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粉状食品的微波干燥及杀菌特性研究 摘要 本文以辣椒粉为代表对粉状食品进行了微波干燥及杀菌特性的研究。 主要从以下几个方面进行了探讨： l 、分别采用热风、微波对物料( 辣椒粉) 进行薄层干燥实验。研究了其干 燥特性，通过对实验数据进行回归分析，得出回归模型，结果表明，p a g e 方程 比其它方程能更好的描述辣椒粉的薄层干燥过程，可以用于指导实际生产。同时， 进一步讨论了辣椒粉在热风干燥条件下的有效扩散系数与活化能，以及微波干燥 条件下的有效扩散系数。 2 、综合热风与微波各自的干燥特点，以及被干燥物料的性质，采用先热风 后微波的组合干燥方式。以热风温度、微波功率、薄层厚度为实验因素，考察了 各个因素对热风微波组合干燥特性的影响。 3 、分别对热风、微波干燥后产品的辣椒素含量、辣椒红色素含量等品质特 性及单位能耗进行了比较研究。研究表明：热风干燥相对于微波干燥，能更好的 保持辣椒素、色泽等营养品质；但由于微波干燥具有快速、高效等特点，能在短 时间内达到干燥要求，微波干燥的单位能耗相比于热风干燥节约了1 1 0 左右。 因此，采用热风微波组合干燥，相对于热风干燥不仅节约了单位能耗，而且在 品质保持方面也明显地优于微波干燥。通过热风微波组合干燥正交试验，确定 了其最佳干燥条件。 4 、考察了不同微波处理条件下辣椒粉的微波杀菌特性。以菌落总数和含水 率为考察指标，采用正交试验确定了的辣椒粉最佳微波杀菌条件，并将其与传统 的干热杀菌效果进行比较，结果表明：微波杀菌效果明显优于干热杀菌。 关键词：辣椒粉，微波干燥，热风干燥，薄层干燥，数学模型，微波杀菌 乏j | t u d y0 nm l c r o w a v ed r v l n ga l l ds t e r l l i z a t l o nc h a r a c t e r l s t l c s j _ o j j o fp o w d e rf o o d a b s t r a c t i n 也i sp a p e r , p a p r i k ap o w d e rw a ss e l e c t e da sp o w d e rf o o dc a t e g o r yf o r l l l i c l o w & v l ，d r y i n ga n ds t e r i l i z a t i o n t h i ss t u d yw a si n v e s t i g a t e dt h em a i na s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 1 1 毙t h i n - l a y e rd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp a p r i k ap o w d e rw e r ei n v e s t i g a t e di n m s l x 彤to fh o ta i rd r y i n ga n dm i c r o w a v ed r y i n g r e g r e s s i o na n a l y s i sw a su s e dt o d e t e r m i n et h ev a l u e si nc o m m o nt h i n - l a y e rm o d e l s t h ea p p l i c a t i o no ft h em o d e l st o d r y i n gd a t aw a st e s t e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tp a g em o d e lg a v et h eb e s tf i tt ot h e e x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hc a nb eu s e d t og u i d et h ep r o d u c t i o np r a c t i c e m o r e a d v a n c e dr e s e a r c hh a v eb e e nd o n et ot h em o i s t m ed i f f u s i v i t yc o n s t a n ta n da c t i v a t i o n 髓唧u n d e rh o ta i rd r y i n g ，a n dt h em o i s t u r ed i f f u s i v i t y u n d e rm i c r o w a v ed r y i n g za c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o w a v ed r y i n g ，h o ta i rd r y i n ga n dt h e r u m p l e , t h i ss t u d yp r e s e n t e