低能耗低爆腰率颗粒状食源性物料真空微波振动干燥方法

摘要

本发明涉及一种谷物低能耗低爆腰率的颗粒状食源性物料干燥方法，把经过预处理的谷物装入真空罐内，抽真空至-0.065Mpa以下，微波输出功率0.5w/g-1.0w/g，振动频率350r/min-550r/min，振幅-2cm-2cm，经过12min-30min可将物料的水分含量从20％-25％降低至13％以下。本发明采用微波真空振动干燥方法，充分利用微波干燥速度快的优点以及真空低温干燥的优势，一方面通过负压的作用降低物料中水的沸点，进而缩短干燥时间，降低干燥能耗；另一方面通过振动的作用实时改变微波场中物料的位置，提高微波能吸收的均匀性，降低爆腰率，提高干燥的品质。本发明方法与传统热风干燥相比能耗可降低70％，与微波振动干燥相比爆腰率可降低60％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种食源性物料的加工保藏技术，更具体涉及一种以谷物为对 象的微波真空振动干燥工艺。

背景技术

作为世界上最大的粮食生产国和消费国，我国粮食的年产量达到5×10⁸t， 而粮食从收获到消费的过程中耗损可达到18％，其中因水分含量过高而引起粮 食霉变、发芽占5％，因此谷物干燥是当前我国农业发展的一个关键和薄弱环节。 从国内外干燥技术的发展形势来看，常规单一模式的干燥技术在实际应用过程 中存在诸多问题，这就促进了以节能减排为目的的联合干燥技术的发展，并成 为粮食干燥领域的创新成长点。联合干燥技术根据物料的特性，利用两种或两 种以上的干燥技术的优势集成互补，从而起到提高速率、减少时间、降低能耗 的最终效果。

目前，由于热风干燥操作简便，成本低廉，干燥速度较快，在高温环境下 干燥效果较好，所以谷物干燥的常规方法仍以热风干燥为主。热风干燥以热空 气作为介质，将热量传递给物料，由于需要空气作为传热介质，这就势必导致 热耗损，另外，以空气作为介质与物料表面接触，使物料表面温度要高于内部 温度，而物料内部湿度要高于表面湿度，这就使温度梯度的方向和湿度梯度的 方向相反，阻碍了干燥的进行，延长了干燥时间，进一步增加了能耗。同时， 热风干燥需要在高温下进行，不适合热敏性物料的加工，而且高温在对物料造 成热损失的同时，会破坏物料的色香味物质和营养成分。

新鲜采收的谷物水分含量较高、极性较大，在电磁场中受到的介电响应较 强，热促效应使物料升温速度增加；微波干燥过程中，由于微波具有很好的穿 透性，物料内的极性分子在微波的作用下旋转和摆动，使得物料内部与表面同 时受热，加速水分从物料内部向外迁移，形成压力梯度，此时迁移到物料表面 的水分以蒸发的形式离开物料，并促使物料表面降温，在防止物料表面结壳的 同时表面温度低于内部温度，形成温度梯度，压力梯度与温度梯度方向保持一 致，进一步促进水分的迁移，这与热风干燥相比，表现出明显的优势。细菌主 要由蛋白质、核酸、水等极性分子构成，这些极性分子在高频率、高场强的微 波场中会随着微波极性的改变而旋转和摆动，一方面形成摩擦热导致自身升温， 另一方面导致蛋白质变性，进而破坏微生物的生理周期，起到灭菌效果。同时 微波干燥具有加热时间短，食品营养成分和风味物质损失少，易于控制、反应 灵敏的特点，与传统的灭菌技术相比，微波灭菌的优势更明显。微波干燥的优 势明显，但缺点也不容忽视，主要表现在反应迅速引起的易过度加热以及温度 分布不均匀两个方面。

