胡萝卜和紫甘蓝微波干燥均匀性控制及脱水技术研究

摘要

与传统的热风干燥相比，微波干燥具有脱水速度快、热效率高、清洁生产、易实现自动化控制、并能很好地保持食品营养成分和兼有杀菌作用等特点。微波干燥技术及其设备已在轻化和农产品加工等行业得到应用，并显示出其优越性。但是，由于微波加热存在均匀性不够和能耗过高等问题，故微波干燥技术在工业生产中的应用受到一定程度的限制。
　　本研究通过多功能组合微波干燥装置的设计，采用多馈能口和微波磁控管功率分段叠加技术使微波场均匀，达到物料受热均匀的目的;对胡萝卜微波干燥及其联合干燥均匀性进行了试验，对胡萝卜和甘蓝热风干燥、微波干燥、微波-热风联合干燥、微波真空干燥等技术进行了研究，并对不同干燥方式下胡萝卜和紫甘蓝干燥动力学、干燥方法对物料的色泽、复水性、微观结构、营养成分及能耗进行了研究。主要研究结果如下:
　　1.以胡萝卜为试材，通过分别采用单个、两个、三个磁控管组合加热，研究磁控管数量、馈能口位置和微波功率的匹配对物料加热均匀性的影响。改变磁控管位置和数量，微波加热均匀性随之改变。两个磁控管加热时，萝卜脱水均匀度超过80％且保持稳定。三个磁控管及其功率匹配后(3个磁控管功率分别为400、500和600W)，胡萝卜脱水均匀度平均达到93.49％;改变磁控管馈能口位置、增加磁控管数量、优化磁控管匹配功率均能改善微波加热的均匀性。改变磁控管位置和数量，微波腔温度场均匀性也随之改变。单个磁控管加热，温度场中不同位置点的温度均匀性差。两个磁控管加热时的温度场均匀性高于单个磁控管的。在最优组合方案下，不同“热点”位置的温差仅为3～10℃（最热点除外）;采用功率优化和红外控温间歇式微波加热可明显抑制温度场中过“热点”的温度，同时缩小各热点之间的温差。
　　2.以胡萝卜为试材，研究了热风喷动干燥、微波喷动干燥和热风-微波联合喷动法干燥动力学，水分扩散系数、各种经典干燥模型与干燥曲线的拟合情况，及其上述三种方法对干燥后胡萝卜色泽、复水性和维生素C含量的影响，同时分析和比较三种方法干燥胡萝卜的能耗。微波热风联合喷动(5.5W/g-80℃，风速35m/s)干燥胡萝卜比微波喷动干燥（750W，风速35m/s）者和热风喷动干燥(80℃，风速35m/s)者分别缩短干燥时间50％～65.63％和51.11％～60％，能耗分别比后二者节约0％～22.52％和15.67％～55.31％，复水比分别是后二者的1.02～1.03和1.07～1.23倍，其维生素C保存率为15.39％～17.13％，经微波热风联合喷动干燥的胡萝卜品质最优。在进风风速为35m/s的条件下热风喷动干燥法(50～90℃)的扩散系数为2.62×10-10～6.53×10-10m2/s。微波喷动干燥法(450～900W)的扩散系数为8.40×10-10～22.96×10-10m2/s。微波热风联合喷动干燥法(450～900W，50-90℃)的扩散系数为30.83×10-10～47.72×10-10m2/s。高斯-牛顿算法拟合不同干燥方法的实验数据结果显示，Diffisionapproxinatiion模型、Page模型和Vermaetal模型能分别很好的拟合热风喷动干燥法、微波喷动干燥和微波热风联合干燥法的实验数据。
　　3.微波和热风喷动干燥对经渗透处理后紫甘蓝的干燥速率均显著高于未渗透处理者，干燥时间分别比未渗透预脱水处理缩短15.52％～41.38％和0％～13.79％，干燥后的复水比、色泽和花色苷含量也均显著低于未渗透处理者。微波热风联合喷动干燥紫甘蓝（渗透预脱水处理的）的最优条件为:微波功率5.5W/g、水分转换点48％和热风温度80℃。该条件下干制的紫甘蓝复水比、花色苷含量和能耗分别为5.23、278.72mg/100gDW和18.74kW·h/kg，其复水比较微波干燥者提高11.88％，干燥时间分别比热风干燥和微波干燥缩短78.75％和50.50％。
