冬枣片热风干燥过程介电参数变化规律研究

刘 欢 ，王吉强 ，牛玉宝 ，曹玉雪 ，肖红伟 ，姚雪东 ，郑霞 ，王强

（1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆石河子 832000；3.中国农业大学 工学院，北京 100083）

0 引言

枣片营养丰富，既可以作为干果直接食用，也可以用作泡茶、煮粥、煲汤等调味配料，深受消费者喜爱。目前枣片干燥主要有自然晾晒、热风干燥、真空脉动干燥及热风与红外干燥等［1-4］，受技术与成本制约，规模化的枣片加工仍主要采用自然晾晒或热风干燥。与热风干燥相比，自然晾晒干燥周期长，且需独特的地理位置、光照与气候条件，在通用性与干制品品质上均较差。

热风干燥的优点是技术简便、成本低，但由于传质与传热方向相反，易出现物料表面皱缩与硬化，导致干燥后期水分去除速率低，干燥时间延长，干制品品质快速下降。因此单一的热风干燥已经难以持续地提高物料干燥速率与干制品品质［5］。为解决热风干燥的上述瓶颈问题，国内外研究学者开展大量的联合干燥技术的相关研究，热风与射频联合干燥技术就是其中之一［6-8］。

射频加热属于介电加热范畴，介电加热过程中，介电参数是影响物料对电磁波吸收和能量转化的决定性因素［9］，常采用介电常数和介电损耗因子来表征其介电特性［10］。介电参数不同导致物料在介电加热过程中产生不同的传热和传质效果，因此在进行热风与射频联合干燥前，需对物料的介电特性变化规律进行深入研究，为射频的介入确定适宜的条件。

在介电参数的测量上，现有文献报道的测定方法主要有：终端开路同轴电缆技术、平行板技术、传输线技术、自由空间以及谐振腔技术等。其中终端开路同轴电缆技术应用最为广泛，常用来测定不同热处理条件下农产品的介电参数［11-12］。不同农产品物料形态各异，介电参数测定过程中常将不规则形状物料粉碎、压实以去除空气隙的影响，但物料粉碎过程中会受到不可逆破坏，粉碎前后质地结构差异较大，就必然会对介电参数的测定结果产生一定的影响。

综上所述，本文以新鲜冬枣为试验材料，研究冬枣片热风干燥过程中非粉碎状态下介电常数与介电损耗因子随频率、温度和含水率的变化规律，以确定热风与射频联合干燥射频介入的适宜条件，为冬枣片热风与射频联合干燥技术与工艺提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜和田冬枣购买自新疆石河子市综合批发市场，挑选成熟度一致，外形规则（纵径为（30±2）mm，横径为（26±2）mm），表面完整无机械损伤的冬枣作为试验样品，将冬枣贮藏在4 ℃环境下的冰柜内，匀湿24 h待用；干燥试验前，采用烘箱法测得冬枣片样品初始湿基含水率为（79.6±1）%［13］。

1.2 仪器与设备测量

试验中应用介电参数测量系统来实现对冬枣片的介电常数和介电损耗因子的测定，如图1所示。该系统主要由E4991B-300型阻抗分析仪（Agilent Technologies，Palo Alto，CA，USA）、85070E型同轴探头（Hewlett Packard Development Company，DE，USA）和与之配套的 Key-Sight测试软件等组成。

图1 介电参数测量系统简图Fig.1 Schematic diagram of dielectric parameter measurement system

仪器与设备：BCD-267G型冰柜（海信容声冷柜有限公司）；DHG9070A型电热鼓风干燥箱（上海恒科学仪器有限公司）；BSM220.4型电子天平（上海卓精电子科技有限公司）以及冲孔工具（自制）等。

1.3 样品制备

将冬枣从冰柜取出，恢复至室温，选取无核区果肉纵切成厚度为（10±0.5）mm的枣片，放置在温度为45 ℃、风速为0.5 m/s的电热鼓风干燥箱内进行干燥，在进行热风干燥过程中每隔15 min将样品取出称重，直到冬枣片的水分含量达到所需值，然后取出样品密封、标记并冷藏均湿12 h。最终得到目标湿基含水率（20±1）%、（35±1）%、（45±1）%、（60±1）% 及（79.6±1）%，为了叙述方便，将目标含水率统一表述为20%、35%、45%、60%、80%。