在微波干燥过程中，物料对微波能吸收是否均匀决定了微波加热均匀性， 而场强的分布与物料的介电性又决定了物料对微波能吸收的均匀性。针对以上 原因，目前主流的解决方案有两种：(1)通过改善微波腔中电磁场的均匀性， 提高微波能吸收的均匀性。具体而言就是馈能口的数量、安装模式搅拌器、使 用多种频率不同的微波源、应用脉动微波加热、安装运动的微波辐射器以及合 理设计微波腔的形状与大小。(2)通过改变物料的位置，改善微波能吸收的均 匀性。Feng(Feng H，Tang J.Microwave finish drying of diced apples in a spouted  bed[J].Journal of Food Science，1998，63(4)：679-683.)等利用微波-喷动干燥器对苹 果进行干燥实验，结果表明通过喷动引起干燥物料在微波场内位置发生改变可 以使干燥时间降低88％，提高了干燥物料的品质。

但是传统的微波组合干燥技术，如微波-喷动干燥，虽然在利用微波加热速 度快这一优势的同时运用喷动的作用，改变了物料在微波场中实时位置，使物 料受热均匀，解决了单纯微波加热过程中温度分布不均匀的缺点，但喷动操作 所需的能耗较高，而且经微波-喷动干燥的物料爆腰率较高。

爆腰率产生是由于谷粒内部温度和水分梯度产生的热、湿应力作用的结果。 谷物干燥时，谷粒中心部位由于水分过高或温度过高发生膨胀，其所受的拉应 力超过抗拉强度极限后，出现微小裂隙；随着应力的增长，中心部位的裂隙最 终扩展至整个横截面，形成贯穿性爆腰。谷物干燥后，谷粒表层水分含量低、温 度低，吸湿作用明显，由于温度梯度和湿度梯度的作用，加速中心部位水分向 表面迁移，导致中心部位皱缩表层膨胀，表层拉应力超过抗拉强度极限，形成 吸湿性爆腰。总之，谷物的局部受热不均引起的局部收缩不均、表面干燥速率 过快、内外湿度梯度过大是形成爆腰的主要原因，因此，解决谷物干燥过程中 局部受热不均这一问题是降低谷物爆腰率的关键。Shivhare US(Shivhare U  S，Raghavan V.Microwave drying of soybean at2.45GHz[J].Journal of Microwave  Power and Electromagnetic Energy，1993，28(1)：11-17.)等做了微波干燥大豆的研 究，研究表明微波干燥会加速大豆的干燥速率，降低爆腰率。但微波干燥容易 导致过度加热，过度加热产生的不良影响主要反映在爆腰率上，爆腰率是评价 谷物干燥品质的一个重要指标。因此微波干燥通过受热均匀降低谷物干燥爆腰 率，但过度加热又会制约爆腰率的下降。

针对微波干燥易过度加热的缺点，本发明基于传统微波干燥的机理，保证 温度梯度和压力梯度的同向性基础上，创新性的降低反应釜的环境压力，降低 水分在物料表面的迁移温度，进而阻碍高温水的形成，减少聚集的高温水在物 料表面的停留时间，旨在降低能耗的同时有效的防止因微波而引起的过度加热 问题，并抑制由于温差和水分迁移引发的龟裂现象。

本发明通过增加振动单元操作来促进物料受热均匀的同时利用真空低温干 燥的优势，进一步降低干燥物料的爆腰率，提高最终品质。真空干燥过程中， 对装有物料的密闭干燥室抽真空的同时进行加热，物料内部水分在压力梯度和 浓度梯度的影响下向物料表面扩散，最终克服分子间作用力逸散到干燥室的低 压空间，被真空泵抽走。因为水的汽化过程中温度与蒸汽压成正比，所以真空 干燥可在实现低温干燥的同时缩短干燥时间，降低干燥能耗。

