3种微波干燥模式下板栗片的干燥特性

吴钊龙，李欣慧，蒙莉，韦云伊，李秉正，，4*，黄纪民，4，黄志民，4*

（1.广西科学院 广西壮族自治区微波先进制造工程研究中心，广西 南宁 530007；2.南宁学院 食品与质量工程学院，广西 南宁 530200；3.广西科学院 广西生物炼制重点实验室，广西 南宁 530007；4.广西中科微波先进制造产业技术研究院，广西 南宁 530007）

板栗又名栗子、栗果，是一种壳斗科属植物，是重要的食用坚果和经济作物资源[1]。板栗营养价值较高，富含淀粉、蛋白质、维生素和人体所需的8 种必需氨基酸，有“干果之王”、“铁杆庄稼”的美誉[2-4]。但新鲜板栗水分含量较高，新陈代谢旺盛，不耐贮藏，且被致密内皮和外壳紧密包裹，在贮藏和运输过程中易出现发芽、霉变生虫等现象[5-6]。因此需对新鲜板栗进行适度干燥加工处理以保持其较好的品质特性。

微波是利用波长在1～1 000 mm，频率在0.3～300 GHz 的电磁波，工业微波工作频率为915 MHz 和2 450 MHz，属于非电离辐射[7]。微波干燥具有快速、反应灵敏、易于控制等特点，已被广泛应用于蔬菜、水果和中药材的加工[8]。袁源等[9]通过研究风干、晒干、烘干、微波干燥和冻干等干燥方式对槟榔理化性质和抗氧化能力的影响，发现微波干燥耗时最短，黄酮、多酚和槟榔碱等活性物质的得率最高。唐毓玮等[10]通过研究热风干燥、真空冷冻干燥和微波干燥对睡莲花茶总酚、黄酮含量及抗氧化活性的影响，发现微波干燥效率高，能较好地保留睡莲花茶中酚类物质，使其具有较强的抗氧化活性。王红利等[11]发现甘蓝采用微波干燥方式优于热风干燥和热风-微波联合干燥。王振帅等[12]发现微波干燥对朝鲜蓟粉酚类物质的保护效果最好，其干燥后的物料抗氧化能力最强，香气物质也较丰富。但只使用微波技术进行干燥，微波功率密度过大易导致物料内部局部过热而烧焦等品质问题，微波功率密度过低不能发挥微波干燥的优越性。

本试验以板栗为主要研究对象，分别在915 MHz和2 450 MHz 下探究板栗在不同微波干燥模式下的干燥特性，分析干燥过程中温度、水分变化规律和能耗，并确定恰当的微波干燥模式和工艺参数，为板栗的加工生产提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

板栗：市售，平均单粒质量8 g，初始湿基含水量为50.7%，去壳、去红衣后，用旋转切片机切成厚度约为4 mm 薄片，切片后2 h 内进行干燥处理。

1.2 试验设备

915 MHz 微波设备：自主设计制造（结构如图1 所示）；2 450 MHz 微波设备（Webox-A6 型）：株洲市微朗科技有限公司；手持红外热像仪（TiS10 型）：美国Fluke公司；色彩色差计（CR-10plus 型）：日本KONICA MINOLTA 公司；快速水分测定仪（DHS-20A 型）：力辰科技宁波有限公司。

图1 915 MHz 微波干燥装置Fig.1 915 MHz microwave drying device

1.3 试验方法

1.3.1 微波干燥试验

1）板栗片固定功率密度微波连续干燥

分别在915 MHz 和2 450 MHz 下，考察微波功率密度（1.0、2.0、3.0 W/g）对板栗片微波连续干燥特性的影响。干燥过程中，当观察到板栗片开始出现褐变现象时，记录出现褐变现象的时间及对应的物料温度和湿基含水率。当湿基含水率小于9.0%时，停止微波干燥试验并记录能耗。

2）板栗片固定功率密度微波间歇干燥

分别在915 MHz 和2 450 MHz 下，固定加热时间为2 min、间歇时间为1 min，考察微波功率密度（1、2、3 W/g）对板栗片微波间歇干燥特性的影响。当观察到板栗片开始出现褐变现象时，记录出现褐变现象的时间及对应的物料温度和湿基含水率，湿基含水率小于9.0%时，停止微波干燥试验并记录能耗。

