基于控温的莲子微波干燥特性及干燥品质研究

张绪坤，杨祝安，吴肖望，刘胜平，徐 刚，徐建国，李华栋

(1.南昌航空大学机电设备研究所，江西南昌330063;2.江西省科学院食品工程创新中心，江西南昌330096)

莲子是睡莲科植物莲的成熟种子。莲子中富含蛋白质，多种人体所需的维生素以及微量元素，能够滋养补虚，养心安神，增强免疫能力，具有较高的营养价值、药用价值［1－3］。然而，莲子具有收获时间短、收获量大的特点，新鲜莲子在贮藏过程中，非常容易发生褐变［4］，造成莲子品质下降，营养成分流失。因此，为了有效的保存新鲜莲子，在收获莲子后，及时对新鲜莲子进行干燥处理具有十分重要的意义。现如今，日晒结合炭炉烘烤和烤房烘烤是两种传统的莲子干燥方法［5］，然而采用这两种方法得到的莲子外观、色泽不佳，品质较低，营养成分流失严重。微波干燥技术被广泛应用于食品干燥，具有干燥效率高、干燥品质好、操作简单等优点［6－8］。余炼等［9］研究不同微波干燥强度对牡蛎复水性能、色泽、收缩率等品质的影响，研究表明微波干燥强度越大，干燥时间越短;采用中等微波强度(5～8 W/g)，牡蛎干燥品质最佳。然而，在微波干燥的后期，常常出现物料温度飙升造成物料品质下降的现象，针对这个问题，有的研究学者研究在微波干燥时，将物料的温度设置在某个区间中，以此来保证在微波干燥后期不出现温度飙升的情况。莫愁等［10］设计了一种微波干燥恒温控制系统，使得物料在干燥时的温度处在一个预设的温度区间中，以此来保障物料干燥的品质。陈霖［11］比较了控温微波干燥与常规微波干燥下花生品质的差别，结果表明常规微波干燥的花生出现焦糊现象，控温微波干燥的花生无焦糊现象，干燥效果比较好。张薇等［12］采用控温微波干燥丹参，并将其干燥制品与常规的阴干、晒干、热风干燥在品质上进行比较，结果表明采用控温微波干燥可以提高丹参药材的品质，减少药材有效成分的流失。

目前，关于莲子控温微波干燥的研究较少，为了研究基于控温状态下的莲子微波干燥特性及控温微波干燥对莲子品质的影响，本文建立莲子控温微波干燥动力学特性，并将控温微波干燥与热风干燥后的莲子在复水率上进行比较分析，为控温式的莲子微波干燥工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜莲子(白莲) 取自江西广昌莲子生产基地，湿基含水率为60% ±0.5%。试验前将取回的鲜莲蓬放在保鲜袋中并将其放入(5±1)℃冰箱内保存。

KL－2D－3WRS型热泵－微波联合干燥机(见图1) 由广州凯棱工业微波设备有限公司生产制造，可在微波干燥条件或在热泵干燥条件下单独运行，也可进行热泵微波联合干燥。图2为该干燥机在微波干燥条件下单独运行时原理图，由微波发生器产生微波，经过馈能装置输入干燥室内中，物料中的水分在微波加热的情况下逐渐被去除，并通过排湿系统(风机)排出干燥室外从而达到干燥的目的。该干燥机可在微波干燥条件单独运行时，通过干燥机内的红外探头检测物料表面温度，并通过显示面板设置物料表面温度，从而达到控制物料表面温度的效果;DHG－9075A型电加热鼓风恒温干燥箱 上海一恒科技有限公司;DT1000A电子天平 意欧仪表有限公司，分表率为0.01 g;DDS666型三相电度表 浙江正泰仪器仪表有限责任公司;SHA－C型水浴恒温振荡器 金坛市荣华仪器制造有限公司;TA.XT Plus型质构仪 英国Stable Micro System公司;玻璃培养皿若干。

图1 微波热泵组合干燥机Fig.1 Combined microwave with heat pump drying machine

图2 微波热泵联合干燥机基本原理图Fig.2 Combined microwave with heat pump dryer basic principle diagram during microwave drying alone

