中间水分大豆振动 真空微波联合干燥过程的研究

朱佳琳，何天琦，闫博文，高文华，范大明，赵建新，*

(1.江南大学食品学院，江苏无锡214122;2.南京先欧仪器制造有限公司，江苏南京210036)

大豆含油量丰富，是我国在国际市场上最具竞争力的农产品之一。刚收获时的大豆含水量远高于它的安全贮藏水分(14%)，需及时进行干燥处理。微波加热作为一种通过介电加热效应实现快速升温的方式［1-2］，在国内外已被广泛应用于农产品及其加工食品的热处理、解冻、杀菌、干燥和膨化过程中［3］。其中，微波干燥作为一种普及速度较快的新技术，在谷物干燥、农产品加工、木材处理、化学制品合成、生物制品保藏、污水处理等领域起到了关键作用。然而，常规单一的干燥方法也存在一些问题，热风干燥是相对经济的干燥方法，但高温热风对物料籽粒的内部结构损伤严重［4］，爆腰率高，且温度梯度与湿度梯度方向易相反，不利于干燥的进行［5］;微波干燥的穿透力强，但易出现过度加热使局部温度超过100℃，从而导致物料的品质下降、营养风味损失;真空干燥的干燥温度较低，可在一定程度上保留食品的色、香、味及营养成分，但其传热速度慢，干燥时间较长，均匀性较差。周爱梅［6］等人建议在加工南瓜粉的过程中，将微波干燥与真空干燥相结合，干燥初期使用微波干燥蒸发大部分水分，再采用真空干燥法至物料含水率低于6%为止，大大提高了干燥效率。李波［7］等人研究了豆腐渣的微波真空干燥特性，结果显示干燥时间与热风干燥和冷冻干燥相比节省了90%，且干燥品质与冷冻干燥接近;张丽晶［8］等人发现运用微波真空干燥技术可减缓茶叶中各营养成分的褐变，有利于茶叶中色素的保留;近年来，联合干燥技术在脱水果蔬上的应用也日益广泛［9］。可见，围绕常规单一模式的干燥技术在实际应用过程中的问题［10-13］，将两种或两种以上方法的优势集成互补，开展符合物料特性的联合干燥技术，从而起到减少时间、提高品质、降低能耗的效果，已成为干燥领域的创新成长点［14］。本文以大豆为实验对象将物理振动强化过程集成到微波干燥技术中，并辅助负压环境，充分利用微波干燥速度快的优点以及真空低温干燥的优势，进行了中等水分谷物原料的干燥过程研究，同时开展了干燥品质和节能效果的评价。

表1 NBS单位色差值与色差程度的关系［16］Table 1 The relationship between the unit chromatic aberration and the degree of chromatic aberration［16］

1 材料与方法

1.1 材料与设备

大豆 购于无锡雪浪菜市场，为当年生产的已自然干燥的杂黄豆。

XO-SM400微波振动床 南京先欧仪器有限公司生产;DOA-P504-BN真空泵 GAST公司生产;FD53热风循环烘箱 BINDER公司生产;51/52II温度计 Fluke公司生产;CR-400色差计 日本Dnicaminolt公司生产。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 以自然条件下干燥的大豆为实验材料，模拟大豆初收获时状态:挑取完整颗粒，恒温30℃水浴中按水豆质量比1.5∶1浸泡10min，沥干，包装，置于4℃环境中冷藏13h，获得含水率为20%～30%且颗粒直径为1～8mm的中等含水率颗粒状谷物，称取200g为一份实验样品。

1.2.2 实验设计 设计四因素三水平实验，考察相同真空度下功率质量比、装载量、振动频率对黄豆干燥速率的影响。实验时取适量样品，平铺于罐体中，密封后装套橡胶管，根据实验条件调节变量。干燥总时间30min，每隔5min称重1次，记录数据并计算出物料含水率的变化;设定不同振动频率(以传动电机转速表示)，对样品进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定;比较不同微波功率下热风干燥、微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥的能耗量以及干燥物料的品质。

