（农产品加工及贮藏工程专业论文）板栗微波脱壳机理及加工工艺研究.pdf

板栗微波脱壳机理及加工工艺研究 摘要 板栗营养丰富，是我国特有的优良干果和重要的出口创汇产品。目前，我 国的板栗生产仍处于初级加工阶段，板栗加工技术相对落后，鲜栗贱卖和腐烂 问题仍很突出。发展板栗加工业，可丰富产品市场，促进产业升级，有着很大 的市场潜力，可获得良好的社会经济效益。 微波技术作为项高新技术，近年来在食品工程研究与应用方面得到了较 快发展，应用范围不断扩展。目前应用微波能进行食品干燥、杀菌、解冻等技 术已实现工业化，但在板栗加工应用方面，尚未见国内外文献报道。 本研究将微波技术引入板栗脱壳过程，探索板栗微波脱壳的机理与技术可 行性，以期找到一种有效的板栗脱壳去衣方法。研究结果表明：利用微波技术 可实现对板栗的一次性脱壳去衣，加工工艺可分为切口与末切口两种。对于切 口板栗来说，其较佳的微波脱壳工艺条件为：挑选板栗一称重分级一2 n a c i 溶液浸泡7h 一切口一微波能连续处理( 满功率7 5 0w ) 一分离壳衣、仁一 栗仁。而且，此工艺有着较强的适应性，可适用不同重量板栗的微波脱壳加工。 未切口板栗较佳的微波爆壳工艺条件为：板栗挑选一称重分级一9 0 预热 干燥1 5m i n 一微波脉冲处理( 平均功率4 9 5w ) 一爆裂板栗一分离壳衣、仁 一栗仁。必须注意：板栗重量不同，其微波脱壳效果有很大差别。微波对栗 仁品质会产生影响，利于保护栗仁中含有的v c ，且具有较强的对p o d 酶的钝化 能力，对淀粉晶体结构破坏程度很小。 关键词：微波板栗作用机理加工工艺 s t u d yo nt h em e c h a n i s mo fm i c r o w a v es h e l l i n go f c h i n e s ec h e s t n u ta n di t sp r o c e s s i n gt e c h n i q u e a b s t r a e t s c h i n e s ec h e s t n u ti sas p e c i a lk i n do fd r i e df r u i ti nc h i n a 、h i g hq u a l i t ya n dr i c h i nn u t r i t i o n ，a n di st h ei m p o r t a n te x p o r tp r o d u c t sa sw e l l a tp r e s e n t ，t h ec h i n e s e c h e s t n u tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sn o ta d v a n c e d ，s t i l li nt h ep r i m a r ys t a g e ，a n di s p l a g u e db ys o m em a j o rp r o b l e m ss u c ha sl o w e rs e l l i n gp r i c e so ff r e s hp r o d u c t s a n de a s yt od e c a y t h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ec h e s t n u tp r o c e s s i n gi n d u s t r ym a y c o n t r i b u t et ot h ep r o s p e r i t yo fp r o d u c t sm a r k e ta n dt h eu p g r a d i n go fi n d u s t r y ， w h i c hp o s s e s s e sag r e a tm a r k e tp o t e n t i a l a n di e a d st ob e t t e rs o c i a la n de c o n o m i c b e n e f i t s n o w a d a y s ，m i c r o w a v et e c h n o l o g y ，a sak i n do fh i g ha n dn e wt e c h n o l o g y ，h a s b e e nr a p i d l yd e v e l o p e di nf o o de n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，a n d c o n t i n u e st ob ef o u n daw i d e ru t i l i z a t i o n f o rt h em o m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no f m i c r o w a v et e c h n o l o g yh a sb e e ni n d u s t r i a l i z e di ns u c h f o o de n g i n e e r i n g sa s d r y i n g ，s t e r i l i z i n ga n du n f r e e z i n g ，e t c h o w e v e r ，t h e r ei sn or e p o r ty e ta b o u ti t s a p p l i c a t i o ni nc h i n e s ec h e s t n u tp r o c e s s i n gb o t ha th o m ea n da b r o a d i nt h i ss t u d y m i c r o w a v et e c h n o l o g yw a sj n t r o d u c e di n t ot h es h e l l i n go f c h i n e s ec h e s t n u t a n dt h em e c h a n i s mo fm i c r o w a v e c r a c k i n ga n d i t s t e c h n o l o g i c a lf e a s i b i l i t yw e r er e s e a r c h e dw i t hi n t e n tt of i n da ne f f i c i e n tw a yt o c r a c kt h es h e l la n dr e m o v et h eh u l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h e l l i n ga n dh u l i r e m o v i n go fc h i n e s ec h e s t n u tc o u l db ea c h i e v e db yo n em i c r o w a v ep r o c e s s i n g t h ep r o c e s s i n gm e t h o d sw e r ec o m p o s e do ft h et r e a t m e n to fc u tc h e s t n u ta n dt h a t o fu n c u to n e t h eb e t t e rm i c r o w a v es h e l l i n gm e t h o df o rt h ec u tc h e s t n u tw a s s h o w e da sf o l l o w s ：c h o o s i n g w e i g h i n ga n dc l a s s i f y i n g d i p p i n gi n2 n a c l s o l u t i o nf o r7h o u r s _ c u t t i n g - c o n t i n u a l l yp r o c e s s i n gb ym i c r o w a v e ( f u l l p o w e r7 5 0w ) _ s e p a r a t i n gk e r n e lf r o ms h e l la n dh u l l - c h e s t n u tk e r n e l t h i s m e t h o dh a sas t r o n ga p p l i c a b i l i t y ，a n dc a nb eu t i l i z e di nm i c r o w a v es h e l l i n go f c h e s t n u t so fd i f f e r e n tw e i g h t s w h i l et h eb e t t e rm i c r o w a v ec r a c k i n gm e t h o df o r u n c u tc h e s t n u tw a sa s f o l l o w s ：c h o o s i n g 4w e i g h i n ga n dc l a s s i f y i n g + p r e h e a t i n ga n dd r y i n g ( 9 0 c ，l5 m i n ) p u l s i n gt r e a t m e n tb ym i c r o w a v e ( a v e r a g e p o w e r4 9 5 w 、_ c r a c k i n g 。s e p a r a t i n gk e r n e lf r o ms h e l la n dh u l l 。