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微波干燥下枸杞干燥特性研究

来源:学术堂 作者:姚老师
发布于:2015-02-04 共3740字
论文摘要

  0引言

  现代药理学研究证实枸杞可调节机体免疫功能,能有效抑制肿瘤生长和细胞突变,具有延缓衰老、抗脂肪肝、调节血糖和血脂等方面的作用。枸杞鲜果收获时水分含量高,富含多糖成分,如不能及时干燥会出现变质霉烂现象,严重影响枸杞干果的产量和品质,大大降低了经济效益[1]。

  传统的热风干燥与自然晾晒干燥存在干燥时间长、能耗大、干燥品质差等状况。微波干燥不同于热风及其它干燥方式,由于其独特的加热特性,物料干燥速度快、干后品质和热利用率高,在医药、食品工业、化工、烟草,以及农产品加工等领域越来越得到重视[2]。国外在十几年前就开始微波干燥粮食和果蔬的研究,近几年国内也有关于微波干燥技术应用于粮食种子的干燥、果蔬的干燥脱水、药材等的深加工和水产品的干燥等的研究,有些已成功应用并取得显着的经济效益[3-5]。但尚未见到有关枸杞微波干燥特性研究的文献报道,故进行枸杞微波干燥试验研究,旨在分析枸杞微波干燥特性及其对干后品质和能耗的影响,进一步探讨微波技术在枸杞干燥中的应用。

  1微波干燥机理和枸杞干燥特性

  1.1微波加热原理

  微波是频率在300MHz~300GHz的具有穿透特性的电磁波。微波加热利用的是介质损耗原理:物料中的水分子是极性分子,在微波作用下,其极性取向随着外电磁场的变化而变化。水分子以高速改变方向且方向一致产生振动,无数的极性分子互相之间摩擦产生“摩擦效应”,结果一部分能量转换为分子热运动动能,即以热的形式表现出来,从而物料被加热[6]。

  1.2微波加热的特性

  1.2.1能量利用率高、安全无害

  因微波加热设备吸收热量极少,并且还反射微波,所以热能绝大部分都可以作用在物料上,热能利用率很高。微波加热一般可节电30%~50%,且微波加热不产生烟尘及有害气体,既不污染食品,也不污染环境。

  1.2.2加热速度快、加热均匀性

  传统的加热方式,不论是传导加热、对流加热还是辐射加热,热源均在被加热物料外部,温度的升高是由外及里,将物料表面加热之后热量才能传导到物料内部,这就要受到傅立叶定律的限制。通常被加热物料都是热的不良导体,有很大的热阻,加热时间自然很长。微波加热热量在被加热物料内部产生,内外一起热,不仅温度均匀,且不会带来夹生现象。

  1.2.3穿透能力

  穿透能力是指电磁波穿透到物体内部的本领,电磁波透入介质表面并向里传播时,能量不断被吸收转换为热能。微波所携带的能量由表向里呈指数衰减,电磁波的能量衰减到只有表面处的1/e2≈1/2.722≈13.5%时所能透入的介质的深度D,称为“穿透深度”。以我国常用加热频率来讲,通常被干燥物料的D值大约为几厘米到几十厘米的范围。故被干燥物料的尺寸大小,主要取决于穿透深度。

  1.2.4易于控制、反应灵敏

  微波加热控制只需要调整微波输出功率,物料加热情况可以瞬间改变,便于连续生产。微波加热容易实现自动化控制,可以有效提高劳动效率、改善劳动条件。

  1.3枸杞的干燥特性

  典型农副产品干燥过程一般分为加速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。研究表明,降速阶段可将枸杞半干果含水率由25%~30%干燥至13%~15%的枸杞干果。降速干燥阶段耗时约占枸杞整体干燥阶段耗时的30%~40%,耗能约占整体干燥耗能40%~50%。故缩短枸杞干燥降速阶段时间与耗能成为枸杞干燥的重点研究问题。

  2试验装置和方法

  2.1试验材料

  试验采用的枸杞品种为宁杞2号,产于宁夏银川市西夏区,采收后枸杞鲜果的平均初始含水率为82.1%(湿基含水率)。

  2.2试验仪器与设备

  试验所用微波干燥装置是用美的微波炉厂生产的KD23-DA(X)型微波炉改制而成。干燥过程中任意时刻物料质量经YZC-1C应变式称重传感器(精度等级0.05g)测量,在T3805型质量显示仪(读数精度为0.5g)上显示。干燥时枸杞物料内部温度测量采用E型热电偶,测量结果传送至TM-902C型测温仪(测量精度为±1℃)上显示。主要测量数据通过RS232与计算机建立连接,并在计算机上进行分析、显示和处理。试验装置和测定系统如图1所示。

  2.3试验方法及测定方法

  2.3.1枸杞微波干燥前预处理

  枸杞鲜果初始含水率高、糖份含量高,直接采用微波干燥容易造成枸杞皮膨起破裂、籽外出、糖份外溢及产品感官状态差的现象。故在进行微波干燥前对枸杞鲜果利用自制太阳能组合干燥系统(CSDE)对枸杞预干燥,将枸杞鲜果干燥至半干状态,含水率约为23%~26%。