daa i r - m i c r o w a v ec o m b i n e dd y i n g ( t h ef i s ts t a g eu s e dh o t i ri n dt h e nu s e dm i c r o w a v ed r y i n g ) o b s e r v e dt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e a i r - m i c a o w a v ec o m b i n e dd y i n gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 3 e f f e c t i v e n e s so fv a r i o u sh o ta i rd r y i n gt r e a t m e n t sw e r ec o m p a r e dt o m i c 氏帅v ed r y i n ga n de s t a b l i s h t h em o s tf a v o r a b l ed r y i n gc o n d i t i o ni nt e r m so f d r y i n gd r i e dp r o d u c tq u a l i t ya n ds p e c i f i cc o n s u m p t i o ne n e r g y q u a l i t yp a r a m e t e r s w e e a p s a i c i n , c o l o r ( a c o o r d i n a t e s ) ，a n dc a p s a n t h i nr e dp i g m e n t o v e r a l l ，t h e n i i c w 撕d r y i n gh a dt h el o w e s ts p e c i f i cc o n s u m p t i o ne n e r g ya m o n gt h ed r y i n g t r e a t m e n t s ，b u ti tr e s u l t e di np o o rq u a l i t yp r o d u c t w h i l ea i rc o m b i n e dm i c r o w a v e d r y m gn o to n l yg a v eg o o dp r o d u c tq u a l i t yc o m p a r a b l et om i c r o w a v ed r y i n gb u ta l s o h a dt h el o w e rs p e c i f i cc o n s u m p t i o ne n e r g yc o m p a r a b l et oh o ta i rd r y i n g t h r o u g ht h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a lr e g r e s s i o ne x p e r i m e n t ，d e t e r m i n e dt h eb e s t t r e a t m e n to fa i rc o m b i n e dm i c r o w a v ed r y i n g 4 s t u d i e sw e r ec a r d e do u tt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o w a v e i l l c d l i 盟t i o n - t h r o u g h t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a n d o r t h o g o n a lr e g r e s s i o n e x i t , d e t e r m i n e dt h eb e s tt r e a t m e n to fm i c r o w a v es t e r i l i z a t i o n c o m p a r i s o n 哪a l s om a d ea g a i n s th e a ts t e r i l i z a t i o n m o r e o v e r , t h ee f f e c to fm i c r o w a v e 确c r i l i z a t i o nw a sb e t t e rt h a nt h eh e a ts t e r i l i z a t i o n k e yw o r d s ：p a p r i k ap o w d e r , m i c r o w a v ed r y i n g ，h o t a i rd r y m g ，t h i n 1 a y e rd r y i n g ， m a t h e m a t i c a lm o d e l ，m i c r o w a v