澳洲坚果射频干燥技术研究
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澳洲坚果(Macadamia tetraphylla)原产于澳大利亚,在澳大利亚、夏威夷、南非和南美洲都有商业化种植。据国际坚果委员会(INC)报道,在2010/2011年世界澳洲坚果产量约达到10万t。我国关于澳洲坚果的研发起步晚,20世纪70年代后,在广东、广西、云南和四川等省(区)的热带亚热带地区陆续引种。通过30多年的发展,我国澳洲坚果种植面积已接近6000hm2,当前主要的栽培区域是云南和广西。澳洲坚果具有厚且坚硬的外壳,导致其干燥周期很长,在工业化生产中干燥澳洲坚果需要一个多月的时间。此过程占地面积巨大,需要大量的人工操作,干燥费用也相当大。这就要求发展先进的加热技术,改造传统的干燥工艺,射频(RF)能量有潜力发展为传统干燥技术的替代者。射频加热对于农产品很有潜力进行均匀而快速地干燥,获得高质量的产品。为了得到热风辅助射频干燥澳洲坚果的工艺,本文进行了系统的试验研究。本文先后进行了澳洲坚果介电特性测定、解吸吸附等温线测定、澳洲坚果射频干燥和加热均匀性的试验研究。具体研究内容为:①采用开放末端同轴探头技术,在频率10MHz到1800MHz之间,温度25℃到100℃之间,水分含量3%到32%(干基,d. b.)之间,测量了坚果果仁的介电特性。②测定了澳洲坚果果仁粉和果壳粉在室温(25℃)下的解吸吸附等温线。使用统计分析软件SPSS (Version16.0, SPSS, Inc.)的非线性回归工具,分析评价了常见的6种模型对试验得到的解吸吸附等温线的拟合程度,以确定最佳拟合模型及其参数。③采用一个频率27.12MHz、功率6kW的射频加热系统,选用三个温度和三个电极板间距进行组合试验,以选择最佳的温度和极板间距。对热风辅助射频干燥与热风干燥澳洲坚果工艺进行了比较。使用软件SPSS的非线性回归工具,采用常见的六种干燥动力学模型,对热风辅助射频与热风干燥澳洲坚果的试验数据进行了拟合处理。在干燥过程中取出不同干燥时间的坚果,分析过氧化值和自由脂肪酸含量。④研究了射频加热和干燥澳洲坚果的均匀性。所用材料是已经预干燥的澳洲坚果和聚氨酯泡沫板,澳洲坚果的平均含水量为0.1056kg水·kg干物质-1。将堆叠起来的聚氨酯泡沫板水平或垂直放置在射频腔的下极板上的不同位置和不同高度,在通入热风和没有热风的条件下,研究加热均匀性和系统的电场分布。通过光纤传感器和红外成像测量温度,绘制温度分布等温线以及由试验数据计算出的均匀性指数进行对比评价。以坚果为原料,坚果放入容器中或放在堆叠起来的四层物料盘上,将盛有坚果的容器或物料盘放置在射频腔中的不同位置,在通入热风或者没有热风、移动或者静止的条件下,测定了热风辅助射频加热和干燥澳洲坚果的均匀性。主要结论如下:(1)果仁的介电常数和损耗因子,在频率10~300MHz之间,随着频率的增加迅速下降,而在频率300~1800MHz之间,随着频率的增加缓慢下降。介电常数和损耗因子随着水分含量和温度的上升而增大。随着射频频率、水分含量和温度的下降,介电穿透深度增大。以本项研究为基础,可以开发基于射频加热的均匀而快速的干燥技术,用于厚层澳洲坚果干燥。(2)根据国际理论和应用化学联合会(IUPAC)的分类,果仁粉解吸等温线属于第Ⅱ种类型,吸附等温线属于第Ⅲ种类型。GAB模型是最佳的解吸等温线拟合方程,Henderson模型是最佳的吸附等温线拟合方程。GAB模型拟合解吸等温线的参数A、B、C分别为8.2439、0.4815、1.3545。Henderson模型拟合吸附等温线的参数A、B分别为0.3006、0.8682。果壳粉解吸吸附等温线都属于第Ⅰ种类型。GAB模型是最佳的解吸等温线和吸附等温线拟合方程。