试验用东北玉米采自吉林大学生物与农业工程学院玉米实验田,贮存于冰箱备用,其含水率为31.39%。

PH070A干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;MM721AAU-PW美的微波炉,美的微波电器制造有限公司;JA3003A电子精密天平,上海精天电子仪器有限公司;T22N紫外可见分光光度计,上海精密科学仪器有限公司;PHS-25数字酸度计,杭州东星仪器设备厂;BCD-L45冰箱,合肥荣事达电冰箱有限公司;W4万用电炉,北京科伟永兴仪器有限公司;CY-100微量进样器,北京青云卓立精密设备有限公司;DHP060恒温培养箱,上海实验仪器厂有限公司;洁净操作台,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;VC305红外测温仪,深圳市胜利高电子科技有限公司。

1.3.1 单独热风干燥(HAD)

每次称取100.0 g玉米3份,铺成薄层,分别放入干燥箱中进行55、60、65 ℃热风干燥。每隔20 min称玉米质量,直至含水率达到12%~14%时停止干燥。

1.3.2 单独微波干燥(MD)

每次称取100.0 g玉米,铺成薄层,放入微波炉中以微波功率119 W进行干燥。每隔10 min称玉米质量,同时测量玉米表面的温度,直至含水率达到12%~14%时停止干燥。

1.3.3 热风和微波联合干燥(HAMD)

前期进行热风干燥,即称取100.0 g玉米,将其铺成薄层,放入干燥箱中进行60 ℃热风干燥,直至转换水分点为20%时,进入后期微波干燥,即将玉米放入微波炉中进行119 W微波干燥。每隔5 min称玉米质量,同时测量玉米表面的温度,直至含水率达到12%~14%时停止干燥。

1.3.4 试验指标及方法

(1)湿基含水率参照文献[14]的直接干燥法测定。

(2)干基含水率的计算:

式中: 为玉米的初始湿基含水率。

(3)转换水分点为

式中: 为转换水分点。

(4)水分比的计算:水分比(MR)以 表示玉米的初始含水率(干基)。

(5)干燥速率的计算:

式中: 时刻玉米的干基含水率。

(6)总能耗的计算:设备的功率×干燥时间

(7)霉菌计数参照文献[17]测定。

1.3.5 三种干燥模型^{[ 18]}

(1)单项扩散

式中: 均为单项扩散模型的参数。

(2)Page模型

式中: 均为Page模型的参数。

(3)经验模型

式中: 均为经验模型的参数。

(4)三种干燥模型的线性化方式见参考文献[13]。

每次干燥试验重复3次,取平均值,采用Excel 2003和SPSS V13.0软件进行数据分析。

2.1.1 玉米单独热风干燥

玉米经单独热风干燥的结果见图1和图2:

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 玉米单独热风干燥的干燥曲线Fig.1 Drying curve of maize dehydrated by hot air drying

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 玉米单独热风干燥的干燥速率曲线Fig.2 Drying rate curve of maize dehydrated by hot air drying

由图1可知,在HAD中,水分比随干燥时间呈指数下降。由图2可知,干燥初期0~20 min是玉米样品的预热阶段,干燥速率从0至最高值21.15%/h,即调整阶段;当干燥时间为20~240 min时,干燥速率随干燥时间下降至2.19%/h。因此,HAD过程分为调整和降速两个阶段。

2.1.2 玉米单独微波干燥

玉米经单独微波干燥的结果见图3、图4和图5:

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 玉米单独微波干燥的干燥曲线Fig.3 Drying curve of maize dehydrated by microwave drying

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 玉米单独微波干燥的温度曲线Fig.4 Temperature curve of maize dehydrated by microwave drying

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 玉米单独微波干燥的干燥速率曲线Fig.5 Drying rate curve of maize dehydrated by microwave drying

由图3可知,随着微波干燥时间的延长,水分比逐渐减少,且比HAD时下降得快。由图4和图5可知,干燥初期0~20 min,温度随干燥时间迅速上升至69.8 ℃,干燥速率则从0升至最高值41.04%/h,并且最高值明显高于HAD,该阶段属于调整阶段;当干燥时间为20~70 min时,温度随时间的延长而逐渐增加,最终达100.8 ℃,干燥速率则下降至19.02%/h。MD过程可分为调整和降速两个阶段。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 玉米联合干燥的干燥曲线Fig.6 Drying curve of maize dehydrated by a combination drying

