基于温度控制的牛蒡微波热风耦合干燥研究

纪　飞，李臻峰，2，*，李　静，宋飞虎，徐晚秀（.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江南大学，江苏无锡2422；2.绍兴县魁联机电科技有限公司，浙江绍兴32000）

基于温度控制的牛蒡微波热风耦合干燥研究

纪飞1，李臻峰1，2，*，李静1，宋飞虎1，徐晚秀1
（1.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江南大学，江苏无锡214122；2.绍兴县魁联机电科技有限公司，浙江绍兴312000）

以牛蒡为原料，研究了微波热风耦合干燥过程中牛蒡内部温度和含水率的变化。微波控温实验结果表明，合适的微波功率密度和物料内部温度设定值不但可以缩短干燥时间，还可以减少物料内部温度的控制偏差。为了确定微波热风耦合干燥牛蒡的最佳工艺，利用响应面法进行实验分析，建立了以胡萝卜素保留率为指标的数学模型，求出最佳干燥工艺为微波功率密度8.4 W/g，物料内部温度设定值72.2℃，热风温度73.2℃，此时胡萝卜素保留率为60.6%。

牛蒡，微波热风耦合干燥，响应面法，温度控制

牛蒡（Arctium lappa L.），菊科两年生草本植物，又称大力子，新鲜牛蒡中含有大量蛋白质、脂肪、胡萝卜素和人体所需的多种维生素等［1］，并具有降血压、解毒清热、增强免疫力等功效［2］。但是新鲜牛蒡在储藏过程中易产生纤维化和褐变［3］，严重影响牛蒡的口感和品质，一般都会对新鲜牛蒡切片后进行干燥。王慧慧等［4］确定了以牛蒡缩水率为指标的最优真空干燥参数。石启龙等［5］研究了热风微波联合干燥的最佳工艺组合及参数。

微波干燥过程中，物料内部温度和微波功率是十分重要的因素，决定了物料的干燥速率、干燥时间、干燥效率和干燥品质［6］。较高的物料内部温度可以提高干燥速率，但是会损坏物料的一些品质特性。国内外学者就微波干燥过程中温度的控制进行了卓有成效的研究：Cuccurullo等［7］通过红外热像仪获取干燥过程中苹果片的实时温度并通过控制微波炉进行间歇干燥试图使苹果片的温度稳定在设定温度（55、65、75℃）附近，在设定温度为75℃条件下苹果片温度最大偏差值达到了17.1℃，而采用类似方法进行苹果片微波干燥温度控制的Li等［8］的温度偏差为±3.63℃。Kisselmina等［9］采用固定微波功率密度的干燥方式，随着干燥过程的进行，不断改变输入的微波功率，有效地降低了干燥过程中西红柿的温度。目前国内外对牛蒡微波干燥过程中温度控制的研究报道较少，本文研究了微波热风耦合干燥牛蒡的过程中牛蒡内部温度变化和干燥特性，并确定微波热风耦合干燥牛蒡的最佳工艺参数，为牛蒡的干燥加工提供了理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与设备

新鲜牛蒡采购于徐州益顺康牛蒡种植基地，直径在10～20 mm之间，无空心、腐烂等现象，清洗去须后置于1℃冰箱储藏备用［10］。

微波热风耦合干燥设备实验室自制；迷你电子秤永康市艾瑞贸易有限公司；HH-1数显恒温水浴锅常州智博瑞仪器制造有限公司；高效液相色谱仪Agilent 1100美国安捷伦科技公司；量筒等。

1.2实验方法

1.2.1微波热风耦合干燥系统原理实验室自制微波热风耦合干燥设备如图1所示，在文献［8］的基础上添加热风干燥装置，用以研究微波热风耦合干燥的特性，通过在LabVIEW中编程实现控制热风温度以及控制微波炉通断的功能。实验开始前，将光纤探头插入牛蒡切片的中间以测量内部温度。开始实验后通过采集卡将温度的电压信号传到计算机，在LabVIEW中转换成实时物料内部温度值后输入与物料内部温度设定值进行比较：当温度高于设定值时，程序将会关闭微波炉暂停干燥；当温度低于设定值时，程序将会开启微波炉进行干燥；如此反复直至物料干燥结束。实验过程中，通过RS232接口将电子秤物料的质量数据实时输入到计算机程序中，有效避免了在干燥过程中取出物料进行称重产生的人为误差。通过微波炉的间歇干燥能够在保证物料干燥品质的前提下达到快速干燥的目的。

