田 華

（信陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

生姜是姜科姜屬多年生草本植物的根莖，味辛、性微溫，具有解表散寒、溫中止嘔、溫肺止咳、解毒的功效，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1-2]。生姜含水量高達(dá)90%以上，常溫貯藏較困難。目前生姜加工貯藏的主要手段是薄層干燥，常用的干燥技術(shù)有微波干燥[3-4]、熱風(fēng)干燥[5-6]、真空冷凍干燥[7-9]、熱風(fēng)間歇微波耦合干燥[10-12]、紅外干燥[13]、微波-光波組合技術(shù)干燥[14]、噴霧干燥[15]、低溫吸附干燥[16-17]。微波場(chǎng)具有促進(jìn)物料水分快速蒸發(fā)、易自動(dòng)化操作、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[18]，微波干燥技術(shù)在食品加工中的研究較多[19-22]。目前，關(guān)于薄層微波干燥生姜的研究主要有微波干燥對(duì)全粉質(zhì)量的影響[3]及與其他干燥技術(shù)的耦合研究[10-12]。劉紹軍等[3]對(duì)微波干燥得到的生姜全粉進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：微波干燥的生姜全粉得率高、感官品質(zhì)較好、堆積密度最低、水合能力最強(qiáng)。但鮮有關(guān)于微波薄層干燥生姜?jiǎng)恿W(xué)模型構(gòu)建方面的報(bào)道。因此，本文利用微波干燥技術(shù)，通過(guò)測(cè)定生姜干基含水率、脫水率、干燥速率和水分比等指標(biāo)探討生姜傳熱傳質(zhì)特性，篩選最佳的生姜微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)生姜干燥高效低能耗干燥工藝和生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

生姜購(gòu)于市區(qū)超市，外皮色黃，新鮮、多肉、無(wú)腐爛。

1.1.2 儀器與設(shè)備

EM7KCG4-NR型功率可調(diào)微波爐（最大功率700 W），AR2202CN型電子天平。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的新鮮生姜，切成厚度為0.5 cm、直徑約為3.5 cm的圓薄片，備用。

1.2.2 微波薄層干燥方法

將置于培養(yǎng)皿上的生姜片擺放整齊，單層放置于微波爐的中心位置，分別采用210、350、560、700 W的功率加熱10 s后天平稱(chēng)重，進(jìn)行薄層干燥，直到恒重時(shí)為止[23]。設(shè)置3次重復(fù)。

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.3.1干基含水率（Mt）

干基含水率Mt的計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）：

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率，g/g；mt、mg分別為試樣干燥至t時(shí)刻與干燥恒重時(shí)的質(zhì)量，g。

1.2.3.2 干燥速率（Dr）

干燥速率Dr的計(jì)算方法見(jiàn)公式（2）：

式中：Dr為干燥速率，g·g-1·h-1；Mt和Mt+Δt為干基含水率，g/g；Δt干燥間隔時(shí)間，h。

1.2.3.3 水分比（MR）

水分比（MR）用于表示一定干燥條件下，t時(shí)刻樣品的干基含水率與初始樣品干基含水率的比值，可以用來(lái)反映物料干燥速率的快慢，計(jì)算方法見(jiàn)公式（3）：

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的的干基含水率，g/g；M0為初始干基含水率，g/g；Me為平衡干基含水率，g/g。

1.2.3.4有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff），反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，對(duì)深入分析物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過(guò)程及優(yōu)化干燥工藝具有重要意義。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為生姜片厚度，m；t為干燥時(shí)間，s。當(dāng)物料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間干燥時(shí)，公式（4）可簡(jiǎn)化為：

1.2.4 薄層干燥模型

物料干燥是極其復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，常用的薄層干燥模型有表1所示的6種。經(jīng)線性處理后，模型①、⑤、⑥t-lnMR呈線性，模型②lnt-ln(-lnMR)呈線性,模型③t-MR呈指數(shù)方程，模型④t-MR呈二次多項(xiàng)式回歸。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Common mathematical models of thin-layer drying

2 結(jié)果與分析

2.1 生姜微波干燥失水特性

2.1.1 微波功率對(duì)生姜微波干燥失水特性的影響

由圖1可以看出，生姜在不同微波功率下（210、350、560、700 W）的水分比MR均呈逐漸下降趨勢(shì)，且在微波功率為350 W時(shí)水分比的下降速率最大。由圖2可以看出，在相同的初始質(zhì)量下，生姜微波干燥至恒重的時(shí)間分別是t210W＞t700W＞t560W＞t350W，微波功率為350 W時(shí)生姜干燥至恒重的時(shí)間最短，這與圖1生姜微波干燥過(guò)程中微波功率350 W時(shí)水分比MR下降速率最大一致。

由圖3~4可以看出，生姜微波薄層干燥分為加速干燥階段和降速干燥兩個(gè)階段。隨著微波時(shí)間的增加，生姜脫水率逐漸增大。干燥時(shí)間100 s時(shí)，微波功率350 W的生姜干燥速率Dr達(dá)到最大值32.772 4 g·g-1·h-1，之后降低。造成此種變化的原因在于微波干燥過(guò)程中生姜自由水含量先高后低的蒸發(fā)過(guò)程，從而導(dǎo)致微波干燥速率發(fā)生由快變慢的變化。

