J. Future Foods | 高功率短时微波干燥洋葱粉及其对蜡样芽孢杆菌致死效果的模拟

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Introduction

洋葱因具有高风味增强特性和健康益处而深受消费者喜爱。洋葱的能量相对较高，且富含钙、核黄素和水分。洋葱中主要潜在的对健康有益的物质包括有机硫化合物和类黄酮。黄酮类化合物是洋葱皮中必不可少的抗氧化化合物。黄烷醇和花青素是两大类黄酮类化合物，负责不同洋葱品种的特征颜色，此外，黄酮类化合物的多酚成分具有抗癌特性。有机硫化合物主要是烯基半胱氨酸硫化物，负责产生洋葱的特定气味和味道。据报道，从洋葱中提取的产品具有许多健康益处，如抗血小板活性、抗癌活性、抗血栓活性和抗生素活性。风味和香气是判断其品质的两个重要属性。干燥过程中的化学变化主要是由于干燥温度过高引起的。蔬菜制品的加热会导致类黄酮的热降解、氧化和浸出。洋葱粉加热至120 ℃以上时，其重要的类黄酮（槲皮素和糖苷）和糖分含量会减少。

另一方面，洋葱的货架期较短。在印度，贮藏设施不当会造成洋葱收获后损失较大。因此，干燥或脱水洋葱是最适合保存和延长其货架期的方法。此外，采用该技术将水分含量降低到不发生微生物生长的安全水平，并保持风味和营养价值十分重要。热风干燥是一种传统的易腐食品保鲜方法。热风干燥通常需要较长的加热时间，导致食品的感官特性和营养特性劣变、维生素和色素被热风氧化、溶质颗粒从内部向表面迁移。与传统对流加热方法相比，微波通过使用更少的能量、时间和控制参数使过程更高效。微波加热通过离子相互作用或电介质加热产生快速体积热。当加热湿食品时，其温度可能达到水的沸点。由于水分的内部蒸发，可能会产生气体压力梯度，从而将水分从内部排出。因此，该过程有助于快速干燥食品而不会过热或表面硬化，并有助于排出内部大部分水分。由于潮湿食品微波加热过程中达到的最高温度一般在水的沸点附近，因此微波加热食品的感官特性劣变或维生素和色素氧化程度较低。在热风干燥的情况下，洋葱中的残余糖分受风速和相对湿度的影响，而在微波干燥的情况下，残余糖分不受任何工艺参数的影响。近年来，与微波加热和干燥应用领域的相关研究增加，主要集中在热敏性水果和蔬菜上。

关于微波加热系统的设计和工艺，大多数研究基于工程经验和感知观点。然而，基于电磁和传热模型的建模技术可以为研究食品特性和微波设计对加热过程的影响提供平台。通过计算机程序的模拟技术已广泛用于模拟传热，并有助于设计具有优化工艺参数的微波加热过程。用热风加热洋葱粉进行成品干燥或灭菌需要较长加工时间，导致加工生产线上产品污染严重。蒸汽灭菌需要一个额外的干燥周期。因此，将微波能量应用于杀菌过程可以成为一种最短处理时间的智能替代品。本研究针对传统干燥工艺的局限性，研究了微波干燥洋葱粉的温度曲线，并对干燥过程中蜡样芽孢杆菌的致死效果进行评价。

图1 洋葱粉干燥和灭菌的微波炉示意图

Results and discussion

数学模型验证和薄洋葱微波干燥过程中的温度曲线

由图2可知，数学模型预测的微波加热过程中的温度变化与实验数据拟合较好，实验温度数据与预测温度数据的平均误差约为3%。

图2 水分含量对洋葱粉微波干燥过程中有效水分扩散率的影响

干燥速率评估

干燥速率与水分含量（干基）的关系如图3所示。结果可知，干燥速率与产品的水分含量（干基）呈非线性关系。洋葱样品的初始水分含量较低，约为10%（干基）。这导致干燥速率最初急剧下降，但随着样品单位质量吸收的微波功率的增加，水分从产品内部移动到表面，导致蒸发。