图1　微波热风耦合干燥系统Fig.1　Combined microwave-hot air drying system

1.2.2微波不控温干燥实验对于微波干燥而言，干燥过程中物料内部温度是一个非常重要的因素，传统微波干燥一般都是使用固定的功率或者功率密度［11-12］，由于微波干燥十分迅速，在干燥中后期，物料质量快速下降，单位质量的物料吸收的微波能量就会增大，导致物料内部温度急剧上升，甚至产生焦糊、碳化的现象。为了研究微波干燥过程中温度的变化，分别用5、10、15 W/g的微波功率密度对物料进行干燥，干燥至干基含水率≤0.15 g/g左右时停止（下同），物料切片厚度为4 mm，装载量为40 g（下同）。

1.2.3微波控温干燥实验物料内部温度的控制实际就是用微波对物料进行间歇干燥，通过控制微波炉的运行来干燥物料，物料内部温度达到设定值时，通过控制微波炉的断开来降低物料内部温度，从而使物料内部温度处于相对稳定的范围，保证干燥后产品品质。为了更有效的控制物料内部温度，进行一组实验研究物料内部温度与微波功率密度之间的关系，以期确定合理微波功率密度和物料内部温度设定值，实验参数见表1。

表1　微波控温干燥实验参数Table 1　Experimental parameters microwave drying with temperature control

1.2.4响应面法确定微波热风耦合干燥最优工艺实验微波干燥过程中，物料内部干燥出来的水蒸气会聚集在物料周围，如果利用热风吹走这些水蒸气可以使物料内外形成水分浓度差，加快干燥进程。为了确定微波热风耦合干燥的最优工艺参数，结合前期实验结果，选择微波功率密度、物料内部温度设定值、热风温度三因素进行响应面分析实验，采用Boxbenhnken中心组合实验法设计实验，实验因素水平见表2。

表2　响应面实验因素水平Table 2　Factors and levels of response surface design

1.3指标测定方法

1.3.1含水率测定采用国标GB 5009.3-2010中的常压干燥法在103℃的热风干燥箱中下测得［13］，计算公式为：

式中，X为物料干基含水率；mt为t时刻物料的质量，g；md为物料中干物质的质量，g。

1.3.2复水率测定将干燥好的物料称重后放入80℃恒温水浴锅复水40 min，取出后用滤纸吸干表面水分，测得物料复水后的质量。计算公式为：

式中，Rf为物料中复水比；md为物料干燥后质量，g；mf为物料复水后质量，g。

1.3.3平均干燥速率的测定计算式为：

式中，V为平均干燥速率，g/g·min；X0为物料初始干基含水率，g/g；X1为干燥后物料干基含水率，g/g；Δt为干燥耗时，min。

1.3.4胡萝卜素保留率测定采用国标GB/T 5009.83-2003中的高效液相色谱法测定物料中胡萝卜素含量［14］。

1.3.5感官评价主要根据色泽、收缩程度对干燥后物料进行评价。色泽呈金黄色为优，褐色为差［15］。

1.4数据处理

使用Excel以及Design-Expert软件进行数据分析和处理。

2　结果与分析

2.1微波不控温干燥特性

在不控制温度的情况下，微波干燥可以分为三个阶段（图2）：干燥前期，物料内部温度逐渐升高，含水率缓慢下降；干燥中期，物料内部温度处于一个较高但是相对稳定的状态，物料开始排出大量水分，这个过程持续时间较长；干燥后期，物料内部温度开始急剧上升，但含水率并没有出现急剧下降。

图2　微波不控温干燥牛蒡内部温度曲线和干燥曲线Fig.2　Internal temperature and drying curve of burdock by microwave drying without temperature control