es t e r i l i z a t i o n 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 刭目 日期：知加年；月1 日 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学 位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：周日毛 指导教师签名：砂 日期：如j 口年；月1 1 日日期：力，o 年岁b , o 日 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 粉状食品的概况 第一章前言 随着生活方式的现代化，尤其是收入的增加、生活节奏加快、家庭餐饮的外 部化加速，人们对食品的方便、安全、高品质的追求，促使了各类新型食品的出 现，方便食品已将占我国食品市场大半江山。方便食品是指采用各种加工技术， 如蒸煮、浓缩、挤压、冷冻、干燥、杀菌等手段，部分或完全预加工好的食品【l 】。 这种食品对消费者而言，具有以下特点：( 1 ) 易于携带，食用简便，烹调快捷。 通常，这类食品都按一定规格包装，用餐时，可直接食用或稍事烹调即可，因此， 数分钟内可以用餐；( 2 ) 营养丰富，安全卫生。在加工方便食品过程中，根据人 体热量需求，制定严格的配方，使其营养成分更符合营养学和生理学的要求。在 整个生产过程中，各道工序都进行严格的品质和卫生检查；( 3 ) 生产加工化，加 工机械化。方便食品都按照新的工艺路线，在机械化程度较高的工程规模化生产。 能充分利用原料资源，节约能源，生产效率较高，生产成本较低，商品价格便宜。 因此，在激烈的市场经济中有较强的竞争力；( 4 ) 成品低廉，品质稳定。由于采 用高新技术加工，劳动力大大节约，产量规模化程度，能耗降低，农副产品的综 合利用程度提高。经加工后，食品的容积大为减小，所需仓贮能力降低。而且， 这些方便食品都经严格加工处理和包装，在贮运销售过程中质量相当稳定；( 5 ) 包装严密，防止污染。方便食品通常干制或灭菌，进行冷冻和密封包装，因而可 避免微生物的作用及污染，有利于食品卫生。 方便食品名目繁多，覆盖面积广，其中的方便粉末状食品的需求大幅增加。 这些食品包括：( 1 ) 粉状调味料。粉状调味料在食品中的用途很多，如速食方便 面中的调料，膨化食品用的调味粉，速食汤料及各种粉状料等；( 2 ) 果蔬粉系列 如蓝莓粉、南瓜粉、胡萝卜粉；果蔬粉几乎能应用到面食制品、肉制品、固体饮 料、调味品、乳制品等各类食品的加工领域，用以提高产品的营养成分、改善产 上海海洋大学硕士学位论文 品的色泽和风味、丰富产品品种等；用果蔬粉可以勾兑不同口味的饮料：从果蔬 粉中可以提取有价值的副产品；食品中添加果蔬粉，可补充维生素和膳食纤维； ( 3 ) 粉末状保健食品系列如葛粉等。 粉状食品中富含许多人们所需的营养成分，比如其中为了一年四季都能吃到 各种水果蔬菜，把它1 f l * l 成各种果蔬制品，目前在世界先进国家已成为一个热点， 将新鲜食品加工成粉状食品是近几年出现的种加工方式。粉状食品水分含量 低，可以延长贮藏期，降低贮藏、运输、包装等费用。此外，果蔬粉还具有保存、 食用方便和可调性强等特点，保持了原有水果蔬菜的营养风味以及果蔬皮和核的 营养成分，已被用作配料加工其他食品，成为一种良好的营养深加工产品 2 j 。既 往研究表明，粉状食品几乎能应用到食品加工的各个领域，用于提高产品的营养 成分、改善产品的色泽和风昧、以及丰富产品的品种等，主要可用于面食制品、 膨化食品、肉制品、固体饮料、乳制品、婴幼儿食品、调味品、糖果制品、熔烤 制品、方便面等。 1 1 2 粉状食品的常用干燥杀菌方法及存在的主要问题 粉状食品加工传统工艺是原料先干燥脱水，再进一步粉碎；或先打浆，均匀 后再进行干燥。传统方法生产的粉状食品不仅品种少，而且粉颗粒大，食用时营 养成分不能有效析出和吸收，食用不方便，并且制粉时物料的温度过高，破坏了 产品的营养成分、色泽和风味，甚至产生焦糊昧【3 1 。现在用于粉状食品加工的干 燥技术主要有微波冷冻干燥、真空冷冻干燥、膨化干燥、喷雾干燥、热风干燥及 超微粉碎等。 传统的热风干燥又称常规对流干燥或热空气干燥，它是以热空气作为干燥 介质，将热量传递给湿物料，使得湿物料由外向内温度逐渐升高，物料内部的水 分以气态或液态形式扩散至物料表面，汽化的蒸汽从表面经扩散或对流的方式传 递到干燥介质主体，由热空气带走的干燥过程。在干燥过程中，传热和传质同进 发生。热能以对流方式传给物料表面，然后再由物料表面传至内部；物料内部水 分向表面扩散，被激化后由物料表面扩散至气相主体。传热的推动力是温度差， 传质的推动力是水的浓度差，或水蒸气的分压差，传热和传质的方向相反，但密 切相关。 2 上海海洋大学硕士学位论文 目前我国的脱水果蔬加工业中9 0 都是采用这种方法。它操作简便，成本低 廉，对设备、环境及操作技术的要求不高。这方面的应用报道也较多，如：周蓉 芬1 3 】等采用厢式热风干燥设备生产脱水卷心菜，生产出符合出口标准的优质产 品；赵玉生【4 】等研究了用热风干燥山植果的工艺：张文华【5 1 等对胡萝卜丝热风干 燥因素分析，提出了较佳的脱水工艺和性能参数；屠康 6 1 等分前后两段不同温度 的热风干燥蘑菇片，经工艺优化得到较为理想的产品。