微波真空干燥莲子溶洞型孔隙结构的形成机理及其与宏观物性间的关系

Previous studies have found that, when compared with traditional hot air drying, microwave vacuum drying provides a simple method of drying lotus seeds that allows the formation of a unique type of porous structure. This structure plays key role improving the macroscopic properties of the dried products. Because the microwave vacuum drying process is influenced by various factor, and the heat and mass transfer and the reorganization of the structure of lotus seed cells are complicated. At present, many research works still focus on the process optimization and product quality. The formation mechanism of this microstructure and its relationship with the micro-properties remain essentially unclear. Based on this information, the current project uses fresh lotus seeds as research materials. The internal change mechanisms of moisture status and distribution, heat and mass transfer, thermal and wet strain, Young's modulus, and starch granule gelatinization will be systematically investigated during microwave vacuum drying process. With the help of image processing and fluorescent color technology, the essence of reorganization of the structure of lotus seed cells during the drying process will be analyzed. Meanwhile, the fractal theory is used to quantify the microscopic pore structure of lotus seeds, with the aid of an artificial neural network to build a mathematical model illustrating the fractal dimensions and macro-properties. This allows analysis of the relationship between the microstructure and macro-properties. This study will promote a theoretical foundation of microwave vacuum drying for the starch-based food, like lotus seeds; it also provides a method that can be used to optimize the technology and processes used in foodstuffs drying and provide a new quality control technique.

前期研究发现，微波真空干燥莲子内部易形成独特的“溶洞”型孔隙结构，对产品宏观物性具有决定性改善。但因微波真空干燥过程受多种因素影响，莲子内部传热传质和质构重组复杂，目前的研究仍集中在工艺优化和产品品质方面，对孔隙结构的形成机制及其与宏观物性间的关系尚缺乏本质上的认识。基于此，本项目以鲜莲为研究对象，全面系统地考察微波真空干燥过程中物料内部水分状态与分布，热质传递特性，热应变、湿应变、弹性模量和淀粉糊化特性的变化机制，借助图像处理和荧光显色技术，分析干燥过程中莲子胞内质构重组规律，揭示“溶洞”型孔隙结构的形成机理；利用分形理论对微波真空干燥莲子的微观孔隙结构进行量化，借助人工神经网络构建分形维数与宏观物性间的数学模型，构建微观结构与宏观物性之间的关系。该研究可提升以莲子为代表的高淀粉质食品的微波真空干燥理论水平，为工艺优化和产品品质控制提供科学依据。

我们前期发现莲子在微波真空干燥后期存在结合水无法继续干燥，干燥速度明显减少，品质被严重破坏的问题。这可能是因为在干燥后期，物料内部和表面的水分梯度太大抑制干燥进程且后期升温较快，较高对品质影响较大。本项目以新鲜莲子为对象，研究了不同处理方式对微波真空干燥莲子不同品质特性的影响。主要结果如下：.(1)研究了不同处理方式对微波真空干燥莲子传质动力学模型的影响，结果表明：超声波预处理和缓苏处理明显的提高干制后期莲子的干燥速率。莲子干燥至平衡含水量所需时间随微波强度，超声波强度，中间含水率的增加而减小。利用前人的不同动力学方程对莲子微波真空干燥过程进行拟合，建立莲子微波真空干燥动力学模型。对比拟合系数和拟合曲线，新模型MR = exp(−(t/b)a) + c exp(−kt)拟合度最高，能较好的拟合不同处理方式下的莲子微波真空干燥动力学。.(2)研究了不同处理方式对微波真空干燥莲子淀粉品质特性及水分分布的影响，结果表明：微波真空干燥增大莲子的玻璃化转化温度及糊化温度。超声波预处理和缓苏处理进一步增加微波真空干燥后莲子的玻璃化转化温度，从而增加食品的贮藏稳定性。但是，两种处理方式都减少微波真空干燥后莲子的糊化温度，使干燥过程中莲子更容易糊化，但又因为两种处理方式减少干燥的时间，减少了莲子糊化的程度。干燥过程伴随着水分子三种状态（结合水、不易流动水、自由水）间的相互迁移。不同处理方式下淀粉品质特性与水分分布间的关系也不同。.(3)研究了不同处理方式对微波真空干燥莲子品质特性的影响，结果表明：超声波预处理和缓苏处理限制微波真空干燥莲子在干燥过程中色泽的变化，超声波预处理的效果更显著，其△E达到最小为2.17 ~ 3.69。微波真空干燥增大莲子的自由氨基酸含量。超声波预处理和缓苏处理进一步增加微波真空干燥后莲子的自由氨基酸含量，超声波预处理（U10.84,20kHz）的自由氨基酸含量最大，为666.13 (dry basis, mg/100 g)。.(4)研究了不同处理方式对微波真空干燥莲子溶洞型孔隙结构的分形特征的影响，结果表明：微波真空干燥莲子微观结构的分形维数越大，其复水率就越大，同时分形维数与复水率间具有良好的线性关系。可通过构建不同干燥方式下莲子干品微观结构的分形维数与更多物性间的关系，来鉴别莲子干制品的干燥方式。