热风预干对生姜脉冲喷动微波真空干制过程和品质的影响

吕为乔，谷远洋，杜志龙，曾诗雨，穆荣颐，宿佃斌

（1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

0 引言

生姜（Zingiber officinale Roscoe），别名黄姜、百辣云，为多年生宿根性草本植物［1］。生姜不仅是东南亚地区自古以来常见的调味品，还是传统的中药材［2］。干燥后的生姜便于贮藏、加工，且姜香味道更加浓郁。但生姜的水分含量多在90%以上，干燥耗时长，品质难以保证［3-4］。微波干燥属于载能物理场高效干燥技术，精准、清洁，干燥功率灵敏易控制，被广泛应用在高附加值农特产品干燥中［5-7］。因物料形态差异、介电特性差异以及在干燥仓中叠放位置差异等，干燥不均是微波干燥农产品的主要问题［8-9］。解决干燥不均的手段有很多，如利用旋转托盘［10］、振动床［11］、滚动床等［12-13］。

喷动床与微波组合，在较大程度上改善了物料的均匀性，目前在农产品干燥中多有研究报道［14-15］。其中，脉冲喷动微波真空干燥（PSMVD），不仅能提高干燥效率，同时微波真空的干燥环境，能提高脱水产品的膨化度，改善产品的风味［16-17］。然而，利用PSMVD装备干燥高水分物料，在干燥开始阶段水汽冷凝回流严重，物料容易黏连，容易造成受热不均、品质劣变。试验以高水分生姜颗粒为典型原料对象，研究AD-PSMVD联合干燥的工艺优化过程。热风干燥的温度传递方向由表及里，水分迁移方向为由里及表，干燥前期即恒速干燥阶段物料表面水分容易驱除，后期通过微波真空干燥脱出剩余水分，不仅提高干燥效率，同时微波真空的干燥环境，能提高脱水产品的膨化度，改善产品的风味［18］。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取新鲜山东莱芜大黄姜，无腐烂、无冻伤、无机械损伤，置于4 ℃冰箱冷藏备用。

1.2 主要设备与仪器

本团队自行搭建的PSMVD试验平台，其结构原理如图1所示。该试验设备中，物料盛放在下端为锥形、上端为柱形的石英玻璃仓中，上方连接真空泵，下方通过电磁阀连接空气压缩泵，微波源被设置在谐振腔外侧，确保与物料的真空干燥环境隔离，防止微波入口处发生低压放电，影响微波源的使用寿命。受可编程逻辑控制器（PLC）和电磁阀控制，压缩空气间歇破真空，将物料喷起，既发挥了微波真空干燥的优势，又提高了干燥的均匀性。目前，PSMVD干燥的真空度通常为0.09 MPa，脉冲喷动阶段时间较短，真空度随之波动。因此，该PSMVD属于低真空度的微波真空干燥工艺。

图1 PSMVD试验设备原理Fig.1 Schematic diagram of PSMVD equipment

其他主要仪器：GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；PQO001型核磁共振分析仪（苏州纽迈分析仪器股份有限公司）；HITACHI S3400型扫描电子显微镜（日本日立公司）；FLIR E40型红外热像仪（上海前视红外热像系统贸易有限公司）；LK2201型电子天平（北京朗科兴业称重设备有限公司）等。

1.3 干燥工艺

1.3.1 AD干燥

将生姜切成颗粒，在切割过程中，先顺着姜丝将生姜切为厚度为1 cm的姜片，再对姜片进行切割，处理为尺寸为1 cm×1 cm×1 cm的姜颗粒。以800 g为一组，放入电热鼓风干燥箱中以80 ℃的风温和2 m/s的风速对物料进行干燥，至湿基含水率低于8%。为了表征试验误差，取3组姜颗粒进行试验，绘制物料“干基含水率-干燥时间”关系曲线。

1.3.2 PSMVD干燥

以800 g为一组，将生姜颗粒装入脉冲喷动微波真空干燥设备的石英玻璃仓中，其干基单位质量微波功率为1 W/g，喷动频率为1次/min，至含水率低于8%为止。为了表征试验误差，取3组姜颗粒进行试验，绘制物料“干基含水率-干燥时间”关系曲线。