c h e s t n u t k e r n e l i ts h o u l db en o t i c e dt h a td i f i e r e n te f f e t so fm i c r o w a v es h e l l i n gw e r e e v i d e n t l yo b s e r v e da c c o r d i n gt ov a r i o u sw e i g h t so fc h e s t n u t s m i c r o w a v ec o u l d i m p o s es o m ee f f e c t so nt h et r a i t so fc h e s t n u tk e r n e l ，s u c h a sp r o t e c t i n gt h e v i t a m i nci ni t a n do b v i o u s l yi n a c t i v a t ep o de n z y m e b u tt h em a r k e d d e s t r u c t i o no fs t r u c t u r eo fs t a r c hc r y s t a lw a sh a r d l yf o u n d k e y w o r d s ：m i c r o w a v e c h i n e s ec h e s t n u tm e c h a n i s mo ff u n c t i o n p r o c e s s i n gt e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金自王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字 签字日期：土叼牛年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王、业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 照王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 纭韵 导师签名 跏暇 l 签字日期：如矸年j 月厂日签字日期移田辟多月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在导师陈从贵副教授的悉心指导下完成的。在这近三年的学习生 活中，导师耐心的将我从一名跨专业的学生培养成为一名进入食品工私! 研究领 域的研究生。导师豁达的胸怀、正直的品格、严谨的治学态度和广博的知识给 我留下了深刻的印象，值得我学习! 在此，向我的导师表示衷心的感谢! 在论文进行当中，得到了王武老师、实验室老师以及何竟曼同学的热心帮 助，向他们表示感谢! 作者：张莉 2 0 0 4 年6 月 第一章绪论 板栗，俗称栗子，又名瑰栗、毛栗、风栗，是我国特产，索有“干果之王” 的美誉【”，在国外它还被称为“人参果”1 2 j 。名医别录将其列为上品i j j 。 南梁陶弘景说其能“益气，厚肠胃，补肾气”【4j 。本草纲目则称其有“治 肾虚，腰脚无力，以袋盛生栗悬干，每日吃十余颗，次吃猪肾粥助之，久必强 健”陋】。图经本草亦载：“果中栗最有益，治腰脚，宜生食之。”1 6j 历代 著名中医都认为栗子味甘性温，无毒，及脾、胃、肾三经，能补脾健肾、补肾 强筋、活血止血，适用脾胃虚寒引起的慢性腹泻、肾虚所致的腰酸膝软、腰肢 不遂以及金疮、折伤肿痛等症。据科学实验证实，板栗的营养丰富，果实中含 糖、淀粉等碳水化合物4 0 ，氨基酸和蛋白质6 1 0 。此外，还含有钙、磷、 铁和多种维生素，特别是维生素侠b 和胡萝b 素的含量较般干果都高。板 栗也含有脂肪，但含量极低，仅l 左右，而且不含胆固醇，符合现代生活所 需求的营养结构。在1 9 9 2 年召开的第一届世界栗业大会上，板栗被誉为高热 量、低脂肪、高蛋白质、不含胆固醇的健康食品【7 j 。 全世界栗属植物约有1 2 种，作为经济栽培的有中国板栗、日本粟、欧洲 栗和美洲栗四种【8 1 。中国栗则主要在我国。我国是栗树的原产地之一，已有3 0 0 0 多年的栽培历史。我国的板栗多种植在山坡、丘陵、瘠地、沙荒、河滩地上。 由于它营养丰富、味道好、产量高、用途广、适应性强，所以板栗栽培分布极 为广泛，产地纵贯祖国大地，北起吉林省辑安南部，南至北回归线以北的海南 省，西起雅鲁藏布江河谷甘肃、陕西，东至沿海各省，遍布全国2 6 个省p j 。 i 1 板栗资源与生产加工现状 1 1 1 板栗的资源与生产现状 板栗是我国重要的山区经济林之一。随着近几年板栗种植面积的快速增加， 产量也随之逐年增加。目前，我国板栗种植面积在6 6 7 万h m 以上，比1 9 9 5 年增加7 7 倍。我国板栗产量在经过1 9 8 0 年到1 9 9 3 年间的缓慢增长阶段后， 1 9 9 4 年开始以年平均超过6 万吨的速度呈爆炸性增长，产量从1 9 9 3 年的1 6 万吨猛增到2 0 0 0 年的6 0 万吨，占当年世界板栗总产量的近6 0 ，产量已稳居 世界之首【1 0 】。但是，我国人均板栗消费量仍然很低，距国际消费水平相差很大。 我国的板栗市场仍有较大缺口。 近几年来，随着我国板栗市场的供应形势越来越好，板栗出口贸易量也随 之增大，成为我国板栗生产与销售的二大特点。我国板栗坚果品质优良、植株 抗逆性强，品质屠世界食用栗之冠，在国际市场上享有盛誉，是重要的出口创 汇物资和内销的高档果品。板栗出口多是带壳鲜销。我国每年板栗出口日本约 3 万吨，出口到中国香港、马来西亚、新加坡的销售量更高，并呈逐年增加趋 势【1 1 1 。 1 1 2 板栗的加工现状 世界板栗加工历史悠久，其加工业尤以欧洲最为发达。意大利、法国、西 班牙等国每年生产大量品种繁多的栗加工品，供应国内外市场。