1.2.3 指标测定 含水率测定:采用两次烘干法［15］(标准检验法GB5497-85)测定复水大豆的初始含水率。

色差测定:采用色差计进行色泽的测定，每个样品重复测定5次。根据人眼对颜色色差的分辨，颜色的总差用 ΔE表示，计算公式为:ΔE=其中，L(亮度/暗度)、a(红度/绿度)、b(黄度/蓝度)、下标“0”表示自然干燥下物料的颜色。采用不同干燥方法下物料作为参照，ΔE越大意味着与自然干燥物料的颜色差别越大。NBS这一色差单位是以贾德(Judd)-亨特(Hunter)建立的色差计算公式的单位为基础推导出来的，1939年，美国国家标准局采纳该色差计算公式，并按此公式计算颜色的色差，当绝对值为1时，称为“NBS色差单位”［16］。NBS单位色差值与色差程度的关系如表1所示。

温度测定:采用光纤探针进行测量，将光纤探针插入干燥物料内，记录读数。

爆腰率测定:随机取样干燥后谷物400粒，在爆腰灯下人工检查爆腰率［17］。文中的爆腰率是指除去初始爆腰率后的爆腰率增值。

总能耗测定:微波振动床干燥过程中的总能耗采用电能表计数，由于单次测量能耗较小，故采用连续干燥10次取平均值得单次干燥能耗。

2 结果与讨论

2.1 干燥特性曲线

2.1.1 功率对干燥过程的影响 一般干燥曲线可以反映物料含湿量与干燥时间之间的关系。图1为真空度-0.065MPa，振动频率250r/min，功率质量比分别为0.50、0.75、1.00W/g的工况下测定的微波干燥曲线，样品初始干基含水率26.76%。

图1 不同干燥功率下大豆含水率与干燥时间关系曲线Fig.1 Relationship between moisture content of soybeans and the length of drying in different microwave power

由图1可知，在装载量和振动频率一定的情况下，随着微波干燥功率的增加，物料含水率减少的幅度逐渐增大，即达到安全含水率的时间缩短。这是因为复水大豆含水率较高、极性较大，受到电磁场的介电效应强，热促效应使物料升温速度增加。干燥功率越大，罐体内温度升高越快，故含水率下降越快。这与苏伟光［18］等人在实验中得出的黄豆干燥速率与单位质量所占有的微波功率成正比的结论相同。Shivhare和Raghavan［19］经实验研究表明，为避免黄豆因快速失水而造成干燥质量降低，黄豆干燥实验的微波功率质量比应低于1kW/kg。故最佳干燥功率为0.75W/g。

2.1.2 装载量对干燥过程的影响 开启真空泵，设定振动频率250r/min，复水后样品的初始含水率为26.07%。测定在微波功率质量比为0.75W/g，装载量分别为200、300、400g工况下的微波干燥曲线，如图2所示。

图2 不同装载量下大豆含水率与干燥时间关系曲线Fig.2 Relationship between moisture content of soybeans and the length of drying in different load

由图2可知，装载量为400g的样品具有较高的干燥效率，在18min左右出现干燥速率明显上升直至超过低装载量样品干燥速率的现象，而任奕林［20］等人的实验结果显示，在微波干燥功率为325W，装载量分别为20、30、40g的情况下，黄豆失水速率随装载量的增加而减慢，即处理的物料(装载量)越多，干燥所需的时间越长。分析其原因，一方面是由于实验罐体体积一定的情况下，物料表层与罐顶间隙越小，内部水分溢出后滞留体积越小，极易达到饱和，促进真空泵对水分的抽出。另一方面，由于蒸发冷却的缘故，物料表面温度略低于里层温度，同时由于物料内部产生热量，以致于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度。初始含水率越高，压力梯度对水分排除的影响越大，即有一种“泵”效应，驱使水分流向表面，加快干燥速度［20］。可见装载量越多未必干燥速率越低，还与微波“泵”效应及在空气湿含量影响下的物料表面水分迁移速率有关。

2.1.3 转速对干燥过程的影响 测定微波功率质量比为 0.75W/g，转速分别为 100、250、450r/min工况下的微波干燥曲线，如图3所示。样品的初始含水率为22.59%。