  枸杞预处理工艺流程为:鲜果挑选、清理杂质→清洗(洗去鲜果表面的灰尘)→去梗→晾干表面自然水→CSDE系统干燥→冷却→微波干燥。

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  2.3.2试验方法

  称取一定质量枸杞半干果,均匀平铺在带孔物料盘上,加热时物料盘放置于改制微波炉转盘上,随转盘转动受到均匀加热。干燥过程中,每隔一定间隔时间记录枸杞质量,并换算成含水率,绘制含水率随干燥时间变换的干燥曲线,直至枸杞含水率达到安全储藏含水率(13%),结束试验。

  含水率计算公式为[7-8]

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  式中Xt—t时刻的含水率(%);X0—干燥前的初始含水率(%);m0—枸杞的初始质量(g);md—枸杞的干物质质量(g);mt—t时刻的枸杞质量(g)。

  2.3.3测定标准与计算方法

  枸杞半干果初始含水量的测定:按GB/T5009.3-2003《食品中水分的测定方法》。枸杞多糖保存率的测定:按GB/T18672-2005。

  降水速率计算公式为η=Δm/Δt(3)式中Δm—相邻两次测量的失水质量(g);Δt—相邻两次测量的时间间隔(min)。

  3结果与讨论

  3.1微波组合干燥与传统组合干燥对比

  试验分为组1至组3,称取枸杞鲜果300g,测得枸杞鲜果初始含水率为83.4%,分为3组。组1采用自然晾晒干燥,组2采用CSDE干燥方式进行干燥,组3采用CSDE微波组合干燥方式进行干燥。试验结果如图2所示。

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  由图2可以得出以下结论:①微波干燥作用于枸杞干燥降速干燥阶段可以大幅缩短枸杞干燥周期。②CSDE微波组合干燥较CSDE组合干燥缩短时间约11h,约占整个干燥周期的28%。③CSDE微波组合干燥较自然晾晒缩短时间约65h,约占自然晾晒干燥周期的72%。

  3.2微波功率对枸杞失水特性的影响

  试验分为组1~组5,分别对应微波功率0.5、0.75、1.0、1.25、1.5kW。采用CSDE干燥系统干燥至半干状态,称重枸杞半干果100g,均匀平铺在干燥盘中,组1至组5半干枸杞初始含水率分别为24.1%、24.7%、23.3%、25.3%、24.5%。后采用微波干燥至含水率不变,测量最终含水率。

  不同微波功率下枸杞微波干燥曲线和降水速率变化曲线如图3和图4所示。

  由图3,图4可以得出以下结论:①在装载量相同的情况下,微波功率越高,干燥曲线斜率越大,所需的干燥时间越短。②干燥分为加速、恒速和降速3个阶段,物料失水主要处于恒速干燥阶段。微波功率越高,物料恒速阶段越长。③在干燥初期,物料含水率高,对微波的吸收能量较强,物料温度快速上升,迅速进入恒速干燥阶段,物料温度趋于稳定。随着微波功率的增大,枸杞干燥速率增大。

  3.3微波功率对枸杞干燥品质的影响

  试验与3.2试验同步进行,待微波干燥后,对枸杞干燥品质进行直观检测,对枸杞多糖保存率进行测定,汇总结果如表1所示。

  由表1可以得出以下结论:①CSDE微波组合干燥所需干燥时间最短,平均为25h17min,枸杞干果含水率最低,平均为13.2%。②枸杞干果从多糖保存率来说,自然晾晒多糖保存率<CSDE微波组合干燥<CSDE组合干燥。微波组合干燥多糖保存率平均为15.7%。③从枸杞干果感官状态来讲,采用CSDE微波组合干燥方式的产品,果皮呈紫红色,有枸杞应有的滋味和气味。随着微波功率的增加,少些产品有膨胀破裂;微波功率1.5kW时,有约15%产品破裂,糖份外溢,粘手。故微波干燥用于枸杞干燥降速阶段不宜采用过大的微波功率。

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  3.4装载量对枸杞失水特性的影响

  试验分为组1至组3,微波功率采用1.0kW,称取半干枸杞600g,测得初始含水率为25.2%。组1枸杞质量100g,平铺物料层厚度为1cm;组2枸杞质量200g,平铺物料层为2cm;组3枸杞质量300g,平铺物料层厚度为3cm。

  对不同枸杞层质量与厚度进行微波干燥,干燥曲线如图5所示。

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  由图5可以得出以下结论:①在微波功率相同的情况下,装载量越大,干燥曲线越平缓,干燥所需时间越长。②组3干燥时间较组1干燥时间增加约18.2%。

  4结论

  1)微波干燥作用于枸杞干燥降速干燥阶段可以大幅缩短枸杞干燥周期。CSDE微波组合干燥较自然晾晒缩短时间约65h,约占自然晾晒干燥周期的72%。

  2)干燥功率和物料层厚度是影响微波干燥时间的重要因素,微波功率越大,物料层厚度越小,则物料干燥时间越短。

  3)微波功率和物料层厚度对干后产品品质有较大影响,微波功率为1kW,物料层厚度为平铺2cm时,干后产品多糖保存率和感官品质最好。

  参考文献:
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