吴朝琴、蒋保民等人(申请号200910061130.5)公开了一种青豆真空冷冻 干燥工艺，其应用真空冷冻干燥技术对新鲜青豆进行干燥，将新鲜青豆在0.05％ 碳酸钠溶液和0.08％葡萄糖酸锌溶液中浸泡60min后用清水漂洗两次，再放入 0.046％碳酸氢钠溶液中烫漂，烫漂温度为95-98℃，时间为5-8min。烫漂后青 豆冷却至常温后放入-35℃急冻库中急冻6-8h，至中心温度达到-28℃～-35℃，将 急冻好的青豆送入冷冻干燥系统的密闭容器中，在-30℃～-35℃，0-60pa的真空 度下加热干燥14-16h。该发明的优点是：对产品的色香味保护较好，水分含量 ≤6％，产品复水性≥70％，但改发明所需的干燥时间长，能耗高；而本发明利用 微波真空振动干燥技术，充分利用了微波加热的干燥速率快和真空干燥的低能 耗，干燥时间短，干燥成本低。

王安建，侯传伟，黄纪念(申请号200610107242.6)公开了一种山药真空 微波冷干工艺，该发明把经过速冻的山药片装入真空罐中抽真空，在真空度 75-145pa、温度-20℃-30℃条件下开启微波源，在微波强度为140-220V/cm下进 行冻干。进行冻干时，先在140-220V/cm下持续2.5-4h，当物料内水分已出去 80％时逐渐降低微波功率，再经1-1.5h，物料内部水分降至5％以下时冻干结束。 该发明干燥时间段，品质高，但干燥成本高，能耗高。本发明采用微波真空振 动干燥工艺，改善了微波能吸收的均匀性，提高了干燥产品的品质。

本发明基于上述论述理论和大量实验研究为基础提供一种新型的干燥方 法。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供一种在微波真空振动床干燥条件下实 现中等水分含量(20％-25％)颗粒状谷物高品质、高效率、低差异、低成本的 干燥方法。

一种中等水分含量颗粒状谷物的微波真空振动床干燥方法，步骤如下：

(1)建立微波真空振动床干燥系统；

(2)对将要处理的中等水分含量颗粒状谷物进行挑拣，取完整颗粒；

(3)称取中等水分含量颗粒状谷物置于干燥室指定容器内，静止状态下， 谷物散热面积为0.5-0.8cm2/g物料；微波功率为0.50-1.00W/g物料；真空度设 定在-0.06～-0.07MPa；电机振动频率350-550r/min，振幅-2cm-2cm；运行时间1-2s， 间歇时间1～2s作为一个振动周期；加热时间12-30min；开启空气除湿系统，温 度控制在4℃-10℃，并将冷凝水经真空泵转移至贮罐；

(4)待干燥完毕，关闭电源，开启干燥室，将物料平铺于冷却平板内，厚 度1cm-3cm，关闭干燥室，开启空气过滤器，风速0.3-2.0m/s，冷却时间 30min-120min，物料冷却至室温；

(5)收集，入袋，包装。

所述的微波真空振动床干燥系统由干燥室、微波发生器、真空泵、振动电 机、空气除湿系统、空气过滤器、数控面板组成；

所述的空气除湿系统由冷凝器、贮罐、真空泵组成；

所述的空气过滤器中的过滤网和/或过滤纸孔径为20-200目；

所述的中等水分含量颗粒状谷物水份含量为20％-25％；

所述的中等水分含量颗粒状谷物颗粒长短轴或直径为1-10mm，优选 2-8mm。

本发明的有益效果：

1.干燥均匀：由于物料在振动床的作用下，在微波场中呈现翻滚、转动状 态，实现物料均匀干燥，避免了在传统微波干燥方法中，干燥水分附着于物料 表面未能及时排出，导致湿度梯度发生改变，阻碍物料干燥，同时出现干燥不 均匀的现象，严重影响产品品质；由于抽真空的作用，使物料的沸点降低，导 致干燥物料的最终温度降低，从而降低物料的爆腰率，提高干燥物料的最终品 质。

