微波真空干燥的数学模拟及其在食品加工中的应用

发布时间：2017-06-22 18:09

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【摘要】：本课题研究意在开发微波真空干燥技术,对其过程进行数学模拟,并应用于食品脱水干燥和浓缩。 首先研制了实验规模的微波真空干燥器,该设备主要特点如下:被干燥物料能在谐振腔内随转盘转动,削除了微波加热的热点,微波功率和真空度可调,并可实时观察物料的干燥情况。 以胡萝卜片为实验材料,研究了片状物料微波真空干燥的动力学数学模型。该模型根据物料的显热、潜热和吸收的微波能的能量平衡,通过的大量实验数据对模型进行验证,结果表明样品从初始含水量干燥到含水量 (干基)的干燥阶段,理论干燥曲线和实验干燥曲线非常吻合,并且此阶段干燥速率是一常数;当样品的含水量 的干燥段,实验干燥曲线开始稍偏离理论干燥曲线,而样品的含水量 的干燥段,实验干燥曲线大幅度偏离理论干燥曲线,所以当 的干燥段,理论干燥动力学数学模型必必须进行修正,因而引进修正系数 ,通过对实验数据的非线性回归,得到了修正系数的数学表达式。干燥动力学试验时微波能和真空压力变化范围较大,理论模型和试验都表明干燥速率与微波功率大小成正比,与真空压力下水的汽化潜热的大小成反比。 以胡萝卜片为试验材料,研究了薄片物料在微波真空干燥过程中物料内部的温度分布和温度变化。试验表明:当样品的厚度小于8 mm时,其中心温度和表面温度大小相同,内部的温度分布均匀;而当样品的厚度大于 8 mm 时,其中心温度大于表面温度,沿厚度方向产生了温度梯度。当样品的厚度小于8 mm时,试验还表明胡萝片的整个干燥过程可分为三个干燥阶段,即均匀加热段、恒温段和快速升温段。均匀加热段( )样品的温度线性增至该真空度下的水的饱和温度,此阶段没有水分的蒸发,且均匀加热段的时间非常短;恒温段( )水分大量从样品内部蒸发迁出,几乎没有阻力;快速升温段( )的干燥速率下降,温度升高。样品的厚度小于8 mm时,微波真空干燥均匀加热段和恒温段样品温度预测的数学模型主要根据能量平衡,对于快速升温段由于水分少,微波能不能全部被吸收,通过对试验数据的非线性回归,得到了一个经验的数学模型。 研究了微波真空和热风干燥组合干燥大蒜片。样品首先用微波真空干燥到含水量约10% (湿基),然后采用45 oC的热风干燥到水分小于5%(湿基),通过对干燥样品大蒜素的保留率、颜色、质构和复水率等方面的测试,并和冷冻干燥和传统的热风干燥(60-65 oC)产品在上述几个方面进行比较,结果表明微波真空和热风组合干燥大蒜片的质量与冷冻干燥的大蒜片质量十分接近,比传统的热风干燥的大蒜片质量要好得多。 研究了微波真空、微波真空和热风干燥组合、微波真空和真空干燥组合干燥富含叶绿素的小葱和富含类胡萝卜素的胡萝卜片。样品首先用微波真空干燥到样品含水量约 WP=10 20%(湿基),然后采用45-50 oC的热风或55-60oC的真空干燥或低功率的微波真空干燥到样品含水量约6%(湿基),通过叶绿素和胡萝卜素含量的测试,结果表明上述干燥方法得到的产品其色素的保留率与冷冻干燥产品的色素保留率接近,比传统的热风干燥(60-65 oC)的产品色素的保留率高得多。微波真空干燥胡萝卜可以省去热烫工艺,主要是因为微波真空干燥速度快,与色素降解有关的酶的活性急剧下降,干燥过程中没有氧气。 对高粘度的灵芝多糖溶液进行了微波真空浓缩和干燥,不仅灵芝多糖和三萜酸的保留率与冷冻干燥产品接近,比传统真空干燥要高得多,而且浓缩或干燥速度快,表明微波真空技术在浓缩和干燥高粘度、热敏性液态食品方面具有良好的应用前景。 通过对各种干燥方法干燥过程能量利用率和能耗的分析和对比,微波真空干燥的干燥成本要比冷冻干燥低得多,比传统的热风干燥成本略高;对工业微波真空干燥设备提出了设想。 本课题研究表明:微波真空干燥可以获得高质量的脱水干燥食品,且成本低廉。
【关键词】：微波真空干燥 干燥动力学数学模型 温度分布和变化数学模拟 大蒜片 胡萝卜片 小葱 灵芝多糖
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TS205
