马蹄湿淀粉微波间歇干燥特性及其动力学研究

唐小闲，段振华，刘艳，汤泉，陶胜达，罗杨合

（1.贺州学院食品科学与工程技术研究院/广西马蹄加工工程技术研究中心，广西贺州542899；2.贺州学院化学与生物工程学院，广西贺州542899；3.贺州学院理学院，广西贺州542899；4.大连工业大学食品学院，辽宁大连116034）

马蹄湿淀粉微波间歇干燥特性及其动力学研究

唐小闲1，2，4，段振华1，4，*，刘艳1，汤泉2，陶胜达3，罗杨合1

（1.贺州学院食品科学与工程技术研究院/广西马蹄加工工程技术研究中心，广西贺州542899；2.贺州学院化学与生物工程学院，广西贺州542899；3.贺州学院理学院，广西贺州542899；4.大连工业大学食品学院，辽宁大连116034）

以马蹄湿淀粉为对象进行微波间歇干燥试验，研究了不同功率、不同装载量、不同加热时间和间歇时间对干燥速率的影响。结果表明，马蹄湿淀粉在微波间歇干燥过程中呈现出加速、恒速和降速3个阶段；相对于微波功率、装载量和加热时间，间歇时间对马蹄湿淀粉微波干燥速率的影响较小。通过5种经典的干燥模型拟合分析，发现马蹄湿淀粉微波间歇干燥动力学模型满足Page方程MR=e-ktn，模型预测值与试验值拟合良好。

微波；马蹄湿淀粉；干燥特性；动力学

马蹄（学名Heleocharis Tuberose Schult），又名荸荠、地栗、乌芋、凫茨、通天草，属莎草科荸荠浅水性宿根草本植物[1]。我国现有马蹄种植面积超过50万亩，马蹄产量占全球的95%，年总产量80万吨以上，且70%的产量在广西桂东北地区。生产上，根据马蹄的组成和用途，将马蹄分为粉马蹄和果马蹄两大类。粉马蹄中含大量的淀粉，加上低聚糖和单糖，占干重的86%以上，此外，马蹄含丰富的维生素、植物蛋白、磷质等[2]。马蹄经加工制成淀粉，可冲调食用，可作为食品粘合剂、增稠剂、稳定剂、悬浮剂和改良剂，也可用作酿造、制药、变性淀粉等工业加工的原辅料，还作为改善某些挤压膨化食品的冲调剂，应用广泛。

目前马蹄淀粉制造过程中，多数企业通过燃烧木材、煤炭产生热量，加热空气来实现马蹄湿淀粉的干燥，甚至少数企业通过传统的自然晾晒来干燥，这些生产方式不仅干燥效率低，卫生指标难达到要求，进而马蹄淀粉产品品质。而微波干燥具有独特的加热特性，如穿透力强、选择性加热、热惯性小、干燥速度快、节能高效、高度保持食品原有的营养成分及色、香、味、形等优点[3-5]，清洁生产符合环保要求以及易于实现自动控制的特点，因而在农产品加工及食品工业中应用越来越广泛。近十年来，国内外就有不少关于微波干燥农产品的研究，微波干燥已应用到鳙鱼[6]、罗非鱼[7]、银杏果[8]、莴笋[9]、芦笋[10]、黄秋葵[11]、松花粉[12]及板栗淀粉[13]等加工领域，但未见在马蹄淀粉加工中的研究及应用。

微波间歇干燥，在微波停止加热时间内，内部热量填补表面蒸发消耗的能量，使物料内部温度降低、温度梯度减小，为物料内部水分的重新分配提供了时间，因而能有效防止过热或烧伤，保证产品品质[14]。本研究以马蹄湿淀粉为对象，研究马蹄湿淀粉的微波间歇干燥特性，利用干燥方程构建马蹄湿淀粉的动力学模型，以期为马蹄湿淀粉微波间歇干燥工艺的研究提供理论依据，促进传统马蹄淀粉加工业的技术进步和产品品质的提高。

1材料与方法

1.1材料

粉马蹄：购于贺州市农贸市场。选择个体完整、大小均匀、无机械损伤的新鲜粉马蹄，作为制备马蹄湿淀粉的原料。

1.2主要仪器

G80D20CN1P-D2（S0）微波炉：广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；DHG-9240A电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；BSA124S分析天平：德国赛多利斯；MA150水分测定仪：北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.3方法