　　4.增加真空度能显著提高胡萝卜干燥速率、缩短干燥时间。当真空度由0.02Mpa增加至0.08Mpa时，真空干燥和微波真空干燥均可节约时间达25％，胡萝卜真空干燥的最优条件为:温度为80℃、真空度-0.08Mpa。该条件下胡萝卜中维生素C的含量为15.05±0.64mg/100gDW，其保留率为18.41％。胡萝卜微波真空干燥的最优条件为:微波功率为5.5W/g，真空度为-0.08Mpa。在该条件下胡萝卜干中维生素C含量为30.57±2.70mg/100gDW，其保留率为37.60％。在最优条件下，微波真空干燥比真空干燥者节约时间和能耗分别为89％和82.40％，前者复水比高于后者，前者色泽、亮度均好于后者。微波真空干燥的胡萝卜干中维生素C保留率比真空干燥增加1.13倍
　　5.以胡萝卜为材料，研究馈能口位置和数量、不同磁控管功率匹配方式对微波加热均匀性的影响。单个和两个磁控管加热时，胡萝卜颗粒色泽值和水分含量差异大，两个磁控管加热时的色泽和含水量均匀性高于单个磁控管加热者。三个磁控管微波功率最佳匹配组合为400W、500W和600W，功率分配比例为4∶5∶6。在此最优功率匹配下，当功率5.0W/g时，胡萝卜颗粒色泽值和含水量差异小无显著差异，干燥均匀性高。随着功率增大，干燥后胡萝卜色泽差异逐渐增大，含水量均匀性变差。经磁控管功率优化匹配后，微波干燥、微波喷动干燥和微波-热风联合喷动干燥的胡萝卜色值和含水量差异较小，干燥均匀性均高。
　　6.比较了热风喷动干燥、微波喷动干燥、微波-热风联合喷动干燥、真空干燥、微波真空干燥和冷冻干燥胡萝卜色泽、复水比、成分和能耗的影响。冷冻干燥的胡萝卜复水比和维生素C含量均最高，而热风喷动干燥者最低。冷冻干燥的胡萝卜维生素C含量为50.05mg/kgDW，保留率为61.55％。与热风喷动干燥、微波喷动干燥和微波热风联合喷动干燥相比，微波真空干燥显著提高了维生素C保留率。热风喷动干燥、微波喷动干燥、微波-热风联合喷动干燥的胡萝卜的色泽发黄。胡萝卜真空干燥能耗最低，而冷冻干燥能耗最高。干燥方法显著影响干燥后胡萝卜的组织结构。热风喷动干燥的胡萝卜细胞壁呈完全塌陷状，且呈横条排列，而微波喷动干燥、微波真空干燥及微波-热风联合喷动干燥的胡萝卜呈均匀的陨石坑状，且随着微波功率的增加，其陨石坑状更明显。冷冻干燥的细胞壁完整，细胞结构呈均匀排列的蜂窝状结构，真空干燥的胡萝卜微观结构与冷冻干燥者相似。
　　7.比较了热风喷动干燥、微波喷动干燥、微波-热风联合喷动干燥、真空干燥和冷冻干燥紫甘蓝的色泽、复水比、成分和能耗的影响。热风喷动干燥的紫甘蓝L*值和a*值最小，b*值最大。微波喷动干燥、微波-热风联合喷动干燥、真空干燥和冷冻干燥的紫甘蓝的L*值和a*值差异不显著。热风喷动干燥、真空干燥和微波冷冻干燥的紫甘蓝复水比无显著差异，微波喷动干燥的紫甘蓝复水比最低。冷冻干燥的紫甘蓝花色苷含量最高，达737.72mg/100gDW，保留率为45.27％。紫甘蓝冷冻干燥能耗最高，真空干燥次之，微波喷动干燥最低。微波-热风联合喷动干燥和热风喷动干燥能耗均高于微波喷动干燥但低于冷冻干燥和真空干燥。干燥方法显著影响渗透预脱水后紫甘蓝组织结构。热风喷动干燥的紫甘蓝细胞壁呈完全塌陷状，微波喷动干燥的紫甘蓝呈“沟状”结构，微波-热风联合干燥和真空干燥的紫甘蓝细胞结构均与热风干燥者相似。但是在较高真空度下干燥的紫甘蓝细胞也呈较浅的坑状结构，冷冻干燥紫甘蓝的细胞结构呈均匀排列的蜂窝状结构。

