基于控温的花生微波干燥工艺.pdf

第 27 卷增刊 2农 业 工 程 学 报Vol.27Supp.2 2011 年12 月Transactions of the CSAEDec. 2011267 基于控温的花生微波干燥工艺 陈 霖 （四川农业大学信息与工程技术学院，雅安 625014） 摘要：该文主要研究控温微波干燥对花生的影响，使用自制控温微波干燥设备来研究常规微波干燥和控温微波干燥条 件下花生品质上的区别，以此来验证控温微波的优越性以及可使用性。试验结果表明，常规微波干燥后花生产生焦糊现 象，干燥效果极差；控温微波干燥后的花生无任何焦糊现象，表皮平整，子叶光滑鲜活，干燥效果比较理想。试验证明 控温微波干燥在功率 1.2 W/g，温度区间 4550时能够最大的保证花生干燥后的品质。 关键词：微波，干燥，温度控制，花生 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z2.051 中图分类号：TS255.6文献标识码：A文章编号：1002-6819(2011)-Supp.2-0267-05 陈霖. 基于控温的花生微波干燥工艺J.农业工程学报，2011，27(增刊2)：267271. Chen Lin. Microwave drying technology of peanuts based on constant temperatureJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp.2): 267271. (in Chinese with English abstract) 0引言 微波一般是频率为 300 MHz300 GHz 的具有穿透 特性的电磁波。微波加热利用的是介质损耗原理,物料中 的水分子是极性分子，在微波作用下，其极性取向随着 外电磁场的变化而变化1。 微波干燥是利用微波对极性分 子的作用，使极性分子相互运动产生大量热量致其蒸发 的原理，通过调节微波干燥时的功率即可调节干燥的速 度。工业发达国家微波干燥技术已在轻工业、食品工业、 化学工业、农业和农产品加工等领域得到应用；中国微 波干燥技术开始于 20 世纪 70 年代，目前很多农产品都 成功应用了微波干燥2- 6。但是微波干燥时温度的测量及 控制仍然不够成熟7。常规微波干燥时作物温度上升快， 干燥后作物的品质也有比较大的波动，甚至作物会产生 内部焦糊的现象8。 控温控制的微波干燥可以使作物的干 燥温度处于设定的区间内，保证作物干燥后的品质，但 目前控温控制的微波干燥技术无论在研究方面还是在推 广应用方面都还比较少。 本文通过常规微波干燥和控温微波干燥试验，对花 生的含水率及感观进行对比，验证控温微波干燥的优越 性,为农作物干燥技术的推广及其设备的设计提供理论依 据，为产业化经营提供技术支持。 1试验设备与材料及方法 1.1试验材料 1）材料选用：选用新鲜红皮花生，产于四川省雅安 市雨城区。 收稿日期：2011- 08- 15修订日期： 2011- 11- 15 项目基金：四川农业大学双支计划 作者简介：陈霖（1969） ，女，四川雅安人，副教授，主要从事农业机 械化工程研究。雅安四川农业大学信息与工程技术学院，625014。 Email: lingchen121 2）材料处理：使用筛选机初步筛选，使材料的大小 基本一致，籽粒饱满。将筛选后的花生按每份 100 g 密封 包装并置于冰箱里 48冷藏保鲜备用。 1.2设备与仪器 干燥设备：自制微波控温干燥设备，见图 1，以格兰 仕WBBH0809型微波炉为平台， 增加了AT89S52单片机、 AD590 温度传感器、 ADC0804、 A/D 转换芯片、 74HC573N 锁存器、 继电器和数码显示块等硬件， 硬件结构图见图 2。 根据试验要求设计成温度测量及控制系统，再根据花生 的特性，在单片机中的程序里设置相应的温度区间。通 过温度传感器测量干燥过程中的实时温度，当达到温度 上限时自动切断微波炉工作电源，使作物温度降低，直 至温度下限时自动闭合微波炉工作电源，继续加热。这 样试验一直处于持续工作状态，通过微波炉的间断工作， 进而实现控温干燥过程。 图 1微波控温干燥设备简图 Fig.1Schematic diagram of microwave drying temperature control system 农业工程学报2011 年268 图 2控温控制系统硬件结构图 Fig.2Hardware structure of temperature control system 冷藏设备：海尔 BC- 117FC 冰箱。 筛选设备：花生筛选机。 1.3试验方法 1）常规微波干燥 使用自制微波控温干燥设备，保留温度测量系统与 质量测量系统，关闭继电器控制系统。将处理后的花生 放入其中，在不同功率下进行干燥，通过实时花生质量 变化，计算花生含水率，当含水率10%时，停止干燥。 每组试验进行 3 次，取平均值进行计算，并通过感官等 标准检查花生常规微波干燥后的品质。 2）控温微波干燥 使用自制微波控温干燥设备，将处理后的花生放入 其中。根据不同功率和温度区间进行试验，通过实时花 生质量变化，计算花生含水率，当含水率10%时，停止 干燥。每组试验进行 3 次取平均值计算，并通过感官标 准等检查花生控温微波干燥后的品质。 