1.2 实验方法

1.2.1 莲子的剥取 将莲蓬从冰箱中取出，挑选出莲子长轴直径为(17.20±0.5)mm，短轴直径为(15.50±0.5)mm(外形尺寸，成熟度与色泽基本一致)、通过莲子剥壳机去除莲子壳、手工去除莲子薄膜，称取莲子400 g。

1.2.2 莲子的干燥

1.2.2.1 莲子的微波干燥试验流程 微波干燥单因素实验流程:先开启微波－热泵联合干燥机，在微波干燥条件下运行，开启干燥机内的风道和循环风机，保证干燥室内空气流通，循环风机频率保持恒定为15 Hz，室内空气流速恒定。将微波表面温度设置为温度间隔为5℃的预定区间，将莲子平铺，无叠层放入干燥室内后，紧闭干燥箱门，并记录质量读数和电表读数，通过观察显示屏中物料的表面温度，当物料表面温度达设定区间的最大值时，关闭微波，当物料表面温度达设定区间的最小值时，开启微波，从而使得物料表面温度始终处于设定物料表面温度区间。每隔20 min，记录电表读数和显示面板上的质量读数。当质量读数显示在莲子湿基含水率10%以下时，停止干燥试验，并记录最后的电表读数和质量称重读数。每个试验重复三次。

1.2.2.2 莲子的热风干燥试验流程 热风干燥试验流程:开启电加热鼓风恒温干燥箱，对电加热鼓风恒温干燥箱进行预热，之后将其设置至预设温度，将莲子平铺呈薄层状放入干燥箱中进行干燥，干燥箱内热风风速恒定为1.1 m/s，每隔20 min将莲子从干燥箱中取出，记录莲子的称重，莲子干燥湿基含水率在10%以下停止实验。每个试验重复三次。

1.2.3 单因素实验设计

1.2.3.1 微波单因素干燥实验水平设计 在前期探索性的试验和农产品微波干燥文献［13－15］试验参数的基础上，再结合相应的微波干燥装置的特点，以复水率、相对单位能耗、干燥时间进行单因素微波干燥实验时，将干燥物料的微波功率固定设置为600 W，干燥物料的表面温度分别设置为温度间隔为5℃的区间(55～60 ℃)、(50～55 ℃)、(45～50 ℃);将干燥物料的表面温度区间固定设置为(50～55℃)，干燥功率分别设置为400、600、800 W。

1.2.3.2 热风单因素干燥实验水平设计 在前期探索性的试验和农产品热风干燥文献［16］试验参数的基础上，再结合相应的热风干燥装置的特点，在进行热风单因素干燥试验时，设置热风干燥温度分别为50、60、70、80 ℃。

1.2.4 干燥参数的计算方法

1.2.4.1 水分比及干燥速率 在干燥过程中，莲子水分比(moisture ratio)的计算公式［17］为:

式中:MR为莲子水分比;M0为莲子的初始干基含水率，g/g;Me为莲子的平衡干基含水率，g/g;Mt为干燥过程t时刻莲子的干基含水率，g/g。

由于Me相对于M0和Mt很小，可以忽略，因此式(1)可以简化为:

莲子中的水分去除快慢可用干燥速率DR(g/(g·s))来表示，其计算公式［18］为

式中:M(t+Δt)为干燥过程中(t+Δt)时刻莲子干基含水率，g/g;Δt为失去水分的时间，s。

1.2.4.2 能耗的计算 干燥能耗是评价干燥工艺优劣的一个重要指标，采用相对单位能耗来来计算不同干燥条件下莲子微波控温干燥的能耗，相对单位能耗的计算公式为［19］:

式中:W为相对单位能耗，k J/g;W1为干燥前电能表读数，kW·h;W2为干燥后电能表读数，kW·h;M1为干燥前物料总质量，g;M2为干燥后物料总质量，g。

1.2.4.3 莲子干燥动力学模型 为了研究莲子微波干燥过程中水分比随着时间变化的关系，选用常见的干燥模型对莲子微波干燥进行拟合分析，常见的数学模型为 Lewis、Henderson and Pabis、Page、Wang－Singh、Logarithmic、Midilli、Two－ term model 7 种模型［20－25］，这7种模型的数学表达式及参数说明可见于表1。