2.1.2 微波功率對(duì)生姜微波干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的影響

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）反映了水分蒸發(fā)速率的快慢，該系數(shù)對(duì)物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過(guò)程的深入分析及干燥工藝的優(yōu)化具有重要意義。由圖5可以看出，在相同的微波功率下，干燥前期物料的Deff增加明顯，但是不同的微波功率（210、350、560、700 W）有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff差別不明顯。從干燥80 s開(kāi)始，不同微波功率下物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)的變化開(kāi)始加劇，微波干燥時(shí)間160 s時(shí)，350 W下物料的Deff為1.797 7×10-7m2/s，而 700、560、210 W 下物料的Deff分別為 7.148 3×10-8、6.686 5×10-8、5.377 8×10-8m2/s。干燥160 s時(shí)，微波功率350 W的生姜已經(jīng)干燥到恒重。由此可見(jiàn)，微波功率對(duì)生姜微波干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff影響特別大。

對(duì)不同微波功率下（210、350、560、700 W）干燥到恒重的生姜剖開(kāi)面觀察，微波功率為700 W和560 W的生姜孔徑粗大，姜塊中心過(guò)早變硬；微波功率為350 W和210 W的生姜孔徑細(xì)密緊湊，姜塊中心快到恒重時(shí)才開(kāi)始變硬。結(jié)合圖1~5可推測(cè)：生姜由于纖維含量高，較大的微波功率（560、700 W）可能使干燥后的生姜孔徑粗大，姜塊中心過(guò)早變硬反而不利于水分的蒸發(fā)；較小的微波功率（210、350 W）因功率小，有效水分?jǐn)U散系數(shù)小，水分蒸發(fā)速度慢，從而導(dǎo)致生姜干燥到恒重的耗時(shí)長(zhǎng)。對(duì)比4個(gè)微波功率的干燥效果，350 W微波干燥時(shí)各參數(shù)最佳。目前，微波干燥過(guò)程中干燥樣品硬度等品質(zhì)的細(xì)微變化研究較少，還需結(jié)合電鏡觀察等深入研究。

2.2 生姜微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)

干燥模型的建立對(duì)研究干燥變化趨勢(shì)、預(yù)測(cè)干燥質(zhì)量及干燥工藝參數(shù)有非常重要的作用。描述薄層干燥過(guò)程常用的動(dòng)力學(xué)模型有6種，模型方程如表1所述。根據(jù)生姜微波薄層干燥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別制作不同微波功率的t-(-lnMR)、t-MR、lnt-ln(-lnMR)曲線。

由圖6可見(jiàn)，圖中4個(gè)線性回歸方程的R2均小于0.9，故不符合Newton、HendersonandPabis和Logaritlunic模型；由圖7可見(jiàn)，圖中4個(gè)回歸方程的R2均大于0.97，符合Two term模型；由圖8可知，圖中4個(gè)線性回歸方程R2均大于0.97，符合Page模型；由圖9可以看出，圖中4個(gè)回歸方程的R2均大于0.98，符合Wang and Singh模型。因此，Page方程、Two term方程和Wang and Singh方程均可作為生姜微波干燥動(dòng)力學(xué)模型。其次，采用SPSS軟件對(duì)得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)值殘差平方和RSS、決定系數(shù)R2、卡方χ2進(jìn)行對(duì)比，確定最佳模型。

分別將MR-t關(guān)系圖中各曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求得不同干燥功率下的R2值，目的是找到最佳的生姜片微波薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型。通常R2越高，同時(shí)χ2值和RSS值越小，動(dòng)力學(xué)模型的擬合度和準(zhǔn)確性越高。由表2可以看出，Page方程在不同的微波功率下擬合得到方程的R2均大于 0.979，χ2≥6×10-4，RSS≤0.004，說(shuō)明Page方程最適于描述生姜片微波薄層干燥過(guò)程。由表2中Page方程的各參數(shù)可以看出，隨著微波功率增加，N值先增后降，r值無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

表2 薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型數(shù)值分析Table 2 Statistical analysis of thin-layer drying dynamic models

3 結(jié)論

為研究生姜微波薄層干燥特性，本論文研究了鮮姜片在不同微波功率下（210、350、560、700 W）薄層干燥的動(dòng)力學(xué)特性，試驗(yàn)表明：生姜干燥前期的干燥速率、脫水率、Deff增加明顯，MR值下降明顯，干燥后期各參數(shù)變化與干燥前期相反，350 W是生姜微波干燥的最佳功率。采用6種常用的食品薄層干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)比較決定系數(shù)R2、殘差平方和RSS、卡方 χ2得出，Page 方程對(duì)生姜片微波薄層干燥過(guò)程的擬合度最高，這為鮮姜片微波薄層干燥技術(shù)應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。