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胡萝卜的真空微波干燥特性研究及工艺优化

时间:2008-09-02 00:40:51  浏览:        

前言
    真空微波技术是把微波加热和真空干燥两项技术结合起来,当压力低时,可以减小气相中的水蒸气分压,物料的沸点温度降低,因而可使物料处在低温状态下进行脱水,使水分扩散速率加快,且能较好地保护物料中的成分。而微波真空干燥提供热源,是直接加热材料,能快速干燥,可获得良好的干燥结果。真空微波干燥已被广泛用于食品、木材、农产品等物料的干燥。利用微波技术对农产品进行干燥是今后发展趋势之一。为了探讨胡萝卜真空微波干燥的适应性,本文通过进行真空微波干燥胡萝卜的失水特性试验,得出其失水规律及耗电规律,以及在某些条件下的干燥曲线,并建立真空微波干燥胡萝卜数学模型,通过二次正交回归试验,得出各指标的回归方程,进行参数综合优化,提出了真空微波干燥参数的较佳组合,以供读者参考。
1 试验材料、设备与方法
1.1 试验材料 
    批量购入胡萝卜,以保持其相对接近的物性。
1.2 设备与仪器  
  WZD4S-05真空微波干燥设备真空度可达7000Pa~8000Pa)、MA30红外线水分测定仪、红外线测温探头、TC10KB电子秤。
 1.3 试验方法
    测出物料的平均初始水分含量。真空微波设备工作频率为2450MHz,微波功率选择0.8kW、1.2kW,将物料平铺在物料板上,进行干燥。干燥中,定时称重,再通过fjg计算过程中的水分含量,式中,m为即时质量、md为绝干物料质量。干燥至60分钟,停止干燥。温度由置于托盘上方的红外线测温探头测得。文中含水率均为湿基含水率(%)。
2 试验结果与分析
2.1 正交试验设计
    试验取胡萝卜的微波加热功率 、装载量 、切片厚度 作为三因素,为了便于综合考察试验的最优性,取60分钟后的最终湿基含水率 、单位耗电量 、外观质量 作为指标,进行三因素三指标的二次回归正交试验,其中,单位耗电量为降低单位湿基含水率所耗费的用电量;外观质量为从表面膨化程度、形状、颜色等方面考察干制品,然后请人评分,最后平均后得出系列试验的外观质量的分数值。
2.2 回归方程
    运用SPSS 10.0统计分析工具对数据进行处理,进行正交回归和显著性检验,去除不显著项,得出两指标回归方程如下:
最终湿基含水率 回归方程为:

2.3各指标的优化
    根据回归方程,对于真空微波干燥,本试验主要考察它的工作效率和能耗问题,目的是寻找高生产率和低能耗的工艺。这里通过回归方程,对方程参数求导法,计算各参数在允许范围内,单位时间降水率和单位耗电量,及膨化效果的参数组合。得出正交试验的最佳组合为微波加热
各目标函数的最优值见下表2。
 
2.4均匀试验设计
    通过以上正交试验分析,以及从中得出的目标函数,会发现,针对微波干燥,影响最大的因素为微波功率,为了进一步分析真空微波干燥的干燥规律,以及在干燥过程中,微波功率变化对干燥物料的影响, 取前期功率 、后期功率 、前期时间 为三因素,单位时间降水率  、单位耗电量 作为指标,进行三因素三水平二指标的二次回归均匀试验。均匀设计是中国统计学家方开泰和中科院院士王元首创,是处理多因素多水平试验设计的首选方法,可用较少的试验次数,完成复杂的科研课题开发和研究,本系列试验与上面的正交试验相比,试验水平数增加,为了减少不必要的试验次数,这里选择了均匀试验方法。
2.5回归方程
    方法同上面的正交试验数据处理,得出相应的目标函数:
    最终湿基含水率 回归方程为:

      根据回归方程,能够得到耗电低,降水快的干燥工艺,从而得出正交试验的最佳组合为微波加热前期功率    由于回归中没涉及到时间问题,从而进一步进行试验验证研究,得出前期时间为30min,得到的物料外观形状,颜色较好,而且还具有很好的膨化效果。
2.7 真空微波干燥特性
2.7.1装载量对干燥特性的影响
2.7.1.1 干燥过程装载量对脱水速率的影响
    整个干燥可分三个阶段:加速干燥、恒速干燥、降速干燥阶段,但如图1所示,在干燥功率相同,物料质量较小的时候,恒速干燥阶段很短暂。在相同功率,相同含水率条件下,装载量不同,相应的失水速率也不同;装载量越大,物料内部被微波极化的水分子越多,其失水量越大。同时,微波干燥初始阶段,干燥速率受干燥物料质量的影响近乎不存在。