决定系数R2越大、离差平方和χ2、均方根误差RMSE越小，则方程的拟合程度越高。计算决定系数(R2)、离差平方和(χ2)、均方根误差(RMSE)的公式有:

表1 薄层干燥数学模型Table 1 Mathematical thin－layer drying models

式中:MRexp，i为干燥试验实测的第i个水分比;MRpre，i为利用模型预测的第i个水分比;N为试验测得的数据个数;z为因素水平个数。

1.2.5 有效扩散系数与活化能 有效扩散系数是能对物料的传热传质进行定量分析的一个重要参数。研究学者提出了有效扩散系数的计算方法。其计算公式为［26］:

式中:Deff为有效扩散系数，m2/s;t为试验时间，s;δ为莲子试验样本的厚度的一半，m;在本试验中取δ为莲子的平均半径;n为试验采样数。

对上式进行两边取对数，可得:

从上式的函数关系中可以确定有效扩散系数的对数与时间呈现较高的线性关系，可以通过函数的斜率来求得。其斜率的表达式为:

通过阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程可得出有效扩散系数、活化能的关系，阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程为［27］:

式中:D0为指前因子，m2/s;Ea为扩散活化能，J/mol;R 为气体常数，8.314J/(mol·K);T 为温度，K。

将式(11)两边取对数可得:

从式(12)中可以看出，lnDeff与1/T呈现线性关系，可通过数据拟合式(12)可得出斜率，从而求出活化能。1.2.6 莲子微波干燥的品质 复水率的测定:取不同微波干燥条件下的莲子各1组，每组3颗莲子，每次试验取不同的莲子一颗，试验重复3次，取平均值作为该干燥条件下的莲子复水率。干莲子去除莲心后，记录其质量并记为mg，放入不同编号的烧杯中，向烧杯中加入60℃的热水，并将装有热水、莲子的烧杯放入充满了60℃热水的水浴恒温振荡器中，30 min后取出莲子，并将其放在干净的滤纸上，沥水5 min后称重记为mf。根据试验前后莲子质量的变化来计算复水率，计算复水率的公式为［28］:

式中:mf为莲子复水前的质量，g;mg为莲子复水后的质量，g。

1.3 数据处理

利用 Origin 8.5.1、MATLAB R2012b及 Excel 2010软件对试验数据进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 莲子控温微波干燥特性

2.1.1 物料表面温度对莲子微波干燥特性的影响 图3为400 g莲子在微波功率600 W，不同物料表面温度区间(55～60、50～55、45～50 ℃)下的干燥曲线和干燥速率曲线。从图3a中可以看出，温度越高，干燥曲线越陡峭。干燥温度区间为(55～60℃)、(50～55℃)、(45～50℃)时，干燥所用时间分别为:140、200、320 min。从总体干燥曲线来看，物料表面温度是影响莲子微波干燥时间的一个重要因素。从图3b中可以看出，莲子微波干燥过程整体表现为降速干燥过程，这是因为水分在物料内部扩散速度低于蒸发速度所致［29］。从整体来看，物料表面温度区间越大，干燥速率越快。这是因为物料表面温度区间越大，温度越高，传热传质效率越高。

图3 不同温度区间下莲子的干燥曲线和干燥速率曲线Fig.3 Drying curves and drying rate curves of lotus seed at different temperature range

2.1.2 微波干燥功率对莲子干燥特性的影响 图4为400 g莲子在物料表面温度区间为(50～55℃)，不同微波干燥功率(400、600、800 W)下的干燥曲线和干燥速率曲线。从图4a中可以看出在控制微波干燥表面温度在一定的区间范围内时，所有的微波干燥功率干燥时间都是200 min，并且在相同时间下，水分比几乎一样，可看出微波干燥功率对于莲子微波干燥速率的影响非常小。这是因为微波功率小，温度上升慢，微波启停间隔时间长，而微波功率大，温度上升快，微波启停间隔时间短，从而导致在整个微波干燥过程中，莲子吸收的微波能量几乎是一致的。从图4b中可以看出，整个微波干燥过程整体表现为降速干燥，这与常规微波干燥速率曲线的变化规律不同［30］。