1.4干燥速率 干燥速率是指单位时间内，单位干燥面积上汽化的 水分质量，即 d d G x U S 式中，G 为一批操作中绝干物料的质量，kg；S 为干燥面 积，m2。 在该实验中，使用自制微波控温干燥设备，将处理 后的花生用最低功率（120 W）干燥到不再失水为止，测 量其绝干物料质量。 1.5感观评价方法 主要从花生仁的色泽来评价干燥的质量。 2试验结果与分析 2.1 常规微波试验结果与分析 不同微波功率下，花生的干燥曲线及干燥速率曲线 如图 3、4 所示。图 3a 显示，微波功率越大，花生的干燥 曲线越陡，干燥时间间越短，图 3b 显示微波功率越大， 温度上升越高。且在干燥初期温度上升很快，温度达到 最高点时，含水率还未达到要求，微波炉继续工作，温 度一个惯性上升后，再回到一个相对稳定的范围内。 a. 花生含水率与干燥时间关系图b. 花生表面温度与干燥时间关系图 图 3不同干燥功率下花生的干燥曲线 Fig.3Peanuts drying curve under different drying power 图 4干燥功率对干燥速率的影响 Fig.4Effects of drying power on the drying rate 结合图 3、图 4 可以得出，干燥功率为 3.52W/g 时干 燥速率最大，达到了 24 kg/(m2h)，仅干燥了 15 min 左 右，花生全部焦糊，溢出大量花生油，且干燥过程中温 度上升很快，最高温度高达 83.4。虽然在功率 1.2W/g 条件下，干燥速率变化较为缓慢，结束干燥后观察花生 状态，部分花生外部仍呈焦黄色，溢出少量花生油，效 果较差，干燥时间持续近 60 min。 由图 4 可见，常规微波干燥过程分为 3 个阶段：加 速、恒速及降速干燥阶段，基本符合传统的干燥速率曲 线的变化规律9- 12；加速阶段极短，微波功率越大，进入 恒速干燥阶段越快；恒速阶段干燥速率受微波强度影响 最显著，干燥速率随微波强度增大而加快。 2.2控温微波试验结果与分析 在试验中为了反映干燥功率和温度区间对干燥速率 增刊 2陈霖：基于控温的花生微波干燥工艺269 的影响， 选择最小的干燥功率和最大的干燥功率 1.20W/g 和 3.52W/g，温度区间选择为 5055，3540进行 试验，观察花生在控温微波干燥下的干燥特性。 在干燥功率 3.52W/g 和 1.2W/g 下进行控温微波干 燥，从图 5a、6a 可见，含水量随时间的变化趋势与常规 微波干燥相似，但在不同温度区间的干燥时间也不相同， 如图 5a 所示的干燥功率为 3.52W/g 时，在 3540，达 到干燥要求比常规微波干燥增加了近 50min 的时间，在 5055区间，时间仅增加了不到 10 min 的时间，但干 燥后花生表皮平整，无焦糊现象。 从图 5b、6b 可见，在不同功率，不同温度条件下， 干燥初期由于花生中的水分从升温到转化为水蒸汽排出 需要一个过程，升温很快，干燥速率和常规微波干燥一 样呈上升趋势，为加速阶段；继续干燥，一旦温度上升 到事先设定的温度区间时，干燥速率和常规干燥不同， 在常规干燥过程中，干燥速率几乎不变，为恒速干燥， 温度上升；控温微波干燥下的干燥速率则在一定的范围 内进行波动，避免干燥热量供给过大，造成花生的焦糊 现象。在不同的干燥功率和温度区间上，干燥速率的波 动也是不相同的。如图 5b，在 5055区间在 2 12 kg/(m2h)之间波动，波动范围较大；而在 3540区 间， 波动范围仅在 1.55 kg/(m2h)之间， 波动范围较小。 在图 6b 可见在干燥功率 1.2W/g、 5055区间下， 与常 规微波干燥速率相同，其原因是干燥功率 1.2W/g 下，常 规微波干燥最高温度也不会超过 50，所以在 5055 下相当于是连续干燥。 a. 温度对含水率的影响b. 温度对干燥速率的影响 图 5功率 3.52 W/g 条件温度对干燥特性的影响 Fig.5Effects of temperature on the drying characteristics under power 3.52 W/g a. 温度对含水率的影响b. 温度对干燥速率的影响 图 6功率 1.20 W/g 条件下温度对干燥特性的影响 Fig.6Effect of temperature on the drying characteristics under power 1. 20 W/g 在 1.2 W/g、5055区间，花生干燥达到要求时外 部轻微的焦黄，在其它温度和干燥功率干燥后的花生外 部仍鲜红，内部呈乳白色，胚芽完好。 2.3控温微波试验的方差分析 进一步分析在控温微波干燥过程中干燥功率与温度 区间对花生干燥特性的影响，试验选择功率和温度区间 两因素进行试验，干燥功率分别为 1.202.36 和 3.52W/g， 温度分别为 3540、 4045、 4550和 5055， 试验后对数值进行方差分析13- 14，得到花生在控温干燥 中的最优干燥组合。 农业工程学报2011 年270 通过试验，控温微波干燥过程中各温度区间在不同 干燥功率因素下的每 100 g 的失水量见表 1。 