海馬真空冷凍干燥特性及其動(dòng)力學(xué)模型

吳靖娜，陳曉婷，劉智禹*，廖登遠(yuǎn)，黃鷺強(qiáng)，陳由強(qiáng)

〔1.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門(mén) 361013；2.國(guó)家海水魚(yú)類加工技術(shù)研發(fā)分中心(廈門(mén))，福建 廈門(mén) 361013；3.海洋生物醫(yī)藥與制品產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)，福建 福州 350117〕

海馬始載于《本草經(jīng)集注》，是硬骨魚(yú)綱(Osteichthyes)、海龍目(Syngnathiformes)、海龍科(Syngnathidae)、海馬屬(Hippocampus)動(dòng)物的統(tǒng)稱，分布于東海和南海等區(qū)域，主產(chǎn)于福建、廣東、臺(tái)灣和海南。海馬為我國(guó)名貴中藥材，《中國(guó)藥典》記載：“海馬味甘、咸，性溫，歸肝、腎經(jīng)；具有溫腎壯陽(yáng)，散結(jié)消腫的功效，主要用于陽(yáng)痿、遺尿、腎虛作喘、癥瘕積聚、跌撲損傷；外用癰腫疔瘡”[1]?，F(xiàn)代藥理研究表明，海馬不僅具有激素樣作用，增強(qiáng)造血功能，還顯示了抗腫瘤、抗疲勞、抗衰老、增強(qiáng)學(xué)習(xí)記憶力和Ca2+阻斷等作用[2]。目前關(guān)于海馬的研究，大多數(shù)集中于海馬品種鑒定[3]、養(yǎng)殖應(yīng)用[4]、質(zhì)量研究[5-6]和粗提物的藥理活性研究，而關(guān)于海馬干燥的研究尚不充分，相關(guān)文獻(xiàn)不多。

新鮮海馬水分含量高，不易儲(chǔ)藏，易發(fā)生腐敗變質(zhì)，脫水是延長(zhǎng)其保質(zhì)期的方法之一。海馬干燥在我國(guó)有一定的歷史，主要以日曬風(fēng)干與熱風(fēng)干燥為主。然而，日曬風(fēng)干主要依靠自然條件控制，產(chǎn)品易受環(huán)境影響，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，熱風(fēng)干燥由于能耗高、溫度高，容易造成產(chǎn)品熱損傷和過(guò)度氧化等問(wèn)題[7]，選擇合適的干燥方法已成為海馬干燥加工的客觀要求。近年來(lái)，真空冷凍干燥[7]、冷風(fēng)干燥[8]和微波干燥[9]等干燥方式被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品的干燥技術(shù)中，其中，真空冷凍干燥是將物料冷凍至共晶點(diǎn)溫度以下，并在真空條件下獲得疏松多孔、復(fù)水快的干燥產(chǎn)品[10]，極大地保留了產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和形態(tài)，已被廣泛應(yīng)用于牡蠣[11]和對(duì)蝦[7]等水產(chǎn)品的干制中。

數(shù)學(xué)干燥模型可通過(guò)建立干燥過(guò)程中各參數(shù)之間的定量關(guān)系和規(guī)律，比較準(zhǔn)確地描述和預(yù)測(cè)產(chǎn)品干燥過(guò)程。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)產(chǎn)品干燥模型研究已有大量的研究報(bào)道，各種數(shù)學(xué)模型如Lewis函數(shù)、Page函數(shù)、Henderson and Pabis函數(shù)及Logarithmic函數(shù)等被廣泛應(yīng)用于描述干燥過(guò)程[12]。因此，本研究采用真空冷凍干燥對(duì)海馬進(jìn)行干燥，對(duì)其干燥特性和有效水分?jǐn)U散系數(shù)進(jìn)行研究，并使用8種常見(jiàn)的干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)其干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，建立干燥數(shù)學(xué)模型，以期為真空冷凍干燥技術(shù)在海馬干燥的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海馬，捕撈于福建省漳州市東山縣，體重為(5.50±0.43)g。

SCIENTZ-10N真空冷凍干燥機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

真空冷凍干燥條件：將海馬置于-18℃冰箱中預(yù)凍過(guò)夜，然后在干燥溫度30℃、真空度為300 Pa的條件下干燥，測(cè)定海馬的初始質(zhì)量，每隔2.5 h測(cè)定樣品的質(zhì)量，待最終產(chǎn)品達(dá)恒重，停止干燥，每組做9個(gè)平行。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 含水率測(cè)定

采用GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》。

1.3.2 干基含水率

按公式(1)計(jì)算[13]：

(1)

式中：Mt為物料干基含水率，%；mt為t時(shí)刻物料的質(zhì)量，g；md為絕干物料的質(zhì)量，g。

1.3.3 水分比(Moisture ratio，MR)

按公式(2)計(jì)算[8]。

(2)

式中：MR為水分比；Mt為物料t時(shí)刻干基含水率，%，M0為物料初始干基含水率，%。

1.3.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Effective diffusivity coefficient，Deff)

作lnMR與干燥時(shí)間t的關(guān)系圖，并進(jìn)行線性擬合，求直線的斜率k，代入公式(3)中可求出水分有效擴(kuò)散系數(shù)。

(3)