2.1.3 玉米热风与微波联合干燥

玉米经前期60 ℃热风、后期119 W微波干燥的结果见图6、图7和图8:

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 玉米联合干燥的温度曲线Fig.7 Temperature curve of maize dehydrated by a combination drying

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 玉米联合干燥的干燥速率曲线Fig.8 Drying rate curve of maize dehydrated by a combination drying

由图6可知,0~106 min为前期热风干燥,水分比随干燥时间的延长从100%下降至53.04%;106~141 min为后期微波干燥,水分比随干燥时间的延长迅速下降至31.01%,这时玉米含水率达14%,且干燥时间少于单独热风干燥。由图7可知,当干燥时间为0~106 min时, 温度逐渐升至60 ℃并保持恒定;当干燥时间为106~141 min时,温度随时间迅速上升至96 ℃,但该终点温度低于MD终点温度,有利于避免玉米表面层受热过度。

由图8可知, 前期热风干燥速率明显低于后期微波干燥。在前期60 ℃热风干燥中(0~106 min),干燥速率最高值达24.96%/h,干燥过程分为调整和降速阶段;后期微波干燥过程可分为调整(106~116 min)、恒速(116~136 min)和降速(136~141 min)三个阶段,干燥速率在恒速阶段达最高值19.14%/h,大大加快了脱水速率。

根据玉米干燥曲线(图1、图3和图6),采用Excel 2003和SPSS V13.0软件进行分析,结果见表1:

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 玉米干燥模型的比较 Table 1 Comparison of drying models for maize 模型名称 方程 线性形式 相关系数 R2 单独热风 (HAD) 单独微波 (MD) 联合干燥后期 (HAMD) 单项扩散模型 (55 ℃)0.9887 (60 ℃)0.9915 (65 ℃)0.9936 0.9988 0.9963 Page模型 (55 ℃)0.9986 (60 ℃)0.9980 (65 ℃)0.9998 0.9947 0.9409 经验模型 (55 ℃)0.9744 (60 ℃)0.9409 (65 ℃)0.9785 0.6151 0.9493

表1 玉米干燥模型的比较 Table 1 Comparison of drying models for maize

由表1可知,对于HAD,ln(-ln MR)与ln t的平均 R²值最大,拟合较好。在关系式 与干燥参数的关系式为

与干燥参数的关系式为

式中: 为干燥介质绝对温度。由此得到:

对其进行多元线性回归分析,确定其系数分别为:

HAD的模型为

对于MD, 为干燥介质绝对温度。由此可以得到:

对其进行多元线性回归分析,确定其系数分别为: 因此,MD的模型为

对于HAMD,前期热风干燥模型与式(8)相同。在后期微波干燥中,ln MR与 t的 R²值最大,得到联合干燥后期干燥模型中的系数分别为: 因此,HAMD的模型为

记录玉米3种不同干燥方式的干燥时间,重复3次取平均值,不同方法的能耗对比结果见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同干燥方式的能耗比较 Table 2 Energy consumption comparison of different drying methods 干燥方式 干燥时间 /min 单位能耗 /(105 J·h-1) 总能耗/107 J HAD 220 55.8 122.8 MD 70 4.284 2.999 HAMD 106(前期) 35(后期) 55.80(前期) 4.284(后期) 60.65

表2 不同干燥方式的能耗比较 Table 2 Energy consumption comparison of different drying methods

由表2可知,总能耗由小到大依次为:MD,HAMD,HAD。一方面,与HAD相比,HAMD总能耗降低了50.6%;另一方面,由于部分热风干燥的使用,因此HAMD的总能耗高于MD。

对3种不同干燥方式的玉米样品,检测其霉菌数如下:未干燥(新鲜)为1.44×106 CFU/g,单独热风(HAD)为1.88×104 CFU/g,单独微波(MD)小于1 CFU/g,热风与微波联合干燥(HAMD)小于1CFU/g。由此可知:HAMD后期经过微波处理,所有稀释平板上均无霉菌菌落生长,其霉菌计数为<1 CFU/g,表明HAMD对霉菌的灭活作用明显优于HAD,也表明微波辐射具有显著的杀菌效果。