2.效率高，成本低：微波干燥不同于其他传统加热方法。在微波干燥过程 中，温度梯度、湿度梯度以及蒸发气压迁移方向均一致，从而改善了干燥过程 中的水分迁移条件。在不需要传热介质也不利用对流的条件下，食品内外温度 同时上升，加热速度快；真空低温干燥，能缩短干燥时间，降低干燥能耗；且 物料在微波振动床的作用下处于运动加热状态，干燥均匀，品质高，无需二次 干燥，节约成本；

3.操作方便，连续化生产：干燥参数可调，反应灵敏，热惯性小，通过调 整输出功率，物料加热状态可随时改变，易于连续生产和实现自动化控制便于 提高劳动生产率。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明中真空微波振动床干燥系统的结构图。其中：

1.干燥室

2.微波发生器

3.数控面板

4.振动电机

5.外接端口(顺次连接空气除湿器和真空泵)

开启电源开关，利用数控面板预设微波干燥功率以及电机振动频率，所述 数控面板位于微波发生器机箱盒后部；设定完毕后，通过数控面板启动位于干 燥室底部的两台振动电机以及嵌入干燥室顶部的微波发生器；启动后，物料通 过进料口进入干燥室，同时开启空气除湿装置；所述空气除湿装置由空气过滤 器、冷凝器、贮罐、真空泵组成，通过外接端口与干燥室相连，连接顺序依次 是空气过滤器、冷凝器、贮罐、真空泵。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步阐述本发明：

水分测定：根据GB 5497-85进行测定；

爆腰率测定：随机取样干燥后谷物400粒，在爆腰灯下人工检查爆腰率。 本文中的爆腰率是指除去初始爆腰率后的爆腰率增值。

总能耗的计算：微波振动床干燥过程中的总能耗采用电能表计数，由于单 次测量能耗较小，故采用连续干燥10次取平均值得单次干燥能耗。

温度的测量：采用光纤探针进行测量，将光纤探针插入干燥物料内，记录 读数。

色泽测定：采用日本Dnica minolt公司生产的CR-400色差计进行色泽的测 定，每个样品重复测定五次，颜色通过L(亮度/暗度)、a(红度/绿度)、b(黄 度/蓝度)表示。另外，颜色的总差用ΔE表示，计算公式如下：

$\mathrm{\Delta E}=\sqrt{{(L_o-L)}^2+{(a_o-a)}^2+{(b_o-b)}^2}$

其中，下标“o”表示自然干燥下物料的颜色，采用不同干燥方法下物料作 为参照，ΔE越大意味着与自然干燥物料的颜色差别越大。

表1NBS单位色差值与色差程度的关系

 NBS单位色差值   色差程度   0.00-0.25   非常小或没有；理想匹配   0.25-0.50   微小；可接受的匹配   0.50-1.00   微小到中等；在一些应用中可接受   1.00-2.00   中等；在特定应用中可接受   2.00-4.00   有差距；在特定应用中可接受   4.00以上   非常大；在大部分应用中不可接受

本发明所述的中等水分含量颗粒状谷物是指水分含量为20％-25％，颗粒长 短轴(或直径)为1-10mm(优选2-8mm)的常见谷物种类，如大豆、稻米、 玉米、青豆、大麦、高粱、绿豆等任意符合上述水分含量和颗粒大小范围的谷 物种类。

为清楚阐述本发明中等水分含量颗粒状谷物的微波振动床干燥方法，下面 选择大豆和芸豆作为实例，对比本发明的微波振动床干燥方法与传统干燥方法 以及现有微波干燥技术对中等水分含量颗粒状谷物产品品质的影响，对本发明 作进一步详细地描述：

本发明试验为已在自然条件下干燥的大豆和芸豆，为模拟刚收获时大豆和 芸豆的状态，对陈大豆进行干燥首先要进行调湿，再对复水大豆和复水芸豆进 行干燥，直至物料达到安全水分(13％)以下；