微波干燥过程中，如果不对物料内部温度进行控制，在干燥中后期物料内部温度将会达到十分高的水平（120℃甚至更高），对于果蔬类食品来说，过高的干燥温度将会损坏其营养物质，产生焦糊、碳化等现象，严重影响产品品质。Rodrigo等［16］通过对西红柿干燥研究发现，干燥过程中西红柿内部温度越高，干燥后西红柿颜色改变就越明显。Lu等［17］发现在微波干燥土豆切片过程中，干燥后期较高的土豆温度会产生焦糊、碳化的现象。因此微波干燥中对物料内部温度进行控制是十分必要的。

图3　微波控温干燥牛蒡内部温度曲线Fig.3　Internal temperature of burdock by microwave drying with temperature control

图4　微波控温干燥牛蒡干燥曲线Fig.4　Drying curve of burdock by microwave drying with temperature control

2.2微波控温干燥特性

从图3、图4可以看出，对物料内部温度进行控制时，不同微波功率和物料内部温度设定值的控制效果是不同的。如果采用较小的微波功率密度和较大的物料内部温度设定值组合，物料内部温度上升缓慢，干燥速度也相应较慢，体现不出微波快速干燥的优势，但是物料内部温度偏差较小；如果采用较大的微波功率密度和较小的物料内部温度设定值组合，物料内部温度很快就会达到设定值，微波炉就会停止工作以降低温度，物料的有效干燥时间就会较短，也会减缓物料的干燥速度，并且由于微波功率密度较大，物料内部温度也会产生较大的偏差。因此，需要选择合适的微波功率密度和物料内部温度设定值，在降低干燥时间的同时减少物料内部温度的偏差，使其稳定在一定范围内，本次实验选择微波功率密度在6～10 W/g之间，物料内部温度设定值在60～80℃之间进行响应面实验。

2.3微波热风耦合干燥特性

2.3.1响应面分析实验结果实验共进行15组，其中1～12为析因实验，13～15为中心实验，用来估算实验误差。

采用Design-Expert软件对响应值和各因素进行多项式拟合，建立如下二次回归方程：

胡萝卜素保留率Y（%）=-600.88333+45.53333A+ 8.71042B+4.27792C+0.32875AB-0.29625AC+ 0.61000BC-2.83958A2-0.11033B2-0.042333C2

各因素的方差和显著性分析见表4，可以看出，模型的p值小于0.01，即二次回归模型影响极显著。同时失拟项p值大于0.05，表明响应面实验结果和数学模型一致性较好，能够用此数学模型进行实验结果的预测。通过F值大小可以看出三个因素对胡萝卜素保留率的影响排序为：微波功率密度A＞热风温度C＞物料内部温度设定值B。

表3　微波热风耦合干燥牛蒡响应面分析实验结果Table 3　Experimental results of response surface by combined microwave-hot air drying

方程的相关系数R2=0.9698，说明可以用这个方程来解释96.98%的实验数据，方程拟合较好。变异系数CV=6.92%，说明模型的方程较好的反映了真实的实验结果，可信度较高。

2.3.2响应面与等高线图分析为了进一步分析两因素间的交互作用的胡萝卜素保留率的影响，固定其中一个因素为零水平，观察另外两个因素对胡萝卜素保留率的影响，如图5～图7所示。等高线的形状反应了因素间交互作用的强弱程度，椭圆代表两因素交互作用显著，圆形则代表不显著，图5～图7中等高线图均呈椭圆形，说明图中两因素交互作用显著。

图5　微波功率密度和物料内部温度设定值对胡萝卜素保留率影响的响应面图Fig.5　Response surface of the effects of the set value of sample’s internal temperature and the temperature of hot air on the reservation rate of carotene

图6　微波功率密度和热风温度对胡萝卜素保留率影响的响应面图Fig.6　Response surface of the effects of microwave density and the temperature of hot air on the reservation rate of carotene

