杏鮑菇微波真空薄層干燥數學模型建立與評價
探討了杏鮑菇在不同微波強度、物料厚度和腔體絕對壓力條件下的微波真空干燥特性,研究其干燥曲線和水分擴散速度;應用單因素試驗數據對12種經驗干燥模型進行擬合求解,確定適合的數學模型;采用三元二次回歸正交試驗數據,求出模型參數。結果表明:微波強度和腔體絕對壓力對杏鮑菇干燥過程水分的擴散影響較大,而杏鮑菇物料厚度的影響不明顯;模型擬合結果表明Page模型擬合優化值最好,利用回歸正交數據求出Page方程表達式中的參數n、k與各干燥因素的關系式。驗證結果表明,該模型的預測值與實測值的擬合度良好,能較準確地表達和預測杏鮑菇微波真空干燥過程中的即時水分變化規律。
杏鮑菇(Pleurotuseryngii)采摘后貯藏期短,在2~10℃低溫下貯藏保鮮期僅10~15d,其采后保鮮加工成為杏鮑菇產業發展亟待解決的問題。將杏鮑菇進行干制是延長其貨架供應期的重要措施之一。
微波真空干燥是在真空條件下對物料進行微波加熱而達到水分的蒸發,能較好地保留食品原有的色、香、味及營養成分。國內外學者對荔枝、獼猴桃、胡蘿卜、馬鈴薯、蒜瓣、蘑菇等農產品的微波真空干燥工藝的研究認為,微波真空干燥的果蔬制品感官品質及營養成分的保留率十分接近真空冷凍干燥,但干燥時間比傳統熱風干燥和真空冷凍干燥時間大為縮短、能耗大為降低。但目前尚未見杏鮑菇微波真空干燥方面的研究報道。本文以杏鮑菇為原料,通過單因素試驗,研究微波強度、物料厚度和腔體絕對壓力等因素對杏鮑菇微波真空干燥過程物料含水率和干燥速率的影響,建立適合杏鮑菇微波真空薄層干燥的數學模型,并運用三元二次旋轉回歸正交試驗,求出數學模型的參數,旨在闡明杏鮑菇微波真空干燥過程中的水分變化規律,為微波真空干燥在杏鮑菇干制產品加工生產上提供指導。
1、材料與方法
1.1、試驗材料
杏鮑菇,由福建省漳州市九湖食用菌研究所提供,測得杏鮑菇的平均干基含水率為8.42~9.51kg/kg。選取直徑為4~5cm的杏鮑菇,截去根部及尾部,留菇體約12cm長度作為試驗材料,沿菇長方向取材,根據試驗要求切成不同厚度的圓片狀。
1.2、試驗儀器與設備
KL-4型微波真空干燥機(福建農林大學與廣州凱棱工業用微波設備有限公司聯合研制);DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司);BS224S型電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司);CP2102型電子天平(奧豪斯儀器(上海)有限公司)。
1.3、試驗方法
試驗開始前參照GB/T500913-2003測定杏鮑菇的初始含水率。將切好的杏鮑菇平攤在微波盤上,接通微波真空干燥機電源,將盛放杏鮑菇的微波盤放入干燥腔中,抽真空達到設定值后微波加熱并開始計時。干燥過程中,隔一定時間將杏鮑菇從干燥腔內取出,迅速稱量后即刻放回干燥腔內,重新抽為真空至設定值繼續干燥計時,直至干基含水率達到國家規定的安全含水率0.149kg/kg以內時,停止干燥。將干燥過程定時稱量得到的物料即時質量換算成含水率。
單因素試驗時,固定杏鮑菇物料厚度1.5cm、腔體絕對壓力16kPa,研究4,8,12,16kW/kg等不同微波強度對杏鮑菇干燥特性的影響;固定微波強度8kW/kg、腔體絕對壓力16kPa,研究0.5,1.5,2.5,3.5cm等不同杏鮑菇物料厚度對杏鮑菇干燥特性的影響;固定微波強度8kW/kg、杏鮑菇物料厚度1.5cm,研究11,21,31,41kPa等不同腔體絕對壓力對杏鮑菇干燥特性的影響(腔體絕對壓力越小,則真空度越高)。每組試驗的物料量決定于微波強度,如參數微波強度8kW/kg,微波功率取2kW時,物料質量為0.25kg。
通過單因素試驗,選取微波強度、杏鮑菇物料厚度和腔體絕對壓力為試驗因素,采用三元二次通用旋轉回歸組合設計,進行杏鮑菇微波真空干燥的多因素試驗,考察各種干燥條件下的干燥特性。因素水平編碼如表1所示。
表1 因素水平編碼
3、結論
(1)功率強度、杏鮑菇物料厚度、腔體絕對壓力對杏鮑菇微波真空干燥均有影響。功率強度對杏鮑菇的干燥速率影響最大。功率強度較大時(如10kW/kg以上),不同的杏鮑菇物料厚度水平和腔體絕對壓力水平對杏鮑菇干燥影響不大;功率強度相同的情況下,腔體絕對壓力對干燥速率的影響取決于杏鮑菇物料厚度,薄的物料(如1.1cm),腔體絕對壓力高的干燥速率大于腔體絕對壓力低的干燥速率;厚的物料(如2.9cm),則腔體絕對壓力低的干燥速率大于腔體絕對壓力高的干燥速率。
(2)利用單因素試驗數據對12種薄層數學模型進行擬合,Page的R2為0.9995~0.9998,殘差平方和為0.0004~0.0009,均方根誤差為0.0058~0.0078,是12種數學模型中擬合優度評價指標最好的,因此確定杏鮑菇微波真空干燥的薄層數學模型為Page方程MR=exp(-ktn);通過三元二次回歸正交的20組試驗,求出參數n、k與各干燥因素的關系式。模型考慮了功率強度、杏鮑菇物料厚度、腔體絕對壓力3個因素。經驗證,模型的擬合精度良好,能很好地表達和預測杏鮑菇微波真空干燥過程中水分的變化規律。