3）板栗片变功率密度微波连续干燥

将干燥过程分为3 个阶段，选取微波功率密度为1、2 W/g 或3 W/g，按微波功率密度先高后低的原则对不同阶段的微波功率密度和处理时间进行组合。结合固定功率密度连续模式和固定功率密度间歇模式的干燥曲线、干燥速率曲线、板栗片外观变化，兼顾效率和品质寻求较优的干燥参数组合。通过预试验，得到的干燥参数组合见表1。

1.3.2 干基含水率的测定

利用DHS-20A 型快速水分测定仪测定板栗片的含水量，得到板栗片平均初始湿基含水率为50.7%。板栗片干基含水率的计算公式如下[13]。

式中：M 为板栗片干燥至t 时刻的干基含水率，%；mt为板栗片干燥至t 时刻的质量，g；m 为绝干板栗片的质量，g。

1.3.3 干燥速率的测定

干燥速率的计算公式如下[14]。

式中：D 为干燥速率，g/（g·min）；Δt 为相邻2 次测定板栗片的时间间隔，min；Mt+Δt为干燥至t+Δt 时刻板栗片的干基含水量，g/g；Mt为干燥至t 时刻板栗片的干基含水量，g/g。

1.3.4 色泽的测定

利用色彩色差计测定不同干燥模式制备的板栗干片亮度值（L*值）。L*值表示明暗，其值越大，产品的亮度越好，可以间接反映产品色泽的好坏[15-16]。每个样品测定3 片板栗干片的L*值，并计算平均值。

1.3.5 单位质量微波能耗的计算

单位质量微波能耗计算公式如下[17]。

式中：e 为单位质量微波能耗，（kW·h）/kg；P 为微波功率，kW；t 为微波加热时间，h；m 为除去的水分质量，kg。

1.3.6 干燥效率的计算

干燥效率指微波干燥过程中，板栗片中的水分吸收的能量与微波源所发出的能量之比[18]。干燥效率的计算公式如下。

式中：η 为干燥效率，%；P 为微波源输出功率，W；λ 为水的汽化潜热，2 257 kJ/kg；t 为干燥时间，s；m 为干燥过程中物料所失去的水的质量，kg。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 整理试验数据，采用Origin 2018.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 板栗片固定功率密度微波连续干燥分析

2.1.1 915 MHz 微波设备连续干燥结果分析

图2 为板栗片在915 MHz 下，固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线。

图2 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线Fig.2 Temperature variation profiles during continuous microwave drying of chestnut slices at a fixed power density at 915 MHz

由图2 可以看出，在不同微波功率密度下，板栗片温度均呈现先迅速升高后接近匀速升温的规律。在干燥终点，1.0、2.0、3.0 W/g 微波功率密度下物料的最高温度分别达到103、122、132 ℃。表明微波功率密度越大，干燥过程中温度越高。

表2 为利用915 MHz 微波设备进行固定功率密度连续微波干燥，板栗片开始出现褐变的时间、温度和湿基含水率。

表2 915 MHz 下板栗片固定功率微波连续干燥的褐变时间、温度和湿基含水率Table 2 Browning time，temperature and moisture content of wet base for continuous drying of chestnut slices at 915 MHz with fixed power microwaves

由表2 可以看出，微波功率密度为1.0 W/g 时，板栗片在整个干燥过程中均未出现褐变现象；微波功率密度为2.0 W/g 时，板栗片在75 min 开始出现褐变现象，此时物料的温度为104 ℃，湿基含水率为19.12%；微波功率密度为3.0 W/g 时，板栗片出现褐变现象的时间为43 min，此时物料的温度为105 ℃，湿基含水率为24.03%。微波功率密度越大，板栗片出现褐变的时间越短，褐变发生时物料湿基含水率越高。

图3 为915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线。

图3 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线Fig.3 Continuous microwave drying curve and drying rate curve for chestnut slices at a fixed power density at 915 MHz