2.7.1.2  装载量对微波耗电量的影响
    由图2可知,微波真空干燥胡萝卜过程中,微波耗电量随着装载量增加而增加;同微波真空干燥龙眼相比较,不同物料,耗电量的变化还是有很大不同的,在干制龙眼过程中,在相同的装载量条件下,随着水份含量的变化,耗电量约增加0.9~1.0倍左右,微波耗电量同湿基水分含量具有线性的变化趋势;干燥胡萝卜的过程中,如图2所示,在相同干燥功率的条件下,耗电量与湿基水分含量仍成线性变化,但增加比例却不同。
2.7.2 物料厚度对干燥特性的影响
2.7.2.1干燥过程厚度对失水速率的影响
    从图3中,我们可以看出,物料厚度为5cm时,恒速干燥阶段不很明显,但物料厚度为7cm时,就较为明显了,这表明,厚度不同,干燥过程中所经历的阶段的时间长短是不同的,从干燥过程中的3个阶段看,在加速阶段,厚度越小,失水速率也越大。在整个干燥阶段,厚度越大,其加速干燥阶段时间越长。
2.7.2.2 干燥过程厚度对耗电量的影响
    从图4知,干燥初期,物料含水率较高时,厚度的变化对耗电量的影响较小;干燥速率比较接近,干燥后期,物料含水率较低时,厚度对耗电量影响趋于明显,且为了使物料达到相同的含水率,功率越大耗电量越高。实际上,随着含水率的变化,耗电量呈近似于线性变化,不同功率三条直线斜率不同,厚度越大斜率越大,
 

食品干制过程的特性可由干燥曲线以及上述的干燥速率曲线加以表达。胡萝卜在0.05MPa,三种物料厚度下的干燥曲线,如图5所示;以及其在0.05MPa,三种装载量下的干燥曲线,如图6所示。
    比较以上图5和6,我们可以发现,在0.05MPa真空度下,干燥初期,物料的湿基含水率变化很小,但变化速率在增加,经历了一段干燥速率变化很大的阶段,这是由于微波干燥的干燥机理决定的,物料内部的水分子还没有充分吸收大量的微波能,从而热源不充足。随着干燥的进一步进行,物料内部的极性分子震动更加剧烈,有更多的能量转化为热量,促进水分子的运动,水分含量变化很大,但干燥过程中湿基含水率变化速率地变化却逐渐有升高转为恒速,最后变为降速;这就是干燥过程中普遍存在的三个阶段: 加速干燥阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段。
3 结果与讨论
3.1 在干燥过程中,前期干燥功率大,后期干燥功率较小,这样干燥后的物料,外观质量好,颜色佳,具有很好的膨化现象。
3.2 针对胡萝卜,进行了3因素(微波加热功率、物料厚度、装载量)3指标(最终湿基含水率、单位耗电量、外观质量)的正交试验和3因素(前期功率、后期功率、前期干燥时间)2指标(最终湿基含水率、单位耗电量)的均匀试验两种试验方法,得出各回归方程,进行各因子显著性检验。分析表明:①降低微波功率,可提高干制品的外观质量,但要提高单位时间降水率和降低单位耗电量要求有较高发射功率。②较高的切片厚度有利于提高物料的外观质量与但不利于提高单位时间降水率,以及降低单位耗电量。③前期干燥功率对物料的外观质量影响不显著。后期干燥功率对干制品的质量影响较大。因而要选择较小的后期干燥功率。
3.3 发射功率对外观质量具有显著影响,因为微波功率越大,在干燥过程中就会出现局部过热,以及出现打火现象,内部出现烧焦现象。同样,在干燥中期,处于恒速干燥阶段,干燥温度趋于平稳,但在干燥后期,降速干燥阶段,随着物料含水率的减少,物料温度开始上升,且变化较大,较高温度会极大破坏物料内部营养成分,因此,在降速干燥阶段要注意控制物料温度,防止温度过高。

  
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