苦瓜微波干燥特性及动力学模型

田华，韩艳婷

（1.信阳师范学院生命科学学院，河南信阳464000；2.信阳师范学院大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南信阳464000）

苦瓜微波干燥特性及动力学模型

田华1，2，韩艳婷1，2

（1.信阳师范学院生命科学学院，河南信阳464000；2.信阳师范学院大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南信阳464000）

采用单因素试验法，研究切片厚度、微波功率和装载量对苦瓜微波干燥特性的影响，并建立苦瓜微波干燥动力学模型。试验结果表明：微波功率对苦瓜干燥影响最大，其次是装载量，最后是切片厚度；苦瓜微波干燥分加速干燥阶段和降速干燥阶段。对7种常用的薄层干燥动力学数学模型拟合，通过比较相关系数R2、残基平方和RSS和卡方χ2得出，tian model最适于描述苦瓜片微波薄层干燥过程，其模型系数在0.99以上。

薄层干燥；微波干燥；干燥特性；苦瓜；动力学模型

苦瓜，葫芦科苦瓜属植物，苦瓜中除含有水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物、粗纤维和各种维生素外，还含有苦瓜甙、类蛋白活性物质及多种氨基酸和多种人体必需矿物元素，具有清热解毒、养血益气、补肾保脾、养肝明目的功效，是夏季上火、发热、痢疾、肿疮等疾病的食疗良品[1-2]。新鲜的苦瓜含水量高达90%以上，不易于常温储藏，苦瓜的干燥是对苦瓜鲜品进行加工贮藏的主要手段之一。目前对苦瓜进行干燥的技术主要有

热风干燥[3-10]、微波干燥[5-7，10-11]、热泵干燥[7]、热风结合微波干燥[5，10]、真空微波干燥[7]、冷冻干燥[8，12-13]、远红外干燥[9]、喷雾干燥[14]。而微波干燥是一项节能、干燥均匀、干燥效率高、清洁生产、产品质量高的干燥技术[15]。国内外很早就有关于微波干燥的研究[16－20]，目前微波干燥技术已在水果、番薯、蔬菜、茶叶等农产品干燥领域中广泛应用[21-32]。目前苦瓜微波干燥主要集中在干燥工艺的优化及干燥品质的研究，干燥动力学模型构建方面的研究还没有报道。因此，本文利用微波技术手段，开展苦瓜传热传质特性研究，探讨水分在苦瓜中的移动规律，建立苦瓜薄层微波干燥的动力学模型，为实现苦瓜干燥过程自动化、改善干燥质量、提高干燥效率和降低干燥能耗奠定基础，以期为苦瓜薄层微波干燥工艺和生产控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苦瓜：市区超市。

美的EM7KCG4-NR微波炉：广东美的厨房电器制造有限公司；奥豪斯AR2202CN电子天平：美国奥豪斯仪器（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 苦瓜切片制作

挑选没虫害、无腐烂、外形整齐、大小相近的苦瓜，去蒂，清洗干净，根据试验要求的厚度切片，护色，沥干水分，均匀平铺成一层在盛物皿上，分别在不同的条件下进行微波干燥，每隔1 min测一次质量，直至恒重。每组试验重复3次，取平均值。

1.2.2 微波干燥

将苦瓜片置于盛物器皿上，放在微波炉中心位置，对苦瓜片进行干燥处理。干燥过程中每隔1 min用电子天平称量苦瓜片的质量，每次测量时间控制在25 s之内，干燥苦瓜片至恒重时为止，每次平行测定3组样品。

1.2.2.1 微波干燥功率的选择

用电子天平称取3份苦瓜切片，每份50 g，切片厚度为0.5 cm，然后平铺成一层放在盛物器皿上，放入微波炉中，分别在700、560、350 W功率下进行微波干燥，每隔1 min取出测一次质量，直至恒重。

1.2.2.2 微波干燥切片厚度的选择

用电子天平称取3份苦瓜切片，每份50 g，切片厚度分别为0.3、0.5、0.7 cm，然后平铺成一层放在盛物器皿置微波炉中，然后在700 W功率下进行微波干燥，每隔1 min取出测一次质量，直至恒重。

1.2.2.3 微波干燥干燥量的选择

用天平称取3份苦瓜切片，每份质量为30、50、70 g，切片厚度为0.5 cm，然后平铺成一层放在盛物器皿上，放入微波炉中，然后在700 W功率下进行微波干燥，每隔1 min取出测一次质量，直至恒重。

