唐小闲段振华任爱清段伟文罗瀚森林承珍蒙丽雅

(1. 贺州学院食品与生物工程学院，广西 贺州 542899；2. 贺州学院食品科学与工程技术研究院，广西 贺州 542899)

慈姑(Sagittariatnfolia)又称茨菇，为泽泻科、慈姑属单叶子多年生沼泽宿根草本植物，在中国被广泛栽培，资源十分丰富[1-2]。慈姑具有菜食和药用价值，其主要食用部分为球茎，球茎中富含粗纤维、脂肪、淀粉、蛋白质及铁、锌、硒等[3]，慈姑多糖具有提升免疫力功能和增强抗氧化作用[4]、秋水仙碱有抗痛风和抗癌作用[5]。但由于鲜食慈姑有特殊甘苦味，部分消费者难以接受，近年来慈姑价格处于低迷状态，销量不稳定、甚至出现负增长现象，严重制约了慈姑产业的发展。

近年关于慈姑加工相关研究主要集中在慈姑淀粉特性[6]、多糖提取工艺[4]、挥发性风味成分分析[7]、慈姑渣粉面包[2]和慈姑饼干[8]等方面，关于慈姑干燥的研究集中在慈姑片的自然晾晒风干、电箱烘烤、热风干燥、微波干燥、热风—微波干燥[1]，慈姑粉的喷雾干燥[9]，关于采用微波干燥膨化方法加工经调味处理的即食慈姑片的研究未见报道。

微波干燥技术具有特殊的膨化功能，且穿透力强、利用率高，微波加热过程中，由于微波能转化热能被物料吸收，物料内部快速升温、压力增大推动水分迁移和蒸发，同时，物料内外压力差致使物料细胞膨胀，物料整体的膨化形成疏孔隙结构[10-11]。因此利用微波干燥膨化加工慈姑片制作即时休闲食品前景宽广。

研究拟以慈姑为对象，探究即食慈姑片在厚度、铺料密度和微波功率密度等条件下的微波干燥特性，利用干燥方程构建即食慈姑片微波干燥的动力学模型，以期为即食慈姑片微波干燥参数的优化及实际干燥工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜慈姑：无机械损坏、大小均匀，贺州市源贸易商行；

食用盐、白砂糖、味精：市售。

1.2 主要仪器

微波炉：G70D20CN1P-D2(S0)型，广东格兰仕微波生活电器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，德国Sartorius公司；

水分测定仪：MX-50型，日本AND公司；

电磁炉：C21-WT2118型，广东美的生活电器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 即食慈姑片加工工艺流程及前处理

(1) 加工工艺流程：

慈姑→清洗→去皮、去蒂→切片→浸渍调味→沥干→摆盘→微波脆化→冷却→装袋→检验→成品

(2) 慈姑脆片前处理：挑选、清洗、去皮、切片、沥水备用。以慈姑片50 g、调味液按70 ℃ 热水200 mL为基准，加入食用盐5 g、白砂糖45 g、食用味精2.5 g的量进行调配液调配，放入慈姑片调味，设置电磁炉120 W加热10 min 后取出，沥水，备用。

1.3.2 厚度对即食慈姑片微波干燥特性的影响 在慈姑片铺料密度0.20 g/cm2、微波功率密度7.0 W/g，分别考察慈姑片厚度为2，3，4 mm时对慈姑片微波干燥特性的影响。干燥过程中，每加热1 min记录样品重量，样品干燥接近恒重为止[12]。

1.3.3 铺料密度对即食慈姑片微波干燥特性的影响 在慈姑片厚度为3 mm、微波功率密度7.0 W/g，分别考察慈姑片铺料密度为0.16，0.20，0.24 g/cm2时对慈姑片微波干燥特性的影响。干燥过程中，每加热1 min记录样品重量，样品干燥接近恒重为止。

1.3.4 微波功率密度对即食慈姑片微波干燥特性的影响

在慈姑片厚度为3 mm、铺料密度0.20 g/cm2，分别考察慈姑片微波功率密度为4.2，5.6，7.0，8.4，9.8 W/g时对慈姑片微波干燥特性的影响。干燥过程中，每加热1 min 记录样品重量，样品干燥接近恒重为止。

1.3.5 干基含水率测定 通过用MX-50型水分测定仪测定慈姑调味处理后湿基平均含水率，物料湿基初始含水率W0=(68.0±0.5)%。微波每加热一次结束，从分析天平读取慈姑片质量，根据式(1)计算干基含水率[13]。

(1)

式中：

Xt——慈姑片干燥至t时刻的干基含水率，%；

Gt——慈姑片干燥至t时刻的总质量，g；

G——慈姑片绝干物料质量，g。

1.3.6 干燥速率的测定 干燥速率是指在一定的干燥条件下物料在单位时间内水分含量的变化，是研究干燥特性的一个重要参数，用来反映物料在干燥过程中脱水的快慢程度。干燥速率按(2)计算[14-15]。

