變功率微波真空間歇干燥扇貝柱的研究

張國琛張倩齊妍母剛

(大連海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,遼寧大連116023)

變功率微波真空間歇干燥扇貝柱的研究

張國琛,張倩,齊妍,母剛

(大連海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,遼寧大連116023)

為解決微波真空連續(xù)干燥扇貝柱中出現(xiàn)的由于物料內(nèi)部及邊緣過熱而導(dǎo)致的感官惡化、收縮率大、復(fù)水率低等問題,進行了變功率間歇方式干燥扇貝柱的試驗研究。在真空度保持90 kPa不變,微波功率密度分別為1、2、3、4 W/g,微波間歇比分別為10s-on/20s-off、20s-on/10s-off和連續(xù)工作的試驗條件下,研究了微波真空干燥扇貝柱的干燥時間、收縮率、復(fù)水率、感官品質(zhì)等。結(jié)果表明:變功率干燥及間歇干燥對扇貝柱干燥速度有顯著影響;間歇干燥對扇貝柱的收縮率、復(fù)水率、感官品質(zhì)有明顯影響;與連續(xù)干燥相比,適宜微波功率下的間歇干燥可避免焦糊、結(jié)殼現(xiàn)象,能改善干制品品質(zhì);本試驗條件下,微波功率密度為3W/g,間歇比為10s-on/20s-off時,變功率微波真空間歇干燥可獲得很好的干品品質(zhì),扇貝柱濕基含水率達到13%需時190 min,收縮率為56.07%,復(fù)水率為66.80%。

扇貝柱;微波真空干燥;間歇;變功率;品質(zhì)

干貝味道鮮美,肉質(zhì)可口,蛋白質(zhì)含量高,且富含多種不飽和脂肪酸、微量元素[1]以及牛磺酸、膽堿、多糖等活性物質(zhì)[2],是一種深受大眾喜愛的水產(chǎn)品。

微波真空干燥是在真空狀態(tài)下利用磁控管產(chǎn)生輻射波穿透物料內(nèi)部,使水等極性分子隨著微波頻率做同步高速旋轉(zhuǎn),瞬時摩擦生熱,導(dǎo)致物料表面和內(nèi)部同時升溫,使大量水分子逸出,達到干燥的目的。微波真空干燥,因其傳熱與傳質(zhì)同向,真空條件又能促進水分快速蒸發(fā),其干燥速度快,干燥時間短[3];又因其能量轉(zhuǎn)換效率高,熱量損失少,是一種高效節(jié)能的干燥方式[4];同時,也因其干燥過程與氧隔絕,有效避免了水產(chǎn)品的褐變。微波真空干燥雖有許多優(yōu)點,但連續(xù)干燥也會發(fā)生局部過熱及表面硬化、焦糊等現(xiàn)象,解決的方法之一就是采用脈沖方式輸入微波能。脈沖間歇式微波真空干燥可使物料中的水分和溫度在間歇階段得到均衡再分配,改善干后物料的品質(zhì),并有利于提高下階段的干燥速率[5-6],同時可有效控制干燥溫度,尤其適用于熱敏性物料的干燥[7-8]。間歇干燥中,時間間隔是干燥過程的重要影響因素之一,時間過短時物料達不到 “緩蘇”效果,而時間過長時又會影響干燥速率[9]。目前,有關(guān)扇貝柱的微波真空間歇干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用尚未見報道。本研究中,作者在不同間歇時間下進行了微波真空間歇干燥扇貝柱的試驗,研究其對物料物理和感官特性的影響規(guī)律,并與連續(xù)干燥進行對比分析,以期為微波真空間歇干燥在扇貝加工生產(chǎn)中的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù),并為其它水產(chǎn)干品的生產(chǎn)提供一定的參考。