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-14
• 数学符号表14-17
• 第一章 绪论17-36
• 1.1 干燥技术与农产品和食品加工17-20
• 1.1.1 农产品和食品干燥的主要特点和问题17
• 1.1.2 干燥在农产品加工、食品加工中的应用17-18
• 1.1.3 干燥技术和设备在农产品、食品加工中的应用现状和发展趋势18-20
• 1.2 干燥过程对食品品质的影响20-21
• 1.3 介电(微波)加热干燥的特点21-28
• 1.3.1 微波在电磁波谱上的位置21-22
• 1.3.2 介电加热原理22-23
• 1.3.3 介电加热的特点23
• 1.3.4 物料的介电特性23-24
• 1.3.5 微波场中物料吸收的微波能及穿透深度的计算24-27
• 1.3.6 介电干燥的特点27-28
• 1.4 微波真空干燥的技术研究进展28-31
• 1.4.1 微波真空干燥的技术特点28-29
• 1.4.2 微波干燥、微波真空干燥的国内外研究和发展现状29-31
• 1.4.2.1 理论研究29
• 1.4.2.2 应用研究现状29-30
• 1.4.2.3 微波真空干燥设备的研制现状30-31
• 1.5 微波真空干燥技术开发和应用前景31
• 1.6 立题背景和意义31-32
• 1.7 本论文的主要研究内容32
• 参考文献32-36
• 第二章 微波真空干燥试验设备的研制36-48
• 2.1 微波真空干燥实验设备的国内外状况36
• 2.2 设计原理与计算36-45
• 2.2.1 设备的组成36-38
• 2.2.2 矩形波导设计38-41
• 2.2.2.1 矩形波导中的电磁场分布38-39
• 2.2.2.2 矩形波导的传输特性39-40
• 2.2.2.3 矩形波导尺寸的确定40-41
• 2.2.3 箱式干燥器的设计原理41-43
• 2.2.4 矩形干燥箱内的电场强度的估算和设计要求43-45
• 2.3 试验设备结构图和实体照片图45-46
• 2.4 本章小结46
• 参考文献46-48
• 第三章 微波真空干燥动力学数学模型48-63
• 3.1 前言48-49
• 3.1.1 微波真空干燥动力学研究的意义48
• 3.1.2 微波真空干燥动力学研究的现状48-49
• 3.2 数学模型49-50
• 3.3 材料与设备50
• 3.3.1 实验材料50
• 3.3.2 实验仪器50
• 3.4 试验方法50-52
• 3.4.1 微波输出功率的测量50-51
• 3.4.2 试验样品质量的确定51-52
• 3.4.3 样品制备和水分含量测定52
• 3.5 结果与讨论52-61
• 3.5.1 实验干燥曲线与理论干燥曲线的比较52-58
• 3.5.2 微波功率对干燥曲线的影响58-60
• 3.5.3 真空度对干燥曲线的影响60-61
• 3.6 本章小结61-62
• 参考文献62-63
• 第四章 微波真空干燥薄片物料的内部温度分布和变化的数学模拟63-78
• 4.1 前言63-64
• 4.1.1 研究微波真空干燥过程中物料内部的温度分布和温度变化的重要性63
• 4.1.2 微波真空干燥过程中物料内部的温度分布和温度变化数学模型的研究现状63-64
• 4.2 微波真空干燥片状食品的过程中传质机理和传质的控制阻力64-65
• 4.3 数学模型65-67
• 4.3.1 能量平衡方程65
• 4.3.2 质量平衡方程65-66
• 4.3.3 边界条件66-67
• 4.3.4 初始条件67
• 4.3.5 干燥薄片物料时数学模型的简化67
• 4.4 材料与方法67-68
• 4.4.1 实验材料67
• 4.4.2 仪器和设备67
• 4.4.3 试验方法67-68
• 4.4.3.1 微波输出功率的测量67-68
• 4.4.3.2 干燥过程中温度测试68
• 4.5 结果与讨论68-75
• 4.5.1 切片厚度对温度分布的影响68-70
• 4.5.2 微波真空干燥过程中样品的温度变化规律及其数学表达70-75