图4 不同微波功率下的莲子干燥曲线和干燥速率曲线Fig.4 Drying curves and drying rate curves of lotus seed at different microwave drying power

2.1.3 温度区间和微波功率对相对单位能耗的影响 图5是表示的是在不同的温度区间、微波功率下的相对单位能耗。从图5中可以看出，在相同的温度区间(50～55 ℃)，不同的微波功率(800、600、400 W)的干燥条件下，相对单位能耗分别为36.943、35.044、35.357 k J/g。微波功率对相对单位能耗的影响较小，这是因为在不同微波功率的干燥条件下，对于相同质量的莲子吸收的微波能是几乎一致的。这与微波功率对莲子干燥速率的影响分析是一致的。从图5中还可以看出，在相同的微波功率(600 W)、不同的温度区间的干燥条件((55～60℃)、(50～55℃)、(45～50℃))下，莲子微波控温干燥的相对单位能耗分别为 29.469、35.044、49.018 k J/g。温度区间对相对单位能耗的影响较大。这是因为温度区间越小，温度越低，干燥时间越长，微波开启的时间越长，相对单位能耗就越高。

图5 温度区间和微波功率对相对单位能耗的影响Fig.5 Effects of temperature range and microwave power on relative unit energy consumption

2.2 莲子微波干燥动力学模型

2.2.1 干燥动力学模型的选择 采用7种常见的干燥模型拟合莲子在不同干燥条件下的干燥过程，其拟合结果如表2所示，从表2中可以看出，在7种常见的干燥模型中，Midilli模型的平均R2为0.998904，平均 χ2为1.493 ×10－4，平均RMSE 为0.010198，相较于其它数学模型，拟合效果最佳。

2.2.2 模型的验证 由表2可知，Midilli模型最适合描述基于控温状态下莲子微波干燥过程中的水分变化规律，Midilli模型参数a，k，n，b可以看作是物料表面温度区间、微波功率的函数，为了便于计算，采用物料表面温度区间的中心值(57.5、52.5、57.5℃)来代表物料表面温度区间((55～60℃)、(50～55℃)、(45～50 ℃))，令［31］:

表2 干燥模型拟合结果Table 2 Fitting results obtained from drying models

式中:T，为温度区间的中心值，℃;W为微波功率，w;A1、A2、A3、A4、A5、A6为多项式的系数。

通过Matlab软件使用最小二乘法求解超定方程组，可求得:

在矩阵［B］、［C］、［D］、［E］中 6 个元素分别为Midilli模型参数 a，k，n，b 的六个系数。

为了验证Midilli模型的准确性，在微波功率为600 W，物料表面温度区间为(52～57℃)的干燥条件下进行验证实验，将理论值与试验值进行拟合，拟合结果如图6所示，拟合结果表明理论值与试验值拟合程度非常高，决定系数R2为0.99927，均方根误差为0.0082，这说明该方程可用于描述基于控温状态下的莲子微波干燥过程任意时刻水分比与时间的关系。

图6 Midilli模型验证曲线Fig.6 Verification curves of Midilli model

2.3 有效扩散系数与活化能

通过公式(9)和公式(10)计算得出在不同温度区间、不同微波功率下的莲子控温微波干燥的有效扩散系数，其结果列于表3。从表3中可以看出有效扩散系数的范围为 8.9891 ×10－10～2.22431 ×10－9m2/s。有效扩散系数随着物料表面温度的不断升高，其扩散系数也在不断的增大。这说明随着温度的不断升高，加快了水分子间的运动，提高了干燥速率。

表3 莲子在不同干燥条件下的有效扩散系数Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of lotus seed under different drying conditions

