白玉菇中短波红外干燥特性及动力学模型

陈建福，汪少芸，林梅西

(1.漳州职业技术学院 食品工程学院，福建 漳州 363000；2.福州大学 生物科学与工程学院，福建 福州 350108；3.福建省闽中有机食品有限公司，福建 莆田 351100)

白玉菇(whiteHypsizygusmarmoreus)又名白雪菇、白玉蕈等，是真姬菇的白色变种，是一种木腐型食用菌[1]。白玉菇菇体洁白、鲜滑、质地细腻，含有多糖、维生素、氨基酸和矿物元素等多种有效成分，具有抗炎、抗辐射、抗氧化、降血糖血脂和提高免疫力等多种生物生理活性[2-3]。新鲜白玉菇含水量较高，生理活动旺盛，采后易失水、软化、褐变及滋生细菌而失去商品价值，从而影响货架期，制约白玉菇产业的发展[4]。食用菌的干制可以使食用菌的含水量和水分活度降低，抑制食用菌体内微生物繁殖和钝化酶活性，以延长货架期[5]。中短波红外干燥是近几年农产品干燥过程中新兴的一种加工技术，相比传统干燥方式，具有穿透性强，加热迅速、均匀，节能等优点，可大大提高农产品的干燥效率，延长货架期，还能保持农产品的色泽，改善农产品品质。李聪等[6]利用热风和中短波红外线对桃渣的干燥特性进行了研究，结果表明：在相同的干燥温度下，红外干燥得到的样品具有较高的总酚保留率；在所考察的工艺范围内，干燥速率越大，总酚保留率越高，干燥温度越高，多酚含量越大。司旭等[7]采用不同的红外干燥条件对树莓的干燥特性和品质进行了研究，结果表明：树莓的产品色泽在干燥温度为70 ℃，功率为675 W时保持最好，复水比较高，此时花青素的保留率也较高，产品对ABTS和DPPH自由基具有较强的清除能力。目前对白玉菇进行中短波红外干燥方面的研究还比较少，本研究拟采用中短波远红外线对白玉菇进行干燥，探讨干燥温度和干燥功率对白玉菇的干燥特性的影响，建立白玉菇中短波红外干燥动力模型，以期为白玉菇干燥产业发展提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜白玉菇购于漳州市芗城区北桥市场。将原包装袋一起存放于(4±1)℃冷藏冰箱中，挑选大小一致的白玉菇作为实验材料。

1.2 仪器与设备

SAK-ZG-WO700型红外线箱式干燥机，泰州圣泰科红外科技有限公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；AR 224CN型电子分析天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1白玉菇含水量的测定

称取质量为100～120 g新鲜白玉菇，将其平铺于105 ℃的恒温干燥箱中干燥。称量白玉菇干燥到恒重时的质量，计算白玉菇的干基含水率为12.075 4 g/g，湿基含水率为92.35%。

1.3.2红外干燥过程

称取100～120 g的新鲜白玉菇，平铺到已设定好温度和功率的中短波红外干燥箱中，物料厚度为单层0.008 m。在预实验的基础上，固定干燥功率为1 125 W，考察不同干燥温度(60、70、80、90 ℃)对白玉菇干燥特性的影响；固定干燥温度为70 ℃，考察不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)对白玉菇干燥特性的影响。每隔20 min测定白玉菇质量变化，直至干基含水率小于0.16 g/g后，停止干燥。

1.4 实验指标计算方法

1.4.1水分比计算

白玉菇中未被干燥脱去的水分可以用水分比(moisture ratio，MR)表示。水分比是白玉菇干燥速率快慢的指标，计算方法见式(1)。

(1)

式(1)中：MR，水分比；Me，白玉菇干燥平衡时的干基含水率，g/g；M0，白玉菇的初始干基含水率，g/g；Mi，第i次干燥时的干基含水率，g/g。因Me较小，将方程简化为式(2)。

(2)

1.4.2干燥速率计算

不同干燥时刻白玉菇的干燥速率公式，见式(3)。

(3)

式(3)中：DR，白玉菇的干燥速率，g/min；m1，t1时刻白玉菇的干基含水率，g/g；m2，t2时刻白玉菇的干基含水率，g/g；t1和t2，分别为干燥时间，min。

1.5 干燥动力学模型的建立

利用7种常见的农产品薄层干燥模型(见表1)对白玉菇的干燥过程进行拟合，用决定系数R2、卡方检验值χ2和标准误差RMSE对模型的拟合程度进行评价，其中R2越大、χ2和RMSE越小，则拟合度越好。