1.2.3 干基含水率Mt、干燥速率Dr、水分比MR、有效水分扩散系数（Deff）的测定。

干基含水率Mt的计算方法见公式（1）：

式中：Mt为试样干燥至t时刻的干基含水率，g水/g干料；mt、mg分别为试样干燥至t时刻与干燥恒重时的质量，g。

干燥速率Dr的计算方法见公式（2）：

式中：Dr为干燥速率，g/（g·h）；Mt和Mt+Δt分别为干燥至t和t+Δt时刻干基含水率，g水/g干料；Δt干燥间隔时间，h。

水分比（MR）用于表示一定干燥条件下，t时刻样品的水分含量与初始样品水分含量的比值，可以用来反映物料干燥速率的快慢，计算方法见公式（3）：

式中：Mt为试样干燥至t时刻的的干基含水率，g水/g干料；M0为初始水分含量，g水/g干料；Me为平衡水分含量，g水/g干料，通常Me可以忽略。

有效水分扩散系数（Deff），反映物料在一定干燥条件下的脱水能力，对深入分析物料内部水分扩散过程及优化干燥工艺具有重要意义，计算方法见公式（4）：

式中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；L为苦瓜切片厚度，m；t为干燥时间，s。当物料进行长时间干燥时，公式（4）可简化为：

1.3 薄层干燥模型

物料干燥是一个复杂的传热传质过程，本试验采用7种常用的薄层干燥模型对苦瓜片的干燥过程进行描述，其表达式如表1所示。对数学模型①-⑥进行线性处理后，数学模型①Newton、⑤Henderson and Pabis、⑥Logaritlunic显示lnMR-t呈线性，②page模型显示ln（-lnMR）-lnt呈线性，③Two term、⑦tian model显示MR-t呈指数方程，④Wang and singh模型显示MR-t呈二次多项式回归，其中⑦tian model由本文拟合构建。

表1 常用的薄层干燥数学模型Table 1 Commonly used mathematical models of thin-layer drying

2 结果与讨论

2.1 切片厚度、微波功率、装载量对苦瓜干燥速率Dr的影响

图1～3分别是切片厚度、微波功率、装载量对苦瓜干燥速率的影响。

图1 切片厚度对Dr的影响（700 W、50 g）Fig.1 Effect of slice thickness on drying rate

图2 微波功率对Dr的影响（0.5 cm、50 g）Fig.2 Effect of microwave power on drying rate

图3 装载量对Dr的影响（700 W、0.5 cm）Fig.3 Effect of loadage on drying rate

由图1～图3可以看出，在不同的切片厚度下，苦瓜微波干燥速率先升后降，干燥过程中最大干燥速率分别为208.085 g/（g·h）（0.3 cm）、178.957 g/（g·h）（0.5 cm）、162.087 g/（g·h）（0.7 cm）。在不同微波功率下，苦瓜微波干燥速率先升后降，干燥过程中最大干燥速率分别为178.957 g/（g·h）（700 W）、162.078 g/（g·h）（560 W）、87.173 g/（g·h）（350 W）。在不同的装载量下，苦瓜微波干燥速率表现不一致，30、50 g装载量下干燥速率先升后降，70 g装载量下干燥速率持续下降，干燥过程中最大干燥速率分别为264.808 g/（g·h）（30 g）、178.957 g/（g·h）（50 g）、108.529 g/（g·h）（70 g）。由以上分析可以看出，微波功率对苦瓜干燥影响最大，其次是装载量，最后是切片厚度。苦瓜微波干燥分加速干燥阶段和降速干燥阶段。

2.2 切片厚度、微波功率、装载量对苦瓜对Deff的影响

图4～6分别是切片厚度、微波功率、装载量对苦瓜对Deff的影响。

图4 切片厚度对Deff的影响（700 W、50 g）Fig.4 Effect of slice thickness on effective water diffusivity

图5 微波功率对Deff的影响（0.5 cm、50 g）Fig.5 Effect of microwave power on effective water diffusivity

图6 装载量对Deff的影响(700 W、0.5 cm）Fig.6 Effect of loadage on effective water diffusivity

由图4～图6可以看出，随着干燥时间的延长，Deff逐渐增加，微波功率和装载量对苦瓜干燥Deff影响较大，切片厚度对苦瓜干燥Deff影响较小，这与微波功率、装载量对苦瓜微波干燥速率的影响表现一致，0.3 cm或0.5 cm、30 g、700 W是最佳微波干燥条件。

