方便米粉微波干燥特性的研究

刘成梅 艾亦旻 万 婕 罗舜菁 左艳娜 周国辉

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌 330047）

方便米粉的研制始于20世纪80年代，仿照方便面的生产原理与工艺研制而成［1］。其中干燥是方便米粉生产的重要工序之一［2］。快速有效的干燥方法能够使得米粉挤压成型后迅速脱水干燥，固定α化状态结构，防止回生，使得米粉保持良好的品质，及较长的保质期［3］。微波干燥因其独特的加热特性区别于热风干燥及其他干燥方式［4］，物料在微波场中是内部整体加热，因此易于形成温度梯度和湿度梯度同向，利于物料水分向外排出［5］。且微波干燥有穿透力强、选择性加热、热惯性小、干燥速度快、时间短、能量利用率高、符合环保要求以及易于实现自动控制等特点［6］。

薄层干燥是指物料厚度小于2 cm的床层干燥［7］。薄层干燥是食品物料干燥的基本形式，是深床干燥的基础。薄层干燥的研究是为了探讨一定干燥条件下物料含水率随时间变化的规律，进而建立薄层干燥方程，为优化干燥工艺和指导干燥过程提供依据［8］。

目前已有较多农产品微波薄层干燥的研究，如板栗［9］、马铃薯片［10］、红椒粉［11］和花椒［12］等。有关方便米粉干燥的研究较少，熊柳等［13］、李新华等［14］研究发现，微波干燥的米粉与热风干燥的米粉相比，复水性与食用品质相差不大，而微波干燥的时间远短于热风干燥。赵思明等［2，15］研究了方便米粉高温高湿干燥的数学模型和水分扩散特性，然而目前关于方便米粉微波干燥过程的研究还未见报道。因此，本试验以方便米粉为对象，对其微波薄层干燥过程进行研究并建立方便米粉的微波薄层干燥数学模型，以期为方便米粉微波干燥过程的控制和条件优化提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

早籼米：南昌市深圳农产品批发市场。

1.1.2 仪器

自熟多功能年糕粉丝机：温岭市圣地机械厂；G80F23CN1P-G5（S0）微波炉：广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；电子天平：上海精密科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

方便米粉的制作工艺：大米→洗米浸泡→粉碎→过筛→混合→自熟挤丝→切断→复蒸或煮制→微波干燥→成品。

方便湿米粉的制备：早籼米经清洗，浸泡8 h后，粉碎过60目筛，控制含水量在30%左右。经自熟式挤丝机挤丝，挤丝出来的米粉通过风冷，按照一定长度切断。切断后的米粉条放入95～100℃的沸水中煮制，最后得到湿基含水量（68.45±0.50）%的湿米粉。

微波干燥：将（100.55±0.20）g样品平铺于微波炉专用样品筛（d＝23 mm）中，厚度5 mm，置于微波炉中央，分别用800、640、480、320和 160 W 5档功率进行干燥。每隔0.5 min将样品取出快速测定其质量m，试验进行至米粉湿基含水量小于10%。每组试验设重复3次，取其平均值。

1.2.2 水分测定

初始湿基含水量 w0：参照国标 GB 5009.3—2010。

t时刻干基含水量M：

式中：M为米粉干燥至t时刻的干基含水量／%；m为米粉干燥至t时刻的质量／g；m0为米粉初始质量／g。

1.2.3 数据拟合与分析

1.2.3.1 微波薄层干燥过程数学模型的拟合

近年来，国内外学者通过研究不同物料的干燥过程总结了许多干燥方程。本试验选取了8个较常用的干燥模型，利用SPSS软件对试验数据进行拟合。所选模型如表1所示［16-22］。

表1 薄层干燥模型列表

米粉水分比MR（moisture ratio）：

1.2.3.2 相关系数及误差分析

测试模型与试验数据的匹配程度可由相关系数R2，卡方值 χ2和均方根误差 RMSE衡量。按照文献［25-27］的方法计算 R2，χ2和 RMSE。R2越大，χ2和RMSE越小，模型的匹配程度越高。

1.2.3.3 有效扩散系数

Fick扩散方程常用来描述生物制品的降速干燥阶段，适用于长方形、圆柱形等形状规则的物料［27-28］。本试验挤出的米粉样品形状规则，水分分布均匀，因此可用下式计算样品的有效扩散系数。

