红外辐射加热条件下双孢菇的干燥特性研究

张丽丽，石启龙，赵国勇

（1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049；2. 山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049）

双孢菇种植比较广泛，且营养价值较高，但是双孢菇本身容易发生褐变，且难以储存，一般在室温条件下能保存24 h 左右。因此，采后加工就变得比较重要。干燥作为果蔬深加工的一种重要方式，在果蔬采后加工贮藏方面起着重要的作用。

近年来，红外加热干燥技术得到了较快发展，大量试验表明其具有高效、节能、环保的特点[1-5]。但红外辐射干燥是复杂的非稳态传热、传质过程，物料内部水分的传递特性是干燥过程的重要参数，水分扩散系数反映了物料在一定干燥条件下的脱水能力，其大小不仅与食品成分、多孔性、水分含量等物料性质有关，更取决于外部干燥方式和干燥条件，对深入分析物料内部水分扩散过程及优化干燥工艺具有重要意义。

因此，在红外干燥条件下对双孢菇进行干燥，研究不同红外干燥条件下物料内部的有效扩散系数变化，以便进一步研究红外辐射干燥中双孢菇的水分传递机制；研究不同辐射强度和不同厚度对双孢菇有效水分扩散系数的影响；基于Fick 第二扩散定律，通过从控制条件下的干燥试验得到的干燥曲线，提供水分传递机制的有用信息，用其来确定水分的有效扩散系数。可对优化双孢菇干燥工艺提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与装置

材料选用直径在4.0±0.5 cm 的新鲜双孢菇，购买于淄博市边河食用菌示范基地。

试验采用自制的远红外干燥试验装置，由碳纤维红外加热管、干燥室、温度传感器、晶闸管调压系统、电子天平及数据采集系统等组成。通过晶闸管调节电压，从而能够调节辐射功率以保证干燥室内温度的恒定。

1.2 试验设计

试验设计见表1。

表1 试验设计

1.3 试验方法

1.3.1 红外辐射干燥双孢菇的方法及过程

将4.0±0.5 cm 左右的双孢菇去大部分根，因为红外线具有灭酶的作用[6]，所以在干燥前未使用护色处理。样本厚度按照试验设计安排表1，每次试验将500 g 双孢菇片作为待测样本，均摊于网状料盘中，数据采集系统每30 s 记录质量的变化。试验中采用辐射距离为150 mm。

1.3.2 含水率测定方法

初始含水率采用105 ℃常压干燥法，离线计算，并根据初始含水率和1.3.1 中在线测量的双孢菇质量计算出干燥过程双孢菇的实时含水率，结果均以干基计算。

1.3.3 干燥模型

各种食品的薄层干燥理论模型一般由Fick 第二扩散定律得出，如公式（1） 所示[7]：

式中：

M——局部含水率，干基表示；

①建立合理的调价机制，工程在实际运行过程中的价格应由低到高逐步调整到“还贷、保本、微利”，便于水价的平稳过渡。

t——干燥时间，s；

D——水分扩散系数，m2/s。

为了得到水分的有效扩散系数，对于此次干燥，假设如下[8]：

水分转移是以扩散为主，外部对水分扩散的阻力相比于内部阻力忽略不计，样本中初始水分分布是均匀的，扩散系数是常量而不是温度梯度的函数，不考虑物料的收缩。

把公式（1） 进行解析，得出公式（2） 所示：

式中：

MR——水分比；

Defft——有效水分扩散系数，m2/s；

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对双孢菇片干燥的影响

不同辐射温度下双孢菇片厚度为5 mm 的水分比变化曲线见图1。

由图1 可知，3 种干燥条件下水分比的整体趋势来看，对于相同厚度（5 mm） 的双孢菇片，高温条件比低温条件下的干燥时间要明显缩短。干燥温度为50，60，70 ℃时，干燥时间分别为280，235，180 min，辐射强度从50 ℃增加到70 ℃后，时间减少了100 min。在所有的干燥条件下，初始阶段水分的减少速率比较明显，干燥到一定时间后，水分比的降低会逐渐下降。干燥速率随着干燥温度升高而升高，然后干燥速率开始下降，直至干燥过程结束为止。可以解释为干燥初始阶段所去除的水分是物料中的自由水，而干燥末期所去除的是结合水，因此水分减少速率呈现逐渐降低的趋势。

图1 不同辐射温度下双孢菇片厚度为5 mm 的水分比变化曲线

在温度低的干燥条件下，恒速干燥阶段明显一些，但是随着温度的增加，恒速干燥阶段越来越不不明显。可能是由于在高的辐射温度下，表面水分蒸发的速度高于物料内部水分从内部到表面扩散的速度，因此物料表面的脱水层变硬而阻碍了内部水分向外迁移。

不同厚度双孢菇片干燥温度为60 ℃的水分比变化曲线见图2。

图2 不同厚度双孢菇片干燥温度为60 ℃的水分比变化曲线

由图2 可知，样本厚度的变化对加热时间影响也非常显著。对于相同温度（60 ℃） 的双孢菇片，双孢菇片越厚需要的时间越长。厚度分别为3，5，7 mm 时，干燥时间分别为175，235，301 min，厚度从3 mm 增加到7 mm 后，时间增加了126 min。在不同的样本厚度下，干燥速率也显著不同，在干燥初始阶段，样本厚度越小，干燥速率越大；随着时间的增加，干燥速率也都越来越小。

2.2 不同干燥条件下双孢菇片的水分扩散分析

将9 组试验数据转换为lnMR-t，并将试验过程得到的干燥试验数据利用Matblab 软件进行线性拟合，拟合方程的斜率为B，根据公式（3），从而计算得到Deff。

不同干燥条件下双孢菇的水分扩散系数见表2。

表2 不同干燥条件下双孢菇的水分扩散系数

干燥活化能Ea按照公式（4） 计算：

式中：

D0——物料中的扩散基数，m2/s；

Ea——物料的活化能，kJ/mol；

R——气体摩尔常数，其值为8.314/（mol·k）；

T——物料的干燥温度，℃。

把公式（4）两边取自然对数，将InDeff与进行拟合，根据拟合得出的直线斜率算出物料的活化能。最后计算得出双孢菇片的平均活化能为36.48 kJ/mol。

根据公式（3） 对不同含水率条件下的水分扩散系数进行了计算，由表1 看出双孢菇废片水分有效扩散系数随着辐射温度的升高和切片厚度的增加而升高，水分扩散系数值分布在1.396×10-8～1.343 8×10-7m2/s，水分扩散系数值大小的变化分布在干制食品的正常范围内（10-12～10-8m2/s）[10-11]，水分扩散系数值大小的变化分布在干制食品的正常分布范围内。当然由于各种食品本身的组织结构特性及物理状态，以及数据处理方法，物料间扩散率的差别小于相同物料中温度或含水量所引起的差别。

3 结论

上述研究发现，在红外干燥双孢菇的过程中辐射温度和样本厚度对物料干燥过程的影响比较显著，在整个干燥过程中，物料水分去除的速率都是呈先快后慢的趋势，在干燥时间较长的过程中，恒速干燥阶段比较明显。

基于Fick 第二扩散定律的薄层干燥理论模型，得出了各种干燥参数条件下lnMR-t 的线性拟合方程，由此求出了有效水分扩散系数，发现其分布在1.396×10-8～1.343 8×10-7m2/s，最后计算得出双孢菇片的平均活化能为36.48 kJ/mol。