图7　物料内部温度设定值和热风温度对胡萝卜素保留率影响的响应面图Fig.7　Response surface of the effects of microwave density and the set value of sample’s internal temperature on the reservation rate of carotene

图5表明，微波功率密度A和物料内部温度设定值B均较低时，干燥后物料胡萝卜素保留率较低，但是较高的微波功率密度A和物料内部温度设定值B也会降低干燥后物料的胡萝卜素保留率，可能是因为温度过高导致胡萝卜素产生氧化。图6表明，在微波功率密度A和热风温度C取较大值时，可以获得较高的胡萝卜素保留率，从等高线图可以看出，微波功率密度A为8.5 W/g左右，热风温度C为72℃左右时胡萝卜素保留率取得最大值。图7表明，在物料内部温度设定值B适中时，热风温度C在较大范围内均可以获得较高的胡萝卜素保留率。

表5　不同干燥方式品质比较Table 5　Quality of different drying method

2.3.3最佳干燥工艺确定与验证对上述回归方程进行优化求解，得到微波功率密度A=8.38 W/g、物料内部温度设定值B=72.20℃、热风温度C=73.24℃，胡萝卜素保留率为60.9%。根据以上数据并结合实验条件参数设定为微波功率密度A=8.4 W/g、物料内部温度设定值B=72.2℃、热风温度C=73.2℃进行三组重复验证实验，得到胡萝卜素保留率平均值为60.6%，与预测值偏差较小，因此可以认为响应面分析所得模型是可靠的。

2.4不同干燥方式对牛蒡品质的影响

从表5可以看出，干燥过程中如果不对物料内部温度进行控制，物料干燥后品质较差。控制物料内部温度的微波热风耦合干燥的胡萝卜素保留率较微波控温干燥（8 W/g+70℃）提高了29.5%，复水率和平均干燥速率分别提高了11.1%和68.3%，感官评价也较好，综合品质较单纯微波干燥有明显提高。

3　结论

微波干燥过程中控制物料内部温度是十分必要的，在干燥的中后期，物料质量的快速下降导致物料内部温度急剧升高，严重影响物料品质。但是进行温度控制时，微波功率密度和物料内部温度设定值要合理的选取，以加快物料干燥速率，提高干燥品质。

选取微波功率密度、物料内部温度设定值和热风温度三个因素进行响应面实验，得到胡萝卜素保留率最高的工艺为微波功率密度8.4 W/g，物料内部温度设定值72.2℃，热风温度73.2℃，此时胡萝卜素保留率为60.6%，与模型预测值偏差较小，表明此方法合理可行。

微波热风耦合干燥同控温微波干燥相比，基于温度控制的微波热风耦合干燥具有快速、安全和经济的特点，在食品干燥中有着较为广泛的应用前景。

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Research on characteristics of combined microwave-hot air drying of burdock based on temperature control

JI Fei1，LI Zhen-feng1，2，*，LI Jing1，SONG Fei-hu1，XU Wan-xiu1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shaoxing Queland Mechatronics Technology Co.Ltd.，Shaoxing 312000，China）

The temperature and moisture content change of combined microwave-hot air drying were studied using burdock as the raw material.The results of microwave drying with temperature control showed a shortening of drying time and reduction of deviation of the sample’s internal temperature by selecting appropriate microwave power density and the set value of sample’s internal temperature.Response surface methodology was used to optimize the drying technology and the mathematical model was built to describe the reservation rate of carotene.The optimal drying conditions were as follow：microwave density 8.4 W/g，the set value of sample’s internal temperature 72.2℃and the temperature of hot air 73.2℃，the predicted value of reservation rate of carotene was 60.6%.

Burdock；combined microwave-hot air drying；response surface methodology；temperature control

TS255.3

B

1002-0306（2015）20-0284-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.050

2015－01－04

纪飞（1990-），男，硕士研究生，研究方向：食品微波、热风干燥，E-mail：jifei_xz@foxmail.com。

李臻峰（1968-），男，博士，教授，研究方向：食品无损检测，微波、热风干燥，E-mail：352151043@qq.com。

国家自然基金项目（51406068）。