从图3（a）可以看出，微波功率密度分别为1.0、2.0、3.0 W/g 时，板栗片湿基含水率从50.7%降至9.0%以下所用时间分别为240、120、80 min，微波功率密度越高，干燥至安全储存水分含量所需时间越短。虽然采用较高微波功率密度（3.0 W/g）可明显缩短干燥时间，但当湿基含水率降低到一定程度时，物料温度过高会出现褐变现象，严重损害干制品品质。相反，采用较低微波功率密度（1.0 W/g）可避免干燥过程出现褐变现象，但整个干燥过程耗时为3.0 W/g 时的3 倍。

从图3（b）可以看出，微波功率密度为1.0 W/g 时有明显的加速、恒速、降速3 个阶段，微波功率密度为2.0 W/g 和3.0 W/g 时有明显的加速、降速两个阶段，说明微波功率密度越大，干燥速率越快，恒速阶段不明显。主要是由于微波功率密度越大，板栗片内部的水分子吸收能量越多，水分汽化速度越快，因此物料水分降低速度也越快，当采用较大微波功率密度处理时，板栗片中的绝大部分水在初始的加速阶段就已经被脱去，所含的水分已经不能维持其干燥速度，因此恒速阶段不明显[19]。

图4 为利用915 MHz 微波设备进行固定功率密度连续干燥时的板栗片的单位质量微波能耗。

图4 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥的单位质量微波能耗Fig.4 Microwave energy consumption per unit mass for continuous microwave drying of chestnut slices at a fixed power density at 915 MHz

由图4 可知，微波功率密度为1.0、2.0、3.0 W/g 时的单位质量微波能耗均为8.7（kW·h）/kg。结果表明，采用较低微波功率密度（1.0 W/g）进行连续微波干燥，虽然能获得较优的板栗片外观品质（无褐变），但所需时间较长。

综上，用固定功率密度对板栗片进行微波连续干燥时，微波功率密度越小，干燥时间长；微波功率密度越大时，物料未干燥充分就出现褐变现象。原因是在干燥过程中，随着湿基含水率的降低，物料吸收微波的能力越来越小，而微波提供的能量不变，因此导致干燥后期温度难以控制和品质恶化，同时还造成能量浪费[20]。因此，915 MHz 下，固定功率密度连续干燥难以满足板栗片高效、高品质的干燥需求。

2.1.2 2 450 MHz 微波设备连续干燥结果分析

图5 为2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线。

图5 2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥过程中的温度变化曲线Fig.5 Temperature variation profiles during continuous microwave drying of chestnut slices at a fixed power density at 2 450 MHz

从图5 可以看出，在不同微波功率密度下，板栗片温度均先迅速升高后接近匀速升温。在干燥终点，1.0、2.0、3.0 W/g 微波功率密度下物料的最高温度分别达到93、113、128 ℃。

表3 为设置固定微波功率密度，利用2 450 MHz微波设备对板栗片进行连续微波干燥，开始出现褐变时间及所对应的温度和湿基含水率的结果。

表3 2 450 MHz 下板栗片固定功率微波连续干燥的褐变时间、温度和湿基含水率Table 3 Browning time，temperature and moisture content of wet base for continuous drying of chestnut slices at 2 450 MHz with fixed power microwaves

由表3 可以看出，微波功率密度为1.0 W/g 时，板栗片在整个干燥过程中均未出现褐变现象；微波功率密度为2.0 W/g 时，板栗片在50 min 开始出现褐变现象，此时物料的湿基含水率为24.30%；微波功率密度为3.0 W/g 时，板栗片出现褐变现象的时间为12 min，此时物料的湿基含水率为27.64%。微波功率密度越大，板栗片出现褐变的时间越短，褐变发生时物料湿基含水率越高，与915 MHz 微波设备进行干燥的规律基本一致。

图6 为2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线。

图6 2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线Fig.6 Continuous microwave drying curve and drying rate curve for chestnut slices at a fixed power density at 2 450 MHz

由图6（a）可知，微波功率密度分别为1.0、2.0、3.0 W/g 时，板栗片湿基含水率由50.7%降至9.0%以下所用时间分别为80、50、22 min。由图6（b）可知，3 条干燥速率曲线只有加速和降速2 个阶段，微波功率密度越大，干燥速率越快。