目前已進行的微波真空干燥扇貝柱的研究中,微波功率一般按初始單位物料功率設(shè)置,并在整個干燥過程中保持不變[10-11]。由于干燥后期物料的含水率較低,表面?zhèn)髻|(zhì)、傳熱速度過高只會導(dǎo)致過熱燒焦或干燥過度,進而破壞熱敏性營養(yǎng)成分并降低感觀品質(zhì)[12],因此本試驗中采用變功率干燥,即在干燥過程中根據(jù)物料質(zhì)量變化逐漸降低微波功率,避免產(chǎn)生不良影響。

1 材料與方法

1.1 材料

鮮活的蝦夷扇貝Patinopectenyessoensis殼長為8.5 cm左右,購自大連市長興市場。

主要儀器設(shè)備:MZ08S-1型微波真空試驗爐,南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司生產(chǎn) (圖1); 101A-5型電熱鼓風烘干箱,上海試驗儀器有限公司生產(chǎn);JA-MP1100B型精密電子天平,上海精科公司生產(chǎn);4500S型便攜式測色儀,美國 Hunter Lab公司生產(chǎn)。

圖1 微波真空干燥試驗裝置圖Fig.1 Schem atic diagram of the m icrowave vacuumdrying system

1.2 方法

1.2.1 試驗材料的預(yù)處理 將新鮮扇貝洗凈后用沸水煮至貝殼張開,割下閉殼肌、去膜、漂洗。1 h后放入鹽度為80的沸水中煮10 min,然后撈出瀝干,挑選大小適中、色澤正常、規(guī)格為110～120粒/kg的扇貝柱作為試驗對象。于-18℃下保存?zhèn)溆?進行干燥試驗前自然解凍。

1.2.2 干燥試驗 每種干燥試驗取樣品80 g左右,微波真空度均保持在90 kPa[11]不變。

1)連續(xù)干燥試驗 分別進行不同功率密度(1、2、3、4 W/g)下的微波真空連續(xù)干燥試驗,試驗過程中每隔10 min根據(jù)物料質(zhì)量重新調(diào)節(jié)微波功率,達到變功率連續(xù)干燥效果。

2)間歇干燥試驗 調(diào)節(jié)脈沖功率,在不同功率密度下進行不同間歇比(微波工作周期中微波打開與關(guān)閉的比值,本試驗中設(shè)為10s-on/20s-off和20s-on/10s-off,簡記為10/20和20/10)的微波真空干燥試驗,試驗過程中每隔10 min根據(jù)物料質(zhì)量重新調(diào)節(jié)微波功率,達到變功率間歇干燥效果。

1.2.3 干燥特性的研究

1)干燥曲線的測定 干燥試驗前,按照GB/ T 5009.3—2003中的方法測定預(yù)處理后扇貝柱的初始含水率;試驗過程中每隔10 min測定扇貝柱的質(zhì)量,得到扇貝柱濕基含水率隨干燥時間的變化曲線,干燥終止時濕基含水率為 (13±0.5)%。

2)干燥箱內(nèi)的溫度 微波真空干燥箱內(nèi)的溫度由自帶的溫度表顯示,取每10 min中溫度最高值記錄,并以此值計算出試驗過程的平均溫度。

3)感觀特性 主要根據(jù)色澤、表面縫隙及原有形狀保持情況進行評定[11]。

4)收縮率 用游標卡尺測量干燥前、后扇貝柱的尺寸變化,試驗設(shè)3個平行樣,取其平均值,根據(jù)下式計算收縮率:r=(V0-V1)/V0×100%,V0=π[(r01+r02)/2]2×h0,V1=π[(r11+r12)/2]2×h1,

式中:r為收縮率(%);V0、V1為干燥前、后扇貝柱的體積(cm3);r01、r11為干燥前、后扇貝柱的長半徑(cm);r02、r12為干燥前、后扇貝柱的短半徑(cm);h0、h1為干燥前、后扇貝柱的高度(cm)。

5)復(fù)水率 將干貝置于100℃恒溫水中,10 min后撈出置于篩網(wǎng)上瀝干水分,測定質(zhì)量變化,試驗設(shè)3個平行樣,取其平均值,根據(jù)下式計算復(fù)水率:

Rf=(mf-mg)/mg,

式中:mf為樣品復(fù)水后瀝干的質(zhì)量 (g);mg為干貝質(zhì)量 (g)。

6)色澤變化 用色度儀測定并記錄干燥前、后樣品的L*、a*、b*值,按CIELAB表色系統(tǒng)根據(jù)下式計算黑白色度差(ΔL*)、紅綠色度差(Δa*)、黃藍色度差(Δb*)和總色度差(ΔE*):

式中:L0*、L1*為干燥前、后扇貝柱的黑白色度值;a0*、a1*為干燥前、后扇貝柱的紅綠色度值;b1*、b0*為干燥前、后扇貝柱的黃藍色度值。L*值越大,表示越白,褐變越輕;a*、b*值越大,表示褐變程度越大。本試驗中以總色度差ΔE*表示樣品干燥前、后顏色的變化[13]。試驗設(shè)3個平行樣,取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件對試驗結(jié)果進行單因素方差分析 (ANOVA),用復(fù)相關(guān)試驗法進行均值差異性分析,顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥速率的比較

變功率連續(xù)、間歇干燥曲線見圖2。當電場強度和頻率一定時,微波能轉(zhuǎn)換為熱能的多少取決于物料的介電特性,而物料的介電特性又主要由含水率決定。干燥初期,扇貝柱含水率高,吸收的微波能量多,干燥速率大;隨著水分含量的下降,吸收的微波能也隨之減少,干燥進入降速期[14]。

由圖2(a)可見:微波功率密度的增加可顯著提高干燥速率,縮短干燥時間,當微波功率密度為1W/g,連續(xù)干燥時的干燥時間為199 min;當功率密度分別增加到2、3、4 W/g時,干燥時間僅為100.5、56、43 min,分別約為1 W/g下的1/2、1/4和1/5。這是因為干燥中水分蒸發(fā)的熱量由微波能提供,微波功率密度越大,單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的熱能越多,從而升溫速度越快,在真空環(huán)境下達到水的沸點溫度之后,水分蒸發(fā)的速率也會加快。由圖2(b)可見:間歇比增加可明顯加快干燥速度,當微波功率密度為2W/g,間歇比為10son/20s-off、20s-on/10s-off時,干燥時間分別為297、150 min。變功率干燥與張國琛等[11]的恒定功率干燥相比,干燥速度有一定下降,如真空度保持在90 kPa不變,功率密度為2、3 W/g時,恒定功率連續(xù)干燥達到20%濕基含水率的時間為60、30 min,而變功率連續(xù)干燥達到相同含水率所需時間為70、40 min。

圖2 扇貝柱的變功率微波真空干燥曲線Fig.2 M oisture curves of scallop adductors under power-ad justab lem icrowave vacuum drying

2.2 干燥品質(zhì)的比較

2.2.1 干燥箱內(nèi)的平均溫度 不同參數(shù)下扇貝柱微波真空干燥試驗的平均溫度見圖3。從圖3可見,微波功率密度增加,干燥箱內(nèi)平均溫度升高;相同功率密度下,間歇比減小,干燥箱內(nèi)平均溫度降低,這是因為物料的溫度在緩蘇期內(nèi)因失去熱源而降低,隨著間歇時間的延長,物料溫度下降的越多,下一干燥階段溫度上升的越慢,所以干燥箱內(nèi)溫度越低[9]。本試驗中,當微波功率密度為 3 W/g、間歇比為10s-on/20s-off時,干燥箱內(nèi)的溫度為33.6℃,僅高于2W/g、10s-on/20s-off條件和2 W/g、20s-on/10s-off條件時的溫度,與2 W/g、連續(xù)干燥時的溫度基本相同?？梢?降低間歇比有利于抑制干燥溫度的升高,通過間歇方式可控制生產(chǎn)過程中的物料溫度。