国外也有许多关于热风干 燥苹果片、辣椒和甘蓝等果蔬的报道。目前我国较常用的热风干燥设备如隧道式 干燥机、筛式干燥机、流化床干燥机等，技术方面都较为成熟。并且该类设备操 作简单、成本低廉，但是与另外几种干燥方法相比，产品档次较低，经济效益较 差热风干燥不是一种环保良好的作业，矿物燃料的燃烧产生的二氧化碳是被称 之为“绿色居室效应 的主要成分。 热风干燥是传统的干燥方式，一直延用至今，并且依然是干燥单元中主要 的操作方式。但由于热风干燥的一些缺点，现在很多研究都侧重在研究热风和微 波、红外、真空联合干操【_ 7 1 。 其他方法如真空冷冻干燥，真空冷冻干燥就是将含水物料冻结后，置于真空 环境下，并供给一定的热量，使物料中的冰直接升华并排走，从而除去物料的水 分，获得干制品的一种方法。这种方法己广泛应用于食品工业中来改善食品干燥 时热敏性组分的稳定性与耐贮藏性。冷冻干燥的产品不仅具有较好的稳定性，而 且运输贮藏方便。正是冷冻干燥技术的这一特点，使得该技术比热风干燥适合更 多粉末状食品的干燥，有利于营养成分、颜色、味道的保持，而且复水性好。如： 宋宏新【8 1 等研究了番茄粉的喷雾干燥及真空冷冻干燥工艺的研究，发现真空冷冻 干燥的番茄红素保存率高，品质好，但其需要的干燥条件苛刻，设备昂贵，不能 连续生产李光辉f 9 】运用冷冻干燥的方法制作出姜蒜复合新型调味料，风味独特； 李浩全【1 0 1 等研究了胡萝卜全粉干燥加工工艺，发现真空干燥法加工的胡萝卜粉 的产品色香味及营养品质保持好。 但是，冷冻干燥又是一个耗时、耗能的操作，设备昂贵，而且工艺周期长， 操作费用高。 另外，还有喷雾干燥方法，其特点是可以把初始状态为含固的液体通过特殊 设计的雾化器雾化后再与干燥介质接触，在短时间内完成蒸发干燥而获得干燥 上海海洋大学硕士学位论文 的产品，但是喷雾干燥的热效率只有4 0 到6 0 。 此外，方便食品粉末状食品在加工、储运过程中由于各种原因，如原料本身 含菌量高，生产加工过程中难以杀灭害虫虫卵和微生物，原料或成品保管不善， 生产过程中的污染等，很容易造成微生物超标，并由此造成巨大损失。由于粉末 状食品本身的特殊性，一般的加热或化学杀菌方法均不适用，为达卫生指标，目 前粉状食品杀菌处理应用最多的是丫射线辐照杀菌技术。辐照在一定程度上可有 效地控制微生物，提高粉状食品的卫生质量，但其存在以下缺点：受辐射源的地 点限制，产生辐照异昧或辐照物残留，使食品特有香气损失，一些产品辐照处理 后色泽变化较大。另外，辐射产品的安全性问题许多人存在顾虑，尽管目前国内 对辐照食品的安全性尚无定论，但日韩及欧盟国家却严格限制进口经过辐照处理 的食品原料【1 1 l 。 如今人们更注重产品品质和性能价格比。客观地说，我国目前生产的主流 方便粉末状食品中的调味粉一一常压热风干燥食品还存在不少品质、安全问题。 如果新的干燥杀菌技术既能够满足产品的干燥杀菌要求，又可以很好地保持产品 的原有的营养成分和品质风味，将对我国调味粉食品工业的发展起到重要的促进 作用，使我国的调味粉食品工业迈向国际先进水平。微波干燥杀菌由于快速、高 效、清洁、安全受到广泛的关注，近些年微波作为一种新的干燥杀菌方式开始在 调味粉食品的干燥杀菌中应用。 1 1 3 微波干燥杀菌的原理及特点 传统的空气干燥法干燥食品过程中，由于水分的迁移引起干燥产品的严重 损伤，使产品品质发生了不良的变化。因此，传统的热风干燥在食品工业中的应 用受到限制。食品热风干燥的主要缺点是加速阶段所需时间长、效率低。因为在 此阶段食品物流的热传导率较低，所以传统加热过程中热量向物料内部的传递收 到限制。为了消除这种现象，防止其品质下降，实现快速、有效的热处理，食品 干燥过程中微波技术得到了广泛的应用。微波干燥比传统热风干燥更快、能效更 高、产品品质更均一【1 2 1 。另外，湿度的降低速度提高，而且，由于没有对流， 热量向固体的传递得到显著降低。因为微波干燥系统能量集中，与传统的热风干 燥设备比较，值占用2 0 - 3 0 的空间。 4 上海海洋大学硕士学位论文 微波是指波长范围为l - - , 1 0 0 0 m m ，频率范围为3 0 1 0 2 - - 3 o 1 0 5 m h z 具有 穿透特性的电磁波，常用的微波频率为9 15 m i q _ z 和2 4 5 0 m h z 。微波发生器的磁控 管接受电源功率而产生微波功率，通过波导输送到微波加热器中，使需要加热的 物料在微波场的作用下被加热。微波加热利用的是介质损耗原理，而且水的损耗 因数比干物质大得多，电磁场释放能量中的绝大部分被物料中的水分子吸收。一 般情况下，被干燥物料中的水分子由于布朗运动，分子的排列杂乱无章并迅速变 化，极性相互抵消，宏观上不呈现极性。而被置于由微波发生器产生的电场中时， 微波场以每秒几亿次的高速周期地改变外加电场的方向，使介质的极性水分子迅 速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高【1 3 1 。 微波加热造就物料体热源的存在，改变了常规加热干燥过程中某些迁移势 和迁移势梯度方向，形成了微波干燥的独特机理。