选取物料表面温度区间的中心值来计算，通过上述计算得出在不同温度区间、不同微波功率下的有效扩散系数，对lnDeff与1/T关系式进行拟合，拟合结果如图7所示，决定系数为R2＞0.999，p＜0.05，呈现显著的线性关系，根据方程(12)可求得，控温微波干燥莲子在微波功率600 W，不同物料表面温度区间的干燥条件下，活化能Ea为79.85 kJ/mol。

图7 在不同物料表面温度区间下lnDeff与1/T的拟合结果Fig.7 Fitting results between lnDeff with 1/T under different material surface temperature range

2.4 莲子控温微波干燥与热风干燥品质与干燥时间比较分析

图8是莲子在热风干燥条件下和控温微波干燥条件下的复水率和干燥时间。复水率被认为是评判干燥后物料品质优劣的一个重要指标，复水性能的好坏取决于细胞和结构的破坏程度。在干燥过程中，物料的细胞与结构破坏越严重，越彻底，物料的复水性能越差［32］。从图8a中可以看出，热风干燥条件下的莲子与控温微波干燥条件下的莲子在复水率上差别不显著(p＞0.05)，这是因为热风干燥的干莲子由于热风干燥本身的干燥特性，使得热风对莲子的细胞和组织破坏较严重，而采用控温微波干燥对莲子进行干燥，会损坏莲子表层的细胞壁，在进行复水时，复水能力会下降，从而使得两者的差异不明显，这与曾绍校等［28］的研究结果相似。在控温微波干燥中，在A～C的干燥条件下，即在物料表面温度区间都为(50～55℃)，不同微波干燥功率的干燥条件下，微波功率为600 W时的莲子复水率最好，复水率为1.72;在D～F表示的干燥条件下，即在相同的微波干燥功率，不同的物料表面温度时，物料表面温度区间为(50～55℃)的莲子复水率最佳，复水率为1.72;这说明干燥工艺为表面温度区间都为(50～55℃)，微波干燥功率为600 W干燥出来的莲子复水率最好，能够得到较高品质的莲子。

图8 莲子在不同干燥条件下的复水率和干燥时间Fig.8 Rehydration rate and drying time of lotus seed under different drying methods注:a、b、c、d 表示的是热风温度 50、60、70、80 ℃，A、B、C表示的是物料表面温度(50～55℃)，微波功率分别为800、600、400 W;D、E、F 表示的是微波功率 600 W，物料表面温度分别为(55～60 ℃)、(50～55 ℃)、(45～50 ℃)。

从图8b中可以看出，将莲子干燥至目标含水率(10%以下)，莲子微波控温干燥时间最短只需140 min，低于莲子热风最短干燥时间(200 min)。在A～C的干燥条件下，干燥时间相同，这说明微波功率对干燥时间的影响较小。在D～F的干燥条件下，温度区间越大，干燥时间越短，温度区间对干燥时间的影响显著(p＜0.05)。在微波干燥功率600 W、物料表面温度为(55～60℃)的干燥条件下，干燥时间最短，为 140 min。

综上所得，莲子在控温微波干燥条件下，微波功率600 W、温度区间为(50～55℃)为最佳工艺。

3 结论

在基于可控温的莲子微波干燥过程中，物料表面温度区间对莲子干燥特性影响较大，微波干燥表面温度区间越大，莲子干燥速率越快，时间越短;微波干燥功率对莲子干燥影响较小;莲子微波控温干燥总体呈现降速干燥的趋势。

通过7种常见的薄层干燥模型与试验数据进行拟合比较，得出最适合描述莲子控温微波干燥过程水分变化规律的模型为Midilli模型;Midilli模型的4个参数均可用关于微波功率和温度区间的中心值的多项式进行表示;莲子微波控温的有效扩散系数为8.9891 ×10－10～2.22431 ×10－9m2/s;莲子在相同微波功率、不同温度区间下的活化能为79.85 k J/mol。

莲子控温微波干燥时间短于热风干燥时间;热风干燥与控温微波干燥的莲子在复水率上差异不显著(p＞0.05);在不同的控温微波干燥条件中，在微波干燥功率600 W、物料表面温度区间为(50～55℃)的干燥条件下，莲子复水率最好。