试验过程中含水率W（湿基）计算公式［14］：

式中W——样品含水率，%；

MW——样品总质量，g；

W0——样品初始湿基含水率，%；

Md——试样中所含干物质的质量，g。

1.4 介电常数与介电损耗因子测量方法

应用终端开路同轴探头介电特性测量系统实施测定，测量频率为1～300 MHz（101个测量点），测量温度为 25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃和 85 ℃，测量含水率为20%、35%、45%、60%和80%，冬枣片在热风干燥过程随含水率降低会出现一定程度的“皱缩”，进而导致枣片边缘局部的“卷曲”，为了减少由此产生的空气隙，采用冲孔工具将待测冬枣片冲成直径为22 mm的圆柱体，确保样品与夹具充分接触。

1.5 试验安排与试验数据处理

如试验安排表1所示，进行不同含水率、不同温度在不同频率下的介电常数和介电损耗因子的测量，每次试验重复3次，以平均值作为试验数据，通过Microsoft Excel 2010软件处理与分析。

表1 试验安排表Tab.1 Experimental schedule

2 结果与分析

在5个温度和5个含水率（湿基）水平下，应用终端开路同轴探头介电特性测量系统测定频率1～300 MHz内的热风干燥过程冬枣片的介电参数，测定结果如表2所示。

表2 冬枣片的介电参数Tab.2 Mean ± standard deviation of dielectric parameters for winter jujube chips

2.1 冬枣片介电参数随射频频率变化规律

由表2冬枣片的介电参数试验数据分析发现，热风干燥过程冬枣片介电特性在各含水率条件下均呈现随温度的升高而增大的趋势。因此以冬枣片45%含水率为例，对1～300MHz射频频段下的介电常数与介电损耗因子变化规律进行分析。

2.1.1 介电常数随射频频率变化规律

图2为不同温度下冬枣片介电常数随射频频率变化曲线，冬枣片的介电常数在46.13～74.19范围内随频率的减小而增大，在低频段介电常数这一变化趋势更为明显。而同一频率下，冬枣片的介电常数随温度的升高而增大。

图2 不同温度下冬枣片介电常数随频率变化曲线Fig.2 Curve of dielectric constant of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.2 介电损耗因子随射频频率变化规律

图3为不同温度下冬枣片介电损耗因子随射频频率变化曲线。冬枣片的介电损耗因子在29.15～527.15范围内随频率的减小而增大，同样在低频阶段介电损耗因子这一变化趋势更加明显。这一变化趋势在猕猴桃、苹果等果蔬介电特性研究中也有相似发现［15-16］，出现这种趋势的原因可能是低频阶段“离子传导”对介电损耗存在显著影响［17］。同一频率下，冬枣片的介电损耗因子随温度的升高而增大。

图3 不同温度下冬枣片介电损耗因子随频率变化曲线Fig.3 Curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with frequency at different temperatures

2.1.3 常用射频频段下介电参数变化规律

目前食品加工常用的射频频段为27.12 MHz和 40.68 MHz［18］，图 4 和图 5 分别为冬枣片在射频频段27.12 MHz和40.68 MHz下介电常数和介电损耗因子随温度变化曲线，两者的介电常数随温度升高变化趋势比较平缓，介电损耗因子随温度升高呈现先增大后减小趋势。在27.12 MHz时的冬枣片介电常数和介电损耗因子均明显大于40.68 MHz。

图4 常用射频频率下冬枣片介电常数随温度变化曲线Fig.4 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

图5 常用射频频率下冬枣片介电损耗因子随温度变化曲线Fig.5 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at common RF frequencies

介电加热过程中，介电常数表示物料存储电场的能力，介电损耗因子则表示将电磁能转化为热能的能力［19］。介电常数和介电损耗因子越大，物料存储能力和转化能力越高，致使温度升高，促进水分子的布朗运动，从而缩短了冬枣片的干燥进程。而通常采用介电常数和介电损耗因子描述物料的介电特性，从图4和图5发现27.12 MHz时冬枣片介电特性较大，更有利于冬枣片的热风干燥速率的提高，因此确定冬枣片热风与射频联合干燥的优选频率为27.12 MHz。

2.2 介电参数随温度变化规律

2.2.1 介电常数随温度变化规律

图6为频率27.12 MHz、不同含水率下冬枣片介电常数随温度变化曲线，介电常数变化在50.47～75.34范围内随温度升高而增大。在含水率为20%和35%介电常数随温度的升高均呈现增大趋势；但含水率为45%、60%和80%冬枣片介电常数均在70以上，接近纯水的介电常数，此时可见温度变化对介电常数的影响不明显，这与张丽在红枣热风与射频联合干燥技术的相关研究中获得的结论相似。而同一温度下冬枣片的介电常数随含水率的增大而增大。