粉马蹄经清洗去皮，破碎匀浆，过滤、离心后制成马蹄湿淀粉，测得初始平均干基含水率为69.64%，设定不同功率（140、280、420W），不同装载量（0.05、0.075、0.1 kg），在不同加热时间（0.5、1、1.5min），不同间歇时间（0.75、1、1.25min），进行马蹄湿淀粉微波间歇干燥。试验中，在每个间歇时间点测定并记录样品重量。

1.3.1水分测定

按照GB 5009.3-2010《食品安全国家标准食品中水分的测定》进行。

1.3.2水分比测定

参照文献[15-16]方法进行。

1.3.3干燥模型拟合

根据国内外学者近年在农产品物料方面的研究，筛选了如表1所示的5种经典干燥模型进行马蹄湿淀粉干燥模型拟合。这五种干燥模型均为非线性模型，为了计算方便进行了线性化处理。

表1 常用的干燥数学模型Table1 Used dryingm athematicalm odels

1.4数据分析

每次试验做3组平行，试验结果取3组平均值；采用软件origin 7.5、EXCELL 2010和SPSS19.0进行数值分析。

2结果与分析

2.1微波功率对马蹄湿淀粉干燥的影响

图1、图2分别是不同微波功率的马蹄湿淀粉干燥曲线和干燥速率曲线。

图1 不同微波功率下马蹄湿淀粉干燥曲线Fig.1 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowavepower

图2 不同微波功率下马蹄湿淀粉干燥速率曲线Fig.2 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different m icrowave power

由图1可知，在装载量、加热时间和间歇时间恒定下，微波功率越大，干燥曲线越陡峭，所需干燥时间越短，功率为420、280、140W时，干燥时间分别为26、38、108min。由图2可知，马蹄湿淀粉微波间歇干燥过程分加速，恒速和降速3个阶段，符合干燥的一般规律。干燥速率是指单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量[17]，微波功率越大，物料吸收的微波能越多，汽化的水分量越大，干燥速率越大，加速、恒速、降速阶段耗时越短；在干燥初期，物料含水率比较大，干燥速率加速极为迅速；恒速阶段，微波功率越大，干燥速率越大，经历的时间越短。在恒速阶段，当物料干基含水在30%～55%时，干燥速率大小排序应对的微波功率分别为420、280、140W。在降速阶段，随着物料含水率降低，其对微波能吸收能力也降低[18]，干燥速率明显下降。因此，在一定微波功率范围内，可通过增大微波功率来提高物料干燥速率。

2.2装载量对马蹄湿淀粉干燥的影响

图3、图4分别是不同装载量的马蹄湿淀粉干燥曲线和干燥速率曲线。

图3 不同装载量下马蹄湿淀粉干燥曲线Fig.3 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different loadage

由图3可知，在微波功率、加热时间和间歇时间恒定下，随着物料装载量增大，物料含水率下降缓慢，干燥曲线斜率越大，干燥时间越长。物料装载量分别为0.05、0.075、1.0 kg的干燥时间为38、54、66min。由图4可知，物料装载量越大，加速、恒速、降速阶段的干燥速率变化越小，含水率降低越缓慢；反之，装载量越小，加速、恒速、降速阶段的干燥速率变化越剧烈，含水率下降越迅速。其原因主要是在一定微波功率下，物料的装载量越大，总含水量越大，单位质量水分所吸收的微波能越小[19]，干燥时间越长。

图4 不同装载量下马蹄湿淀粉干燥速率曲线Fig.4 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch atdifferent loadage

2.3加热时间对马蹄湿淀粉干燥的影响

图5、图6分别是不同加热时间下马蹄湿淀粉干燥曲线和干燥速率曲线。

图5 不同加热时间下马蹄湿淀粉干燥曲线Fig.5 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

图6 不同加热时间下马蹄湿淀粉干燥速率曲线Fig.6 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different heating time

由图5可知，在微波功率、装载量和间歇时间恒定下，加热时间对干燥过程有较大影响，加热时间为0.5min时，所需干燥时间为79.5min，干燥进程缓慢，尤其干燥后期表现得很平缓；而随着加热时间的增大，干燥曲线越趋陡峭，干燥时间缩短。微波加热时间分别为1.0min和1.5min时，干燥时间仅需38min和37.5min，是微波加热0.5min干燥时间的1/2。但微波加热1.0min和1.5min所需干燥时间相差不明显。由图6可知，不同加热时间下马蹄湿淀粉干燥速率曲线也呈现出加速、恒速和降速3阶段。微波加热时间越长，干燥速率升速、降速越快，物料脱水量越大，含水率下降越快，干燥时间越短。