图7 为利用2 450 MHz 微波设备进行固定功率密度进行连续干燥时板栗片的单位质量微波能耗。

图7 2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥的单位质量微波能耗Fig.7 Microwave energy consumption per unit mass for continuous microwave drying of chestnut slices at a fixed power density at 2 450 MHz

由图7 可知，单位质量微波能耗随着微波功率密度增大呈先上升后下降的趋势，其中微波功率密度2.0 W/g时，单位质量微波能耗最高，为3.9（kW·h）/kg；微波功率密度1.0 W/g 时，单位质量微波能耗为3.1（kW·h）/kg；微波功率密度为3.0 W/g 时，单位质量微波能耗降至2.6（kW·h）/kg。

2.1.3 915 MHz 和2 450 MHz 微波设备对比

在固定功率密度微波连续干燥方式下，且微波功率密度分别为1.0、2.0、3.0 W/g 时，采用2 450 MHz 微波设备将板栗片湿基含水率从50.7%干燥至9.0%以下所需的干燥时间分别为80、50、22 min，单位质量微波能耗分别为3.1、3.9、2.6（kW·h）/kg，明显优于采用915 MHz 微波设备的相同微波功率密度的干燥时间和单位质量微波能耗。虽然固定功率微波连续干燥处理的干燥时间短，但板栗片品质差。

2.2 固定功率密度微波间歇干燥分析

2.2.1 915 MHz 微波设备间歇干燥结果分析

当微波（915 MHz）功率密度为1.0、2.0、3.0 W/g 进行间歇干燥时，从外观上看板栗片均未出现褐变现象。图8 为915 MHz 下板栗片固定功率密度微波连续干燥曲线和干燥速率曲线。

图8 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波间歇干燥曲线和干燥速率曲线Fig.8 Intermittent microwave drying curve and drying rate curve for chestnut slices at a fixed power density at 915 MHz

由图8（a）可知，板栗片干燥至湿基含水率小于9.0%所需的干燥时间分别为310、166、126 min，与同条件下固定功率密度微波连续干燥相比，耗时更长。由图8（b）可知，微波功率密度为1.0 W/g 时，干燥速率曲线可分为加速、恒速和降速3 个阶段；当微波功率密度为2.0 W/g 和3.0 W/g 时，干燥速率曲线只有加速和降速两个阶段，与唐小闲等[21]对小黄姜真空微波干燥的研究结果一致。

图9 为利用915 MHz 微波设备进行固定功率密度进行连续干燥时板栗片的单位质量微波能耗。

图9 915 MHz 下板栗片固定功率密度微波间歇干燥的单位质量微波能耗Fig.9 Microwave energy consumption per unit mass for intermittent microwave drying of chestnut slices at a fixed power density at 915 MHz

从图9 可以看出，单位质量微波能耗呈先上升后下降趋势，微波功率密度2.0 W/g 时的单位质量微波能耗最高，为10.2（kW·h）/kg。将图4 与图9 比较发现，与固定功率密度微波连续干燥相比，固定功率密度微波间歇干燥的单位质量微波能耗有所提高。

2.2.2 2 450 MHz 微波设备间歇干燥结果分析

当微波（2 450 MHz）功率密度为1.0、2.0、3.0 W/g进行间歇干燥时，从外观上看板栗片均未出现褐变现象。图10 为2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波间歇干燥曲线和干燥速率曲线。

图10 2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波间歇干燥曲线和干燥速率曲线Fig.10 Intermittent microwave drying curve and drying rate curve for chestnut slices at a fixed power density at 2 450 MHz

由图10（a）可知，当微波（2 450 MHz）功率密度为1.0、2.0、3.0 W/g 进行间歇干燥时，板栗片干燥至湿基含水率小于9.0%所需的干燥时间分别为104、72、64 min，与同条件下固定功率密度微波连续干燥相比耗时更长。由图10（b）可知，3 条不同微波功率密度的干燥速率曲线均只有加速、降速两个阶段。

图11 为利用2 450 MHz 微波设备进行固定功率密度进行间歇干燥时板栗片的单位质量微波能耗。

图11 2 450 MHz 下板栗片固定功率密度微波间歇干燥单位质量微波能耗Fig.11 Microwave energy consumption per mass of chestnut slices intermittently dried at a fixed power density at 2 450 MHz