表 1各温度区间不同干燥功率因素的失水量 Table 1Water loss of each thermostatic interval under different drying power 功率因素/(Wg- 1) 温度区间 / 1.22.563.52 合计失水量 /g 平均失水量 /g 354022.622.122.166.822.27 404526.226.225.878.226.07 455023.625.825.574.924.97 505528.926.825.881.527.17 合计失水量/g101.3100.999.2 平均失水量/g25.325.324.8 这是一个两因素交叉分组单个观察值试验资料。温 度区间有 4 个水平；功率因素有 3 个水平，共有 12 个观 测值。 1）F 检验 通过对表 1 的试验数据列出方差分析表，进行 F 检 验，其结果见表 2。 表 2各控温区间不同功率因素的失水量方差分析表 Table 2Water loss anova of thermostatic microwave drying experiment under different drying power 变异来源平方和 SS自由度 df均方 MSF 值 温度区间47.88315.9612.768* 干燥功率39.75219.87515.9* 误差7.50561.251 总变异95.13511 根据表 2，温度区间的 F 值 12.768F0.01(5,10)， p1，F 值极显著；干燥功率 F 值 15.9F0.01(5,10)， p1，其 F 值也极显著。说明温度区间与干燥功率因素 对花生干燥失水量影响都极显著，有必要对度区间与干 燥功率两因素不同水平的平均失水量进行多重比较。 2）多重比较 （1）不同温度区间的花生平均失水量的比较，结果 见表 3。 表 3不同温度区间花生的平均失水量比较表 Table 3Comparison of peanuts water loss at different temperature interval 温度区间/平均数 ix 22.27 ix 24.97 ix 26.07 ix 505527.174.9*2.2*1.1 455026.073.8*1.1 404524.972.7 354022.27 对于两因素单个观测值试验资料进行最小显著极差 的计算，见表 4。 表 4温度区间的 q 值13- 14与 LSR 值表 Table 4q value and LSR value table of temperature range dfc秩次距 kq0.05q0.01LSR0.05LSR0.01 23.465.242.23171.4394465 34.346.332.79931.80554856 44.97.033.16052.0385225 根据表 3 中各参数与表 4 相应最小显著极差比较， 结果表明， 5055区间花生失水量极显著于 4045， 3540下的花生失水量；显著好于 4550间的花生 失水量。 （2）不同干燥功率下的花生平均失水量的比较见表 5。 表 5不同干燥功率因素花生的平均失水量比较表 Table 5Comparison of peanut average water lost under different drying power 功率因素/ Wg- 1) 平均数.jx.99.2 j x.100.9 j x 1.20101.32.1*0.4 2.36100.91.7 3.5299.2 对于两因素单个观测值试验资料求得最小显著极 差，q 值与 LSR 值列于见表 6。 表 6功率因素的 q 值13- 14与 LSR 值表 Table 6The q value and LSR value of power factor Dfe秩次距q0.05q0.01LSR0.05LSR0.01 23.465.241.93762.9344 6 34.346.332.43043.5448 将表 5 与表 6 相应最小显著极差比较，多重结果表 明，1.20W/g 功率因素下干燥的花生失水量显著于 2.36、 3.52W/g，而 2.36 与 3.52W/g 干燥功率下花生失水量差 异不显著。 由方差分析得出，当功率因素在 1.20W/g、温度区间 为 5055的下，花生的失水量较为显著；但是花生实 际干燥后的在 1.20W/g 和温度在 5055下，会出现轻 微焦黄现象； 在功率因素为 1.20W/g、温度区间为 45 50的条件下干燥后，花生能保持原有的色泽。探讨其 中原因，是因为当功率因素在 1.20W/g 下，即使常规微 波干燥最高温度也不会超过 50，所以在 5055下相 当于是连续干燥，干燥速率是持续增大，而在 4550 区间，由于干燥过程是间隙的，干燥速率在一定范围内 波动，能保持花生的品质，这与前面的分析完全一致。 3结论 1）试验证明，常规微波干燥由于微波连续工作，微 波集中的中心部分干燥效果明显，作物容易产生焦糊现 象，干燥不均匀，很难保证作物的干燥品质。控温微波 干燥通过控制干燥过程中的温度，能够有效保证花生在 适宜的温度范围内控温干燥，而且微波间断工作，花生 受热干燥均匀，含水率可以达到入库要求，干燥品质高。 2）在控温微波干燥中，不同温度区间与不同功率因 素对花生干燥失水量影响显著。 3）而在控温微波干燥过程中花生干燥品质最好是微 波功率为 1.2W/g，温度为 4550的工作条件。 参考文献 1蒋德云，德泉，杰敏. 微波干燥粮食的研究J. 粮油食品 增刊 2陈霖：基于控温的花生微波干燥工艺271 科技，2006，14(2)：12 13. 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