鮑魚微波真空干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

張孫現(xiàn)，池文文

（1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州　350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州　350002）

鮑魚微波真空干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

張孫現(xiàn)1，池文文2

（1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州350002）

研究鮑魚微波真空干燥過(guò)程中水分含量的變化，分析不同微波功率、真空度、裝載量以及鹽溶液浸泡濃度對(duì)鮑魚干燥特性的影響，結(jié)果表明，鮑魚微波真空干燥的干燥速率曲線包含加速、恒速及降速3個(gè)階段；研究鮑魚微波真空干燥的水分比與干燥時(shí)間的關(guān)系，建立動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，鮑魚微波真空干燥的干燥動(dòng)力學(xué)滿足Page模型，該模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合良好，能夠準(zhǔn)確描述鮑魚微波真空干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律。

鮑魚；干燥特性；動(dòng)力學(xué)；微波真空干燥

張孫現(xiàn)，池文文.鮑魚微波真空干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（9）：112-118.

鮑魚（Abalone），是我國(guó)傳統(tǒng)的名貴食材，其足部肌肉發(fā)達(dá)，味道鮮美，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值［1-2］。微波真空干燥具有干燥效率高、均勻、品質(zhì)好且營(yíng)養(yǎng)成分損失少的特點(diǎn)，但對(duì)干燥過(guò)程中物料內(nèi)部的水分和溫度變化實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)十分困難，而且干燥速率非?？欤虼私⒏稍飻?shù)學(xué)模型研究干燥過(guò)程中水分變化的規(guī)律具有重要意義。目前已有學(xué)者研究了蘋果片、馬鈴薯片、榴蓮片、荔枝果肉、濕糖姜、銀耳干燥動(dòng)力學(xué)模型以及干制鮑魚復(fù)水動(dòng)力學(xué)模型［3-9］。也有將微波真空干燥技術(shù)應(yīng)用于海產(chǎn)品的研究，如仿刺參、巴非蛤肉、扇貝柱、小蝦、鳙魚、香脆鳙魚片等產(chǎn)品的干制加工［10-15］。但在鮑魚的干制加工過(guò)程中，應(yīng)用微波真空干燥技術(shù)較少。本試驗(yàn)研究了鮑魚的微波真空干燥特性，建立鮑魚微波真空干燥的動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中的水分變化，解決鮑魚在干燥生產(chǎn)過(guò)程中含水率在線監(jiān)測(cè)難的問題，以期為鮑魚微波真空干燥工藝的研究和生產(chǎn)控制提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

新鮮鮑魚（皺紋盤鮑，規(guī)格6～8 cm）購(gòu)自福州永輝超市，食鹽購(gòu)買市場(chǎng)。

主要儀器設(shè)備：KL-2D-4ZG微波真空干燥設(shè)備（廣州凱棱工業(yè)用微波設(shè)備有限公司及福建農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合研制）；DHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏設(shè)備有限公司）；AL204型精密分析天平、PL602-S型電子天平〔梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司〕。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1預(yù)處理 新鮮鮑魚經(jīng)去殼、內(nèi)臟洗凈后進(jìn)行鹽漬，在不同濃度鹽溶液浸漬24 h以上，在沸水中煮制2 min，用蒸餾水沖洗掉鮑魚表面的結(jié)晶氯化鈉，瀝干表面水分備用。

1.2.2微波真空干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì) 鮮鮑魚預(yù)處理后，均勻平鋪在微波真空干燥機(jī)的干燥物料盤中進(jìn)行微波真空干燥。本研究選取微波功率、真空度、裝載量及浸漬鹽濃度為試驗(yàn)因素，探討各因素與鮑魚失水速率之間的關(guān)系，具體試驗(yàn)方案如表1所示。干燥過(guò)程中定時(shí)記錄物料質(zhì)量并換算成干基含水率，直到干基含水率為11（±1）%［16］時(shí)停止干燥。

表1　鮑魚微波真空干燥試驗(yàn)方案

計(jì)算干基含水率、失水速率：

式中，W為鮑魚的干基含水率（%），mt為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的鮑魚質(zhì)量（g），md為絕干時(shí)鮑魚的質(zhì)量；u為失水速率（g/min），Δm為相鄰兩次測(cè)量的質(zhì)量差（g），Δt為相鄰兩次測(cè)量的時(shí)間間隔（min）。

1.2.3干燥模型的選擇 鮑魚的微波真空干燥是一個(gè)涉及到傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜過(guò)程，通常用來(lái)描述薄層干燥較好的3種模型為［18］：

