南瓜片微波真空干燥特性
探討了不同微波強(qiáng)度、腔體絕對壓力和南瓜片厚度對南瓜片微波真空干燥特性的影響，通過建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測南瓜片微波真空干燥過程中水分變化。結(jié)果表明，微波強(qiáng)度對南瓜片干燥速率的影響明顯大于腔體絕對壓力和南瓜片厚度;通過決定系數(shù)(R2 ) 、殘差平方和(SSE) 和均方根誤差(RMSE) 等評價(jià)指標(biāo)對12 種數(shù)學(xué)模型的擬合度進(jìn)行評價(jià)，認(rèn)為Page 模型適合描述和預(yù)測南瓜片微波真空干燥水分變化規(guī)律，并提出了試驗(yàn)條件范圍內(nèi)參數(shù)k 和n 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸槟瞎掀I(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。
南瓜( Cucurbita moschata Duch. ) 是葫蘆科南瓜屬作物，營養(yǎng)豐富且具有多種保健和藥用功效，中國南瓜總產(chǎn)量位居世界第一，但鮮南瓜含水率高，易腐爛，干制可保持其生物化學(xué)活性，延長保質(zhì)期。干燥濕物料是質(zhì)量和熱量傳遞同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜過程，干燥動力學(xué)研究對干燥設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和提高終產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義，目前國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了包括基于Fick 第二定律的半理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趦?nèi)的十幾種適用于農(nóng)產(chǎn)品干燥的薄層干燥模型，如Lewis，Page，Henderson and Pabis，Twoterm和Wang and Singh 等模型。有關(guān)南瓜干燥模型，Doymaz研究認(rèn)為，Logarithmic 模型和Verma et al. 模型適合描述南瓜片對流干燥過程; Guine等研究發(fā)現(xiàn)，Henderson-Pabis 模型適合描述南瓜熱風(fēng)干燥過程; 王瑾等研究表明，Midilli-Kucuk 模型適合描述并預(yù)測南瓜漿滾筒干燥過程。
微波真空干燥是物料在真空環(huán)境中通過微波快速加熱、低溫傳質(zhì)、高效脫水的新型干燥技術(shù)，它可有效提高能源利用率和產(chǎn)品質(zhì)量。微波真空干燥廣泛應(yīng)用于蕨菜、雙孢菇、胡蘿卜、土豆、綠茶、荔枝和榴蓮等農(nóng)產(chǎn)品干燥并研究建立其微波真空干燥數(shù)學(xué)模型，但目前尚未見南瓜片微波真空干燥方面的研究報(bào)道。因此，本文以新鮮南瓜為原料，研究微波強(qiáng)度、腔體絕對壓力和南瓜片厚度對南瓜片微波真空干燥特性的影響，并建立其數(shù)學(xué)模型，旨在闡明南瓜片微波真空干燥規(guī)律，同時(shí)為開發(fā)新型即食南瓜片產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)和生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)。
1、材料與方法
1.1、材料及處理
供試南瓜購于福建省福州市海峽農(nóng)副產(chǎn)品批發(fā)物流中心的蔬菜市場，品種為月牙瓜。選擇大小均勻、無病蟲害、無損傷的成熟南瓜為試驗(yàn)材料。南瓜經(jīng)清水清洗、晾干表面水分后，沿南瓜中心軸切成兩半，南瓜經(jīng)去皮、去瓤、去籽后，用切片機(jī)將南瓜切成圓形( 半徑2 mm) 的南瓜片。經(jīng)測定新鮮南瓜片的含水率( 干基) 為8. 90 ～ 11. 03 kg /kg。
1.2、儀器與設(shè)備
KL-4 型微波真空干燥機(jī)( 福建農(nóng)林大學(xué)與廣州凱棱工業(yè)用微波設(shè)備有限公司聯(lián)合研制) ; DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱( 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司) ; BS224S 型電子天平( 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)
1.3、試驗(yàn)方法