图3 不同振动频率下大豆含水率与干燥时间关系曲线Fig.3 Relationship between moisture content of soya beans and the length of drying(in different vibration frequency)

由图3可知，在功率质量比一定的条件下，干燥速率随振动频率的增加明显增大。这是因为振动频率越大，物料在微波场中的位置变化越频繁，内部水分迁移速率越高，有效提高了物料的干燥均匀性，图中可观察出450r/min为最佳转速。苏伟光［18］等人在实验中比较了黄豆在转动及静置状态下的干燥特性，实验表明转动可有效提高微波场的均匀性，不仅有利于干燥速率的提高，还有利于提高黄豆的干燥品质。王瑞芳［21］等人通过对水平转盘与转鼓微波干燥均匀性的实验研究，指出微波干燥的均匀性主要取决于物料对微波能吸收的均匀性。即使在不均匀的微波场中，物料位置不断改变也可提高物料对微波能吸收的均匀性。

2.2 微波真空振动干燥实验

将样品放入聚四氟乙烯罐内，设置微波功率0.75W/g，调制电机转速分别为 350、450、550r/min 时进行干燥。设定运行时间1.3s，间歇时间1s作为一个振动周期;加热时间为30min;待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定，并记录电表数字，列于表2。

表2 微波真空振动床干燥方法在微波功率0.5W/g下不同电机转速对干燥物料的影响Table 2 Influences of different motor vibration frequencies on the materials by the method of microwave vacuum vibration drying under 0.5W/g

由表2可以看出，在固定时间内，功率质量比、真空度相同的工况下，随着转速的不断增加，NBS值略有上升，含水率及爆腰率在某一振动频率范围内有最佳数值。爆腰率产生是由于谷粒内部温度和水分梯度产生的热、湿应力作用的结果。尤其是受热不均引起的局部收缩、表面干燥速率过快、内外湿梯度过大造成了爆腰的主要原因［21-23］。物料在振动的作用下，在微波场中呈现翻滚、转动状态，实现了物料均匀干燥，避免了传统微波干燥方法中干燥水分附着于物料表面未能及时排出，导致湿度梯度发生改变，从而阻碍物料干燥的弊端。真空环境使物料的沸点降低，导致干燥物料的最终温度降低，从而降低了物料的爆腰率。

2.3 不同干燥方法的对比实验

将样品置于干燥室容器内，分别采用0.50、0.75、1.0W/g微波功率进行加热，加热时间分别为30、20、12min，开启空气除湿系统，温度控制在4～10℃，待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定，并记录电表数字，列于表3。

由表3可知同种干燥方法中，爆腰率随微波功率质量比的增加明显增高，这是由于单位质量吸收的微波能的增加导致温度上升，在一定范围内温度与爆腰率成正相关;微波真空振动干燥的能耗明显低于传统热风干燥，爆腰率明显优于微波干燥方法与微波振动干燥方法，这是由于微波干燥所需时间要明显低于热风干燥，提高的能效利用率，而一定负压的存在能降低水分的蒸发温度，最终导致物料所需干燥温度的降低，降低了爆腰率;于秀荣［24］等人认为微波加热对高水分粮食和具有坚硬外壳物料的干燥效果比热空气干燥效果好，他们的实验结果表明，经微波加热后，影响稻米品质的脱支酶活力明显下降，而稻米的食用品质和糊化特性变化不大。Qingguo Hua［25］等人的研究表明在微波真空干燥中日本青豆的维他命C和叶绿素保存完好，较其他干燥方式存在明显优势。

表3 热风干燥与微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥在不同微波功率下对干燥物料的影响Table 3 Influences of heated-air drying，microwave drying，microwave vibration drying，microwave vacuum vibration dying in different microwave power

3 结论

振动-真空微波联合干燥过程中，微波功率越大，达到相同含水率所需的干燥时间越短。而在振动频率及微波功率不变的工况下，干燥速率与装载量不呈现显著相关，还与微波“泵”效应及空气湿含量影响下的物料表面水分迁移速率有关。随着振动频率的不断增加，NBS值略有上升，含水率及爆腰率在某一振动频率范围内有最佳数值;提高振动转速可有效改善物料干燥的均匀性从而使干燥速率明显增加;振动-真空微波联合干燥与传统热风干燥相比能耗降低70%，与微波振动干燥相比爆腰率降低60%。在降低能耗量的同时保证了物料的干燥品质。

［1］D Michael P Mingos，David R Baghurst.Applications of microwave dielectric heating effects to synthetic problems in chemistry［J］.Chemical Society Reviews，1991，20，1-47.