由于物料中的水分介质损耗较 大，能大量吸收微波能并转化为热能，因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同 时进行的。在物料表面由于蒸发冷却的缘故，使物料表面温度略低于里层温度； 同时由于物料内部产生热量，以致内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度。如果物料 的初始含水率很高，物料内部的压力非常快地升高，则水分可能在压力梯度的作 用下从物料中排出。初始含水率越高，压力梯度对水分排出的影响越大，也即有 一种“泵”效应，驱使水分流向表面，加快干燥速度。由此可见，微波干燥过程 中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的水 分迁移条件，当然要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥 具有由内向外的干燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就克 服了在常规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移 的缺点。 因此，对调味粉的微波干燥特性、微波规律的研究十分必要，了解其干燥过 程中的变化，获得其干燥特性的基础数据，建立具体干燥条件，以指导基础研究 与实际生产。 1 1 4 薄层干燥数学模型的选择 物料的干燥过程是一个复杂的传热、传质过程，薄层干燥是指2 0 m m 以下的 物料层的干燥过程，它是深床干燥的基础【1 4 1 。物料的干燥特性不仅受干燥介质 上海海洋大学硕士学位论文 温度、湿度和流速等影响，而且因物料的种类，内部结构，物理化学性质及外部 形状的不同而存在明显差异。目前用来描述物料薄层干燥方程一般有以下三种数 学模型【1 s l ： 指数模型： m r = e x p ( - g ) ( 1 - 1 ) 单项扩散模型：m r = a e x p ( - 日) ( 1 - 2 ) p a g e 方程：m r = e x p ( - a y ) ( 1 3 ) 水分比：揪：t ( m r1 - m 。) 似。一m 。) 其中，m o 一- - 物料的初始含水率，蚝水k g 干物质 m t - 一t 时刻的含水率，k g 水l ( g 干物质 m e 一平衡含水量，蚝水k g 干物质 b 一时间 方程中a 、y 为与干燥条件有关的系数。 1 1 5 微波干燥及杀菌的研究现状 ( 1 - 4 ) 微波干燥起源于上世纪4 0 年代，到6 0 年代国外才大量应用。由于微波干燥的 独特优点使得其发展很快。国外己在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产 品加工等方面得到应用。7 0 年代以来，国外微波干燥的应用还在继续扩大。希腊 的e t s a m i 1 6 j 等对微波干燥果粉的吸湿特性进行了研究；爱尔兰的 c m m e l o u g l a l i n 1 7 】研究了微波加热干燥粉末状药品；英i 虱k h r a i s h e h 1 8 】等研究了分 别利用微波和热风对流干燥马铃薯片，观察马铃薯质量及质地结构的变化。研究 发现。经过微波干燥的马铃薯片比热风对流干燥马铃薯片的维生素c 含量高两 倍美国的l i n t l 9 】等对胡萝b 片分别进行了真空微波干燥、热风干燥和冷冻干燥 研究，发现真空微波干燥后得到的胡萝卜片与其他干燥法得到的脆片相比，具 有复水性高、a 胡萝卜素以及维生素c 含量高、密度小、质地松软和外观色泽好 等优点，而用热风干燥法得到的胡萝卜片的色泽则较暗。 目前，国内的饮料粉、果蔬粉等都已成功应用了微波干燥，并取得了显著的 经济效益，比如，孔庆新【2 6 】对微波功率、处理时间、切片厚度等因素对南瓜粉 6 上海海洋大学硕士学位论文 的影响进行了研究，并将其对南瓜粉的影响进行了比较。研究结果表明，微波功 率越强，失水速率越快，干燥所需时间越短；微波功率和微波处理时间的变化对 南瓜v c 和胡萝b 素的破坏具有显著的影响，南瓜片厚度对南瓜v c 和胡萝卜素破 坏的影响不显著；李瑜【2 7 】用微波真空与真空联合干燥的蒜粉进行微胶囊化，在模 拟肠液中研究了微胶囊化蒜粉的释放动力学；常虹【2 8 】等初步研究微波真空干燥 菠萝粉的工艺条件。分析不同微波功率，时间及糊精添加量对菠萝粉干燥特性的 影响，并与7 0 热风干燥产品在v c 保留率、色泽、溶解时间等方面进行比较。 结果表明：采用微波真空干燥工艺，产品色泽良好，水分含量为4 9 ，微波真空 千燥产品多项指标均优于热风干燥产品；马荣山【2 9 】等采用热风干燥、微波干燥、 真空干燥和冷冻干燥对胡萝卜进行干燥制粉，研究干燥后的胡萝卜粉的理化性 质李志远【3 0 】等研究了用微波真空干燥设备干燥酶解后的澄清型香蕉汁，制作 速溶香蕉粉的工艺，并比较热风干燥与微波真空干燥的效果。结果表明：微波真 空干燥后产品的多项指标均优于热风干燥的产品。 综上所述，迄今为止有关粉状食品中调味粉的微波干燥研究尚未见报道，这 极大的制约了对其干燥规律的认识，因而无法对其干燥工艺和设备的选择与优 化，就无从着手采取措施节约能源、降低成本，保证品质。 