在国外，板栗 的消费方式呈多样化，如欧洲的粟子多加工成栗泥、栗乳、罐头、蜜饯、果汁 等，亚洲许多国家也多将其) j n t 成栗汁、栗粉、栗冰淇淋、盐水栗肉等。 我国板栗利用的历史十分悠久。早在6 0 0 0 年前，我们的祖先就以采集野生 板栗作为食物的补给。约2 3 0 0 年前，板栗已被列为名果f i2 1 。但是，我国板栗 的加工业如今尚属起步阶段，加工品种少，产品质量不高，不能满足人们日益 增长的消费需求。我国市场出售的板栗主要是以鲜食为主。最常见的消费方式 是糖炒板栗、肉烧板栗，传统名菜为子鸡烧板栗。我国消费方式与板栗加工同 世界发达国家相比尚有一定的差距。 板栗在开花结果和采收去苞过程中，不可避免的会感染微生物，从而导致 板栗极易腐烂变质，不耐贮藏。我国板栗每年因霉烂、虫害、失水和发芽而造 成的损失达总产量的2 0 3 0 ，原料资源浪费极大【1 3 】。另外，我国每年板栗 加工制品还不到总产量的3 0 ，加工方式单一，并且有些加工产品多是低水平 的重复，不能适应现代市场的需要，因此影响了板栗市场的发展，进而影响了 板栗产业的发展。所以，板栗行业急需进一步研究开发新产品，向着多样化、 方便快捷、美味优质方向发展，并努力开拓国内、国际市场，以谋求规模化发 展。 在板栗加工行业中，深加工产品均要对板栗进行脱壳去衣。板栗的脱壳去 衣是其加工过程中的技术瓶颈，已成为发展板栗深加工的制约因素。因此，研 究与发展板栗脱壳去衣方法，对提高板栗加工的生产效率，推动板栗加工业的 技术进步具有重要意义。 1 1 3 板栗的脱壳去衣方法3 卜【】 板栗脱壳的方法最早是手工脱壳法，这种方法效率低下，且不卫生，并对 栗仁有较大的伤害，使其容易变质，不能适应大规模工业生产。随着化学工业 的逐步发展，出现了化学式脱壳法。这种方法可获得较高的整仁率，但需添加 一些限制性的化学成分，如碱等，这些添加物会导致产品具有异味异质，影响 成品品质与风味。二十世纪8 0 年代，随着板栗产量的增大，国内外均研制出 各种各样较为先进的板栗脱壳技术。 2 一 目前，国外的板栗脱壳方法主要有火烧法和碾滚压法。其中，火烧法是先 用液化气火焰在高温下将板栗外壳烧掉，然后对来烧尽的板栗进行挤压刮皮， 使板栗的仁、衣分开，再将挤压刮皮后的壳、衣、仁混合物一起通过分离器， 把栗仁分离出来；最后，将分离出的栗仁进行碾磨、清洗，得到清洁的栗仁。 这种方法脱壳率很高，但燃烧温度难以控刳，很容易佼板栗熟化，甚至焦化， 故必须将处理后的粟仁的表面磨去，以获得干净整洁的外表，因此有一定程度 的栗仁损耗。碾滚压法是采用不加热干燥的常温机械剥壳原理，利用高速旋转 辊刀和高速击打钢片打掉板栗外壳，再通过高压气流分离壳、仁，最后采用高 压蒸汽快速旋转脱去红衣的专门去衣装置。这种方法剥壳率较高，栗仁破碎率 较小，但红衣去净率较低，需二次去衣，因此工作效率不高。 我国公开的板栗脱壳技术主要有蒸汽压差式和机械式脱壳法两种。前者由 于采用了蒸汽，易使栗仁熟化，从而会影响后加工产品的品质，尤其是要求生 加工的产品。后者是将经过切割的板栗进行干燥，使得板栗易于脱去壳衣，最 后对栗仁的表面进行处理与护色。这种方法较为成熟，目前已有厂家应用。但 这种技术采用的设备配置较多，设备成本较高，且整仁率不太理想，故其综合 经济效益不十分明显。近几年，科研人员一直在致力于开发新的脱壳技术，若 已开发出真空爆壳法等新技术，虽提高了制品品质，但生产效率仍不理想。新 近研究出的气体射流冲击技术，是利用具有一定压力的加热气体，通过一定形 状的喷嘴喷出后，直接冲击板栗破壳的一种方法。其破壳工艺流程为：新鲜或 冷藏板栗一机械或人工划口一气体射流冲击处理( 1 8 0 c ，约4 m i n ) 一机械或 人工剥壳。此方法虽然解决了板栗壳衣一次脱除的问题，但是在此加工工艺条 件下，栗仁极易熟化，从而限制了板栗的成品种类。探索与开发颏的脱壳技术 已成为板栗加工技术人员的重要研究课题。 微波技术作为一门高新实用技术，在食品加工应用方面具有广阔的前景。 它具有加热迅速均匀，便于控制，营养成分损失少，安全卫生无污染，高效节 能等优点。尝试将微波技术引入板栗脱壳去衣加工过程，以期为解决板栗脱壳 问题提供一种新的研发思路。 1 2 微波技术的概述 微波是一种电磁波。微波包括的波长范围没有明确的界限，一般是指分米 波、厘米波和毫米波三个波段，也就是波长为l m m l m 左右的电磁波。由于 微波的频率很高，所以也叫超高频电磁波l l 。 微波技术在食品工业中的应用始于2 0 世纪4 0 年代中期。在这之前，法拉 第于1 8 3 2 年假定了电磁场的存在。随后，j a m e sc 1 e r km e x u e l 以法拉第的电 磁场假说为研究对象，从理论上预测到了微波的存在和特性。后来，h e i n r i c h 等发现微波的唯一效应是“热效应”。实质上，微波技术是在二次世界大战后 才得到认识的，它是伴随着雷达技术出现的。1 9 4 5 年，美国人s p e n c e r p l 申 请了微波加热技术的第一个专利。1 9 4 6 年，微波技术首次应用于食品加工。1 9 5 5 年，美国泰潘( t a p p a n ) 公司向市场推出了第一台微波炉。我国从8 0 年代初 开始生产微波炉，到目前为止，已有家用微波炉、工业微波炉等系列产品【2 叭。 