生姜微波干燥动力学模型构建

田 华

（信阳师范学院生命科学学院，河南 信阳 464000）

生姜是姜科姜属多年生草本植物的根茎，味辛、性微温，具有解表散寒、温中止呕、温肺止咳、解毒的功效，具有丰富的营养价值和药用价值[1-2]。生姜含水量高达90%以上，常温贮藏较困难。目前生姜加工贮藏的主要手段是薄层干燥，常用的干燥技术有微波干燥[3-4]、热风干燥[5-6]、真空冷冻干燥[7-9]、热风间歇微波耦合干燥[10-12]、红外干燥[13]、微波-光波组合技术干燥[14]、喷雾干燥[15]、低温吸附干燥[16-17]。微波场具有促进物料水分快速蒸发、易自动化操作、能耗低、产品质量好等优点[18]，微波干燥技术在食品加工中的研究较多[19-22]。目前，关于薄层微波干燥生姜的研究主要有微波干燥对全粉质量的影响[3]及与其他干燥技术的耦合研究[10-12]。刘绍军等[3]对微波干燥得到的生姜全粉进行了研究，结果表明：微波干燥的生姜全粉得率高、感官品质较好、堆积密度最低、水合能力最强。但鲜有关于微波薄层干燥生姜动力学模型构建方面的报道。因此，本文利用微波干燥技术，通过测定生姜干基含水率、脱水率、干燥速率和水分比等指标探讨生姜传热传质特性，筛选最佳的生姜微波薄层干燥动力学模型，为实现生姜干燥高效低能耗干燥工艺和生产控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

生姜购于市区超市，外皮色黄，新鲜、多肉、无腐烂。

1.1.2 仪器与设备

EM7KCG4-NR型功率可调微波炉（最大功率700 W），AR2202CN型电子天平。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

从市场购买的新鲜生姜，切成厚度为0.5 cm、直径约为3.5 cm的圆薄片，备用。

1.2.2 微波薄层干燥方法

将置于培养皿上的生姜片摆放整齐，单层放置于微波炉的中心位置，分别采用210、350、560、700 W的功率加热10 s后天平称重，进行薄层干燥，直到恒重时为止[23]。设置3次重复。

1.2.3 测定项目与方法

1.2.3.1干基含水率（Mt）

干基含水率Mt的计算方法见公式（1）：

式中：Mt为试样干燥至t时刻的干基含水率，g/g；mt、mg分别为试样干燥至t时刻与干燥恒重时的质量，g。

1.2.3.2 干燥速率（Dr）

干燥速率Dr的计算方法见公式（2）：

式中：Dr为干燥速率，g·g-1·h-1；Mt和Mt+Δt为干基含水率，g/g；Δt干燥间隔时间，h。

1.2.3.3 水分比（MR）

水分比（MR）用于表示一定干燥条件下，t时刻样品的干基含水率与初始样品干基含水率的比值，可以用来反映物料干燥速率的快慢，计算方法见公式（3）：

式中：Mt为试样干燥至t时刻的的干基含水率，g/g；M0为初始干基含水率，g/g；Me为平衡干基含水率，g/g。

1.2.3.4有效水分扩散系数（Deff）

有效水分扩散系数（Deff），反映物料在一定干燥条件下的脱水能力，对深入分析物料内部水分扩散过程及优化干燥工艺具有重要意义。

式中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；L为生姜片厚度，m；t为干燥时间，s。当物料进行长时间干燥时，公式（4）可简化为：

1.2.4 薄层干燥模型

物料干燥是极其复杂的传质传热过程，常用的薄层干燥模型有表1所示的6种。经线性处理后，模型①、⑤、⑥t-lnMR呈线性，模型②lnt-ln(-lnMR)呈线性,模型③t-MR呈指数方程，模型④t-MR呈二次多项式回归。

表1 常用的薄层干燥数学模型Table 1 Common mathematical models of thin-layer drying

2 结果与分析

2.1 生姜微波干燥失水特性

2.1.1 微波功率对生姜微波干燥失水特性的影响

由图1可以看出，生姜在不同微波功率下（210、350、560、700 W）的水分比MR均呈逐渐下降趋势，且在微波功率为350 W时水分比的下降速率最大。由图2可以看出，在相同的初始质量下，生姜微波干燥至恒重的时间分别是t210W＞t700W＞t560W＞t350W，微波功率为350 W时生姜干燥至恒重的时间最短，这与图1生姜微波干燥过程中微波功率350 W时水分比MR下降速率最大一致。