试验原料预处理：

(1)称取适量大豆，按照水豆质量比1.5∶1，采用恒温(30℃)水浴浸泡 10min，沥干，包装，置于4℃冷藏13h；获得水分含量为20％-25％并且颗粒直 径为1mm-8mm的中等水分含量颗粒状谷物。

(2)称取适量芸豆，按照水豆质量比1.5∶1，采用恒温(30℃)水浴浸泡 8min，沥干，包装，置于4℃冷藏13h；获得水分含量为20％-25％并且颗粒直 径为3mm-11mm的中等水分含量颗粒状谷物。

实施例1

复水大豆的热风干燥方法与在不同功率(0.50w/g、0.75w/g、0.10w/g)下 的传统微波干燥方法：

称取200g预处理完整大豆，置于干燥室容器内，分别采用0.50w/g、0.75w/g、 0.10w/g微波功率进行加热，加热时间分别为30min、20min、12min，开启空气 除湿系统，温度控制在4-10℃，待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、 温度以及爆腰率的测定，并记录电表数字。(见表2)

实施例2

复水大豆在不同功率(0.50w/g、0.75w/g、0.10w/g)下的微波真空振动床 干燥方法：

称取200g预处理完整大豆装入聚四氟乙烯罐内，罐重2426.5g，罐壁厚 2.4cm，置于干燥室容器后抽真空至-0.065MPa，分别采用100w、150w、200w 微波功率进行加热，电机振动频率450r/min；设定运行时间1.3s，间歇时间1s 作为一个振动周期；加热时间分别为30min、20min、12min，开启空气除湿系 统，温度控制在4-10℃，待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度以 及爆腰率的测定，并记录电表数字。

称取200g预处理完整芸豆，装入聚四氟乙烯罐内，置于烘箱内，设置温度 70℃，加热时间为270min，待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度 以及爆腰率的测定，并记录电表数字。

表2.热风干燥与微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥在不同微波功率 下对干燥物料的影响

实施例3：

复水大豆在微波功率为0.50W/g，不同振动频率(350r/min；450r/min；550r/min) 下的微波真空振动床干燥方法：

称取200g预处理完整大豆装入聚四氟乙烯罐内，置于干燥室容器后抽真空 至-0.065MPa，设置微波功率0.5W/g；分别采用电机振动频率350r/min、450r/min、 550r/min进行加热；设定运行时间1.3s，间歇时间1s作为一个振动周期；加热 时间为30min；开启空气除湿系统，温度控制在4-10℃，待干燥完毕后，冷却， 取样进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定，并记录电表数字。

表3.微波真空振动床干燥方法在微波功率0.5W/g下不同电机振动频率对干燥 物料的影响

实施例4：

复水芸豆在热风干燥与微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥下的 干燥方法：

称取200g预处理完整芸豆，置于烘箱内，设置温度70℃，干燥时间为 270min。待干燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定， 并记录电表数字。

称取200g预处理完整芸豆，装入聚四氟乙烯罐内，置于干燥室内，分别采 用微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥；设定微波功率为0.5W/g，真 空度为-0.065MPa，振动频率为450r/min，干燥时间为30min；设定运行时间1.3s， 间歇时间1s作为一个振动周期；启动空气除湿系统，温度控制在4-10℃，待干 燥完毕后，冷却，取样进行水分、色泽、温度以及爆腰率的测定，并记录电表 数字。

表4.热风干燥与微波干燥、微波振动干燥、微波真空振动干燥在微波功率0.5W/g 下对干燥物料的影响

由表2、表3和表4结果可以得出，采用本发明方法对谷物进行干燥处理， 其能耗明显低于传统热风干燥，爆腰率明显优于微波干燥方法与微波振动干燥 方法；但随着振动频率的不同增加，NBS值和爆腰率都略有上升。基于以上实 践理论充分证明了本发明方法的优异性，完全能够满足企业的需求以及消费者 对产品品质的要求，成功研发出一种快速、节能、有效改善产品品质的干燥方 法，对食品干燥的进一步发展起到导向性作用。