王 軍，程晶晶，牛亞冰（許昌學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南許昌461000）

番薯片熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥特性及品質(zhì)評(píng)價(jià)

王 軍，程晶晶，牛亞冰
（許昌學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南許昌461000）

對(duì)番薯片熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥特性進(jìn)行研究，并對(duì)脫水后番薯片的色澤、復(fù)水比、干燥時(shí)間及能耗進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：番薯片熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥的熱風(fēng)段和微波段都分為升速和降速階段。微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的微波段分為升速、恒速和降速階段，熱風(fēng)段只有降速階段；聯(lián)合干燥的熱風(fēng)段都可采用Verma模型進(jìn)行描述。熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥的微波段采用Logarithmic模型描述，微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的微波段采用Page模型描述；熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥方式所得番薯片L*值為72.86±2.29，a*值和b*值分別為11.02±2.73、38.65±4.45，褐變不明顯，β-胡蘿卜素保留效果較好。復(fù)水比為2.17±0.03，干燥時(shí)間為（104±4.93）min，能耗為（18.71±1.05）kW·h/kg，與熱風(fēng)干燥相比，干燥時(shí)間縮短55%，能耗降低64%。先熱風(fēng)后微波的聯(lián)合干燥方式具有干燥產(chǎn)品品質(zhì)好，能耗較低的特點(diǎn)，更適合于番薯片的干燥。

番薯片，熱風(fēng)干燥，微波干燥，聯(lián)合干燥，干燥模型，品質(zhì)評(píng)價(jià)

番薯（Ipomoea batatas Lam.），又名紅薯等，在整個(gè)熱帶和亞熱帶地區(qū)均有種植。我國(guó)番薯常年種植面積、總產(chǎn)量均居世界首位。近年來(lái)的研究表明，番薯不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，而且具有多種食療保健作用及藥用價(jià)值［1-2］。新鮮番薯含水量高，易腐爛，生產(chǎn)又具有季節(jié)性，因此通常采取干燥的方式加工、儲(chǔ)藏番薯［3-4］。

隨著食品干燥技術(shù)的發(fā)展，單一的干燥模式顯露出種種缺陷，低能耗、高品質(zhì)的聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。聯(lián)合干燥是指根據(jù)物料的特性，將兩種或兩種以上的干燥方法聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，分階段或同時(shí)進(jìn)行的一種復(fù)合干燥技術(shù)［5］。近年來(lái)有關(guān)聯(lián)合干燥的研究逐漸增多，學(xué)者們提出了一些較好的聯(lián)合干燥方式。其中因微波干燥速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高，熱風(fēng)干燥操作簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少，將微波干燥作為熱源與熱風(fēng)干燥進(jìn)行聯(lián)合成為研究者關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)［6-7］。章斌等［8］對(duì)香蕉片的熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥方式的干燥速率快，能耗低，產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥的產(chǎn)品相近。劉青梅等［9］研究了貝母的熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥技術(shù)，結(jié)果表明該工藝干燥時(shí)間比熱風(fēng)干燥縮短了65%，且品質(zhì)比單一干燥的方法佳。徐艷陽(yáng)等［10］研究發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)熱風(fēng)干燥、微波干燥相比，微波與熱風(fēng)聯(lián)合干燥糖姜片的姜辣素含量分別提高了30%和14%。以上研究均表明熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥技術(shù)在提高干燥速率、降低能耗、改善產(chǎn)品的品質(zhì)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

目前，對(duì)于番薯的干燥，多采用單一干燥方式，采用聯(lián)合干燥方式的研究并不多見［2，11］。因此本文以番薯為原料，對(duì)番薯片熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥特性及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，并對(duì)不同干燥方式得到的番薯片的色澤、復(fù)水比以及干燥時(shí)間和能耗進(jìn)行了比較，為番薯熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥新技術(shù)及新設(shè)備的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮番薯 購(gòu)自本地某大型超市。