从图11 可以看出，单位质量微波能耗随着微波功率密度增大呈先上升后下降的趋势，微波功率密度2.0 W/g 时，单位质量微波能耗最高，为4.6（kW·h）/kg；微波功率密度为3.0 W/g 时，单位质量微波能耗降至3.8（kW·h）/kg，略高于同条件下固定功率密度微波连续干燥的情况，但保证了干制品外观质量。

2.2.3 915 MHz 和2 450 MHz 微波设备对比分析

在固定功率密度微波间歇干燥方式下，且微波功率密度分别为1.0、2.0、3.0 W/g 时，采用2 450 MHz 微波设备将板栗片湿基含水率从50.7%干燥至9.0%以下所需的干燥时间分别为104、72、64 min，单位质量微波能耗为3.5、4.6、3.8（kW·h）/kg，明显优于采用915 MHz微波设备的相同微波功率密度的干燥时间和单位质量微波能耗。虽然固定功率微波间歇干燥可避免板栗片褐变，但这一干燥方式仅适用于批次式干燥设备，难以应用于连续式微波干燥设备。

2.3 板栗片变功率密度微波连续干燥分析

2.3.1 915 MHz 微波设备连续干燥结果分析

图12 为915 MHz 下板栗片变功率密度微波连续干燥曲线。

图12 915 MHz 下板栗片变功率密度微波连续干燥曲线Fig.12 Continuous microwave drying curve for chestnut slices at 915 MHz with variable power density

从图12 可以看出，板栗片湿基含水率由50.7%降至9.0%以下时，整个干燥过程用时120 min。整个干燥过程板栗片的温度在70～90 ℃波动。此外，第3 阶段将微波功率密度降至1.0 W/g，可有效控制物料温度，全程均未出现由于热失控而导致的褐变现象。

2.3.2 2 450 MHz 微波设备连续干燥结果分析

图13 为2 450 MHz 下板栗片变功率密度微波连续干燥曲线。

图13 2 450 MHz 下板栗片变功率密度微波连续干燥曲线Fig.13 Continuous microwave drying curve for chestnut slices at 2 450 MHz with variable power density

从图13 可以看出，板栗片湿基含水率由50.7%降至9.0%以下时，整个干燥过程用时60 min。整个干燥过程板栗片的温度控制在100 ℃以下。此外，经过分段干燥设计可有效控制物料温度，全程均未出现由于热失控而导致的褐变现象。

2.4 不同干燥模式最优条件比较结果

将3 种干燥模式下板栗片不发生褐变的最优微波干燥条件进行比较，结果见表4。

表4 不同微波频率和干燥模式下较优干燥条件的干燥效率和L*值Table 4 Drying efficiency and L* values of better drying conditions in different microwave frequencies and drying modes

从表4 中可以看出，变微波功率密度与最优固定微波功率密度下的干燥产品相比，L*值和干燥效率较高，且不产生褐变；将两种微波频率进行对比发现，较优条件的2 450 MHz 固定微波功率密度连续干燥、固定微波功率密度间歇干燥、变功率密度连续干燥模式的干燥效率分别为2.00%、0.83%、4.40%，与采用915 MHz微波设备相比，干燥效率分别提高了178%、80%、98%。综上所述，采用2 450 MHz 变功率连续干燥更适合用于板栗片干燥。

3 结论

在915 MHz 和2 450 MHz 频率下，通过对比3 种干燥模式，得到最佳板栗片的干燥模式为变功率连续干燥。其中，915 MHz 频率下变功率连续干燥模式用时120 min，单位质量微波能耗为7.6（kW·h）/kg，干燥效率为2.22%，亮度L*值为84.3，均优于固定功率的两种微波干燥模式；2 450 MHz 频率下变功率连续干燥模式用时和单位质量微波能耗分别为60 min 和3.3（kW·h）/kg，干燥效率为4.40%，亮度L*值为84.4，用时较两种固定功率的微波干燥模式短。结果表明，2 450 MHz 频率从干燥用时、单位质量微波能耗、亮度L*值和干燥效率均明显优于采用915 MHz 微波设备的情况。因此，连续化板栗片干燥采用2 450 MHz 变功率连续干燥模式更佳。