圖3 微波真空干燥的平均溫度Fig.3 The average temperature in them icrowave vacuum dryer

2.2.2 對感觀特性的影響 從表1可見:微波真空干燥的扇貝柱有較好的表面質(zhì)量,在較高微波功率密度和間歇比組合下,干燥的扇貝柱質(zhì)地緊密,但連續(xù)干燥比間歇干燥的扇貝柱顏色深。當功率密度大于等于3 W/g時,較高間歇比下的物料出現(xiàn)褐變現(xiàn)象;當微波功率密度為4 W/g時,連續(xù)干燥的扇貝柱表面有燒焦的斑點。而當間歇比為20s -on/10s-off及連續(xù)干燥的扇貝柱有表面硬化結(jié)殼的現(xiàn)象,這是由于物料表面干燥過于強烈時,水分汽化很快,內(nèi)部水分不能及時遷移到物料表面,而使表面因含水率過低而形成一層硬殼。然而低功率密度和低間歇比組合下干燥的扇貝柱因干燥時間長而變形嚴重,出現(xiàn)不同程度的中心塌陷及塌腰現(xiàn)象,且因縫隙大而易碎。綜合分析表明,在本試驗條件下,微波功率密度為3 W/g,間歇比為10son/20s-off時,微波真空干燥的扇貝柱具有最好的感觀品質(zhì)。

2.2.3 對收縮率和復(fù)水率的影響 扇貝柱在不同微波功率密度及間歇比下脫水后的收縮率及復(fù)水率見圖4。從圖4可見,當微波功率密度為2W/g、3 W/g時,扇貝柱的收縮率隨間歇比的增大而逐漸增大,這是由于扇貝閉殼肌主要由橫紋肌組成,微波真空干燥中,當微波功率密度較大時,內(nèi)部水分以較快速度傳至表面,肌纖維間始終保持較緊密的連接而一起收縮,因而收縮率較大[12];當微波功率密度為4 W/g時,收縮率隨間歇比的增大而減小,這是因為在高功率密度下,物料表面在短時間內(nèi)已經(jīng)結(jié)殼,導(dǎo)致收縮率相對較小。

從圖4還可見,扇貝柱的復(fù)水率隨微波功率密度、間歇比的增大而逐漸降低。當微波功率密度為3W/g時,間歇比由10s-on/20s-off增加至20son/10s-off時,復(fù)水率由 66.80% 顯著降低至43.10%(P＜0.05);當間歇比為20s-on/10s-off時,微波功率密度由2 W/g增大到3 W/g時,復(fù)水率由67.06%顯著降低至43.10% (P＜0.05);當微波功率密度由3 W/g增大到4 W/g時,相同間歇比條件下的復(fù)水率沒有明顯變化 (P＞0.05),這是由于在較大干燥強度下,干燥箱內(nèi)溫度較高,物料即使未發(fā)生褐變或焦化,它的膠體成分也會發(fā)生不可逆的變化,細胞彈性和泡漲能力有所降低,從而對復(fù)水性能產(chǎn)生不利影響[14]。由圖3可知,微波功率密度為2 W/g時,干燥箱內(nèi)的溫度明顯低于3 W/g和4 W/g時,而后兩種條件下干燥箱內(nèi)的溫度又無明顯差異,因此,當微波功率密度為2W/g時復(fù)水率較高,而在3W/g和4W/g時復(fù)水率相近。

本試驗條件下,2W/g、10s-on/20s-off以及3 W/g、10s-on/20s-off條件時,扇貝柱都具有較小的收縮率 (57.47%和56.07%);而2 W/g、10son/20s-off條件時,復(fù)水率最高 (96.01%),3 W/g、10s-on/20s-off時次之 (66.80%),但 2 W/g、10s-on/20s-off條件下與其他干燥條件下相比,扇貝柱較易煮碎。綜合評價收縮率和復(fù)水率,以微波功率密度為3 W/g、間歇比為10s-on/20soff的條件下干燥扇貝柱最佳。