選取微波強(qiáng)度、腔體絕對壓力和南瓜片厚度為因素，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。固定腔體絕對壓力15kPa，南瓜片厚度6 mm，選取微波強(qiáng)度為4，6，8， 10 和12 kW/kg，研究不同微波強(qiáng)度對南瓜片干燥特性的影響; 固定微波強(qiáng)度8 kW/kg，南瓜片厚度6 mm，選取腔體絕對壓力為10， 15， 20， 25 和30 kPa，研究不同腔體絕對壓力對南瓜片干燥特性的影響; 固定微波強(qiáng)度8 kW/kg，腔體絕對壓力20 kPa，選取南瓜片厚度為2，4，6，8和10 mm，研究不同南瓜片厚度對南瓜片干燥特性的影響。將南瓜片單層平鋪于微波盤，按照試驗(yàn)要求設(shè)置好設(shè)備參數(shù)，微波盤幾何對稱置于干燥室中，并以10 r /min 的速度轉(zhuǎn)動，每2 min 取出并記錄物料質(zhì)量，至含水率( 干基) ≤0. 06 kg /kg。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取微波強(qiáng)度、腔體絕對壓力和南瓜片厚度為試驗(yàn)因素，采用三元二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)進(jìn)行南瓜片微波真空干燥多因素試驗(yàn)。因素水平編碼表如表1 所示，各組試驗(yàn)條件見表4，其它要求同單因素試驗(yàn)。
1.4、水分測定
樣品含水率測定參照GB/T 5009. 3 -2003。水分比的計(jì)算方法，如下式
表1 因素水平編碼表
式中: MR為水分比; Mt為樣品在t 時(shí)刻的含水量，kg /kg( 干基) ; M0為樣品的初始水分含水量，kg /kg( 干基) ; Me為樣品的平衡水分量，kg /kg( 干基) 。由于Me相對于Mt，M0來說非常小，可忽略不計(jì)。故上式可以簡化為
1.5、干燥模型
選取12 種國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中常用的干燥數(shù)學(xué)模型( 見表2) 擬合南瓜片微波真空干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)采用決定系數(shù)( R2 ) 、殘差平方和( SSE) 和均方根誤差( RMSE) 對模型的擬合度進(jìn)行評價(jià)。R2、SSE 和RMSE 的計(jì)算表達(dá)式如下
式中：N 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù); MRpred，i為模型預(yù)測水分比; MRexp，i為試驗(yàn)實(shí)測水分比。R2 是評價(jià)模型擬合度最重要的指標(biāo)，R2 越高，SSE 和RMSE 越低，表明模型擬合度越高，從而確定合適的干燥模型。
1.6、數(shù)據(jù)處理
利用Excel 2003 軟件對南瓜片微波真空干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，基于Matlab 7. 0 軟件，利用Levenberg-Marquart 算法對模型進(jìn)行非線性擬合求解，利用Design Expert 7. 0 軟件對模型參數(shù)進(jìn)行分析。
表2 選擇的薄層干燥數(shù)學(xué)模型
2、結(jié)果與分析
2.1、南瓜片的微波真空干燥特性
http://www.13house.cn/application/vacuumdrying/085430.html
2.2、南瓜片微波真空干燥的數(shù)學(xué)模型
http://www.13house.cn/application/vacuumdrying/085431.html
3、結(jié)論
(1) 南瓜片微波真空干燥特性與微波強(qiáng)度、腔體絕對壓力和南瓜片厚度有關(guān)，且微波強(qiáng)度對南瓜片微波真空干燥速率影響明顯大于腔體絕對壓力和南瓜片厚度。微波強(qiáng)度越大，干燥速率越快; 減小腔體絕對壓力可一定程度上提高干燥速率。南瓜片微波真空干燥過程主要分為升速、恒速、降速三個(gè)階段，其中微波強(qiáng)度可明顯影響南瓜片微波真空干燥的恒速干燥的時(shí)間。因此，適當(dāng)提高微波強(qiáng)度是提高南瓜片微波真空干燥速率和縮短干燥時(shí)間的最有效方法。
(2) Page 模型具有擬合參數(shù)少、擬合度高等優(yōu)點(diǎn)，該模型能較準(zhǔn)確地表達(dá)和預(yù)測南瓜片微波真空干燥過程中的水分變化規(guī)律。微波強(qiáng)度對干燥速率常數(shù)k的影響強(qiáng)于腔體絕對壓力和南瓜片厚度，而干燥條件改變對產(chǎn)品常數(shù)n 影響不大。
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