分散情况和物料在微波腔内的运动方式对微波干燥均匀性有重要影响，提高微波分散均匀性与物料在微波腔内相对运动都可以改善干燥均匀性，而且可以通过增加微波搅拌器转速和物料转盘转速的方法来进一步提高干燥均匀性。另一方面，微波功率增大，会增加干燥的不均匀程度，微波功率过大也会对干燥物料的颜色、物料内部结构、最终含水率等造成影响，进而影响干燥物料的品质；因此，在干燥中要合理选择微波功率。物料自身因素对干燥均匀性也有影响，质量大的物料较质量小的物料微波干燥均匀度差。此外，微波干燥均匀性还和物料品种、形状，以及是否真空等有关系，在今后的研究中须作进一步探讨。

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