1 2 1 微波的加热原理 自然界中的物质是由大量的两端带正、负电荷的分子组成。在自然状态下， 介质内的偶极子作杂乱无章的运动和排列。当物质处于高频电场( 微波场) 中， 其内部的偶极子就会重新排列，即带正电荷的一端趋向电场负极，带负电荷的 一端趋向电场正极。当电场的方向发生转变时，介质中极性分子的取向也随之 变化。在此转变过程中，偶相分子作高频的振荡运动，并伴随着摩擦作用，使 极性分子获得能量，并以热量形式表现出来，介质的温度也随之升高。微波频 段电磁场频率高达1 0 8 数量级，所以极化过程中产生的摩擦效果，也表现地极 为强烈，因而产生热量的速率也极为迅速。这种加热效应又称介电感应加热效 应【2 1 1 。 1 2 2 微波的特性 1 2 2 1 选择性加热 物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的 物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也 弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点a 物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质 损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常 数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量 的多少对微波加热效果影响很大。 1 2 2 2 穿透性 微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因 此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高， 使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规 加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时， 物料内外加热均匀一致。 1 2 2 3 熟惯性小 微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功 率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于 自动控制和连续化生产的需要。 1 2 3 微波的加热优点 微波自身的特性决定了微波具有以下优点： ( 1 ) 加热迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过 热。 ( 2 ) 加热质量高，营养破坏少，能最大限度的保持食物的色、香、味，减 少食物中维生索的破坏。 ( 3 ) 安全卫生无污染，对食品的杀菌能力强。因为微波能是控制在金属制 成的加热室内和波导管中工作所以微波泄露被有效的抑制，没有放射线危害 及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境。微 波杀菌除了热效应之外还有生物效应，许多病菌在微波加热不到1 0 0 。c 时就全 部被杀死。 ( 4 ) 节能高效。由于含有水分的物质极易直接吸收微波而发热，没有经过 其他中间转换环节，因此除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。比一般常规加 热省电约3 0 5 0 。 ( 5 ) 具有快速解冻功能。在微波场中，冻结食品在从内到外同时吸收微波 能量，使冻结食品整体发热，容易形成整体均一的解冻，缩短解冻时间，迅速 越过一5 c o 这个易发生蛋白质变性、食品变色变味的温度带，以保持食品 的品质不致下降。 1 3 本课题主要研究内容及意义 本课题基于目前我国板栗加工中存在的瓶颈问题，以及微波技术的加工特 点，拟将微波技术引入板栗脱壳去衣的生产过程，将侧重从以下几个方面进行 探索性研究： ( 1 ) 探讨板栗微波脱壳去衣的机理。侧重从微波对板栗壳衣结构的影响、 微波辐射前后板栗栗仁淀粉分子的体积变化、板栗表面预设集中性应力、板 栗中水分与离子含量、微波辐射强度六个方面开展研究。 ( 2 ) 依据脱壳后栗仁的使用功能，设置不同的微波加工工艺路线，并优 选出合适的工艺条件。 ( 3 ) 观测微波加工对栗仁品质的影响。 通过本课题研究，以期解决长期困扰板栗加工中存在的脱壳难问题，可简 化操作工序，一次性脱除板栗壳衣，提高工作效率，促进板栗加工业的规模化 生产：并可为解决板栗脱壳问题提供一种新的研发思路。 第二章微波脱壳去衣的机理研究 关于微波对板栗的影响，目前未见国内外的资料报道。微波加热是将被加 工物料的自身作为发热体，微波可以瞬间深入到物料内部，使物料内外同时受 热，从而不需要热传导过程，所以温升极快，大大缩短了加热时间。但是快速 加热会造成产品的过渡膨胀甚至爆炸【2 ”。食品的微波膨化正是利用了微波快速 加热的特点。尤其对爆裂玉米的应用更为广泛。微波爆裂玉米的原理主要是在 玉米子粒内部形成高压水汽。子粒果皮的致密结构是其内部形成高压的重要保 证；子粒含有的水分是内部产生高压水汽的物质基础：微波的加热温度则是导 致产生高压水汽的外部动力【2 ”。