GAB模型拟合解吸等温线的参数A、B、C分别为9.693、0.605、8.378,拟合吸附等温线的参数分别为9.695、0.635、3.268。(3)在热风辅助射频干燥过程中,极板距离对物料升温速度和平衡温度的影响比热空气大。最佳的组合为极板距离15.5cm,热风温度50℃。热风辅助射频和热风干燥澳洲坚果的干燥曲线呈现对数衰减模型。热风辅助射频干燥澳洲坚果需要360min,射频设备中的热风单独干燥需要750min,使坚果水分含量降到0.030kg水·kg干物质-1,与之对应的果仁水分含量为0.015kg水·kg干物质-1。Page模型是热风干燥最好的拟合模型,而Logarithmic模型拟合热风辅助射频干燥动力学效果最好。热风干燥和热风辅助射频干燥过程中,物料过氧化值和自由脂肪酸含量都随时间的增长而增大,但其值都在工业标准所要求的范围之内。结果表明热风辅助射频干燥澳洲坚果,干燥速度高、均匀性好、环保,很有潜力用于工业生产中。(4)采用聚氨酯泡沫板进行的试验表明,射频干燥腔中电场分布不均匀,存在角落和边缘加热效应,说明干燥腔的角落或边缘电场强度大。在所研究条件下,当堆叠的泡沫板在干燥腔的某一确定位置时,在水平和垂直方向上,都是中心温度高,周围温度低,呈现中心加热现象。热风有利于促进聚氨酯泡沫板射频加热的均匀性。坚果试验表明射频加热澳洲坚果也有角落和边缘加热效应。在所研究的试验条件下,移动物料,加热和干燥均匀性没有可察觉的明显提高。在同一位置,热风辅助射频加热坚果也呈现中心加热现象。热风是决定射频加热和干燥坚果均匀性的关键因素。
摘要 | 第5-7页 |
ABSTRACT | 第7-9页 |
第一章 文献综述 | 第15-36页 |
1.1 引言 | 第15-17页 |
1.2 微波及射频加热原理 | 第17-21页 |
1.2.1 极化 | 第17-18页 |
1.2.2 介电特性 | 第18页 |
1.2.3 介电损耗功率 | 第18-20页 |
1.2.4 穿透深度 | 第20-21页 |
1.3 介电干燥设备 | 第21-24页 |
1.3.1 微波干燥设备 | 第21-22页 |
1.3.2 射频干燥器 | 第22-24页 |
1.4 食品和农产品的微波和射频干燥技术研究与应用 | 第24-30页 |
1.4.1 微波干燥食品和农产品 | 第24-28页 |
1.4.2 食品和农产品的射频干燥 | 第28-30页 |
1.5 澳洲坚果及其干燥工艺的相关研究 | 第30-33页 |
1.5.1 简介 | 第30页 |
1.5.2 营养价值及加工工艺 | 第30-31页 |
1.5.3 传统的加工及干燥方法 | 第31-32页 |
1.5.4 新的干燥技术研究 | 第32-33页 |
1.6 介电干燥技术存在的问题和展望 | 第33-34页 |
1.7 本研究的目的和意义 | 第34页 |
1.8 研究思路、研究途径与方法 | 第34-36页 |
1.8.1 研究思路 | 第34-35页 |
1.8.2 研究途径与方法 | 第35-36页 |
第二章 澳洲坚果果仁的介电特性研究 | 第36-52页 |
2.1 材料与方法 | 第37-40页 |
2.1.1 材料 | 第37-38页 |
2.1.2 样品制备和密度的测量 | 第38-39页 |
2.1.3 含水量测定 | 第39页 |
2.1.4 介电特性测定 | 第39页 |
2.1.5 穿透深度的计算 | 第39-40页 |
2.2 结果与分析 | 第40-50页 |
2.2.1 频率与坚果果仁介电性质的关系 | 第40-44页 |
2.2.2 水分含量对于坚果果仁介电性能的影响 | 第44-47页 |
2.2.3 温度对于坚果果仁介电性能的影响 | 第47-49页 |
2.2.4 穿透深度 | 第49-50页 |
2.3 小结 | 第50-52页 |
第三章 澳洲坚果解吸吸附等温线研究 | 第52-63页 |