DHG-9073BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；EM7KCGW3-NR型微波爐 廣東美的廚房電器制造有限公司；YP30002型電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；NR200型色差儀 深圳市三恩馳科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熱風(fēng)干燥（hot-air drying，HD） 選擇無(wú)病害、無(wú)損傷的番薯，用清水將表面洗凈，去皮后切成厚度為6 mm的薄片。取番薯片100 g，設(shè)定熱風(fēng)溫度60℃，進(jìn)行干燥，每隔10 min稱樣品質(zhì)量，干燥至樣品含水率10%（濕基）以下。

1.2.2 微波干燥（microwave drying，MD） 樣品處理同1.2.1。取番薯片100 g，設(shè)定微波功率210 W，進(jìn)行干燥，每隔1 min稱樣品質(zhì)量，干燥至樣品含水率10%（濕基）以下。

1.2.3 熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥（combined hot-air and microwave drying，HD-MD） 樣品處理同1.2.1。取番薯片100 g，先進(jìn)行熱風(fēng)干燥，設(shè)定熱風(fēng)溫度60℃，每隔10 min稱樣品質(zhì)量。干燥至樣品含水率50%（濕基），然后進(jìn)行微波干燥，設(shè)定微波功率210 W，每隔1 min稱樣品質(zhì)量，干燥至樣品含水率10%（濕基）以下。

1.2.4 微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥（combined microwave and hot-air drying，MD-HD） 樣品處理同1.2.1。取番薯片100 g，先進(jìn)行微波干燥，設(shè)定微波功率210 W，每隔1 min稱樣品質(zhì)量。干燥至樣品含水率50%（濕基），然后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，設(shè)定熱風(fēng)溫度60℃，每隔10 min稱樣品質(zhì)量，干燥至樣品含水率10%（濕基）以下。

1.3 干燥模型

1.3.1 含水率測(cè)定和干燥速率計(jì)算 含水率（濕基）的測(cè)定參照GB/T 5009.3-2003。水分比根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：MR為水分比；Mt為干燥過程中t時(shí)刻樣品的含水率（干基），g water/g solid；Me為樣品的平衡含水率（干基），g water/g solid；M0為樣品的初始含水率（干基），g water/g solid。因?yàn)镸e相對(duì)于Mt、M0來(lái)說非常小，可忽略不計(jì)，水分比可以根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

干燥速率根據(jù)式（3）計(jì)算：

式中：DR為干燥速率，g/（g·min）；Mt+dt為樣品在t+dt時(shí)刻的含水率（干基），g water/g solid；Mt為樣品在t時(shí)刻的含水率（干基），g water/g solid［12-13］。

1.3.2 干燥模型選擇 采用6種數(shù)學(xué)模型［14-18］（表1）對(duì)蘋果片熱風(fēng)干燥進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證，用決定系數(shù)R2、卡方χ2、均方根誤差RMSE 3個(gè)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，R2越大，χ2和RMSE越小，說明模型擬合效果越好。其計(jì)算公式分別為：

式中：MRexp，i和MRpre，i分別為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)所得MR和模型預(yù)測(cè)所得MR；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；n為模型中參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表1 薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table1 Mathematical models applied to the thin-layer drying

1.4 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 色澤測(cè)定 利用色差儀測(cè)定干燥前后樣品的L*、a*、b*值。其中L*值表示樣品的亮度，L*越大，表明樣品表面越亮；a*值，正值表示偏紅，負(fù)值表示偏綠；b*值，正值表示偏黃，負(fù)值表示偏藍(lán)。每批樣品平行測(cè)定6次，結(jié)果取平均值。

1.4.2 復(fù)水比測(cè)定 產(chǎn)品復(fù)水性能用復(fù)水比表示，為產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)復(fù)水后的質(zhì)量與復(fù)水前質(zhì)量之比。復(fù)水比大，反映產(chǎn)品復(fù)水性能好。將稱好的一定質(zhì)量的樣品放入40℃恒溫的蒸餾水中，30 min后，取出瀝干20 min，并用吸水紙拭干表面水分，稱質(zhì)量。復(fù)水比計(jì)算公式：