2.4间歇时间对马蹄湿淀粉干燥的影响

图7、图8分别是不同间歇时间下马蹄湿淀粉干燥曲线和干燥速率曲线。

图7 不同间歇时间下马蹄湿淀粉干燥曲线Fig.7 Drying curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

图8 不同间歇时间下马蹄湿淀粉干燥速率曲线Fig.8 Drying rate curvesofwater chestnutwet-starch at different interm ittent tim e

由图7可知，不同间歇时间下马蹄湿淀粉干燥曲线具有干燥曲线的典型特性：物料在相同的初始含水率下，含水率随着干燥时间延长而显著下降。不同间歇时间下马蹄湿淀粉干燥曲线，含水率在69.64%～15%时线型变化很相似；间歇时间短的干燥曲线较陡，含水率下降较快，干燥时间较短，而间歇时间较长的干燥曲线变得平缓，含水率下降缓慢，干燥时间延长。由图8可知，间歇时间越短，加速阶段干燥速率上升越快，恒速阶段干燥速率越大，降速阶段干燥速率下降越快。由于微波作用时瞬间将微波能转化为热能，其升温迅速。采用微波间歇干燥，在间歇时段内，物料内部热量可供给与补充表面蒸发消耗的能量，从而使其内部温度在一定范围内上下波动，温度梯度减小，为物料内部水分的重新分布及向外扩散提供了时间[8]，从而能有效防止过热或焦化，保证干燥品质。而采用微波连续加热时，虽然物料在短时间达到脱水效果，但干燥过程升温过快，易超过其耐热温度而影响产品质量[14，20]。从图7可看出，曲线相隔距离较小，说明间歇时间对马蹄湿淀粉微波干燥速率的影响较小。

3马蹄淀粉微波间歇干燥干燥动力学模型

3.1马蹄淀粉干燥适用模型确定

在表1中Newton、Henderson-Pabis和Lagarithmic模型的-ln MR-t均为线性关系，因此首先验证二者在马蹄湿淀粉干燥过程的相关性；根据物料干燥过程水分比的变化，绘制不同微波功率、装载量、加热时间和间歇时间下的-ln MR-t曲线图，如图9～图12。

图9 不同微波功率下-ln MR-t的关系Fig.9 Relationship between-ln MR and t at differentm icrowave power

图10 不同装载量下-ln MR-t的关系Fig.10 Relationship between-ln MR and t at different loadage

图11 不同加热时间下-ln MR-t关系Fig.11 Relationship between-ln MR and t atdifferentheating tim e

图12 不同间歇时间下-ln MR-t的关系Fig.12 Relationship between-ln MR and t at different interm ittent time

由图9～图12可知，微波功率、装载量、加热时间和间歇时间下-ln MR-t是非线性关系，说明这3种模型不适合马蹄湿粉微波间歇干燥动力学模型的建立。

将Wang-Singh和Page模型进行拟合，图13～图16分别为不同微波功率、装载量、加热时间和间歇时间下MR－t的二次曲线，图17～图20分别为不同微波功率、装载量、加热时间和间歇时间下ln（-ln MR）-ln t曲线图。

图13 不同功率下MR－t的二次曲线Fig.13 Second curvesof MR and t at differentm icrowavepower

图14 不同装载量下MR－t的二次曲线Fig.14 Second curvesof MR and t at different loadage

图15 不同加热时间下MR－t的二次曲线Fig.15 Second curvesof MR and t at differentheating time

图16 不同间歇时间下MR－t的二次曲线Fig.16 Second curvesof MR and t at different interm ittent time

图17 不同微波功率下ln（-ln MR）-ln t曲线Fig.17 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentm icrowave power

由图13～图16可知，相关变量下MR-t的二次曲线是非线性关系，则Wang-Singh模型也不适合马蹄湿淀粉微波间歇干燥动力学模型的建立。由图17～图20可知，相关变量下ln（-ln MR）-ln t呈线性关系，Page模型可以描述马蹄湿淀粉微波间歇干燥的过程，故选用ln（-ln MR）=ln k+nln t作为马蹄湿淀粉微波干燥动力学模型。

图18 不同装载量下ln（-ln MR）-ln t曲线Fig.18 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at different loadage

图19 不同加热时间下ln（-ln MR）-ln t曲线Fig.19 Curvesof ln（-ln MR）and ln t at differentheating time