式中：Deff為水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；t為干燥時(shí)間，h；L為樣品厚度，m。

1.3.5 干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的選擇與建立

采用表1中8種常見(jiàn)的干燥模型對(duì)海馬干燥曲線進(jìn)行擬合，并通過(guò)決定系數(shù)(Correlation coefficient，R2)、卡方檢驗(yàn)值(Reduced chi-square，χ2)和均方根誤差(Root mean square error，RMSE)來(lái)評(píng)價(jià)模型的擬合度，從中篩選出合適的干燥動(dòng)力學(xué)模型。

表1 8種干燥模型及其參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 8.5進(jìn)行線性回歸擬合和非線性回歸擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥動(dòng)力學(xué)分析

由圖1可知，水分比隨脫水時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)下降趨勢(shì)，前期下降較快，后期逐漸趨于平緩，該結(jié)果與多數(shù)物料的干燥特性相似[14]；干燥7.5 h能除去海馬80 %的水分，表明干燥初期，干燥從凍層表面開(kāi)始，海馬傳熱和傳質(zhì)阻力較低，干燥速率提升非常迅速，極快干燥了濕物料[15]，干燥25 h后海馬達(dá)到干燥終點(diǎn)。

2.2 水分有效擴(kuò)散系數(shù)的分析

物料的干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱與傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的過(guò)程。干燥空氣與濕物料間存在的溫度梯度和濕度梯度，是物料水分?jǐn)U散并實(shí)現(xiàn)干燥的主要?jiǎng)恿?。物料中水分?jǐn)U散分為水分外擴(kuò)散階段和水分內(nèi)擴(kuò)散階段[16]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果，采用液態(tài)擴(kuò)散理論來(lái)描述食品物料的干燥過(guò)程，該理論不考慮干燥過(guò)程中的擴(kuò)散推動(dòng)力，采用有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff來(lái)表征干燥過(guò)程中水分遷移的平均速度[16]。真空冷凍干燥海馬的lnMR與干燥時(shí)間t之間的線性擬合關(guān)系見(jiàn)圖2。經(jīng)擬合，獲得海馬lnMR與t線性擬合方程為lnMR=-0.240 8t+0.047 7，線性擬合決定系數(shù)R2為0.989 5，表現(xiàn)出較好的擬合度。通過(guò)公式(3)計(jì)算出海馬真空冷凍干燥的Deff為2.442 3×10-10m2/s，符合食品物料干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff10-10m2/s～10-8m2/s數(shù)量級(jí)范圍[17]。

2.3 干燥模型的研究

干燥動(dòng)力學(xué)是干燥過(guò)程中物料的水分比MR與干燥時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系式，間接反應(yīng)了干燥過(guò)程中物料的傳熱和傳質(zhì)特性。為了更好地描述海馬真空冷凍干燥的變化規(guī)律，參考8種干燥模型(表1)對(duì)干燥曲線進(jìn)行非線性擬合，根據(jù)決定系數(shù)R2、卡方檢驗(yàn)值χ2和均方根誤差RMSE判別模型的擬合程度，R2越接近1，χ2和RMSE越小，說(shuō)明干燥曲線擬合相關(guān)性較好，海馬真空冷凍干燥曲線的擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，幾種模型中Lewis、Page、Henderson and Pabis和Logarithmic的R2均在0.99以上，其χ2在5.961 9×10-5～2.644 5×10-4范圍內(nèi)變化，RMSE在2.090 0×10-4～6.725 0×10-3范圍內(nèi)變化，4個(gè)模型的擬合效果高于其他模型，說(shuō)明能夠采用Lewis、Page、Henderson and Pabis和Logarithmic模型來(lái)描述海馬真空冷凍干燥過(guò)程中物料水分比的變化情況。其中，Page模型的R2最高，χ2和RMSE最低，說(shuō)明Page模型具有更優(yōu)越的擬合效果，所以本研究選用其作為描述海馬真空冷凍干燥的最適數(shù)學(xué)模型。目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥模型主要有理論模型、半理論模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?種[12]，本研究所選用的Page函數(shù)是建立在牛頓冷卻定律的基礎(chǔ)上，由Lewis函數(shù)修訂而來(lái)，式中k和n為與干燥介質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，該模型被廣泛用于描述水產(chǎn)品和果蔬產(chǎn)品的干燥規(guī)律[12，18]。

表2 數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果

3 結(jié)論

本研究采用真空冷凍干燥對(duì)海馬進(jìn)行干燥，對(duì)其干燥特性及干燥模型進(jìn)行研究。干燥25 h后海馬達(dá)到干燥終點(diǎn)，其干燥過(guò)程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.4423×10-10m2/s。為了對(duì)海馬干燥過(guò)程中的水分散失情況進(jìn)行描述與預(yù)測(cè)，使用8種常用的干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)真空冷凍干燥的干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，并從中篩選出最適合的干燥動(dòng)力學(xué)模型，確定模型參數(shù)，結(jié)果顯示Page模型可以很好地描述海馬真空冷凍干燥過(guò)程。