表1 薄层干燥模型

1.6 水分有效扩散系数计算

Fick扩散方程可以用来描述受内部水分扩散控制的降速干燥过程[15]。当物料具有相同初始含水率时，Fick扩散方程可简化为式(4)。

(4)

式(4)中：Deff，水分有效扩散系数，m2/s；t，干燥时间，min；L0表示白玉菇层高的一半，m。

从式(4)中，可得lnMR与干燥时间t呈线性函数关系，通过线性方程斜率B，可计算得Deff，见式(5)。

(5)

1.7 活化能计算

白玉菇干燥过程中的Deff可通过阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)与干燥温度(t)建立关系，见式(6)。

(6)

式(6)中：D0，指前因子；Ea，活化能，J/mol；R，摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K)；t，干燥温度，℃。

将式(6)两边取自然对数，得式(7)，即可通过方程斜率求得干燥活化能。

(7)

2 结果与分析

2.1 白玉菇的红外干燥特性分析

2.1.1干燥温度对白玉菇干燥特性的影响

图1和图2为干燥功率固定为1 125 W时，干燥温度对白玉菇红外干燥过程中干基含水率和干燥速率的影响。从图1中可知，同一干燥温度下，随着干燥时间的延长，白玉菇的干基含水率均逐渐下降，干燥温度越高，干基含水率下降越明显。当干燥温度分别为60、70、80、90 ℃时，白玉菇的干燥时间分别为180、100、80、60 min。当干燥时间为60 min时，60、70、80、90 ℃干燥温度下白玉菇的干基含水率分别为1.826 3、0.403 7、0.173 1、0.087 0 g/g，说明干基含水率与干燥温度呈负相关，这是因为随着干燥温度的升高，降低了热空气的相对湿度，增加了热空气的水蒸气容量；同时温度的升高也提高了白玉菇与热空气之间的对流强度，强化了物料内部水分的迁移与扩散，提高了白玉菇中的水分蒸发量[16]。由图2的干燥速率曲线可知，干燥初期，白玉菇的干燥速率急剧增加，在20 min时达到最大，随后干燥速率均又开始急剧下降，最后趋于平稳。可见白玉菇的干燥过程主要为加速和降速两个阶段，没有明显的恒速阶段，其中降速为主要阶段。这是因为干燥初期白玉菇水分含量较高，随着温度的升高，水分蒸发量加大，干燥速率迅速增大，但随着白玉菇表面水分的蒸发，白玉菇表面逐渐变硬，水分扩散至表面的速率小于表面水分汽化速率，干燥速率逐渐降低[17]，说明白玉菇红外干燥由内部水分扩散控制。

图1 干燥温度对白玉菇干基含水率的影响

图2 干燥温度对白玉菇干燥速率的影响

2.1.2干燥功率对白玉菇干燥特性的影响

图3和图4为干燥温度固定为70 ℃时，干燥功率对白玉菇红外干燥过程中干基含水率和干燥速率的影响。从图3中可知，在干燥功率分别为675、900、1 125、1 350 W时，干燥时间均为100 min，干基含水量对应为0.143 2、0.137 3、0.127 1、0.117 8 g/g。说明干燥功率对白玉菇的干燥有一定的影响，这是因为在一定的干燥功率范围内，红外波能快速地渗透到白玉菇内部，促进白玉菇升温，加快物料内部水分的蒸发；然而由于白玉菇的水分有限，在快速的干燥过程中，来不及辨别干燥功率的作用大小，造成干燥功率对白玉菇干燥影响较小的表象[18]。由图4的干燥速率曲线可知，降速阶段是干燥的主要阶段，说明内部水分扩散控制着干燥过程。由图1至图4可知，干燥温度和干燥功率对白玉菇的干燥过程均有影响，但干燥温度对干燥过程影响更大。

图3 干燥功率对白玉菇干基含水率的影响

图4 干燥功率对白玉菇干燥速率的影响

2.2 白玉菇红外干燥动力学模型分析

2.2.1干燥模型的确定

将白玉菇的红外干燥数据分别代入表1中的7个薄层干燥模型进行拟合，并利用Origin pro 8 软件进行回归，拟合结果见表2。从表2可知，所拟合的7种模型除Approximation of diffusion和Wang and Singh外，其余的5个模型R2均高于0.99，说明这5种薄层干燥模型对白玉菇的红外干燥过程的拟合效果都较好。Page薄层干燥模型的R2值最大，均值达0.999 82；χ2和RMSE的均值最小，分别为2.53×10-5、1.20×10-4，说明所考察的7个薄层干燥模型中Page模型拟合度最好，能较好地描述白玉菇的红外干燥过程。