图20 不同间歇时间下ln（-ln MR）-ln t曲线Fig.20 Curvesof ln（-ln MR）and ln t atdifferent interm ittent time

式中：P为微波功率，W；L为装载量，kg；T1为加热时间，min；T2为间歇时间，min；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j为待定系数，可得到：

ln（-ln MR）=a+b P+c L+d T1+e T2+（f+g P+h L+i T1+j T2）ln t

对试验数据进行多元线性回归，求得方程线性拟合各待定系数，计算结果见表2。

表2 马蹄湿淀粉微波间歇干燥动力学模型Table2 The kineticsmodelofwater chestnutwet-starch by interm ittentm icrowavepower

F=1 366.31，P＜0.000 1；表明所求得的回归方程显著；复测定系数R2=0.975 6，说明模型的按拟合效果良好，试验误差较小。所得回归方程：ln（-ln MR）=-3.909 0+0.002 0P-38.155 3L+0.272 1 T1+0.476 7 T2+（0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4 T1-0.601 8 T2） ln t，即MR=e-ktn，其中n=0.910 6+0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。

3.2马蹄湿淀粉干燥动力学模型的检验

为了进一步检验回归模型的准确度性，选择试验中一组数据进行验证：设定功率280W，装载量0.05 kg，加热时间1min，间歇时间分别为1min。由Page模型在此条件下进行预测，模型预测值与该组试验值进行作比较，结果如图21所示。

图21 相同条件下试验值与拟合值的比较Fig.21 Comparison between experim entaldata and p redicted data at sam e condition

由图21可知，Page模型预测值与试验值基本拟合，说明Page模型能够作为马蹄湿淀粉微波间歇干燥动力学模型，利用此模型可较准确地反映马蹄湿淀粉在不同干燥条件下的干燥规律，对其干燥过程可起到较好的预测作用。

4结论

马蹄湿淀粉微波间歇干燥过程呈现出明显的加速、恒速和降速3个阶段，微波功率越大、加热时间越长，干燥速率越大，物料脱水量越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速阶段耗时越短；料装载量越大、间歇时间越长，干燥速率变化越小，含水率降低越缓慢，干燥时间越长。相对于微波功率、装载量和加热时间，间歇时间对马蹄湿淀粉微波干燥速率的影响较小。

通过五种经典的干燥模型拟合分析，发现马蹄湿淀粉微波间歇干燥动力学模型满足Page方程：MR=0.002 1P+5.222 7L+0.420 4T1-0.601 8T2。该模型可以用于预测马蹄湿淀粉微波干燥过程中的水分变化情况。

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Research of Interm ittent M icrowave Drying Properties and K inetic M odel ofW ater ChestnutW et-starch

TANGXiao-xian1，2，4，DUANZhen-hua1，4，*，LIUYan1，TANGQuan2，TAOSheng-da3，LUOYang-he1
（1.Instituteof Food Scienceand Engineering Technology/GuangxiWaterChestnutProcessEngineering Technology Research Center，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；2.College ofChemicaland Biological Engineer，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；3.SchoolofScience，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China；4.Schoolof Food Scienceand Technology，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，Liaoning，China）

Thewater chestnutwet-starch as the research object，the intermittentmicrowave drying experiments were conducted，Effects of differentmicrowave power，loadage，heating time and intermittent time on drying speed were investigated.Resultsshowed that：the intermittentmicrowave drying processofwater chestnutwetstarch presenting acceleration，constant rate，and falling rate three stages.Compared with themicrowave power，loadageand heating time，the intermittent time had littleeffecton themicrowave drying rateofwater chestnut starch.Itwas found that through the fitting analysis of five classical dryingmodels，the dynamicmodel of water chestnutwet-starch intermittentmicrowave drying satisfies the Page equation and MR=e-ktn.The predicted valueof themodel is in good agreementwith theexperimentaldata.

microwavedrying；waterchestnutwet-starch；dehydration characteristics；kineticmodel

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.05.004

2016-11-17

广西特色果蔬深加工与保鲜技术研究（YS201601）；贺州学院“果蔬深加工与保鲜团队建设”项目（YS201602）；广西特聘专家专项经费（厅发[2016]21号）

唐小闲（1984—），女（汉），研究实习员，在读研究生，研究方向：食品加工新技术。

*通信作者：段振华（1965—），男（汉），教授，硕导，博士，研究方向：现代食品加工新技术研究。