2 立题依据和研究内容 1 2 1 立题依据 从既有的调味粉食品微波干燥杀菌的研究报道来看，由于研究者所使用的微 波频率、微波加热测试方法、研究的样品种类等不同而很难做出完整的比较，同 时关于粉状食品微波干燥杀菌的研究不够系统，因此有必要进行进一步的深入探 讨。 1 2 2 研究内容与意义 研究内容：干燥过程的计算和干燥设备的设计需要很多干燥工艺参数，如物 料的特性、干燥动力学数据、传递系数等。大多数情况下，这些参数不能由分析 得到，而需要充分的实验来测定。因此，本研究以实验为基础，利用热风干燥与 7 上海海洋大学硕士学位论文 微波干燥理论对研究对象( 辣椒粉) 进行分析研究，同时考察了其微波杀菌效果， 具体工作如下： ( 1 ) 对物料( 辣椒粉) 进行热风、微波薄层干燥实验研究，通过大量的实验 数据对物料的干燥特性进行分析和研究，分析比较各个模型的拟合值的大小，选 出最适合的数学模型； ( 2 ) 对物料( 辣椒粉) 进行热风微波组合干燥试验，分析干燥特性和单位能 耗； ( 3 ) 对三种干燥方法得到的干制品进行品质研究； ( 4 ) 对物料( 辣椒粉) 进行微波杀菌效果的初步研究。 通过以上对干燥特性和微生物指标的分析，比较微波干燥和传统干燥的结果 差异，为微波在粉状食品干燥杀菌工业化中提供理论依据。 8 上海海洋大学硕士学位论文 第二章辣椒粉样品的热风、微波薄层干燥特性研究 2 1 引言 物料干燥是一个复杂的非稳态传热、传质过程，它不仅仅受干燥介质的温度、 湿度、流速等影响，而且因物料的种类、内部结构、物理化学性质及外部形状的 不同而存在相当大的差异【3 。薄层干燥试验是研究农产品干燥的基本形式之一， 是研究深床干燥的基础。建立薄层干燥模型对摸索干燥规律、预测不同干燥工艺 的干燥过程具有重要作用。由于薄层数学模型能较准确地描述物料干燥过程中任 一时刻的干燥状态，因而我们可利用它来预测在不同干燥条件下，如不同的温度、 风速、相对湿度、初始水分含量等情况下物料中任一位置的干燥速率及含水率变 化，也可以根据最佳干燥工艺合理调控干燥环境、提高干燥速率，以其获得经济、 优质的产品。 2 2 材料与方法 2 2 1 材料 辣椒粉原料：驻马店王守义十三香。 2 2 2 仪器设备 ( 1 ) 微波炉( 上海松下微波炉有限公司，n n g d 5 6 7 m ，c h i n a ) ； ( 2 ) 红外测温仪( n e cs a n - e ii n s t r u m e n t s 公司，t h 7 7 0 0 ，j 删) ： ( 3 ) 鼓风干燥箱( 上海慧泰仪器制造有限公司，d h g 9 2 4 5 a ，c h i n a ) ； ( 4 ) 电子天平( 瑞士m e t t l e r t o l e d o 集团，a l 2 0 4 ，s w i t z e r l a n d ) 。 2 2 3 样品的制备 本研究样品通过以下步骤获得嘲： 市购辣椒粉一喷水一均匀一过筛一样品 9 上海海洋大学硕士学位论文 样品的初始含水率采用恒温烘箱1 0 5 恒重法测量。每次实验取3 个试样， 测得每个试样的含水率，取其平均值作为测定最终结果，设定样品的初始干基 含水率为4 0 左右。 2 2 4 样品的微波加热 2 2 4 1 微波功率的选定 本研究所使用的微波炉的相关参数为：额定输出功率微波1 0 0 0 w ，炉内体 积( 宽。深，高) 3 5 9 m m 3 5 2 m m x 2 1 7 m m ，炉腔容积2 7 l ，转盘直径3 4 0 m m ， 微波震荡频率2 4 5 0 m h z 。微波炉可选择的功率分为1 7 0 w 、3 0 0 w 、5 5 0 w 、8 0 0 w 、 1 0 0 0 w 微波炉的实际输出功率的测定i m p i 定有标准测试法( s t a n f o r d ，1 9 9 0 ) ， 根据标准测试法，本实验所用松下微波炉d n g d 5 6 7 m ) 进行了实际输出功率的 检验，检验方法如下： m 妒i 两公升水测试方法：分别分为冷机启动和热机启动，使用两个1 0 0 0 m l 烧杯，水重2 0 0 0 5 9 ，初温2 0 _ 2 c ，微波全额加热2 m i n ，测量加热前后温度， 精度至0 1 。 功率计算：p = 7 0 ( ( a t i + a t 2 ) 2 ) ，其中a t l 与他分别为两烧杯水升温的 度数，三个重复每次变异应于平均值5 之内。根据试验所测值，得出微波功 率与生产厂商标定的微波功率之间具有显著性差异，分别9 6 0 w 、7 1 0 w 、4 7 5 w 、 2 7 0 w 、1 6 0 w ，此情况的出现可能是微波炉的元件老化以及部分微波泄漏所致， 本实验选定的功率为7 1 0 w ，4 7 5 w ，1 6 0 w 。 2 2 5 样品的干燥处理条件 2 2 5 1 热风干燥 辣椒粉进行热风薄层干燥的实验条件如下：在恒定的风速下，热风温度为 4 0 c 、5 0 ( 2 、6 0 ( 2 ，物料厚度为2 m m ( 2 5 9 ) ，4 m m ( 5 9 ) ，8 m m ( 1 0 9 ) ，采 用两因素三水平进行正交试验设计( 见表2 1 ) 干燥过程中，每隔5 r a i n 取出样品称其重量，用红外热测温仪摄得样品的温度 呈像。 