2.2.2Page干燥模型参数的确定

根据表2中的拟合数据，将Page模型中参数k、n分别与所考察的干燥温度(t)和干燥功率(P)建立函数关系，并利用Origin pro 8软件进行一元非线性回归拟合。相关结果见式(8)至式(11)。当红外功率为1 125 W时，有：

k=-0.644 62+0.031 88t-4.864 5×10-4t2+

2.426 67×10-6t3(R2=1);

(8)

n=-0.036 27-0.010 98t+8.15×10-4t2-

6.081 67×10-6t3(R2=1)。

(9)

表2 干燥模型数据拟合结果

当红外干燥温度为70 ℃时，有：

k=0.063 91-5.008 44×10-5P+

2.222 22×10-8P2(R2=0.998 55)；

(10)

n=0.855 27+3.846 96×10-4P-

1.431 6×10-7P2(R2=0.984 22)。

(11)

2.2.3Page干燥模型的验证

为进一步验证白玉菇红外干燥动力学模型的准确性，分别选取干燥功率为1 125 W，干燥温度为60、70、80、90 ℃的实验数据与模型的预测值进行比较，结果如图5；选取干燥温度为70 ℃，干燥功率分别为675、900、1 125、1 350 W时的实验数据与模型的预测值进行比较，结果如图6。由图5和图6可知，不同干燥温度和不同干燥功率下的红外干燥动力学模型预测曲线与实验值拟合较好，说明Page模型可以较好地预测白玉菇的红外干燥过程，可以用来定量描述不同干燥温度和不同干燥功率下白玉菇的红外干燥过程的规律。

图5 不同干燥温度下实验值与预测值的比较

图6 不同红外功率下实验值与预测值的比较

2.3 白玉菇红外干燥水分有效扩散系数分析

根据图2和图4的干燥速率曲线可知，白玉菇红外干燥过程由内部水分扩散控制，降速是主要干燥阶段。通过Fick定律将干燥实验数据代入公式(4)并进行线性回归，具体数据见表3。从表3可知，固定干燥功率为1 125 W时，Deff随着干燥温度的升高而增大，当干燥温度从60 ℃升高到90 ℃时，Deff从2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥温度为70 ℃时，Deff随着干燥功率的升高而增大，当干燥功率从675 W增加到1 350 W时，Deff从4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。

表3 白玉菇的水分有效扩散系数

2.4 白玉菇红外干燥活化能分析

根据Arrhenius方程，干燥过程的活化能可由不同温度下的Deff与干燥温度(t+273.15)的关系式得到。将Deff代入式(7)，并作线性回归，结果如图7。不同干燥温度下的直线回归方程为y=-4.744 35×10-3x+-5.382 03，R2=0.978 29。计算得到白玉菇的红外干燥活化能Ea=39.45 kJ/mol。

图7 水分有效扩散系数与干燥温度的关系

3 结 论

1)分析了白玉菇在不同干燥温度(60、70、80、90 ℃)和不同干燥功率(675、900、1 125、1 350 W)下的红外干燥特性曲线。研究结果表明：干燥温度和干燥功率对白玉菇的干燥过程均有影响，但干燥温度对干燥过程影响更大，干燥温度越高，干基含水率下降越明显。

2)白玉菇的干燥过程主要为加速和降速两个阶段，没有明显的恒速阶段，其中降速阶段为主要阶段。所考察的7个薄层干燥模型中，Page模型拟合度最好，Page薄层干燥模型的R2值最大，均值达0.999 82，χ2和RMSE的均值最小，分别为2.53×10-5、1.20×10-4。Page模型可以较好地预测白玉菇的红外干燥过程，可以用来定量描述不同干燥温度和不同干燥功率下白玉菇的红外干燥过程的规律。

3)固定干燥功率为1 125 W时，Deff随着干燥温度的升高而增大，当干燥温度从60 ℃升高到90 ℃时，Deff从2.723×10-9m2/s升高到9.088×10-9m2/s；固定干燥温度为70 ℃时，Deff随着干燥功率的升高而增大，当干燥功率从675 W增加到1 350 W时，Deff从4.847×10-9m2/s升高到5.243×10-9m2/s。白玉菇的红外干燥活化能Ea为39.45kJ/mol。在实际生产中，可以利用Page模型预测并控制白玉菇中短波红外干燥过程的水分变化规律，为白玉菇中短波红外干燥工艺设计、设备选型、节能降耗、保证干制品质量提供理论依据。