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/min；

Δt——相邻2次测量的时间差，min；

Mt+Δt——t+Δt时刻慈姑片的干基含水量，g；

Mt——t时刻慈姑片的干基含水量，g。

1.3.7 水分比的测定 按式(3)计算[16-17]。

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥至t时刻样品的干基含水率，%；

M0——样品初始干基含水率，%；

Me——样品平衡干基含水率，%。

由于Me较M0和Mt显得非常小，通常可以忽略不计，故可将式(3)简化成式(4)进行计算：

(4)

1.3.8 干燥模型拟合 物料干燥是一个非常复杂的传质传热过程，使用数学模型研究食品干燥特性以及预测和优化干燥工艺参数具有重要作用，建立干燥模型已成为干燥技术研究的重要内容。试验选了6种比较常用的干燥模型[13,18]进行慈姑片微波干燥模型线性拟合，选用的6种干燥模型及其线性化处理表达式见表1。

1.4 数据分析

试验数据采用Origin 8.5进行图表绘制，用Excel 2010和SPSS 22.0对即食慈姑片微波干燥试验数据进行回归拟合。

2 结果与分析

2.1 即食慈姑片微波干燥特性

2.1.1 厚度对即食慈姑片微波干燥特性的影响 由图1(a)可知，铺料密度和功率密度恒定时，慈姑片干基含水率随干燥时间的延长持续下降，慈姑片厚度越小，干燥曲线越陡峭，所需干燥时间越短，厚度为2，3，4 mm时，干燥时间分别为34，38，46 min。由图1(b)可知，即食慈姑片微波干燥过程主要表现为加速、降速2个阶段，没有明显的恒速阶段。干燥速率是指单位时间内物料蒸发的水分质量。厚度为2，3，4 mm时，物料干燥速率最大值分别为2.135，1.940，1.655 g/min，说明慈姑片厚度越小，越缩短了热量向物料表面传递和水分从物料中心向外扩散的距离，内部水分迁移阻力变小，传质与传热的速度加快[19]，从而干燥速度也越快。在加速阶段，物料含水率较高，干燥速率加速较快；在降速阶段，物料热能吸收能力随含水率降低而减小，干燥速率明显下降。因此，干燥条件恒定情况下，可通过减小物料厚度提高物料干燥速率。

表1 6种干燥数学模型†

2.1.2 铺料密度对即食慈姑片微波干燥特性的影响 由图2(a)可知，物料厚度和功率密度恒定时，随着物料铺料密度增大，物料含水率下降缓慢，干基含水率降至平衡耗时越长。物料装载量分别为1.96，2.94，3.93 kg/m2的干燥时间为26，38，44 min。由图2(b)可知，物料厚度和功率密度恒定，物料铺料密度最大为0.24 g/cm2时，干燥曲线加速、恒速、降速各阶段均较明显，干燥速率变化越小，含水率降低越缓慢；而物料铺料密度较小时，如0.16 g/cm2和0.20 g/cm2，干燥曲线加速和降速阶段的干燥速率变化越剧烈，含水率下降越快，但未显现恒速阶段。原因是在相同微波功率密度下，铺料密度越大，总含水量越大，单位时间内物料所吸收的微波能越小[20]，物料水分蒸发量越小，物料干燥速率越小，干燥时间越长。

图1 不同厚度下即食慈姑片微波干燥曲线及干燥速率曲线

图2 不同铺料密度下即食慈姑片微波干燥曲线及干燥速率曲线

2.1.3 微波功率密度对慈姑片微波干燥特性的影响 由图3(a)可知，在物料厚度和铺料密度恒定下，微波功率密度越大，干燥曲线越陡峭，干基含水率降至平衡所经历的时间越短，微波功率密度为9.8，8.4，7.0，5.6，4.2 W/g时，干燥时间分别为26，30，38，48，62 min，原因是微波干燥中物料实际吸收的能量是按单位质量物料吸收的微波能(即能量密度)计算的[21]，铺料密度恒定，微波能量密度越大，微波能耗越大，单位时间内迁移的水分越大。由图3(b) 可知，当微波功率密度较大，为5.6～9.8 W/g时，干燥速率曲线只存在加速和降速两个阶段；当功率密度较小，为4.2 W/g时，干燥速率曲线存在加速、恒速、降速阶段。慈姑片微波干燥过程呈现出加速、恒速和降速3个阶段，功率密度比较小，干燥速度曲线存在恒速阶段。在恒定的干燥条件下，微波功率密度越大，物料吸收的能量密度越大，物料水分迁移动力和蒸发量增加使干燥速率增大，缩短干燥时间；加速阶段主要表现在干燥初期，物料流动水多，自由度低，含水率较大，物料吸收微波能后较容易迁移排出[22]，物料干燥速率加速迅速；恒速阶段和降速阶段，物料含水率慢慢变小，物料流动水较少，水分被物料组织紧密锁住，物料干燥速率也逐渐减少。但是，微波干燥功率密度过高会造成慈姑片焦化使其品质下降。因此，通过增加微波功率密度来提高物料干燥速率需要根据实际生产来设计参数。