3 苦瓜微波干燥动力学模型构建

建立干燥模型对研究干燥规律、预测干燥工艺参数有重要作用。目前，用来描述薄层干燥过程的模型一般有7种，见表1。鉴于图1～6，不同切片厚度、微波功率、装载量对苦瓜微波干燥速率Dr、Deff的影响，0.3 cm或0.5 cm、30 g、700 W是最佳微波干燥条件。于是，选取切片厚度0.5 cm、装载量50 g、微波功率700 W作为苦瓜微波干燥动力学研究的参数条件。其中装载量选择50 g而不是30 g，这是因为装载量为30 g时微波干燥到恒重的时间为6 min，参数较少，影响拟合方程的准确性。因此，分别制作切片厚度为0.5 cm、载物量50 g、微波功率为700 W苦瓜微波干燥的 MR-t曲线、lnMR-t曲线、ln（-lnMR）-lnt曲线。

图7是苦瓜微波干燥MR-t二次拟合曲线，回归方程R2=0.997 5，符合Wang and singh模型。图8是苦瓜微波干燥lnMR-t关系曲线，回归方程R2=0.958 3，不符合表1所列薄层干燥数学模型；图9是苦瓜微波干燥 ln（-lnMR）-lnt关系曲线，回归方程 R2=0.997 7，符合Page模型。图10是苦瓜微波干燥MR-t指数方程拟合，回归方程R2=0.998 11，符合Two term和tian model模型。故选择Two term方程、Page方程、Wang and singh方程和tian model作为苦瓜微波干燥动力学模型。为了确定最佳模型，对origin得到的统计数据进行对比，如表2所示。

图7 MR-t二次拟合曲线Fig.7 Two times fitting curve of MR and t

为得到适于微波干燥苦瓜片的数学模型，将MR-t关系图中各曲线分别带入模型中，处理数据得到苦瓜干燥的R2值。一般来说R越高，χ2值和RSS值越小，说明拟合度越高，准确性也越高。由表2可以看出，tian model方程拟合得到方程的R2为0.999，χ2最小，RSS最小，说明tian model方程最适于描述苦瓜片微波薄层干燥过程。

图8 lnMR-t关系曲线Fig.8 Relationship curve of lnMR and t

图 9 ln（-lnMR）-lnt关系曲线Fig.9 Relationship curve of ln（-lnMR）and ln t

图10 MR-t指数拟合曲线Fig.10 Exponential fitting curve of MR and t

4 结论

以苦瓜片为原料，研究了样品经过不同微波功率（700、560、350 W）、不同切片厚度（0.3、0.5、0.7 cm）、和不同装载量（30、50、70 g）干燥过程的动力学变化，为微波干燥技术在苦瓜片的深加工应用技术研究提供基础。通过考察苦瓜片在不同微波功率下的干燥特性，建立微波干燥的水分含量比MR与干燥时间关系的数学模型，得出以下结论：苦瓜干燥分加速干燥阶段和降速干燥阶段。微波功率对苦瓜干燥影响最大，其次是装载量，最后是切片厚度。对7种常用的薄层干燥动力学数学模型拟合,通过比较相关系数R2、残基平方和RSS和卡方χ2得出，tian model最适于描述苦瓜片微波薄层干燥过程，其模型系数在0.99以上。

表2 苦瓜微波薄层干燥模型统计结果Table 2 Statistical results obtained from microwave thin-layer drying models of balsam pear

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Microwave Drying Characteristics and Dynamic Model of Balsam Pear

TIAN Hua1，2，HAN Yan-ting1，2
（1.College of Life Science，Xinyang Normal University，Xinyang 464000，Henan，China；2.Key Laboratory of Simulation and Control for Dabie Mountains Population Ecology，Xinyang Normal University，Xinyang 464000，Henan，China）

In order to to study the influence of slice thickness，microwave power and loadage on the microwave drying characteristics and dynamic model of balsam pear，the single factor experiment was investigated.Results showed that microwave power had the greatest influence on the dryness of balsam pear，followed by loadage，and finally the thickness.Balsam pear drying had acceleration and reduction stages.The results of comparing the values of the correlation coefficient（R2），residual sum of squares（RSS）and reduced chi-square（χ2）showed that tian model was the best one to describe the relationship of moisture content and drying time during microwave drying，and the coefficient was above 0.99.

thin-layer drying；microwave drying；drying characteristics；balsam pear；dynamic model

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.023

信阳师范学院大别山农业生物资源保护与利用研究院开放课题

田华（1979—），女（汉），副教授，博士，研究方向：食品保藏及营养评价。

2017-04-19