1 0 上海海洋大学硕士学位论文 表2 1 辣椒粉热风薄层干燥正交因素试验水平表 t a b l e2 - 1t h i nl a y e rd r y i n gf o rp a p r i k ap o w d e rs l i c e st e s tf a c t o rl e v e l 2 2 5 2 微波干燥 辣椒粉进行微波薄层干燥的实验条件是：微波功率为7 1 0 w 、4 7 5 w 、1 6 0 w 物料厚为2 n u n ( 2 5 9 ) ，4 n u n ( 5 9 ) ，8 n u n ( 1 0 9 ) ，采用两因素三水平进行正 交试验设计( 见表2 2 ) 干燥过程中，每隔1 5 s 取出样品称其重量，用红外测温仪摄得样品的温度呈 像。 袁2 - 2 辣椒粉微波薄层干燥正交因素试验水平表 t a b l e2 - 2t h i nl a y e rd r y i n gf o rp a p r i k ap o w d e rs l i c e st e s tf a c t o rl e v e l 实验号 1234 56789 功率( w ) 7 1 04 7 51 6 0 7 1 04 7 5 1 6 0 7 1 04 7 51 6 0 物料厚( m m ) 222444888 以上干燥特性试验样品的初始温度均为2 0 c 左右，每组干燥都直至干燥速率 几乎为零时结束。每次实验重复三次，取其算数平均值。 干基干燥速率计算：在对物料干燥过程中，定时取出物料称重，换算得出干 基含水量 干燥速率= 相邻量两次干基含水量差值( g ) 时间间隔( s ) 材= 错 协- ， 式中，x i 物料干至t l 时刻的含水率，k gh ：o k gd b x r 物料干至t 2 时刻的含水率，k gh 2 0 k gd b 干基含水量： 彳：幽( 2 2 ) 哝 式中，g t 一物料干燥至任意时刻质量( 1 q g ) 上海海洋大学硕士学位论文 0 9 一物料绝干质量( k g ) 2 2 6 薄层模型的选择 物料干燥过程是一个复杂的传热传质过程，常用来描述农产品薄层干燥的模 型为三大类型：理论模型、半理论模型和经验模型3 3 1 。而其中几个应用比较广 泛的模型都是半理论模型，如h e n d e r s o n 、p a b i s 模型，l e w i s 模型和p a g e 模型。 因此，本研究选用以下三种数学干燥模型【卅对辣椒粉微波干燥曲线进行模拟， 比较模拟结果，选择最优数学模型。 袁2 3 薄层干燥模型 t a b 2 - 3t h i n - l a y e rd r y i n gc u r v em o d e l sc o n s i d e r e d 注：方程中a 、y 为与干燥条件有关的系数；水分比胀2 ( m t m e ) ( m o - m e ) 。 其中，m o 为初始水分，m t 为t 时的水分，m c 为平衡含水量，t 为时间。 检验数学模型和实验数据匹配的高低程度，可以用相关系数( r 2 ) 、卡方( x 2 ) 和残差平方和( r s s ) ，r 2 越高，x 2 和r s s 越小，匹配越好【3 5 1 。 x2：掣i-i ( 2 1 3 ) r s s = 羔k 广m r 删) 2= 陋驯一删j ( 2 4 ) 其中m r 唧i 是任意时刻的实验值水分比，m 砩刚是任意时刻的预测值水分 比，n 可以到的数值个数，z 是常数。 2 2 7 扩散系数与活化能 2 2 7 1 扩散系数 干燥过程中水分的迁移是一个复杂的过程，而表征这一过程的主要因素是其 扩散系数。有效扩散系数主要是由物料内部的物理结构决定的。f i c k 扩散方程经 1 2 上海海洋大学硕士学位论文 常用来描述生物产品降速阶段的干燥特性。本实验采用式( 1 ) 【3 6 1 计算辣椒粉的有 效扩散系数。 脚= 砉薹面杀e x p i 一生学l c 2 射 其中d 。提有效扩散系数( m 2 s ) ；l 是物料层厚度的一半( m ) 。为方便研究，将 式( 2 5 ) 进行对数变换，转化为线性关系式( 2 6 ) 。由式( 2 6 ) 可知，i n l v l r 与 干燥时间t 呈线性关系，其斜率( s l o p e ) 计算式为式( 2 7 ) ，根据式( 2 7 ) 可以计算 得出有效扩散系数。 i n m r 乩乓一_ z 2 d r e t ( 2 - 6 ) 跏= 气万2 d r e f f ( 2 7 ) ( 2 8 ) 口7 l 表示，通过此模型可以预测不同热风干燥条件下样品的有效扩散系数。 d = 彳p l r j ( 2 - 8 ) 谚 衅 氧掣 协9 ) 其中d p f c i 是有效扩散系数的预测值，d e x p i 是有效扩散系数的实验值。当相对 偏差百分比1 0 时，说明模拟匹配度比较好【3 剐。 2 2 7 2 活化能 干燥通常是将热量加于湿物料并排除挥发性湿分，而获得一定湿含量产品的 过程。湿分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在予固体中，或聚集在固定的 毛细微结构中。