2.2.4 對色澤的影響 從圖5可見,扇貝柱干燥前后的色澤變化隨微波功率密度和間歇比的增大而增大,但變化幅度不大。當微波功率密度分別為2、3、4 W/g且連續(xù)干燥時,扇貝柱的色澤變化分別為19.66、24.89和28.28;當微波功率密度為2 W/g,間歇比分別為10s-on/20s-off、20s-on/10soff和連續(xù)干燥時,扇貝柱的色澤變化分別為19.66、22.29和24.05。這與物料本身的特性、干燥時長以及干燥環(huán)境溫度有關(guān),一般來說,物料在中等水分含量下,溫度越高,干燥時間越長,色澤變化越大[16]。

表1 不同微波真空干燥參數(shù)對扇貝柱感觀品質(zhì)的影響Tab.1 Effects of differentm icrowave vacuum drying parameters on sensory quality of scallop adductors

圖4 功率密度和間歇比對扇貝柱收縮率和復(fù)水率的影響Fig.4 Influence of differentm icrowave power densities and interm ittent ratios on shrinkage rate and rehydration rate of scallop adductors

3 結(jié)論

1)連續(xù)干燥和間歇干燥中,微波功率密度對扇貝柱的干燥速度有顯著影響,功率密度越大干燥速度越快,干燥時間明顯縮短。在本試驗條件下,微波功率密度由1 W/g升高至4 W/g時,連續(xù)干燥時間由199 min縮短至43 min;微波功率密度由2 W/g升高至4 W/g,間歇比為10s-on/20s-off和20s-on/10s-off時,干燥時間分別由297min和150 min縮短至137 min和64 min。

圖5 微波功率密度和間歇比對扇貝柱色澤的影響Fig.5 Influence of differentm icrowave power densities and interm ittent ratios on color in scallop adductors

2)間歇比對干燥扇貝柱的感觀特性、收縮率和復(fù)水率均有較大影響,對干燥溫度和色澤有一定影響。相同微波功率密度下,較長間歇時間下干燥的扇貝柱收縮率較小,復(fù)水率較大,干燥箱溫度較低且色澤變化較小。

3)本試驗條件下,功率密度為3 W/g,間歇方式為10s-on/20s-off時,變功率微波真空間歇干燥扇貝柱可獲得很好的干品品質(zhì),干品色澤為淡黃色,質(zhì)地緊密無結(jié)殼,保形完好無中心塌陷及塌腰現(xiàn)象,收縮率為56.07%,復(fù)水率為66.80%,190 min可達到13%濕基含水率。

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Power-adjustablem icrowave vacuum interm ittent drying technique of scallop adductors

ZHANG Guo-chen,ZHANG Qian,QIYan,MU Gang
(College of Mechanical and Power Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

In order to solve the physical and sensory problems of continuousmicrowave vacuum drying of scallop adductors caused by thematerial overheating,experiments of power-adjustable intermittentmicrowave vacuum drying of scallop adductorswere performed.Variables including themicrowave power density(1,2,3,4W/g),intermittent ratio(10s-on/20s-off and 20s-on/10s-off)and the vacuum degree were kept at 90 kPa.The drying time,shrinkage rate,rehydration rate and sensory characteristics of intermittent dryingwere compared with those of continuous drying.The results showed that the intermittent drying avoided the phenomenon of charring and incrustation,improving the dried products quality.Dried scallop adductors with pretty good sensory characteristics were produced when themicrowave power density was 3W/g and intermittent ratio was 10s-on/20s-off,and themoisture(wb)of 13%was reached within 190min with the shrinkage rate of56.07%and rehydration rate of66.80%.

scallop adductor;microwave vacuum drying;intermittent;power-adjustable;sensory quality

TS205.9

A

2095-1388(2012)04-0350-05

2012-06-05

遼寧省教育廳科研項目 (2004A012)

張國琛 (1965-),男,博士,教授。E-mail:zhangguochen@dlfu.edu.cn