1.3.3 AD-PSMVD联合干燥

将准备好的3组生姜颗粒，每组800 g，分别用电热鼓风干燥设备在风温80 ℃，风速2 m/s的条件下对物料进行干燥60、120、180 min，再用脉冲喷动微波真空干燥设备分别对3组物料继续进行干燥至干基含水率低于8%。为了表征试验误差，重复试验3次，绘制物料“干基含水率-干燥时间”关系曲线。

1.4 分析方法

1.4.1 干基含水率-干燥时间关系曲线

试验中每10 min对物料称量一次，直至干燥终点，绘制“干基含水率-干燥时间”关系曲线。为保证数据准确，每次称量时将掉落的姜丝收集，计入每次称量重量，计算含水率。

1.4.2 PSMVD干燥过程的热像波动

试验在PSMVD干燥40、60 min时暂停微波，在试验0、40、60 min及干燥终点90 min时于石英仓外拍摄热像图，以观察生姜颗粒在干燥过程中的温度分布情况以及温升情况，确保微波功率处于合理的水平，物料没有过高的温升。

1.4.3 PSMVD干燥过程冷凝水监控

在PSMVD干燥开始后的前20 min，冷凝水回流现象比较明显，在20 min时，关闭微波源，及时拍摄这一阶段真空干燥管内的冷凝水回流现象。

1.4.4 AD-PSMVD转换点水分状态测试

对在温度80 ℃，风速2 m/s的热风条件下干燥的姜颗粒，通过低场核磁共振分析与成像（LFNMR/MRI）对热风干燥 60 min、120 min、180 min的物料进行水分状态监测。横向弛豫时间T2所对应的信号峰值越靠右，水分越活跃，同时MRI反映的分布水分信号，可根据颜色及其亮度判断水分分布状态［19-20］。

1.4.5 脱水姜颗粒的形貌及其表观品质

分别对经过AD干燥、PSMVD干燥和ADPSMVD混合干燥后的产品进行外观形貌比较以及SEM电镜微观结构分析，在合适的放大倍数下分析物料的微观结构，并评定表观品质。

2 结果与讨论

2.1 AD、PSMVD及其组合工艺的干燥曲线

根据试验过程中监测的数据，得到5组干燥工艺下“干基含水率-干燥时间”关系曲线，结果如图2所示。

图2 AD、PSMVD及其组合工艺的干基含水率变化曲线Fig.2 Variation curve of dry basis moisture content versus drying time during AD，PSMVD and their combined processes

可以发现，AD干燥时间为300 min，PSMVD、AD60min-PSMVD联合干燥、AD120min-PSMVD联合干燥、AD180min-PSMVD联合干燥分别比AD干燥时间缩短70%、60%、46.7%和33.3%。AD干燥过程十分缓慢，干燥效率较低，利用微波辅助干燥可以显著缩短干燥时间。PSMVD干燥时间最短，这是由于在干燥过程中，物料中的极性水分子在微波能的作用下振动、摩擦生热，继而挥发，真空环境又加速了物料中的水分子的挥发，但会破坏物料内部结构，降低产品品质，此可参照姜颗粒干燥后的SEM形貌。因此可采用ADPSMVD联合干燥工艺即减少对产品品质的破坏，提又高干燥效率。

2.2 姜颗粒在PSMVD干燥过程的热像波动

因石英仓内物料的温度不方便直接测量，试验通过热红外成像仪对石英仓外壁的温度进行监测，进而反应物料的温升变化趋势，在PSMVD干燥工艺下0、40、60、90 min的红外热像图如图3所示。

图3 生姜颗粒在不同PSMVD干燥阶段的热像图Fig.3 Thermogram of ginger granules in different PSMVD drying stages

试验过程中，随着干燥的进行，物料在微波的作用下挥发出大量水分，同时物料温度升高。石英仓壁虽不吸收微波能但在物料及水蒸气的热传导与热对流的作用下其温度也呈逐渐上升趋势。由热像分析可知，靠近物料的石英仓外壁温度在干燥前期、中期上升较慢，干燥开始至干燥60 min，仓壁温度大约由20 ℃上升至50 ℃，在后期上升较快，从干燥60 min至干燥90 min，仓壁温度大约由50 ℃上升至80 ℃。分析认为，前期、中期温升较慢，一方面是因为物料基数较大，含水率较高；另一方面是由于石英仓不吸收微波能，需依靠物料和水蒸气的热传导与热对流作用于石英仓壁，且期间有冷凝水的干预；后期温升较快，主要是因为随着物料基数的减少，单位物料所接受的微波强度增高，且无回流冷凝水的影响。因此，干燥后期是控制品质的关键时段。

