茶叶真空微波干燥特性及动力学模型.pdf

中国农学通报2010,26(22):65-70 ChineseAgricultural Science Bulletin 0 引言 中国是茶叶生产大国， 其中茶叶的生产中绿茶占 70%以上， 茶是世界三大饮料之一， 世界茶叶市场上， 绿茶占23%左右， 其中约70%以上来自中国1-2。由此 可见， 中国绿茶市场潜力巨大。微波真空干燥是微波 和真空相结合的一种干燥方式3， 即在真空环境下的 微波干燥， 它不仅可以提高干燥速度4-5， 同时可以降低 温度， 较好地保持食品等加工原料原有的营养成分， 提 高产品的干燥品质6-7。影响其干燥动力学的因素很 多， 其中微波真空参数主要包括微波功率、 真空度。微 波功率直接影响物料的加热速度， 对干燥效果有重要 影响。在微波真空干燥过程中， 真空度的高低决定了 物料中水分蒸发温度和蒸发速度， 直接影响干燥速率 和产品质量。目前， 国内外的微波真空干燥模型理论 研究有： Giri 2Department of Bioproducts and Biosystems Engineering, University of Minnesota, St. Paul, MN 55108) Abstract: In this paper, effects of microwave power, vacuum on the moisture change of tea was got with the study of microwave vacuum drying characteristic. According to tea moisture, the relationship of the drying time and the wet basis moisture content were analyzed and studied under the different microwave power and vacuum. The three drying models (single diffusion model, page model and exponential model) were verified set up by the experimental data, the experimental data were fit equation found page model. The results showed that microwave vacuum drying of tea to meet the Page equation dynamic model, and it would provide the theoretical basis and scientific guidance for the green tea processing. Key words: green tea; microwave vacuum drying; drying characteristics; kinetics model 中国农学通报 型， Mcminn9也进行了微波真空干燥的薄层模型研究， Kiranoudis等10研究了微波真空干燥水果的动力学模 型。李贤军等11以马尾松木材为研究对象， 对微波真 空干燥过程中木材内部的含水率分布进行了研究， 阐 述了微波真空干燥过程中木材内部的水分迁移机理； 孙丽娟等12对不同条件下微波真空干燥蜂蜜的干燥速 率及样品温度的变化进行了测量和比较， 研究发现在 优化的干燥条件下得到的固体蜂蜜的颜色基本没有变 化， 挥发性风味成分及含量没有明显变化。姜元欣等 13进行南瓜渣的微波真空干燥研究， 对3种干燥模型 验证表明， Page模型可以更好地描述微波真空干燥南 瓜渣， 关于微波真空干燥过程中水分-温度变化规律的 研究还比较少， 成熟和实用的模型尚不多见14。 笔者采用微波真空干燥绿茶， 对其微波真空干燥 特性进行了研究， 并建立了微波真空干燥绿茶的模型， 为绿茶的微波干燥提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 材料与设备 供试茶青： 福云6号采自福建农林大学园艺试验 场， 测其初始含水率为70%。 MZ08S-1型微波真空试验炉 （南京汇研微波系统 工程有限公司） ； DHG-9123 型电热恒温鼓风干燥箱 （上海精宏试验设备有限公司） ； AL204分析天平 （梅特 勒有限公司） ； BCD-237A/H型电冰箱 （广东容声电器 股份有限公司） 。 