根據(jù)干燥特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同微波功率、真空度、裝載量及浸漬鹽濃度下的-lnMR與干燥時(shí)間t的關(guān)系曲線，以及l(fā)n（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線，選擇合適模型作為鮑魚微波真空干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

樣品指標(biāo)測(cè)定均進(jìn)行3次重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、Matlab軟件進(jìn)行處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1微波功率對(duì)鮑魚失水特性的影響

在真空度-80 kPa、裝載量150 g、浸漬鹽濃度7.5%的條件下，微波功率的增大會(huì)引起鮑魚的干燥曲線變陡（圖1A），表明微波功率越大，干燥速率越快，當(dāng)微波功率為4 000 W時(shí)，鮑魚達(dá)到安全含水率的時(shí)間最短。鮑魚微波真空干燥的失水速率曲線包含加速、恒速及降速3個(gè)階段（圖1B），而且恒速干燥階段的時(shí)間隨著微波功率的增大而縮短，干燥速率增大，這主要是因?yàn)殡S著微波功率的增大，單位質(zhì)量鮑魚吸收微波能越大，鮑魚內(nèi)部水分子震動(dòng)更為劇烈，短時(shí)間內(nèi)鮑魚內(nèi)部水分外遷速率超過(guò)表面水分散失的速率，故恒速干燥時(shí)間縮短，且干燥速率逐漸減少［9］。

圖1　不同微波功率下鮑魚的干燥曲線及失水速率曲線

2.2真空度對(duì)鮑魚失水特性的影響

在功率2 000 W、裝載量150 g、浸漬鹽濃度7.5%的條件下，真空度越高，干燥周期越短（圖2A）。當(dāng)真空度達(dá)到-80 kPa后，隨著真空度的升高，干燥時(shí)間差異不顯著；從圖2B可以看出，干燥過(guò)程仍分為典型的3個(gè)階段，在本試驗(yàn)中，超過(guò)-80 kPa時(shí)真空度對(duì)干燥速率變化影響不顯著。主要是因?yàn)殡S著真空度的升高，雖然降低了水的沸點(diǎn)，使其汽化和蒸發(fā)溫度降低，同時(shí)導(dǎo)致汽化潛熱增大，汽液相變過(guò)程中需要的能量增加，因此通過(guò)提高真空度來(lái)加快汽化速度有一定限度。從節(jié)能及產(chǎn)品綜合品質(zhì)方面考慮，微波真空干燥的真空度以-80 kPa為佳。

圖2　不同真空度下鮑魚的干燥曲線及失水速率曲線

2.3裝載量對(duì)鮑魚失水特性的影響

在微波功率2 000 W、真空度-80 kPa、浸漬鹽濃度7.5%條件下，隨著裝載量增加，所需干燥時(shí)間延長(zhǎng)（圖3A），其主要原因是當(dāng)微波功率不變時(shí)，隨著裝載量的增大，干燥過(guò)程所要去除的水分也相應(yīng)增加，導(dǎo)致單位質(zhì)量鮑魚吸收的微波能減少；由圖3B可知，裝載量越大失水速率相應(yīng)隨之提高，這是由于裝載量越大，需要去除的水分越多，單位時(shí)間內(nèi)需要去除物料中的水分也更多。

2.4浸漬鹽濃度對(duì)鮑魚失水特性的影響

在微波功率2 000 W、真空度-80 kPa、裝載量150 g條件下，不同浸漬鹽濃度下鮑魚的干燥曲線如圖4A所示。干燥曲線在一定范圍內(nèi)隨濃度的升高逐漸變陡，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定濃度時(shí)又逐漸變緩，當(dāng)濃度為最低（5%）和最高（15%）時(shí)較為平緩。圖4B顯示，干燥速率隨鹽濃度的升高而增大，但濃度達(dá)到15%時(shí)，干燥速率反而最低。這主要是由于經(jīng)鹽溶液浸漬處理后能夠促進(jìn)樣品對(duì)微波能的吸收，且含鹽量越高樣品吸收微波能越明顯，但達(dá)到較高的鹽濃度時(shí)干燥速率反而降低，這是由于樣品在將水分由內(nèi)而外傳遞的同時(shí)，將大量的鹽分帶到了鮑魚的表面，不利于樣品水分由表面到外部空間的蒸發(fā)。同時(shí)鮑魚在干燥過(guò)程中均出現(xiàn)不同程度的收縮現(xiàn)象，且鹽濃度越高，表面硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重，表面的硬化也導(dǎo)致了干燥速率的降低［17］。