式中：L0为物料层厚度的一半／m，Deff为有效扩散系数／m2。

对于长时间的干燥过程来说，上式可以进一步对数变化简化为［29］：

由上式可知lnMR与t呈线性关系，由该线斜率可计算出Deff。

2 结果与分析

2.1 方便米粉的干燥特性

2.1.1 方便米粉的干燥特性曲线

图1为不同微波功率下，米粉水分比MR与干燥时间的关系图。由图1可知，MR随干燥时间的增加不断下降。干燥初期MR下降速度较为匀速，随后下降变慢并趋于平缓。但总体而言，在整个干燥过程中MR下降较为均匀，这可能是受微波干燥机理及水分扩散等因素影响。微波的穿透能力较大，可使物料内外整体加热干燥。微波功率越大干燥时间越短。160W功率下，米粉干燥至MR为0.02的时间为60 min，而320、480、640及800 W功率下米粉干燥至MR为0.02的时间时间分别为为35、23、18和15 min。因此，在一定的微波功率范围内，可以通过提高微波功率来加速干燥的过程，缩短干燥的时间。

图1 不同微波功率条件下的干燥曲线

式中：MR为米粉水分比；M为t时刻米粉的干基含水量；Me为米粉平衡干基含水量；Mo为米粉的初始干基含水量。

因为Me相对于M和Mo来说较小，可以忽略不计，因此上式可简化为［22-24］：

2.1.2 米粉的干燥速率曲线

一般干燥过程可分为3个阶段：加速期、恒速期和降速期。本试验条件下，米粉干燥过程的加速期均较短。如图2所示，在干燥初始的2 min内，物料的干燥速率迅速上升，并达到最大值，且干燥速率随着微波功率的增大而增大。480、640和800 W时，未出现明显恒速期，物料的干燥速率达到最大值后即开始下降。320 W和160 W物料经历了一段较明显的恒速期，然后进入降速期。所选微波功率下物料的干燥过程大部分时间都处在降速期。

图2 微波干燥速率与时间的关系曲线

在干燥初期，米粉含水量较大时，干燥速率都处在相对较高的水平，当米粉的含水量逐渐下降后，干燥速率也明显的降低。这可能与微波干燥的原理有关，物料中水分较大时，物料对微波的吸收能力较高，随着物料中水分的减少，物料对微波的吸收能力也相应降低，干燥速率迅速下降。相同含水量的物料，随着微波功率的增加，物料内部分子的热运动加剧，物料的温度将变得更高，干燥速率越大［5］。

2.2 米粉的干燥数学模型

2.2.1 干燥数学模型的建立

将不同微波功率条件下得到的MR与时间t变化的干燥曲线和所选的12个薄层干燥数学模型进行拟合，拟合结果见表2。以不同功率条件下R2，χ2，RMSE的均值为指标对各方程的拟合效果进行排序［30-31］，发现Midilli-Kucuk模型的拟合效果最好。因此选择Midilli-Kucuk模型对方便米粉的微波薄层干燥过程进行模拟。

2.2.2 Midilli-Kucuk模型常数a，b，k和n的确定

由表2可知，模型常数随着微波功率的变化而变化。参考文献［31-32］的方法，采用回归分析来考察微波功率P（W）对Midilli-Kucuk模型常数a，b，k和 n的影响，得到 a，b，k，n与 P的关系式。最后可得以干燥时间t及干燥功率P为自变量的方便米粉微波薄层干燥的数学模型：

式中：

2.2.3 模型的验证

为了验证Midilli-Kucuk模型拟合效果，以MR实验值为横坐标，MR预测值为纵坐标作图。结果如图3所示，所有的数据点基本落在y＝x线周围，说明Midilli-Kucuk模型对MR的预测与试验值非常接近，Midilli-Kucuk模型较适合模拟方便米粉微波干燥过程。

图3 微波干燥Midilli-Kucuk模型试验值与预测值

2.3 有效扩散系数

不同微波功率的干燥条件下方便米粉的水分有效扩散系数如表3所示。有效扩散系数随着微波功率的增大而增大。其中160、320与480 W的有效系数有明显差异，640与800 W功率下的扩散系数相差不大，这也解释了图1中160～480 W干燥时间有很大差异，而640 W与800 W功率下干燥时间相差较小。

表3 方便米粉在不同微波功率干燥条件下的D

表2 各薄层干燥数学模型的拟合结果

3 结论

1.44×10-9～6.42×10-9m2／s之间，且随着微波功率的增大而增大。

本研究考察了方便米粉的微波薄层干燥过程。方便米粉的微波干燥过程可分为加速期，恒速期和降速期。本试验所选微波功率条件下干燥过程的加速期均较短，且仅320、160 W可观察到较明显的恒速期，所选微波功率下的干燥过程都是处在降速期。

采用8个薄层干燥模型对方便米粉的微波干燥过程进行拟合，其中Midilli-Kucuk模型具有较高的拟合度，能较好的描述方便米粉的薄层微波干燥过程，可用于预测不同含水率方便米粉的干燥时间。方便米粉的微波薄层干燥的水分有效扩散系数在

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