1.2 微波真空干燥曲线的测定方法 将茶叶置于微波炉转盘内， 调节仪器开关及旋钮 取相应的功率及真空度， 采用不同微波功率和真空度 进行干燥， 在干燥前， 按照茶叶水分的测定方法GB/T 83042002检测茶叶的初始含水量， 在干燥过程中， 每隔1 min停止微波炉和真空泵的工作， 将茶叶取出 迅速检测其质量变化， 做出茶叶湿基含水量随干燥时 间变化的干燥曲线。 2 结果与分析 2.1 茶叶微波真空干燥特性 测定采摘后茶青的初始水分含量， 并进行干燥试 验， 分别选取微波功率200、 400、 600 W， 真空度40、 60、 80 kPa。并在不同条件下进行干燥， 茶叶的干燥曲线 分别见图1。 从图1的茶叶微波真空干燥动力学曲线可见， 在 2 0 0 W 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 3 时间/ m i n 含水率/ % P = 4 0 k P a P = 6 0 k P a P = 8 0 k P a 4 0 0 W 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 01234567 时间/ m i n 含水率/ % P = 4 0 k P a P = 6 0 k P a P = 8 0 k P a 6 0 0 W 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 012345 时间/ m i n 含水率/ % P = 4 0 k P a P = 6 0 k P a P = 8 0 k P a 图1 不同真空度下茶叶微波真空干燥曲线 66 林向阳等： 茶叶真空微波干燥特性及动力学模型 真空度为40、 60、 80 kPa下进行干燥， 不论是在干燥进 行的初始阶段还是在干燥末期， 随着真空度的增大， 干 燥速率略有增大， 干燥时间有所减少。图(a)中， 在功 率200 W， 真空度为40、 60、 80 kPa的干燥条件下， 将茶 青干燥至含水率 4%5%， 所需时间分别为 12、 10、 8 min， 另外图(b)、 (c)中， 400 W和600 W下随着真空度 的增大所需干燥时间也是呈现逐渐减少的趋势， 试验 表明干燥功率一定时， 干燥速率会随着真空度的增大 而逐渐增大， 这是因为物料外部的真空度越大， 水分的 沸点就愈低， 干燥过程的传质推动力也就愈大， 就会愈 利于物料中水分的汽化、 挥发， 所以干燥时间可以得到 缩短。在干燥初期， 由于茶叶中的水分大部分是自由 水， 此时增大真空度对干燥速率的提高并不明显， 随着 干燥时间的延长， 茶叶中剩余水分基本是难以蒸发的 结合水， 此时增大真空度， 能较明显促进水分蒸发， 提 高干燥速度， 可见在高真空条件下更有利于结合水的 蒸发。另外在干燥初期， 干燥速率较快， 后期干燥速率 随着干燥时间的增大而逐步减缓， 即干燥时间越长， 干 燥速率越慢， 这可能是由于物料内部水分含量逐渐减 少所致， 由于含水量的降低导致茶叶结构致密， 水汽排 出受阻， 干燥进入降速期。 从图2的干燥动力学曲线可知， 真空度一定时， 微 波干燥功率越大， 干燥时间明显缩短。图(a)中， 真空 度为40 kPa的条件下， 微波功率为600 W， 干燥茶叶所 需时间只要3 min， 而在200 W微波功率下， 将茶叶干 燥至相同水分含量， 则需要10 min， 且图(b)、 (c)具有相 同的趋势， 所以微波功率的增大可以大大缩短干燥时 间， 随着微波功率的增大， 干燥速率有明显的提高， 这 是因为微波能可以直接提供水分蒸发所需要的能量， 并且功率在200400 W范围内干燥速率明显增大， 再 提高功率干燥速率增量减小。在干燥初期， 由于干燥 初期， 茶叶水分含量较高， 快速吸收微波能量而使水分 大量蒸发， 而在干燥后期， 干燥速率逐渐降低， 也是由 于在干燥后期， 茶叶水分含量降低导致其结构致密， 水 汽排出通道受阻， 干燥速度随干燥时间的延长而逐渐 降低。 