图3 水分含量对干洋葱粉干燥速率的影响

水分含量对有效水分扩散率的影响

不同时间间隔的不同扩散系数值如图4所示。在一定功率下， D随水分含量的降低而增加。 传质系数变化规律如图5所示， 当干燥过程持续超过恒定干燥速率时，观察到水分流失速率显著降低。 由于样品中最初存在的游离水含量较低，因此从样品中去除的水分总量较少（约为7%）。

图 4 在50 W/g功率密度下微波加热干洋葱粉的时间-温度曲线

图5 水分含量对微波干燥洋葱粉传质系数的影响

洋葱粉中蜡样芽胞杆菌的热致死时间或F和SV的评估

利用 时间-温度曲线预测不同微生物的热死亡时间或F。然后使用F和D T 来预测特定微生物的SV。由图6可知，蜡样芽孢杆菌孢子的致死值（F117 ℃）或热死亡时间为0.093 min，蜡样芽孢杆菌孢子的DT为0.215 min。此外，蜡样芽孢杆菌在117 ℃下灭菌75 s后减少0.431（lg（CFU/g））。结果表明，微波功率密度不足以完全灭活蜡样芽孢杆菌孢子。

图6 干洋葱粉微波加热过程中蜡样芽孢杆菌累积F随时间的变化

Conclusion

用于计算机模拟的简化数值模型较好地描述了实验微波干燥过程中洋葱粉温度模式的变化。使用高微波功率质量比提高了样品温度和传热系数，并缩短了干燥时间，同时有效水分扩散率随时间增加。蜡样芽胞杆菌在117 ℃下75 s后开始失活。因此，在此过程中不能完全灭活蜡样芽孢杆菌孢子以保持干燥成品质量。

Simulation of high-power short time finish microwave drying of onion powder and lethal effects of microwave drying on Bacillus cereus

Ankita Nayak a, Deepika Sakthivel a, Durgawati a, Shiva Shivanand Shirkole b, Qi Zhang c*, Hongwei Xiao d, Parag Prakash Sutar a*

aDepartment of Food Process Engineering, National Institute of Technology Rourkela, Odisha 769008, India

bDepartment of Food Engineering and Technology, Institute of Chemical Technology Mumbai, ICT-IOC Odisha Campus, Bhubaneswar 751013, India

cCollege of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225002, China

dCollege of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

*Corresponding author.

Abstract

The onion powder with an initial moisture content of 10% (dry basis) in a thin infinite layer of thickness 5 mm was dried using a laboratory microwave oven at 50 W/g microwave power density to a final moisture content of 2% (dry basis). The temperature and moisture change pattern of the experimental process was monitored. Computer simulation of the predicted temperature pattern with drying time was obtained by using the mathematical model governed by the energy balance equation and using data of the thermo-physical properties of the onion powder. The code for the simulation was written using the C++ programming language. The high microwave power-to-mass ratio resulted in raised temperature with reduced drying time. The initial low moisture content of the product led to a gradual decrease in the drying rate. However, effective moisture diffusivity showed an increasing trend with decreasing moisture content because of the application of high-power density. F for Bacillus cereus spores, which were more prominent in onion powder, were evaluated from the simulated temperature curves. It was observed that sterilization of B. cereus started after 75 s at 117°C with 0.431 (lg (CFU/g)) reduction. The maximum temperature of 117°C was limited due to the unacceptable sensory quality of the product.

Reference:

NAYAK A, SAKTHIVEL D, DURGAWATI, et al. Simulation of high-power short time finish microwave drying of onion powder and lethal effects of microwave drying on Bacillus cereus[ J] . Journal of Future Foods, 2025, 5(3): 295-303. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.07.009.

翻译：陈文静（实习）

编辑：龚艺；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网