这三个因素直接影响着玉米的爆裂效果。板栗 是由外壳、内衣和栗仁三部分组成的。其壳衣结构致密，栗仁含有一定量的水 分，具备了微波膨化的条件。由此想到，板栗的微波脱壳去衣过程是否符合膨 胀一爆裂一脱壳去衣的机制，值得探索。 本研究依据微波膨化玉米的机理，从板栗壳衣组织结构、板栗膨胀特性、 预设集中性应力、板栗水分含量、离子效应及微波加热强度六个方面，试验探 讨微波脱壳去衣的机理，以期对工艺研究提供理论支持。 2 i 微波对栗壳、栗衣组织结构的影响 在满功率( 7 5 0 w ) 微波作用下，对板栗进行爆兜。用扫描电镜进行观察，对 比微波作用前后的板栗壳、衣的变化。微波作用前后的板栗外壳分别见图2 一i 、 图2 - - 2 ，板栗内衣分别见图2 3 、图2 4 。 2 1 1 微波对栗壳的影响 图2 一l未处理的板栗外壳( 1 0 0 0 ) 6 图2 2微波( 7 5 0 w ) 处理后的板栗外壳( 1 0 0 0 ) 对比图2 1 和2 2 可以看出，在微波处理前后，板栗外壳发生了变化。 未经微波处理的板栗外壳结构规则，存在较小的孔洞：经过微波处理后，其表 面出现很多壳的小碎片，栗壳变薄。 板栗外壳呈纤维状结构，其巾含有木质素、纤维素和占干重约2 2 的色 素物质1 2 。在微波作用下，其外壳含有的纤维素等长碳链碳水化合物容易被切 断【2 “，从而使粟壳的机械强度降低，脆性增加。另一方面，在微波作用下产生 的水蒸气以一定压力从栗壳中逸出时，也会加剧栗壳表面的破坏程度。 2 1 _ 2 微波对栗衣的影响 图2 3未处理的板栗内衣( 1 0 0 0 ) 图2 4微波( 7 5 0 w ) 处理后的板栗内衣( x1 0 0 0 ) 观察图2 3 和2 4 ，可以看出未经处理的内衣结构相对致密，有一定的 厚度。经过微波处理后，内衣孔洞直径大大增加，结构变得疏松。 究其原因，可能是因为栗仁含有的水分吸收微波能后汽化，在栗仁内部形 成一定的蒸汽压力。且随着微波处理时间的延长，栗仁内部积聚的蒸汽压力随 之升高，从而在栗仁内外压力差的推动下，迫使水蒸汽向栗仁表层迁移，甚至 逸出板栗。栗仁内部压力越高，蒸汽迁移速率越大，对栗衣的破坏作用越强， 形成的内衣孔洞直径也越大。同时，也会对仁、衣产生分离作用。 2 2 微波对体积膨胀性的影响 栗壳与栗仁体积变化的对应关系，对栗壳破坏性会产生不同的影响。仁膨 胀而壳衣收缩，则仁的膨胀性对壳衣的破坏能力强；仁的膨胀性超过壳的膨胀 性，或壳的收缩性超过仁的收缩性，则存在潜在的破坏性；而壳膨胀且仁收缩， 则体积变化对壳无破坏性。因此，通过试验检测壳、仁的体积变化，可以判别 板栗壳、仁体积变化对脱壳去衣的影响作用。 2 2 1 微波对栗仁淀粉分子体积膨胀性的影响 分别用组织捣碎机加工两个栗仁，其中一个经微波( 7 5 0 w ) 爆壳。将加_ 后 的栗仁取出，在3 0 c 时烘干。研磨干燥后的栗粉，直至全部通过1 0 0 目筛子。 用扫描电镜进行观察，对比微波作用前后的栗仁淀粉分子体积变化。见图2 5 和2 6 。 图2 5未处理的板栗淀粉分子( x1 0 0 0 ) 图2 6 微波( 7 5 0 w ) 处理后的板栗淀粉分子( x 1 0 0 0 ) 比较图2 5 和2 6 可发现，仅有极个别的淀粉分子体积增大，绝大部分 的淀粉分子体积没有发生变化。 完全干燥的淀粉很少吸收微波，但是，在正常存在条件下，淀粉都含有水 分，因此微波对淀粉是有一定作用的。在微波加工过程中，淀粉粒会吸水溶涨， 吸足水的淀粉粒会破裂，产生与常规加热相同的糊化效果 2 6 1 。 板栗淀粉的糊化温度较低，大约为5 5 5 6 3 5 2 7 1 。板栗经微波作用时， 其含有的水分迅速汽化。由于水蒸气不断向粟仁外表面迁移，且不能立即逸出 栗壳，从而在板栗内衣与栗仁之间存留的水蒸气较多。因此，水分子更容易侵 入栗仁外层的淀粉内部，使其体积扩大膨润，甚至达数十倍。当达到糊化温度 时，则淀粉粒的形态完全崩溃而成为半透明的胶质状态1 2 “。这一点也可由试验 结果证实：经过微波的处理，部分栗仁的最外层呈现半透明状，表明栗仁的外 层淀粉发生了糊化。但是栗仁内部没有出现这种现象。 2 2 2 微波对板栗、栗仁体积的影响 分别同时测量两个板栗栗仁在微波( 7 5 0 w ) 作用前后的体积，加热时间为 1 5 s 。加热后的样品需冷却至室温再测量。每次读数时，读取三次，取其平均 值。结果见图2 7 。 图2 7 微波对体积的影响 从图2 7 中可以看出，在微波的作用下，板栗、栗仁的体积均变小，减 小程度相同，但幅度不大。 栗仁含有的主要成分是水和淀粉，本试验所用板栗的含水量高达5 0 。因 为淀粉的介电常数较小，吸收微波能力较弱，所以在微波加热过程中，微波能 主要是被栗仁含有的水分吸收。由试验2 2 1 可知，在板栗爆裂过程中，只有 极少数淀粉颗粒吸水膨胀，体积增大，即大部分的水分汽化后未与淀粉结合， 而是独立存在于粟壳内或从板栗中逸出。由于个别淀粉颗粒的体积增大不会影 响栗仁整体体积，则栗仁体积缩小主要是因其失去水分造成的。板栗外壳富含 纤维，经微波作用后，其体积缩小，有可能是其中的纤维受热失去水分，发生 了收缩。 