由图3~4可以看出，生姜微波薄层干燥分为加速干燥阶段和降速干燥两个阶段。随着微波时间的增加，生姜脱水率逐渐增大。干燥时间100 s时，微波功率350 W的生姜干燥速率Dr达到最大值32.772 4 g·g-1·h-1，之后降低。造成此种变化的原因在于微波干燥过程中生姜自由水含量先高后低的蒸发过程，从而导致微波干燥速率发生由快变慢的变化。

2.1.2 微波功率对生姜微波干燥有效水分扩散系数Deff的影响

有效水分扩散系数（Deff）反映了水分蒸发速率的快慢，该系数对物料内部水分扩散过程的深入分析及干燥工艺的优化具有重要意义。由图5可以看出，在相同的微波功率下，干燥前期物料的Deff增加明显，但是不同的微波功率（210、350、560、700 W）有效水分扩散系数Deff差别不明显。从干燥80 s开始，不同微波功率下物料的有效水分扩散系数的变化开始加剧，微波干燥时间160 s时，350 W下物料的Deff为1.797 7×10-7m2/s，而 700、560、210 W 下物料的Deff分别为 7.148 3×10-8、6.686 5×10-8、5.377 8×10-8m2/s。干燥160 s时，微波功率350 W的生姜已经干燥到恒重。由此可见，微波功率对生姜微波干燥有效水分扩散系数Deff影响特别大。

对不同微波功率下（210、350、560、700 W）干燥到恒重的生姜剖开面观察，微波功率为700 W和560 W的生姜孔径粗大，姜块中心过早变硬；微波功率为350 W和210 W的生姜孔径细密紧凑，姜块中心快到恒重时才开始变硬。结合图1~5可推测：生姜由于纤维含量高，较大的微波功率（560、700 W）可能使干燥后的生姜孔径粗大，姜块中心过早变硬反而不利于水分的蒸发；较小的微波功率（210、350 W）因功率小，有效水分扩散系数小，水分蒸发速度慢，从而导致生姜干燥到恒重的耗时长。对比4个微波功率的干燥效果，350 W微波干燥时各参数最佳。目前，微波干燥过程中干燥样品硬度等品质的细微变化研究较少，还需结合电镜观察等深入研究。

2.2 生姜微波薄层干燥动力学

干燥模型的建立对研究干燥变化趋势、预测干燥质量及干燥工艺参数有非常重要的作用。描述薄层干燥过程常用的动力学模型有6种，模型方程如表1所述。根据生姜微波薄层干燥的试验数据，分别制作不同微波功率的t-(-lnMR)、t-MR、lnt-ln(-lnMR)曲线。

由图6可见，图中4个线性回归方程的R2均小于0.9，故不符合Newton、HendersonandPabis和Logaritlunic模型；由图7可见，图中4个回归方程的R2均大于0.97，符合Two term模型；由图8可知，图中4个线性回归方程R2均大于0.97，符合Page模型；由图9可以看出，图中4个回归方程的R2均大于0.98，符合Wang and Singh模型。因此，Page方程、Two term方程和Wang and Singh方程均可作为生姜微波干燥动力学模型。其次，采用SPSS软件对得到的统计数据值残差平方和RSS、决定系数R2、卡方χ2进行对比，确定最佳模型。

分别将MR-t关系图中各曲线进行数据处理，求得不同干燥功率下的R2值，目的是找到最佳的生姜片微波薄层干燥动力学模型。通常R2越高，同时χ2值和RSS值越小，动力学模型的拟合度和准确性越高。由表2可以看出，Page方程在不同的微波功率下拟合得到方程的R2均大于 0.979，χ2≥6×10-4，RSS≤0.004，说明Page方程最适于描述生姜片微波薄层干燥过程。由表2中Page方程的各参数可以看出，随着微波功率增加，N值先增后降，r值无明显变化趋势。

表2 薄层干燥动力学模型数值分析Table 2 Statistical analysis of thin-layer drying dynamic models

3 结论

为研究生姜微波薄层干燥特性，本论文研究了鲜姜片在不同微波功率下（210、350、560、700 W）薄层干燥的动力学特性，试验表明：生姜干燥前期的干燥速率、脱水率、Deff增加明显，MR值下降明显，干燥后期各参数变化与干燥前期相反，350 W是生姜微波干燥的最佳功率。采用6种常用的食品薄层干燥动力学数学模型对试验数据进行拟合，通过比较决定系数R2、残差平方和RSS、卡方 χ2得出，Page 方程对生姜片微波薄层干燥过程的拟合度最高，这为鲜姜片微波薄层干燥技术应用研究提供理论依据。