目录

声明

表格索引

图形索引

摘要

前言

缩略词表

第一章 文献综述

1 微波干燥技术研究进展

1．1 微波干燥

1．2 微波联合干燥

1．3 微波干燥动力学及能耗研究进展

1．4 微波干燥材料预处理方式

2 微波加热均匀性研究进展

2．1 微波设备设计

2．2 微波电磁场模式控制

2．3 微波干燥过程控制

2．4 微波施加方式控制

2．5 其它控制方法

3 本研究目的意义及主要研究内容

3．1 本研究目的意义

3．2 主要研究内容与技术路线

参考文献

第二章 静态微波加热均匀性研究

1 材料与方法

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂

1．3 实验材料

1．4 实验方法

1．5 测定指标与方法

1．6 数据处理

2 结果与分析

2．1 馈能口布置和磁控管功率匹配对物料干燥均匀性的影响

2．2 馈能口布置和磁控管功率匹配对温度场均匀性的影响

2．3 两段式干燥对加热均匀性的影响

3 讨论

3．1 馈能口位置对加热均匀性的影响

3．2 馈能口数量对加热均匀性的影响

3．3 磁控管功率匹配对加热均匀性的影响

3．4 微波间歇加热对均匀性的影响

4 本章小结

参考文献

第三章 热风与微波及联合喷动干燥动力学及其对产品质量和能耗的影响

1 材料与方法

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂

1．3 实验方法

1．4 测试方法与指标

1．5 干燥模型

1．6 数据处理

2 结果分析

2．1 热风喷动干燥动力学研究

2．2 微波喷动干燥动力学研究

2．3 微波热风联合喷动干燥动力学研究

2．4 干燥曲线数学模型的建立

2．5 有效扩散系数的求解

2．6 不同干燥方法对胡萝卜的维生素C含量和复水比的影响

2．7 不同干燥方法对胡萝卜色泽的影响

2．8 不同干燥方法下胡萝卜脱水时能耗比较

3 讨论

3．1 胡萝卜不同干燥方法的动力学比较

3．2 胡萝卜不同干燥方法的动力学曲线模型

3．3 胡萝卜不同干燥方法的扩散系数

3．4 不同干燥方法下的胡萝卜的色泽、复水性和维生素C含量

3．5 胡萝卜不同干燥方法的能耗分析

4 本章小结

参考文献

第四章 紫甘蓝微波、热风及其联合喷动干噪效率与品质研究

1 材料与方法

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂

1．3 实验方法

1．4 测定指标与方法

1．5 数据处理与统计分析

2 结果与分析

2．1 紫甘蓝热风喷动干燥工艺

2．2 紫甘蓝微波喷动工艺

2．3 紫甘蓝微波-热风联合喷动干燥工艺优化

3 讨论

3．1 热风喷动干燥对紫甘蓝干燥动力学、色泽、复水性和花色苷含量的影响

3．2 微波喷动干燥对紫甘蓝干燥动力学及品质的影响

3．3 微波-热风联合喷动干燥对紫甘蓝干燥品质及能耗的影响

4 本章小结

参考文献

第五章 胡萝卜真空干燥及微波真空干燥动力学与干燥品质研究

1 材料与方法

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂

1．3 实验材料

1．4 实验方法

1．5 测定指标与方法

1．6 数据处理与统计分析

2 结果与分析

2．1 胡萝卜真空干燥研究

2．2 胡萝卜微波真空干燥研究

3 讨论

4 本章小结

参考文献

第六章 微波联合干燥对胡萝卜和紫甘蓝品质的影响

1 材料与方法

1．1 主要仪器

1．2 主要试剂

1．3 实验材料

1．4 实验方法

1．5 测定指标与方法

1．6 数据处理与统计

2 结果与分析

2．1 微波干燥胡萝卜的均匀性分析

2．2 干燥方法对胡萝卜和紫甘蓝品质及能耗的影响

3 讨论

3．1 微波干燥的均匀性

3．2 干燥方法对胡萝卜色泽、复水性和成分等的影响及能耗比较

3．3 干燥方法对紫甘蓝品质的影响及能耗比较

4 本章小结

参考文献

全文结论

创新点说明

附页一

附页二

致谢

攻读学位期间发表论文与申请专利