图6 不同含水率下冬枣片介电常数随温度变化曲线Fig.6 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

2.2.2 介电损耗因子随温度变化规律

图7为频率27.12 MHz时不同含水率下热风干燥过程冬枣片介电损耗因子随温度变化曲线。冬枣片的介电损耗因子在142.62～599.89范围内随温度的增大而增大，这与周旭在猕猴桃片的射频真空及热风联合干燥研究中获得了相似的结论［20］。出现这种现象的原因可能是温度的升高，加速离子的运动速率，增加了离子的导电效应，从而导致冬枣片介电损耗因子的增大［21］。同一温度下冬枣片的介电损耗因子随含水率的增大而增大。

图7 不同含水率下冬枣片介电损耗因子随温度变化曲线Fig.7 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with temperature at different moisture contents

温度越高冬枣片介电常数和介电损耗因子越大，介电特性就越大，内部温升也就越快，更能加快水分向表面迁移，从而提高冬枣片的干燥速率。但介电损耗因子过大，产生的热能过多，导致冬枣片内部温度骤升，易出现“加热失控”及“加热不均匀”等现象，这会对冬枣片的营养物质造成破坏，因此热风干燥过程中射频的介入温度是热风与射频联合干燥的重要参数，为了能够有效地保留冬枣片的营养物质以及避免干燥过程出现“加热失控”等现象，射频介入时的热风温度不宜过高。此外，由图5可以发现，27.12 MHz时冬枣片的介电损耗因子在75 ℃附近达到最大值，结合热风干燥的常用温度范围可以确定冬枣片热风与射频联合干燥的适宜温度范围为55 ℃～75 ℃。

2.3 介电参数随含水率变化规律

2.3.1 介电常数随含水率变化规律

图8为频率27.12MHz，不同温度下冬枣片介电常数随含水率的变化曲线。冬枣片的介电常数在50.47～75.34范围内随含水率的增大呈现先增大后趋于稳定的变化趋势，这与黄孟阳等在草果的介电特性研究中的结论相似［22］，出现这一现象的原因可能是冬枣片自由水含量越高，与射频波的相互作用就越显著，导致冬枣片的介电常数增大［23］。同一含水率下冬枣片的介电常数随温度的增大而增大。

图8 不同温度下冬枣片介电常数随含水率变化的曲线Fig.8 Variation curve of dielectric constant of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

2.3.2 介电损耗因子随含水率变化规律

图9为频率27.12 MHz，不同温度下冬枣片介电损耗因子随含水率的变化曲线。介电损耗因子随含水率的增大而增大，这与王婧在小杂粮的介电特性研究中获得的结论相似［24］，出现这一现象的原因可能是在外加电场的作用下，冬枣片含水率的升高会加速水分的取向运动，产生更多的摩擦碰撞，进而增大了冬枣片的介电损耗因子。而同一含水率下介电损耗因子随温度的增大而增大。

图9 不同温度下冬枣片介电损耗因子随含水率变化的曲线Fig.9 Variation curve of dielectric loss factor of winter jujube chips with moisture content at different temperatures

在各个温度下，含水率越低，冬枣片的介电常数和介电损耗因子越小，对电磁波的吸收能力就越小。水作为一种极性分子，对冬枣片的介电特性存在显著影响，水分含量越高，冬枣片的介电特性就越大，导致冬枣片电磁波吸收和转化热能的能力越大，物料内部温升就越快，能够加速水分子向冬枣片的表面扩散，从而加速冬枣片的干燥进程。含水率较低时，水分扩散速率与热量传递速率均随之降低，导致物料内部成分含量改变，改变了物料的介电特性。在干燥过程中容易出现“加热过度”和“焦糊”等现象，造成干制品品质的急剧下降。因此在热风与射频联合干燥过程中，射频介入的含水率条件不宜过低，较适宜的含水率范围为45%～80%。如果物料的含水率较低或在干燥后期阶段，应注意降低热风与射频联合干燥的热风温度或考虑变温干燥工艺。

3 结语

本文研究了冬枣片热风干燥过程介电常数与介电损耗因子随频率、温度和含水率的变化规律，进而为冬枣片热风与射频联合干燥中射频的介入确定适宜的参数条件，除频率、温度与含水率外，影响果蔬类物料介电特性的因素还包括新鲜度、成熟度、含糖量、酸度等品质或成分因素，因此后续在研究完善热风与射频联合干燥传热传质机理的同时应结合介电特性随品质的变化规律，在加快干燥速率的同时兼顾干制品的品质保持与提升。