2.2 茶叶微波真空干燥动力学模型的研究 2.2.1 动力学模型数据分析 对于干燥物料， 通过对不 同物料的研究， 总结了3个经验和半经验的数学模型 来描述干燥动力学规律13， 即：（1） 指数模型；（2） 单项 4 0 k P a 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 31 4 时间/ m i n 含水率/ % Q = 2 0 0 W Q = 4 0 0 W Q = 6 0 0 W 6 0 k P a 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 时间/ m i n 含水率/ % Q = 2 0 0 W Q = 6 0 0 W Q = 8 0 0 W 8 0 k P a 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 123456789 1 0 1 1 时间/ m i n 含水率/ % Q = 2 0 0 W Q = 4 0 0 W Q = 6 0 0 W 图2 不同微波功率下茶叶微波真空干燥曲线 67 中国农学通报 扩散模型；（3） Page方程。 指数模型：MR=exp(-kt)（1） 单项扩散模型：MR=nexp(-kt) （2） Page方程：MR=exp(-kt n) （3） 式中：MR是含水率：MR= （Xt-Xe）/（X1-Xe） ，Xt为t 时刻时物料含水率 （%） ，X1是物料原始含水率 （%） ，Xe 是物料平衡含水率 （%） ，t为物料干燥时间 （min） ，k， n 是经验的干燥参数。 将MR进一步简化， 可用 Xt/X1替代水分含量 (Xt-Xe)/(X1-Xe)14， 为了便于分析， 将式 （1） ，（2） , （3） 取对 数化成线性， 分别为： ln(MR)=-kt（4） ln(MR)=lnn-kt（5） ln-ln(MR)=lnk+nlnt （6） 物料的干燥受很多因素的影响， 是一个复杂的过 程， 建立干燥模型对研究干燥规律、 预测干燥工艺参数 有重要作用。将茶青经微波真空干燥后， 通过对茶叶 失水特性的研究， 探讨茶叶微波真空干燥过程符合的 干燥模型， 根据试验所得数据， 分别以t(时间， min)和 lnt为横坐标，-ln(MR)和ln-ln(MR)为纵坐标， 作不同 微波真空下t-ln(MR)曲线和lnt-ln-ln(MR)曲线， 结果 如图3、 4所示： 图3、 4为不同真空度下-1nMR与t、ln-1n(MR)与 lnt的关系， 猜想ln（-1nMR）与lnt更符合线性关系， 茶 叶的微波真空干燥动力学模型同样可能满足Page方 程， 用SPSS进行验证。 2.2.2 Page模型方程验证 Page方程MR=exp(-ktn)模型 的检验： 考虑到测定的真空度p和微波功率q直接影响 参数k、 n， 所以引入待定系数a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i、 j， 得 到式 （7） 和 （8） ： lnk=a+bp+cp2+dq+eq2（7） n=f+gp+hp2+iq+jq2（8） 代入式 （6） 得到下列表达式： ln-ln(MR)=a+bp+ cp2+dq+eq2+(f+gp+hp2+iq+jq2)lnt，利用统计软件 SPSS16.0对试验数据进行多元线性回归。 回归结果F=243.699，P=0.0000.05， 不显著， 因此认为Page模型可以较好地描 述茶叶微波真空干燥中水分的变化情况。 3 结论 茶叶微波真空干燥受微波功率、 真空度共同影响， 其中真空度对其干燥速率的增加并不明显， 随着真空 度的增加， 干燥速率略微有所增大， 而微波功率对干燥 速率影响显著， 随着功率的增大， 茶叶干燥速率有明显 增大的趋势。对试验数据进行处理， 分别对3种干燥 模型 （单项扩散模型、 Page模型和指数模型） 进行验 证， 试验结果表明， 茶叶微波真空干燥的动力学模型满 足Page方程。 通过合理调节微波功率和真空度， 可以使茶叶在 一定的温度下进行干燥， 这样低温和快速干燥可以避 免茶叶营养成分的损失， 使产品质量得以大大提高。 目前， 微波真空干燥技术在茶叶中的研究和应用未见 报道。通过研究， 分析微波真空干燥条件下茶叶的干 燥机理， 建立茶叶的微波真空干燥模型， 并与其他干燥 方式进行对比， 为微波干燥技术在茶叶加工中的应该 提供理论依据和技术支持。 参考文献 1夏涛.中国绿茶M.北京:中国轻工业出版社,2006. 2朱德文,岳鹏翔,袁弟顺.不同杀青方法对绿茶品质的影响J.农业 工程学报,2009,25(8):275-276. 3Durance T D, Wang J H. 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