颗粒复合肥按国标生产，一般只含氮磷钾，养分不平衡。在生产方面，液体肥同样具有优势，液体复混肥生产过程无污染，无排放，更加环保和节能；颗粒复合肥生产过程是能耗过程，存在污染和排放。

2.3 姜颗粒在PSMVD干燥前期的水分凝结状态

试验发现，生姜颗粒直接进行PSMVD干燥时，在干燥前期20 min左右会出现大量的冷凝水。分析认为，在干燥过程中，物料吸收大量微波能，挥发出大量水汽，由于高硼石英仓壁不吸收微波能，其温度升高较慢，水蒸气遇到温度较低的仓壁，产生大量的冷凝水。与此同时，微波和真空环境的作用，使冷凝水继续挥发，通过真空管排出仓体。然而，当冷凝水过多时，水蒸气不能及时排出，造成大量冷凝水沿着仓壁回流到物料中，打破这一平衡，影响干燥品质和效率。试验通过ADPSMVD两阶段干燥法，优化这一干燥工艺，得到新鲜生姜颗粒、AD预干60 min姜颗粒、AD预干120 min姜颗粒、AD 预干180 min姜颗粒四种原料在PSMVD干燥初期的水分冷凝状态，如图4所示。

图4 不同状态的生姜颗粒在PSMVD初期水分冷凝状态Fig.4 The water condensation of ginger granules in different states at the beginning of PSMVD

可以发现，AD预干后的物料在PSMVD干燥前期冷凝水回流现象明显改善。分析认为，因AD干燥后自由水含量显著降低，当干燥至一定程度后，物料中的水分主要由不易流动水和结合水组成，相比于新鲜生姜颗粒来说，挥发出的水分减少，干燥速率减慢，有效减少了回流的冷凝水。这种AD预干工艺，对保证PSMVD干燥品质具有积极的影响。为了表征这一水分状态的变化过程，可参照基于LF-NMR/MRI的转换点水分状态数据。

2.4 不同AD—PSMVD转换点姜颗粒的水分状态

试验采用低场核磁共振分析与成像（LFNMR/MRI）分析姜颗粒干燥过程中结合水、不易流动水和自由水的信号量迁移过程，同时进行成像分析，获取物料内部水分的空间分布信息，从而分析姜颗粒干燥过程中水分与其它干燥特性间的关系。

试验在温度80 ℃，风速2 m/s的热风条件下干燥姜颗粒，通过对干燥60 min、120 min、180 min的物料进行MRI测试，如图5所示。

图5 不同AD—PSMVD转换点姜颗粒的水分状态MRI图Fig.5 The MRI diagram of water content of ginger slices at different AD-PSMVD transition points

图像中的亮度越高，表明氢原子的状态越活跃，主要表现为水分的活跃程度。可以发现，经120 min热风干燥的生姜颗粒其水分主要分布在姜颗粒的一侧，这是由于物料在干燥过程中流态化程度较低，物料一侧长时间接触热风，因而大部分水分从这一侧向外扩散。另外，经AD干燥60 min的姜颗粒内部水分分布均匀且含量仍较高，位于颗粒表层的水分发生散失，但靠近物料表层部分仍存在水分。此时干基含水率为6.58，若继续进行热风干燥其速率仍处于较高水平，且过早使用微波处理物料会降低产品品质。结合图4中冷凝水回流状态，以此点为转换点冷凝水回流较多，耗能较大，影响最终产品品质。经AD干燥120 min的姜颗粒虽然水分主要分布在一侧，但由图像亮度可知含水量较高的一侧水分分布均匀，说明AD干燥的稳定性好，水分主要分布在颗粒中心以及远离热风的一侧，其干基含水率为3.37。此时已处于干燥降速阶段，热风干燥速率较低，以此点为转换点，回流的冷凝水较少，且微波会加速物料内部水分的挥发，提高干燥效率。经AD干燥180 min的姜颗粒水分主要分布在物料中心位置，图像边缘亮度较低，说明物料表层的水分最先挥发出来，内部的水分继而散失，以此点为转换点虽然微波处理时间短，冷凝水回流少，可提高干燥产品品质，但干燥降速阶段时间较长，效率较低。综上，AD干燥过程较为均匀，但需提高干燥过程的流态化程度，综合考虑干燥效率、冷凝水回流情况以及干燥产品品质，AD 120min为联合干燥的转换点较为合适。

