海鮮菇熱風干燥特性及其動力學研究

陳建福1,2,,汪少蕓2,*,林梅西

(1.漳州職業(yè)技術學院,福建漳州 363000; 2.福州大學,福建福州 350108; 3.福建省閩中有機食品有限公司,福建莆田 351100)

海鮮菇(Hypsizygusmarmoreus(Peck)H.E.Bigelow)又名真姬菇、鴻喜菇、蟹味菇和斑玉蕈等,是一類富含蛋白質的低熱量和低脂肪的藥食兩用珍稀菌[1]。海鮮菇肉厚、質韌、味道鮮美、口感極佳且含有鉀、鈉、鈣、鎂、磷等多種人體代謝所需元素及硒、鐵、鋅、錳、銅等微量元素,還含有氨基酸、多酚和多糖等生物活性成分,具有清除自由基、抗腫瘤、抗氧化、防衰老、調節(jié)血糖、改善腸道循環(huán)、通便減肥等功效[2-3]。目前,人們對海鮮菇的需求量日益增加,然而新鮮海鮮菇含水量較高,且菇體表面沒有明顯的保護結構,采收后極易失水、褐變、軟化和菇柄空洞化,所以采摘后不能較長時間保存[4]。

干燥是延長農產品保存時間的常用方法,而不同的干燥方法與干燥工藝對農產品營養(yǎng)成分的有效保留有較大的影響[5]。食用菌的干制方法很多,目前大多采用熱風干燥方式,其具有設備成熟、操作簡便、不受氣候條件影響、成本低、適合大規(guī)模批量生產等優(yōu)點。李國鵬等[6]考察了不同條件對雞腿菇熱風干燥的影響,結果表明,Demir模型能準確描述雞腿菇的熱風干燥過程,并預測雞腿菇干燥過程中的水分比,雞腿菇熱風干燥活化能Ea為14.548 kJ/mol。黃磊[7]為保持杏鮑菇的貯藏性以及口感,通過單因素和正交試驗確定杏鮑菇的最佳熱風干燥工藝條件為物料切為塊狀、干燥溫度60 ℃和干燥時間2 h,該條件下杏鮑菇水分含量適中,口感脆爽,有良好的咀嚼性。

表1 薄層干燥模型Table 1 Thin layer drying model

注:表中 A,N,k為待定系數。

為保證海鮮菇的食用品質以及海鮮菇產業(yè)化的健康發(fā)展,需對海鮮菇進行干燥。本文采用熱風干燥法對海鮮菇進行干燥,研究不同熱風干燥溫度下海鮮菇水分變化規(guī)律及干燥特性,構建海鮮菇熱風干燥的數學模型,為海鮮菇的加工與利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮海鮮菇 購于漳州市北橋市場,挑選色澤均一、形狀均勻、飽滿度較好的海鮮菇,將原包裝袋一起存放于(4±1) ℃冰箱中冷藏。

AR124CN電子分析天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;DHG-9070A電熱鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 海鮮菇的熱風干燥 為防止干燥溫度過高而導致海鮮菇有效成分的破壞,干燥溫度選擇333、338、343、348和353 K,每個溫度取三組水平,風速0.8 m/s,物料厚度為單層0.008 m。稱取100～110 g的海鮮菇,平鋪于烘箱中,鋪之前先將烘箱加熱設置預設的溫度,后每隔20 min取出海鮮菇測其重量。為防止海鮮菇吸潮,從烘箱中取出后,立即用自封袋封好,并置于干燥器中,待常溫后再進行稱重,每次稱重重復3次,取平均值,當海鮮菇干基含水率低于0.16 g/g為止,干燥結束。

1.2.2 干燥參數的測定

1.2.2.1 水分含量的測定 根據食品安全國家標準 食品中水分的測定(GB 5009.3-2016),進行水分含量的測定,海鮮菇的干基含水率和濕基含水率[8],由下式計算得到。

式(1)

式(2)

式中:mt表示t時刻時海鮮菇的質量,g;ms表示海鮮菇的絕干質量,g。

1.2.2.2 干燥速率(Drying rate,DR) 不同干燥時刻海鮮菇的干燥速率由式(3)計算得到[9]。

式(3)

式中:DR為海鮮菇某一時刻的干燥速率,g/min;Xt1和Xt2分別為t1和t2時刻時海鮮菇的干基含水率,g/g;t2-t1為干燥時間t1到t2的干燥時間差,min。