2 3 预设集中性应力对板栗微波脱壳去衣的影响 根据材料力学原理，若结构材料中存在应力集中时，在加载条件下，容易 一j o 在应力集中处发生进一步的破坏作用，从而破坏整个结构。那么，对于板栗脱 壳去衣而言，预设集中性应力能否促进板栗微波脱壳去衣的效果呢? 为此，预 设一个集中性应力，以比较微波脱壳去衣的效果。 挑取2 0 个板栗( 个体样本重量为13 1 4 9 个) ，等分为两组。一组直接用 于微波处理，作为对照组。另一组板栗沿其背部中轴处，纵向切口( 下同) 。每 次微波作用一个板栗，输出功率7 5 0 w ( 下同) 。结果见图2 8 。 图2 8 预设集中性应力对板栗爆壳率的影响 从图2 8 中可以看出，切口板栗的爆壳率远远高于未切口的爆壳率。 板栗外壳被切开后，切口处纤维断裂。栗仁受热产生的蒸汽在切口处受到 的阻力较小，易从切口处逸出。在满功率微波作用下，微波是连续输出的，板 栗一直处于被加热状态，栗仁含有的水分不断汽化。由于微波加热的迅速性， 蒸汽生成速率大于其逸出速率，所以栗壳内部可积聚蒸汽压力。随着微波加热 时间的延长，蒸汽压力越来越大，促使蒸汽逸出速率增大，在切口处蒸汽产生 的冲击力也加大，导致粟壳开裂。由于栗壳切口处强度已降低，易于裂开，因 此板栗爆壳率大大提高。 2 4 板栗的水分含量对微波脱壳去衣的作用 水分含量对原料吸收微波能量有重要的影响。一般的，原料中的水分含量 越高，介电常数也越大，因而也就越容易被加热【2 引。所以板栗含水量的高低会 影响其最终吸收微波能量的多少，从而有可能影响板栗的爆壳效果。 选取4 0 个板栗( 个体样本重量为1 2 1 3 9 个) ，平均分为四组。两组未切 口板栗中的一组直接用微波炉加热，作为对照组；另一组通过预热( 1 0 0 ) 使 其水分减至3 0 ，取出后逐个放入微波炉中加热。其余两组板栗中的一组先切 口，再用微波加热：另一组同样预热( 【0 0 ) 至水分含量为3 0 ，取出后切口， 最后用微波处理。结果如图2 9 所示。 图2 9 水分含量对爆壳率的影响 从图2 9 中可以看出，对于未切口板栗来说，水分含量的减少有利于提 高板栗的爆壳率，而对于切口板栗，结果与之相反。 板栗有木质化的外壳和膜状的内皮，其结构组织致密。在微波加热过程中， 对于栗仁来说，其未切口的壳衣相当于一个密闭小室，能够抑制板栗内部的水 蒸气立即逸出。板栗在预热过程中，其由表及里的受热温度是从高到低，即板 栗外壳的受热温度最高。所以板栗外壳最先失水，且持续时间最长。板栗含有 的纤维成分有可能因失水而脆化，导致承压能力减弱。因此，板栗壳衣在较小 的蒸汽压力下即可爆裂，因此水分含量少的板栗更加容易爆裂。 对于切口板栗来说，栗仁受热生成的蒸汽易从切口处逸出。只有当蒸汽生 成速率大于其逸出速率时，才会在板栗内部形成蒸汽压力。并且此差值越大， 板栗内部积聚的蒸汽压力越大。在微波加热过程中，板栗的水分含量减少，必 然会影响其吸收微波能量的多与少，从而影响板栗自身温度的上升速度，最终 削弱水分的汽化速度。因此，在水分含量低的板栗内部，蒸汽生成速率与其逸 出速率之差低于水分含量高的板栗的。所以在水分含量低的板栗内部形成的蒸 汽压力相对较小，从而导致爆壳率降低。 2 5 离子效应对板栗微波脱壳去衣的影响 在微波场中，正、负离子对微波能也有强烈的吸收作用。这对加了盐的物 料特别重要 3 0 t 。食盐的介电常数比水大，若添加到板栗当中，能够提高板栗的 介电常数，从而大大增强其吸收微波的能力。因此，提高板栗的盐含量有可能 影响板栗的爆壳效果。 选取4 0 个板栗( 个体样本重量为1 2 1 3 9 个) ，等量分为四组。两组未切 口板栗中的一组直接用微波炉加热；另一组在3 的n a c l 溶液中浸泡1 小时， 同时取出后逐个在微波炉中加热。两组切口板栗中的一组先切口，再用微波炉 1 2 加热；另一组同样在3 的n a c l 溶液中浸泡1 小时，取出后切口，再逐个放入 微波炉中处理。结果见图2 1 0 。 图2 1 0离子效应对爆壳率的影响 由图中可见，增加板栗的盐含量后，未切口板栗的爆壳率没有改变，但是 切口板栗的爆壳率提高了。 板栗外壳富含纤维，在强极性的n a c l 溶液中浸泡1 小时，其外壳因吸收 水分而被软化，同时会吸附一定量的盐离子。因为栗壳结构致密，所以水分不 容易渗透到栗仁。浸泡后的板栗在微波的作用下，由于其含盐量增加，吸收微 波能的速率增加，温度迅速上升口0 1 。在微波加热过程中，水分在向栗壳表面迁 移时，盐离子也随之向栗壳表面迁移。当溶液到达栗壳表面，水分汽化逸出， 食盐溶质的浓度增加。在干燥速度较快时，脱水的食盐溶质在栗壳表面结晶析 出，堆积在表面，甚至堵塞毛细孔1 3 1 1 ，导致粟壳的厚度增加。在试验现象中可 以发现，浸泡的板栗经微波作用后，其外壳表面留有白色的痕迹，这表明食盐 最终堆积在了栗壳表面。此时必须提高栗壳内部的蒸汽压力才能将板栗爆裂。 然而浸泡未能提高栗仁的含水量，所以爆壳动力没有增加，爆壳率没有改变。 对于切口板栗来说，其外壳的厚度同样增加了，但是有利于阻止板栗内部 蒸汽的逸出，使得蒸汽生成速率与逸出速率的差值增大，能够有效增大板栗内 部形成的蒸汽压力，因此含盐量高的切口板栗爆壳率增加。 2 6 微波强度对板栗微波脱壳去衣的影响 微波输出功率的大小表示在单位时间内微波做功的多少。在满功率输出的 情况下，微波不间歇作用。