［2］C Gabriel，SGabriel，E H Grant，et al.Dielectric parameters relevant to microwave dielectric heating ［J］.Chemical Society Reviews，1998，29:213-223.

［3］Palav T，Seetharaman K.Mechanism of starch gelatinization and polymer leaching during microwave heating［J］.Carbohydrate Polymers，2006(65):364-370.

［4］纪勋光，张力伟，车刚，等.微波真空干燥技术的探讨［J］.干燥技术与设备，2009，7(5):224-227.

［5］李素云.浅议谷物的微波干燥技术［J］.粮食流通技术，2007(1):38-39.

［6］周爱梅，曹环，李少华.两种不同干燥方法在南瓜粉加工中的对比研究［J］.食品工业科技，2011，32(9):275-279.

［7］李波，王东玲，韩伟元，等.豆腐渣微波真空干燥实验的研究［J］.食品工业科技，2011，32(12):318-324.

［8］张丽晶，林向阳，张宏，等.绿茶微波真空干燥工艺的优化［J］.食品与机械，2010，26(2):143-147.

［9］郑亚琴，石启龙，赵亚.果蔬联合干燥技术的研究进展［J］.食品工业科技，2012，33(12):438-442.

［10］Helmar Schubert，Marc Regier.The microwave processing of foods［M］.北京:中国轻工业出版社，2008:58-115.

［11］IlknurAlibas.Microwave，air and combined microwave-airdrying parameters of pumpkin slices［J］.LWT，2007，40:1445-1451.

［12］Alibas I，Ozkan B Akbudak，N Akbudak.Microwave drying characteristics of spinach［J］.Journal of Food Engineering，2007，78:577-583.

［13］Kassem A S，Shokr A Z，El-Mahdy A R，et al.Comparison of drying characteristics of Thompson seedless grapes using combined microwave oven and hot air drying［J］.Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences，2011(10):33-40.

［14］Sumnu G.A review on microwave baking of foods［J］.International Journal of Food Science and Technology，2001，36(2):111-117.

［15］刘晓鹏，李应华.两次烘干法测定粮食水分时应注意的问题［J］.粮油食品科技，2004，12(6):32.

［16］闫博文.一种中等水分含量颗粒状谷物的微波振动床干燥方法［P］.中国专利:201210044573.8，2012-02-27.

［17］孟宪玲，治德，杨俊红.干燥温度对水稻颗粒爆腰率的影响［J］.天津大学学报，2002，35(4):444-446.

［18］苏伟光，王瑞芳，曹斌，等.静置及水平转动条件下黄豆微波干燥实验研究［J］.干燥技术与设备，2007，5(5):236-239.

［19］Shivhare U，RaghavanV.Microwave drying of soybean at 2.45 GHz［J］.MicrowavePower and Electromagnetic Energy，1993，28(1):11-17.

［20］任奕林，张春英，熊利荣.黄豆的微波干燥及发芽实验研究［J］.粮油加工与食品机械，2005(4):84-86.

［21］王瑞芳，李占勇.水平转盘与转鼓微波干燥均匀性的实验研究［J］.天津科技大学学报，2009，24(4):58-61.

［22］胡万里，李长友，黄茂柱.温度变化对爆腰率的影响分析［J］.现代农业装备，2005(Z2):80-83.

［23］朱恩龙，郭红莲，李成华.稻谷爆腰原因的探讨［J］.农机化研究，2004(3):67-70.

［24］于秀荣，赵思孟.微波干燥稻谷的研究［J］.郑州粮食学院学报，1997，18(1):63-67.

［25］Qing-guo Hua，Min Zhanga，Arun S Mujumdarb，et al.Drying of edamames by hot air and vacuum microwave combination［J］.Journal of Food Engineering，2006，77:977-982.