3.1 材料与方法 | 第53-55页 |
3.1.1 主要仪器与设备 | 第53页 |
3.1.2 原料 | 第53页 |
3.1.3 吸附等温线 | 第53-54页 |
3.1.4 解吸等温线 | 第54页 |
3.1.5 预测模型 | 第54-55页 |
3.1.6 统计分析 | 第55页 |
3.2 结果与分析 | 第55-62页 |
3.2.1 吸附解吸等温线 | 第55-57页 |
3.2.2 解吸吸附等温线预测模型及其评价 | 第57-62页 |
3.3 小结 | 第62-63页 |
第四章 热风辅助射频干燥澳洲坚果的研究 | 第63-80页 |
4.1 材料与方法 | 第64-69页 |
4.1.1 材料 | 第64页 |
4.1.2 射频辅助热空气加热系统 | 第64-65页 |
4.1.3 确定电极板间距范围 | 第65-66页 |
4.1.4 电极板间距和热风温度的选择 | 第66页 |
4.1.5 热风辅助射频干燥与射频设备中的热风干燥 | 第66-67页 |
4.1.6 洞道热风干燥 | 第67页 |
4.1.7 干燥动力学 | 第67-68页 |
4.1.8 估计有效水分扩散系数 | 第68-69页 |
4.1.9 干燥过程中的质量变化 | 第69页 |
4.2 结果与分析 | 第69-79页 |
4.2.1 初始电流 | 第69页 |
4.2.2 极板间距和热风温度的选择 | 第69-71页 |
4.2.3 热风辅助射频干燥曲线 | 第71-73页 |
4.2.4 洞道热风干燥澳洲坚果 | 第73-74页 |
4.2.5 热风辅助射频干燥和热风干燥速率 | 第74-75页 |
4.2.6 澳洲坚果干燥动力学 | 第75-78页 |
4.2.7 水分扩散系数 | 第78页 |
4.2.8 干燥过程中品质变化 | 第78-79页 |
4.3 小结 | 第79-80页 |
第五章 热风辅助射频加热干燥澳洲坚果的均匀性 | 第80-96页 |
5.1 材料与方法 | 第80-85页 |
5.1.1 材料 | 第80-81页 |
5.1.2 射频辅助热风干燥系统 | 第81页 |
5.1.3 射频对聚氨酯泡沫板加热的均匀性 | 第81-82页 |
5.1.4 热风辅助射频和热风加热泡沫板的均匀性 | 第82-83页 |
5.1.5 在不同位置热风辅助射频对坚果加热干燥的均匀性 | 第83页 |
5.1.6 静态和动态下热风辅助射频加热干燥坚果的均匀性 | 第83-84页 |
5.1.7 采用四个托盘研究加热和干燥的均匀性 | 第84页 |
5.1.8 容器中不同位置的澳洲坚果加热和干燥的均匀性 | 第84-85页 |
5.2 结果与分析 | 第85-95页 |
5.2.1 使用聚氨酯泡沫板研究射频加热均匀性 | 第85-88页 |
5.2.2 热风辅助射频和热风对泡沫板加热的均匀性 | 第88-90页 |
5.2.3 在位置 2 和 4 时热风辅助射频加热干燥坚果的均匀性 | 第90页 |
5.2.4 静态和动态下热风辅助射频加热干燥坚果的均匀性 | 第90-91页 |
5.2.5 热风辅助射频加热干燥托盘上坚果的均匀性 | 第91-94页 |
5.2.6 热风辅助射频对容器不同位置坚果加热干燥的均匀性 | 第94-95页 |
5.3 小结 | 第95-96页 |
第六章 结论、创新点与展望 | 第96-99页 |
6.1 结论 | 第96-97页 |
6.2 创新点 | 第97页 |
6.3 展望 | 第97-99页 |
参考文献 | 第99-113页 |
符号表 | 第113-114页 |
致谢 | 第114-115页 |
作者简介 | 第115-116页 |
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