对于非满功率输出的微波，微波间歇发生作用，即 在单位时间内微波作功时间的长短不相一致，输出功率越大则傲功时间越长。 若较小的微波输出功率对板栗的爆壳效果会产生较好的影响，则可以节约生产 成本，有益于企业提高经济效益。 挑取重量为15 1 6 9 个的板栗4 0 个，均分为四组。其中的两组板栗未切 一1 3 口，对应的微波输出功率分别为7 5 0 w 和4 9 5 w 。另两组切口板栗加工方法同上。 结果见图2 一1 1 。 图2 1 1 微波强度对爆壳率的影响 从图中可见，对于未切口板栗来说，小微波功率可提高其爆壳率，由l o 上升到4 0 ，爆壳率提高了3 0 ；但对于切口板栗来说，爆壳率降低，由1 0 0 下降到6 0 ，幅度较大。由此可见，小微波功率对未切口板栗有利，对切口 板栗不利。 在大微波功率作用下，由于微波一直处于输出状态，所以板栗不问断的受 热，其含有的水分能够不停的汽化、蒸发。而在小微波功率作用下，板栗只有 在微波做功时，才可以吸收微波能。当微波处于停止状态时，板栗没有热量可 以吸收，则自身含有的水分不能够继续汽化。此时，板栗内部形成蒸汽压力的 速率呈下降趋势。对于未切口板栗来说，当板栗内部逐渐生成较多的水蒸气时， 必然导致从板栗中逸出的蒸汽量增大。在此过程中，穿越板栗壳衣的蒸汽会造 成壳衣软化，脆性降低，不利于未切口板栗爆裂壳衣。在小微波功率的作用下， 板栗产生蒸汽的平均速率降低，有相对较少的蒸汽从板栗中逸出，利于板栗爆 裂壳衣，因此未切口板栗爆壳率提高。对于切口板栗来说，在小微波输出功率 作用下，板栗内部蒸汽生成的平均速率变小，导致形成的蒸汽压力降低。从而 造成板栗壳衣切口处的冲击力强度减弱。在本次试验中，选择的微波输出功率 效率为6 6 ，即在单位时间内微波有3 4 的时间不发生作用，因此使得在此 时间段内栗壳内部产生的蒸汽一直在逸出，蒸汽压力减小。当微波再次发生作 用时栗壳内部的蒸汽压力又会得到提高，经过几次反复，栗仁含有的水分越 来越少，最终导致板栗爆壳的动力减小，栗壳裂口距离变小，所以爆壳率大大 降低了。 2 7 小结 2 4 1 在微波作用前后，栗壳和栗衣结构发生了变化，而且此种变化将有利于 1 4 一 板栗的脱壳去衣。 2 4 2 微波作用下，板栗和栗仁的体积均同步减小。但只有极少数的淀粉分子 发生了糊化、膨胀，并不足以导致栗仁整体体积的增加。 2 4 3 在板栗表面预设集中性应力利于板栗的脱壳去衣。若在待切口板栗中引 入盐离子，则可促进板栗的脱壳去衣。但引入盐离子对未切口板栗的脱壳去衣， 则影响极小。 2 4 4 板栗的含水量对板栗的脱壳去衣有重要影响。适量减少板栗水分含量能 促进未切口板栗的爆裂，但对切口板栗不利。 2 4 5 微波强度对板栗爆壳有影响。间歇式的微波辐射有利于未切口板栗的爆 壳：但连续的微波辐射则有利于切口板栗的脱壳去衣。 一1 5 第三章板栗切口工艺参数的优选 依据第二章微波对板栗脱壳去衣的机理研究内容可知，对板栗壳衣进行切 口可以获得较高的爆壳率，并且有利于保持栗仁的完整。若提高板栗的含盐量， 能够进一步提高板栗的爆壳率。本章主要研究切口板栗的相关工艺条件，以期 获得较好的爆壳效果。 3 1 材料与仪器设备 3 1 1 原料与试剂 安徽产市售板栗，新鲜、饱满、无虫蛀。选择外形一致的板栗，均呈背部 为半圆形、底部为平面的形状。测定板栗的平均含水率为5 4 3 2 1 。 试剂：n a c l ( 分析纯) 3 1 2 仪器与设备 w p 7 5 0 型格兰仕微波炉( 顺德格兰仕电器厂有限公司) 、机械秒表( 上海 秒表厂) 、j p t 一2 型托盘天平、电子天平、2 5 0 m l 容量瓶、小刀、直尺、烧杯。 3 2 试验方法 以板栗的爆壳率、整仁率和平均爆壳时间为指标，采用单因素试验法，对 板栗相关的切口工艺参数进行研究，以期获得较好的爆壳效果。 每次试验板栗重量相差不超过l g ，平均分组。切口时，板栗放置方向均为 壳头( 即板栗外壳中粗糙的部分) 向前。每次微波炉加工一个板栗，位于炉内 转盘中心，且切口向上。若不特殊指明，微波输出功率均为7 5 0 w ( 满功率) 。 板栗的切口方式如图3 1 所示。图中细线部分表示切口。 一1 6 图3 1 板栗的切口方式示意图 注：1 图中板栗切口方向除“中轴横向”与“右侧棱”以外，均为纵向切口 2 切口深度若来作特殊说明，均为不伤及栗仁。 3 3 评价指标 爆壳率= 裂口距离得分试验样本总数x 1 0 0 。( 见表3 1 ) 整仁率= 试验样本中所得完整栗仁的个数试验样本总数x1 0 0 。 平均爆壳时间= 试验样本中个体样本爆壳时间的总和试验样本总数。 裂口距离：用直尺量取板栗壳衣裂口间最大垂直距离，记为裂口距离。 整仁：去掉微波作用后的板栗壳衣，栗仁仍保持一个整体。 爆壳时间：用机械秒表计时。板栗放入微波炉后，以微波开始作用时作为 计时起点。当栗壳开裂时，会发出轻微的“嘭”的开裂声，此时为计时终点。 表3 1 裂口距离得分表 裂口距离 1 0 m m 8 9 m m 8 m m 得分 1 o 5o 3 4 工艺路线 挑选板栗一称重一平均分组一n a c l 溶液浸泡一切口一微波作用一分 离壳衣、仁一栗仁 3 5 结果与讨论 3 5 1 切口位置对板栗脱壳去衣效果的影响 物料的几何形状对微波加热来说是十分重要的。形状越规则，受