1.2.2.3 水分比(Moisture Ratio,MR) 在一定干燥條件下,海鮮菇中剩余的水分比例用水分比來表示[10],由于水分比計算公式中,海鮮菇干燥平衡時的干基含水率Xe和t時刻時海鮮菇的干基含水率Xt均較小,方程可以簡化為:

式(4)

式中:Xt為t時刻時海鮮菇的干基含水率,g/g;X0為海鮮菇的初始干基含水率,g/g。

1.2.3 薄層干燥數學模型 在Fick第二定律的基礎上,常用3種干燥經驗方程式來描述的農產品的干燥過程如表1所示。由表1可以看出,指數模型是單項擴散模型中A=1,Page方程中N=1時的特殊形式,因此可以在測定不同熱風干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線后,運用單項擴散模型和Page模型進行擬合回歸后,選擇擬合系數高的方程,建立海鮮菇的熱風干燥動力學模型。

1.2.4 水分有效擴散系數 由物料內部水分擴散控制的降速干燥過程,可以用Fick擴散方程來描述,其中水分有效擴散系數是物料脫水能力的體現(xiàn),可以用來描述海鮮菇的干燥特性[14]。海鮮菇的水分有效擴散系數可由下式得到。

式(5)

式(6)

式中:Deff是水分有效擴散系數,m2/s;L為海鮮菇層高的一半,m。

1.2.5 干燥活化能 由Arrhenius方程表示干燥過程中水分有效擴散系數Deff和干燥溫度T的關系[15],干燥活化能可由下式回歸方程斜率求得。

式(7)

式中:D0為水分擴散前置因子,m2/s;Ea為干燥活化能,J/mol;R為摩爾氣體常數,8.314 J/(mol·K);T為干燥溫度,K。

1.3 數據處理

采用Origin 8.0 pro對試驗數據進行制圖及擬合。

2 結果與分析

2.1 海鮮菇水分含量

將實驗數據分別代入式(1)和(2),計算得到海鮮菇初時刻的干基含水率和濕基含水率分別為11.83 g/g、92.21%。

2.2 不同干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線

不同干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,不同干燥溫度下的干燥曲線均呈下降的趨勢,隨著干燥溫度的升高,干燥效果提高明顯,當干燥溫度分別為333、338、343、348、353 K時,海鮮菇的干燥時間分別為300、200、140、140和120 min,這是因為隨著干燥溫度的升高,降低了熱空氣的相對濕度,增加了熱空氣的水蒸氣容量,同時溫度的升高也提高了海鮮菇與熱空氣之間的對流強度,強化了物料內部水分的遷移與擴散,提高了海鮮菇中的水分蒸發(fā)量,縮短了干燥時間[16]。

圖1 海鮮菇的干燥曲線Fig.1 Drying curve of Hypsizygus marmoreu

2.3 不同干燥溫度下海鮮菇的干燥速率曲線

不同干燥溫度下海鮮菇的干燥速率曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,在海鮮菇的干燥過程中,干燥速率曲線一直在變化。干燥初期,海鮮菇的水分擴散速率急劇增加,在20 min時達到最大,隨后干燥速率均又開始急劇下降,最后趨于平穩(wěn)?？梢姾ｕr菇的干燥過程分為加速、降速和恒速3個階段,其中降速為主要階段,且干燥溫度越高,干燥時間越短,這是因為干燥溫度越高,空氣的相對濕度越小,增大了海鮮菇與周邊環(huán)境的濕度差,加速了水分的遷移,提高了干燥速率,但隨著海鮮菇表面水分的蒸發(fā),海鮮菇表面逐漸變硬,內部水分擴散至表面的通道變窄,擴散阻力增大,造成了干燥速率的下降[17]。

圖2 海鮮菇的干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curve of Hypsizygus marmoreu

2.4 海鮮菇熱風干燥動力學模型

根據單項擴散模型和Page模型方程,采用Origin 8.0軟件對熱風干燥溫度下的-ln(MR)-t曲線和ln[-ln(MR)]-lnt曲線進地繪制并進行線性回歸,如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出,ln[-ln(MR)]-lnt曲線的線性關系要好于-ln(MR)-t曲線,為更準確地選擇干燥模型,對圖3和圖4的曲線進行回歸分析,得到數據如表2所示。從表2中可以看出，ln[-ln(MR)]-lnt擬合的數據中R2均大于0.99,說明Page方程較適用于海鮮菇的熱風干燥動力學模型的描述,可選擇Page模型作為海鮮菇熱風干燥的動力學模型。