式中：R為復(fù)水比；m1為樣品復(fù)水前質(zhì)量，g；m2為樣品復(fù)水后質(zhì)量，g。

1.4.3 單位能耗計(jì)算 單位能耗是指每蒸發(fā)一個(gè)單位質(zhì)量水分所耗電能，以電機(jī)額定輸入功率及每組實(shí)驗(yàn)總加熱時(shí)間計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：N為干燥能耗，kW·h/kg；W為電機(jī)額定輸入功率，kW；T為總干燥時(shí)間，h；G為去除水分的質(zhì)量，kg。

1.5 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Matlab軟件，采用高斯-牛頓運(yùn)算法和非線性最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解模型方程。采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 番薯片單獨(dú)干燥特性分析

為了研究番薯片的聯(lián)合干燥特性，對(duì)番薯片的熱風(fēng)和微波單獨(dú)干燥過程也進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖1和圖2。由圖1可知，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，樣品水分比逐漸下降。HD曲線水分比下降較為平緩，MD水分比下降明顯快于HD。HD過程大約需要240 min，MD過程大約需要70 min。MD比HD干燥速度快，耗時(shí)短。由圖2可知，HD過程可分為升速和降速階段，并且干燥過程的大部分時(shí)間處于降速階段。MD過程可分為升速、恒速和降速階段。MD過程最大干燥速率要高于HD過程最大干燥速率。

干燥過程一般分為三個(gè)階段：a.升速階段：樣品與干燥介質(zhì)接觸，溫度升高，干燥速率不斷增大；b.恒速階段：樣品水分含量較大，內(nèi)部水分能迅速遷移到樣品表面，干燥速率為樣品表面水分氣化速率所控制，干燥介質(zhì)傳給樣品的熱量全部用于水分氣化，樣品表面的溫度維持恒定，干燥速率保持不變；降速階段：樣品中所含水分較少，水分自樣品內(nèi)部向表面遷移的速率低于樣品表面水分氣化速率，干燥速率為水分在樣品內(nèi)部遷移速率所控制，隨著樣品水分含量逐漸降低，樣品內(nèi)部水分的遷移速率也逐漸下降，故干燥速率不斷下降［19］。

在HD過程中，熱量由樣品表面向內(nèi)部傳遞的速度慢，內(nèi)部升溫較慢，內(nèi)部水分不能迅速遷移到樣品表面，因此干燥過程由升速階段直接轉(zhuǎn)入降速階段。另外也可能是因?yàn)楹闼匐A段時(shí)間較短，在本實(shí)驗(yàn)取樣間隔條件下不能觀察到恒速階段，這與孟岳成等［4］的研究結(jié)果一致。微波加熱速度快，并且微波能對(duì)樣品的內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行加熱，樣品內(nèi)部溫度也迅速升高，內(nèi)部水分能迅速遷移到樣品表面，因此能維持較長(zhǎng)時(shí)間的恒速階段，蔣玉萍等［20］在番薯片微波干燥特性的研究中也得到了類似的研究結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，微波干燥后期，樣品會(huì)出現(xiàn)局部焦糊現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诤闼匐A段，微波能量全部用于水分蒸發(fā)，樣品溫度保持不變；在降速階段，水分蒸發(fā)速度減慢，樣品的溫度開始升高。

圖1 番薯片單獨(dú)干燥曲線Fig.1 Drying curves of HD and MD for sweet potato slice

圖2 番薯片單獨(dú)干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves of HD and MD for sweet potato slice

2.2 番薯片聯(lián)合干燥特性分析

番薯片的聯(lián)合干燥曲線和速率曲線見圖3和圖4。由圖3可知，HD-MD干燥曲線的HD段與單獨(dú)HD的前期變化趨勢(shì)一致，HD-MD干燥曲線的MD段與單獨(dú)MD的后期變化趨勢(shì)一致。MD-HD干燥曲線的MD段與單獨(dú)MD的前期變化趨勢(shì)一致，MD-HD干燥曲線的HD段與單獨(dú)HD的后期變化趨勢(shì)一致。由圖4可知，HD-MD干燥速率曲線的HD段分為升速和降速階段，而MD段也分為升速和降速階段。MD-HD干燥速率曲線的MD段分為升速、恒速和降速階段，而HD段只有降速階段。