• 4.5.2.1 微波真空干燥过程三阶段73
• 4.5.2.2 均匀加热段温度的数学表达73
• 4.5.2.3 恒温或恒速干燥阶段温度的数学表达73
• 4.5.2.4 快速升温或降速干燥阶段温度的数学表达73-75
• 4.6 本章小结75-76
• 参考文献76-78
• 第五章 微波真空干燥在食品加工中的应用78-100
• 5.1 微波真空干燥大蒜片的研究78-84
• 5.1.1 前言78-79
• 5.1.1.1 研究大蒜干燥的意义78-79
• 5.1.1.2 大蒜干燥的国内外现状79
• 5.1.2 材料与设备79
• 5.1.2.1 实验材料79
• 5.1.2.2 实验仪器79
• 5.1.3 干燥试验工艺79-80
• 5.1.4 测定方法80-82
• 5.1.4.1 大蒜素保留率的测定80-81
• 5.1.4.2 干燥蒜片色泽测定81
• 5.1.4.3 干燥蒜片质构测定81
• 5.1.4.4 干燥蒜片复水性测定81-82
• 5.1.5 结果与讨论82-84
• 5.1.5.1 干燥方法对大蒜素保留率的影响82
• 5.1.5.2 干燥方法对大蒜片色泽的影响82-83
• 5.1.5.3 干燥方法对大蒜片质构的影响83-84
• 5.1.5.4 干燥方法对大蒜片复水性的影响84
• 5.2 微波真空干燥胡萝卜片和绿叶蔬菜84-92
• 5.2.1 前言84-87
• 5.2.1.1 脱水蔬菜色素保留的意义84-86
• 5.2.1.2 类胡萝卜素和叶绿素的损失机制86-87
• 5.2.1.3 胡萝卜素片和绿叶蔬菜干燥研究的国内外现状87
• 5.2.2 材料与设备87-88
• 5.2.2.1 实验材料88
• 5.2.2.2 实验仪器88
• 5.2.3 干燥试验工艺88
• 5.2.4 测定方法88-90
• 5.2.4.1 总胡萝卜素保留率的测试88-89
• 5.2.4.2 叶绿素保留率的测定89-90
• 5.2.5 结果与讨论90-92
• 5.2.5.1 干燥方法对总胡萝卜素保留率的影响90-91
• 5.2.5.2 干燥方法对叶绿素保留率的影响91-92
• 5.2.5.3 热烫对胡萝卜片干燥中(-胡萝卜素保留率的影响92
• 5.3 高粘度灵芝多糖溶液浓缩或干燥92-96
• 5.3.1 前言92-93
• 5.3.2 材料与设备93
• 5.3.2.1 实验材料93
• 5.3.2.2 实验仪器93
• 5.3.3 干燥工艺93-94
• 5.3.4 测定方法94
• 5.3.4.1 水溶性多糖的测定94
• 5.3.4.2 灵芝三萜酸的测定94
• 5.3.5 结果与讨论94-96
• 5.3.5.1 干燥方法对灵芝多糖含量的影响94-95
• 5.3.5.2 干燥方法对灵芝三萜酸含量的影响95
• 5.3.5.3 不同干燥方法的干燥效率比较95-96
• 5.4 本章小结96
• 参考文献96-100
• 第六章 微波真空干燥的经济性和工业设备展望100-109
• 6.1 前言100
• 6.2 干燥设备的能量利用率100-103
• 6.2.1 干燥设备的能量利用率和热效率的计算100-101
• 6.2.2 热风干燥、冷冻干燥和微波真空干燥能量利用率的比较101-103
• 6.3 各种干燥方法的干燥成本计算和比较103-106
• 6.3.1 热风干燥、冷冻干燥和微波真空干燥单位能耗的计算和比较103
• 6.3.2 热风干燥、冷冻干燥和微波真空干燥生产脱水蔬菜单位能耗成本的比较103-104
• 6.3.3 冷冻干燥和微波真空干燥生产脱水蔬菜成本和利润的比较104-106
• 6.4 微波真空干燥工业设备的展望106-107
• 6.5 本章小结107-108
• 参考文献108-109
• 主要结论109-111
• 论文创新点111-112
• 附录112-115
• 攻读博士学位期间发表的文章115-116
• 致谢116

【引证文献】

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本文编号：472650