因此，干燥的本质上可以说是使液态水气化达到除湿的效果。根 据物理化学基础理论，物料中液体的蒸发是液体分子的气化能级克服一个能量 “阈值”的过程。这个气化能可以认为就是活化能，超越了能量“门槛 的液体 上海海洋大学硕士学位论文 分子才能气化【3 9 1 。 据研究报道，认为评价湿分与物料的结合形势的唯一正确方法是测定结合能 的数值，所谓结合能就是从给定湿含量和恒定组成的物料中去除去的湿分所做的 功按照结合能的性质和数量级，可以把水分与物料的结合形势分为5 类：1 化学 结合水，包括水分与物料的离子结合和结晶性分子结合，很明显，后者的结合能 要相当的弱，在干燥的过程中通常是不能去除化学结合水的；2 吸附结合水，这 种水分大部分处于多孔物料毛细管表面的单分子层中，吸附时伴随着放热；3 毛细管结合水，除了靠近毛细管壁的一薄层吸附结合水之外，毛细管中的其余水 分都叫做毛细管结合水。在完全湿润的状态下，毛细管水分的结合能与壁的性质 和毛细管中的水量无关：4 渗透结合水；5 自由水分，除了以上的几种湿分与物 料的结合形式之外，还必须考虑到分散系统中的自由水分，物料与水分直接接触 时被物料吸收的水分就是自由结合水。 而其中有效扩散系数和温度的关系可以用a r r h e n i u s 4 0 1 关系式表示 = 见e x p ( 鲁) ( 2 - 1 0 ) 其中d o 是加r h e i l i u s 方程的指数因子( i n 2 ，s 。1 ) ，e a 有效活化能( 1 【j m o l 1 ) ，r 是 理想气体常数( k j m o l 。1k 1 ) ，t 绝对温度( k ) 。从l n d 。尉绝对温度t 的倒数作图的斜 率中可以推算出活化能e 。 2 3 结果与讨论 2 3 1 样品的热风薄层干燥特性分析 2 3 1 2 热风温度对样品的干燥特性的影响 图2 1 、2 2 、2 - 3 分别表示了当物料厚度为2 m m 、4 m m 、8 m m 时不同温度下 的辣椒粉的薄层干燥曲线。从这些图中可以看出干燥明显的分为升速、降速阶段。 干燥的升速阶段，这一阶段很短，物料吸收热量主要用于升温，升温到湿球温度 时为止；降速阶段，可以看出干燥速率随着物料湿度的减小而不断的降低。由于 内部向表面扩散水分不足以润湿表面，因而出现局部的干表皮，表示水分由内部 向表面扩散的速率小于表面水分汽化的速率。物料愈干燥，内部水分愈少，水分 1 4 上海海洋大学硕士学位论文 内部扩散速率愈小，则干燥速率降低愈快，当物料表面全部干皮，汽化表面即全 部向物料内部移动，水分就在物料内层汽化，随着汽化表面深入内层，干燥速率 迅速下降，直至物料干燥速度等于零。 此外，还可以从图中看出。当物料薄层厚度一定时，热风温度越高，干燥速 度越快；而温度越低，干燥速度越慢。在干燥的后期，三个不同的温度水平对干 燥过程的影响几乎没有明显差异。这主要是因为干燥前期除去的水分主要是自由 水分与部分较易除去的结合水分，而后期去除的主要是较难去除的结合水分。 t i m e ( s ) 图2 1h = 2 m m 热风干燥条件下样品的干燥速率与时间的关系曲线 f i g 2 lh o ta i rd r y i n gr a t e - t i m ec u r v ea tt h i c k n e s s2 m m 图2 2 h = 4 m m 热风干燥条件下样品的干燥速率与时间的关系曲线 f i g 2 - 2h o ta i rd r y i n gr a t e - t i m ec u r v ea tt h i c k n e s s4 t a r a 上海海洋大学硕士学位论文 图2 - 3h = 8 m m 热风干燥条件下样品的干燥速率与时间的关系曲线 f i g 2 - 3h o ta i rd r y i n gr a t e - t i m ec u r v ea tt h i c k n e s s8 r a m 2 3 1 3 样品的薄层厚度对干燥特性的影响 图2 _ 4 、2 5 、2 6 分别表示了热风温度为4 0 、5 0 、6 0 时不同薄层厚度下 的辣椒粉的薄层干燥曲线。 从图2 _ 4 可以看出干燥初期干燥速率随时间上升，当干燥n ( o 9 0 0 s ) 时达到最 大干燥速率，5 兮9 j n 3 2 9 x 1 0 4 ( h = 2 m m ) 、3 1 4 x l o 4o a 4 m m ) 、2 8 2 x 1 0 4 ( h - - - s r n m ) 。 然后干燥速率随时间急剧下降。当干燥分别进行至u 2 5 0 0 s ( h = 2 m m ) 、5 0 0 0 s o a = 4 m m ) 、1 0 0 0 0 s ( h = s m m ) 后，干燥速率下降的趋势明显减慢。随着时间继续 延长，干燥速率逐步趋于恒定，薄层厚度不再具有明显的优势。 从这些图可以看出，在各种热风温度下，干燥受物料薄层厚度的影响都比较 大，物料越薄，干燥速率越高；物料越厚，干燥速率越慢。主要是因为：薄层越 薄，由于能更快的带走物料内部的水分，增加了物料与外部空间的传质梯度，有 利于物料内水分扩散及表面的水分蒸发，则干燥速率快。三个不同的物料薄层厚 度对干燥过程的影响几乎