圖3 番薯片聯(lián)合干燥曲線Fig.3 Drying curves of HD-MD and MD-HD for sweet potato slice

對(duì)于HD-MD過程，由HD轉(zhuǎn)為MD后，在微波作用下，樣品表面和內(nèi)部的溫度升高，干燥速率增大，但此時(shí)樣品水分含量較低，已處于單獨(dú)MD的降速階段，不可能再維持較高的干燥速率，因此由升速直接轉(zhuǎn)為降速階段。徐艷陽(yáng)等［21］在玉米熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥的研究中發(fā)現(xiàn)，后期MD也分為升速、恒速和降速階段，這可能與實(shí)驗(yàn)材料和工藝參數(shù)不一樣有關(guān)。對(duì)于MD-HD過程，由MD轉(zhuǎn)為HD后，熱量由樣品表面向內(nèi)部傳遞，傳熱效率較低，并且內(nèi)部水分向表面遷移也要消耗熱量，一定時(shí)間內(nèi)樣品內(nèi)部的溫度會(huì)有所降低。另外，此時(shí)樣品水分含量已經(jīng)較低，已處于單獨(dú)HD的降速階段，干燥速率也逐漸降低。

圖4 番薯片聯(lián)合干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curves of HD-MD and MD-HD for sweet potato slice

2.3 番薯片聯(lián)合干燥的數(shù)學(xué)模型

將番薯片聯(lián)合干燥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用表1中列出的6種干燥模型進(jìn)行擬合，并采用決定系數(shù)R2、卡方χ2、均方根誤差RMSE 3個(gè)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，對(duì)于聯(lián)合干燥的HD段都可以采用Verma模型進(jìn)行描述。在HD-MD中，Logarithmic模型適用于描述MD段；在MD-HD中，Page模型和Modified Page模型均適用于描述MD段，因Page模型方程更簡(jiǎn)單，本實(shí)驗(yàn)中選擇Page模型。樣品在不同的干燥方式以及不同的干燥階段宜采用不同的干燥模型進(jìn)行描述，一方面是因?yàn)椴煌稍锓绞降膫髻|(zhì)與傳熱機(jī)理不一樣，另外，在不同干燥階段樣品中水分的含量與分布情況以及樣品的組織結(jié)構(gòu)也會(huì)影響干燥模型的選擇，這與徐艷陽(yáng)等［21］和梁煥秋等［22］的研究結(jié)果一致。

2.4 番薯片的色澤和復(fù)水比分析

不同干燥方式番薯片的色澤和復(fù)水比分析結(jié)果見表3。由表3可知，聯(lián)合干燥的L*值與新鮮樣和HD相比差異不顯著，褐變不明顯。MD的L*值較低，褐變較嚴(yán)重。這是因?yàn)榫哂懈咻椛淠艿奈⒉ǜ稍飼r(shí)樣品溫度較高，更容易加速美拉德反應(yīng)和酶促褐變，使L*值偏低。

表2 不同干燥方式下6種干燥模型的常數(shù)項(xiàng)和決定系數(shù)Table2 Constants and coefficient of determination of the six drying models at different drying methods

對(duì)于a*值和b*值，結(jié)合表4可以發(fā)現(xiàn)，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，a*值和b*值越低。番薯中的主要色素為β-胡蘿卜素，主要呈現(xiàn)紅黃色，a*值和b*值降低說明在干燥過程中，由于加熱和微波的作用使番薯中的β-胡蘿卜素發(fā)生了氧化降解［3］。這一結(jié)果也表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，干燥時(shí)間是番薯中β-胡蘿卜素氧化降解的主要影響因素，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，β-胡蘿卜素降解越嚴(yán)重。本實(shí)驗(yàn)中MD-HD方式β-胡蘿卜素降解最嚴(yán)重，HD-MD方式β-胡蘿卜素保留效果略差于MD。

對(duì)于復(fù)水比，聯(lián)合干燥和MD差異不顯著，并且都低于HD，這可能是因?yàn)镸D過程中容易出現(xiàn)樣品局部焦糊現(xiàn)象，樣品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響樣品的復(fù)水性，復(fù)水比降低。