氢原子所受束缚力越大，自由度越小，弛豫时间T2越短，在T2谱上峰值位置越靠左；反之则弛豫时间T2越长，在T2谱上峰值位置越靠右［21］。可将弛豫时间划为3段，为0.01～10 ms、10～100 ms、100～1 000 ms，分别表示结合水、不易流动水和自由水，峰面积可表征水含量的多少。姜颗粒在热风风温80 ℃、风速2 m/s的条件下分别干燥60、120、180 min的物料在NMR下横向弛豫时间T2如图6所示。

图6 NMR下不同转换点姜片的T2曲线Fig.6 the NMR curves about T2 of ginger slices in different conversion points

由图可知，AD干燥60 min的姜颗粒自由水和不易流动水含量较高；AD干燥120 min时主峰值减小，峰值所在位置向左移动，自由水与不易流动水含量显著降低，结合水含量升高，水分由与组织结合力弱的方向向组织结合力强的方向转以不易流动水和结合水为主；AD干燥180 min的物料中水分以结合水为主，不易流动水和自由水已几乎被除去。T2谱图结果与AD干燥后期干燥速率变化结果相一致，以AD干燥120 min为转换点可通过PSMVD干燥快速除去物料内部的不易流动水和结合水，提高干燥效率。

2.5 AD、PSMVD及其组合工艺脱水产品的形貌及其表观品质

通过观察，AD，PSMVD和AD 120 min-PSMVD 3种干燥工艺加工后产品的外观形貌差异存在显著的差别，结果如图7所示。

图7 AD、PSMVD及其组合工艺脱水产品外观形貌和SEM 图（×500）Fig.7 Products dehydrated by AD，PSMVD and the process of their combination, and their SEM morphology（×500）

经PSMVD工艺干燥的姜颗粒，有局部褐变，且产品皱缩严重。在SEM上组织结构杂乱，大量的淀粉颗粒无规则分布在机体中，看不清细胞壁轮廓和淀粉颗粒的紧凑排布，如图7（b）所示。分析认为，全过程微波干燥对物料品质结构的影响较大，特别是在干燥后期，严重的干燥不均会导致局部发生劣变。

经AD 120 min-PSMVD两阶段干燥的姜颗粒，在感官品质上更接近于AD产品，SEM中可以分辨出细胞壁的轮廓，淀粉颗粒相对规则地排布，如图7（c）所示。较AD、PSMVD工艺，基于AD 120 min-PSMVD在干燥效率上占有显著的优势，且产品品质稳定，其工艺和产品更容易被消费者接受。

3 结论

在以生姜颗粒为典型物料的PSMVD干燥前期，冷凝水回流现象明显，严重影响物料的热湿传递过程，影响干燥品质。试验通过AD-PSMVD两阶段干燥法观察了不同转换点时的冷凝水回流情况，研究了PSMVD干燥过程的热像分布，转换点处的水分含量和水分子类型，以及不同工艺下产品形貌和表观品质分析得出最佳干燥工艺为AD 120min-PSMVD联合干燥，并有如下结论。

（1）仅对物料进行PSMVD干燥处理效率高，但冷凝水回流问题严重，对产品内部结构破坏程度较大，品质较差。利用AD-PSMVD联合干燥可减小微波对产品结构的破坏以及冷凝水回流造成的受热不均带来的影响，且较AD干燥显著提高了效率。

（2）物料中所含水分以不易流动水和结合水为主时，AD-PSMVD以为转换点较为合适，即由AD干燥除去大部分的自由水，由PSMVD干燥除去不易流动水和结合水的联合干燥可显著降低冷凝水回流带来的影响，改善干燥品质。

（3）PSMVD干燥过程中靠近物料的石英仓壁温度在后期上升较快，前期、中期温升较慢，因此PSMVD干燥后期是决定干燥品质的关键阶段。