圖3　不同裝載量下鮑魚的干燥曲線及失水速率曲線

圖4　不同浸漬鹽濃度下鮑魚的干燥曲線及失水速率曲線

2.5鮑魚微波真空干燥的動(dòng)力學(xué)模型

2.5.1干燥模型的選擇 根據(jù)干燥特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同微波功率、真空度、裝載量及浸漬鹽濃度下的-lnMR與干燥時(shí)間t的關(guān)系曲線，以及l(fā)n（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線，如圖5～圖12所示。從圖5～圖12可以判斷，-lnMR與t呈非線性，lnt與ln（-lnMR）呈線性關(guān)系，表明鮑魚的微波真空干燥動(dòng)力學(xué)模型滿足上述Page模型的方程，因此選擇Page模型MR= e-rtN作為鮑魚微波真空干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

利用Matlab7.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，令

式中，x1表示微波功率，x2表示真空度，x3表示裝載量，x4浸漬鹽濃度；a～j為待定系數(shù)。

圖5　不同微波功率條件下鮑魚的-lnMR與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6　不同微波功率條件下鮑魚的ln（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線

圖7　不同真空度條件下鮑魚的-lnMR與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線

圖8　不同真空度條件下鮑魚的ln（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線

圖9　不同裝載量條件下鮑魚的-lnMR與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線

圖10　不同裝載量條件下鮑魚的ln（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線

圖11　不同鹽濃度條件下鮑魚的-lnMR與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線

圖12　不同鹽濃度條件下鮑魚的ln（-lnMR）與lnt的關(guān)系曲線

運(yùn)用MATLAB7.1數(shù)學(xué)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，結(jié)果模型形式中F=508.6616，回歸方程的R2=0.9765，R=0.9836，近似等于1，表明該回歸模型的擬合度很高，其回歸效果顯著，P=0.000也表明回歸模型呈極顯著水平。

2.6動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

選取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證，選取微波功率2 000 W、真空度-80 kPa、裝載量350 g、鹽浸漬濃度7.5%，驗(yàn)證上述的MR= e-rtN動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。并將試驗(yàn)數(shù)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。由圖13可知，鮑魚微波真空干燥Page方程預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度高，說(shuō)明Page模型能夠準(zhǔn)確描述鮑魚微波真空干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律。

圖13　相同條件下試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較

3　結(jié)語(yǔ)

鮑魚微波真空干燥過(guò)程呈典型的加速、恒速及降速3個(gè)階段，但需要從干燥時(shí)間、干燥成本、產(chǎn)品品質(zhì)等方面進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化鮑魚的微波真空干燥工藝。鮑魚微波真空干燥的干燥動(dòng)力學(xué)滿足Page模型，其R值為0.9836，近似等于1，擬合呈極顯著。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度高，表明該模型能夠準(zhǔn)確地反映鮑魚微波真空干燥的水分變化規(guī)律，可以用來(lái)描述鮑魚微波真空干燥過(guò)程。

運(yùn)用上述試驗(yàn)結(jié)果，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鮑魚微波真空干燥過(guò)程中的含水率及失水率變化情況，解決鮑魚在干燥過(guò)程中含水率在線監(jiān)測(cè)難的難題，為鮑魚微波真空干燥過(guò)程的優(yōu)化和控制提供理論依據(jù)。但是，由于微波場(chǎng)及鮑魚物料的厚度不均勻等問題，微波真空干燥處理時(shí)可能因能量過(guò)于集中而導(dǎo)致局部焦糊，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)，這方面問題的解決有待今后進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯 崔建勛）

Drying characteristics and dynamic model of abalone dried with microwave-vacuum equipment

ZHANG Sun-xian1，CHI Wen-wen2，
（1. Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality，F(xiàn)uzhou 350002，China；2.College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

The change of moisture content of abalone in the process of microwave-vacuum drying were researched，and the effects of microwave power，vacuum degree，loading capacity and salt solution concentration on drying characteristics of abalone were investigated. The results showed that the drying process was divided into three stages as follows: accelerated phase，constant-speed phase and decelerated phase. Then the relationship between moisture ratio and drying time was studied to establish the dynamic model and verifying it. The results showed that the dynamic model for microwave-vacuum drying of abalone was consistent with Page model，and the predictive values were matching with measured values. So the moisture contents of abalone during the drying process can be exactly predicted by it.

abalone；drying characteristics；dynamics；microwave-vacuum drying

TS254.4

A

1004-874X（2016）09-0112-07

2016-07-01

福建省高等學(xué)校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目（閩教科［2012］03號(hào)）

張孫現(xiàn)（1980-），男，博士，工程師，E-mail：john.fj.fz@126.com