2.2 即食慈姑片微波干燥动力学

2.2.1 即食慈姑片微波干燥动力学模型的选择 干燥模型的正确选择对研究干燥工艺参数和预测干燥质量具有极其重要作用[23]。Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic 3种模型的-lnMR-t均为线性关系，Two term和Wang and Singh干燥模型的MR-t均为线性关系， Page 模型的ln(-lnMR)-lnt线性关系，根据物料干燥过程水分比的变化验证这6种模型在即食慈姑片干燥过程的相关性，绘制不同厚度、铺料密度和功率密度下-lnMR-t、MR-t和ln(-lnMR)-lnt关系图，见图4～12。

图3 不同微波功率密度下即食慈姑片微波干燥曲线及干燥速率曲线

图4 不同厚度条件下-lnMR-t关系

图5 不同铺料密度条件下-lnMR-t关系

由图4～6可知，相关变量下，即食慈姑片微波干燥过程-lnMR-t是非线性关系，说明Newton、Henderson and Pabis和Lagarithmic模型不符合即食慈姑片干燥动力学模型的选择要求。

由图7～9可知，相关变量下慈姑片微波干燥过程MR-t的二次曲线是非线性关系，说明Two term和Wang and Singh模型不符合即食慈姑片干燥动力学模型的选择要求。

由图10～12可知，相关变量下即食慈姑片微波干燥过程的ln(-lnMR)-lnt是线性关系，说明Page模型可以描述即食慈姑片微波干燥的过程，故选MR=e-ktn作为即食慈姑片微波干燥动力学模型。

图6 不同微波功率密度条件下-lnMR-t关系

图7 不同厚度下MR-t关系图

图8 不同铺料密度下MR-t关系图

采用Page模型ln(-lnMR)=lnk+nlnt建立即食慈姑片微波干燥动力学模型：

lnk=a+bH+cL+dP，

(5)

n=e+fH+gL+hP，

(6)

式中：

H——厚度，mm；

L——铺料密度，g/cm2；

P——微波密度，W/g；

图9 不同微波密度下MR-t关系图

图10 不同厚度条件下ln(-lnMR)-lnt曲线

图11 不同铺料密度条件下ln(-lnMR)-lnt曲线

图12 不同微波功率密度条件下ln(-lnMR)-lnt曲线

a、b、c、d、e、f、g、h——待定系数。

将lnk=a+bH+cL+dP、n=e+fH+gL+hP代入ln(-lnMR)=lnk+nlnt，可得到：

ln(-lnMR)=a+bH+cL+dP+(e+fH+gL+hP)lnt。

(7)

对试验数据进行多元线性回归，求得方程线性拟合待定系数a=-4.866 57，b=-0.060 97，c=-0.045 56，d=0.006 81，e=2.227 89，f=-0.086 77，g=-0.000 14，h=-0.000 21。拟合方程为ln(-lnMR)=-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P+(2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P)lnt即：

MR=e-ktn，

(8)

式中：

k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P；

n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P。

该拟合方程F=3 136.907 03，P<0.000 1，表明所求得的回归方程显著；回归方程的决定系数R2=0.990 66，说明模型的拟合度良好，试验误差较小。

2.2.2 动力学模型验证 为检验动力学模型的准确性，设定试验条件为慈姑片厚度3 mm，铺料密度0.20 g/cm2，微波功率密度7.0 W/g进行验证。由图13可知，Page模型预测值与试验值拟合度较好，说明Page模型能够较好反映和预测即食慈姑微波干燥过程中的水分变化情况。

3 结论

试验表明，即食慈姑片微波干燥过程呈现出加速、恒速和降速3个阶段，物料厚度越大、铺料密度越大，干燥速率变化越小，含水率降低越缓慢，干燥耗时越长；微波功率密度越大，干燥速率越大，含水率下降越快，加速、恒速、降速阶段干燥时间越短。通过6种干燥模型拟合分析，发现慈姑片微波干燥动力学模型满足Page模型：MR=e-ktn，其中k=e-4.866 57-0.060 97H-0.045 56L+0.006 81P，n=2.227 89-0.086 77H-0.000 14L-0.000 21P，该模型能够较准确地表征和预测即食慈姑片微波干燥过程的水分变化规律，描述预测干燥过程某时刻慈姑片水分比的含量。试验在研究微波功率密度对即食慈姑片微波干燥特性的影响时，仅做了单一微波功率密度，并未考虑不同大小组合的、多段式的微波功率密度的影响。后续可寻求一种以计算机算法来达到优化多微波功率密度组合的微波干燥加工即食慈姑片工艺的数值模拟模型，以更好地为即食慈姑片微波干燥参数的优化及实际干燥工艺提供参考。

图13 即食慈姑片微波干燥的动力学模型检验曲线