表3 不同干燥方式番薯片的色澤和復(fù)水比Table3 Color and rehydration of sweet potato slice at different drying methods

2.5 干燥時(shí)間及能耗分析

番薯片不同干燥方式的干燥時(shí)間及能耗分析結(jié)果見表4。由表4可知，HD-MD方式干燥時(shí)間較短，能耗也較低，與MD差異不顯著，與HD相比，干燥時(shí)間縮短了55%，能耗降低了64%。對(duì)于HD-MD，HD階段樣品水分含量高，干燥速度較快，MD階段水分含量低，但微波的干燥特性保證MD階段可以維持相對(duì)較快的干燥速度，比較適合于較高水分含量的樣品。對(duì)于MD-HD，前期MD階段干燥速度較快，但后期水分含量低，HD階段的熱量傳遞方式也降低了內(nèi)部水分向表面的遷移速度，MD-HD方式干燥時(shí)間較長(zhǎng)，能耗也較高，與HD相比無(wú)顯著差異。

表4 番薯片不同干燥方式的干燥時(shí)間及能耗分析Table4 Drying time and energy consumption of different drying methods for sweet potato slice

3 結(jié)論

番薯片HD-MD過程的HD段分為升速和降速階段，MD段也分為升速和降速階段；MD-HD過程的MD段分為升速、恒速和降速階段，而HD段只有降速階段。番薯片聯(lián)合干燥的HD段都可以采用Verma模型進(jìn)行描述。在HD-MD中，Logarithmic模型適用于描述MD段；在MD-HD中，Page模型適用于描述MD段。

聯(lián)合干燥所得番薯片褐變不明顯。MD-HD方式β-胡蘿卜素降解最嚴(yán)重，HD-MD方式β-胡蘿卜素保留效果略差于MD；聯(lián)合干燥復(fù)水比與MD差異不顯著，并且都低于HD；HD-MD方式干燥時(shí)間較短，能耗也較低，與HD相比，干燥時(shí)間縮短了55%，能耗降低了64%。MD-HD方式干燥時(shí)間較長(zhǎng)，能耗也較高；總體來(lái)看，HD-MD方式，即先熱風(fēng)后微波的聯(lián)合干燥方式具有干燥產(chǎn)品品質(zhì)好，能耗較低的特點(diǎn)，更適合于番薯片的干燥。

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Characteristics of combined hot-air and microwave drying for sweet potato slice and quality evaluation

WANG Jun，CHENG Jing-jing，NIU Ya-bing
（College of Food and Bioengineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China）

The characteristics of combined hot-air and microwave drying for sweet potato slice was studied，and the color，rehydration ratio，drying time and energy consumption of dried samples were evaluated.The results showed that:hot-air drying（HD）process and microwave drying（MD）process of combined hot-air and microwave drying（HD-MD）were both divided into accelerated drying stage and falling rate drying stage.MD process of combined microwave and hot-air drying（MD-HD）was divided into accelerated drying stage，constant rate drying stage and falling rate drying stage and HD process included falling rate drying stage only.The best model for describing HD process in combined drying was Verma and the best models for describing MD processes in HD-MD and MD-HD were Logarithmic and Page，respectively.L*value，a*value and b* value of dried samples obtained by HD-MD were 72.86±2.29，11.02±2.73 and 38.65±4.45，respectively.The dried samples didn't brown seriously and β-carotene was reserved better.Rehydration ratio，drying time and energy consumption of samples obtained by HD-MD were（2.17±0.03），（104±4.93）min and（18.71± 1.05）kW·h/kg，respectively.Compared with HD，drying time of HD-MD was shortened by 55%and energy consumption was reduced by 64%.HD-MD was more suitable for drying of sweet potato slice with good quality of products and low energy consumption.

sweet potato slice；hot-air drying；microwave drying；combined drying；drying models；quality evaluation

TS255.36

A

1002-0306（2016）02-0138-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.019

2015－06－01

王軍（1978-），男，博士，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工，E-mail：wangjun780301@126.com。

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15B550006）；許昌市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（1502080）；許昌學(xué)院校內(nèi)科研基金（2014010）。