圖3 不同熱風溫度下-ln(MR)-t關系曲線Fig.3 -ln(MR)-t curve at different hot air temperatures

圖4 不同熱風溫度下ln[-ln(MR)]-lnt關系曲線Fig.4 ln[-ln(MR)]-lnt curves at different hot air temperatures

表2 不同熱風溫度下的回歸方程參數Table 2 Regression equation parameters at different hot air temperatures

為了解熱風溫度對Page模型方程中的干燥參數k、N的影響,采用Origin 8.0 pro軟件分別對模型中待定的參數k、N與干燥溫度T進行一元線性分段回歸,得出k、N與T的關系式:

當T≤343K時,k=-7.88×10-4T+0.27886(R2=0.99993);

當T>343K時,k=5.53×10-4T-0.18111(R2=0.99991);

當T≤343K時,N=0.02869T-8.58783(R2=0.99869);

當T>343K時,N=-0.00597T+3.30412(R2=0.99925)。

k、N與干燥溫度T 分段進行回歸分析的相關系數R>0.99,說明k、N可以用干燥溫度T的函數關系式來表示,因此可以用下式來表示海鮮菇薄層熱風干燥動力學。

當T≤343K時,MR=exp[-(-7.88×10-4T+0.27886)t-0.02869T-8.58783],

當T>343K時,MR=exp[-(5.53×10-4T-0.18111)t-0.00597T+3.30412]。

表3 海鮮菇的水分有效擴散系數Table 3 Moisture diffusion coefficient of Hypsizygus marmoreu

2.5 海鮮菇熱風干燥動力學模型的驗證

為進一步驗證海鮮菇熱風干燥動力學模型的準確性,對不同熱風干燥溫度下的實驗數據進行驗證,并與模型的預測值進行比較如圖5所示。從圖5中可以看出,海鮮菇熱風干燥動力學模型預測曲線與實際值的吻合度較高,進一步說明Page模型適用于海鮮菇的熱風干燥動力學模型的描述,可以用來控制與預測海鮮菇的熱風干燥過程[18]。

圖5 熱風干燥試驗值與預測值的比較Fig.5 Comparison of hot air drying test values and predicted values

2.6 海鮮菇熱風干燥的水分有效擴散系數

由干燥速率曲線可知,海鮮菇的干燥過程主要為降速階段,說明海鮮菇內部水分擴散控制著海鮮菇的干燥過程,可以用Fick第二定律來描述[19]。根據式(5),繪圖并回歸得到斜率,后根據式(6)計算得水分有效擴散系數見表3。從表3可以看出,海鮮菇在所考察5個不同熱風干燥溫度下,其水分有效擴散系數隨著熱風干燥溫度的升高而增大,當熱風干燥溫度從333 K增加到353 K時,其水分有效擴散系數從1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,說明在試驗的干燥溫度范圍內提高干燥溫度能有效提高海鮮菇熱風干燥過程中的水分有效擴散系數,從而提高干燥效率。

2.7 海鮮菇熱風干燥活化能

干燥活化能表示所考察的物料,每脫除1 mol的水分所需要的熱量,是評價干燥能耗和干燥設備選型的重要依據[20]。干燥活化能與物料的種類、成分、組織狀態(tài)及干燥方式、方法等相關。根據Arrhenius方程,干燥過程的活化能可由不同溫度下的水分有效擴散系數Deff與溫度T的關系式得到。圖6為ln(Deff)-1/T的關系曲線,從圖6中可得回歸方程為y=-5793.99x-2.70112,R2=0.94154,計算得到海鮮菇的干燥活化能Ea=48.17 kJ/mol。

圖6 海鮮菇有效擴散系數與干燥溫度關系圖Fig.6 Curve of moisture diffusion coefficient and drying temperature

3 結論

在恒定風速為0.8 m/s的條件下,研究了海鮮菇在333、338、343、348和353 K溫度下的熱風干燥曲線及干燥速率曲線,結果表明干燥溫度對海鮮菇干燥的特性影響較大,隨著干燥溫度的升高,干燥效果提高明顯。海鮮菇的干燥過程分為加速、降速和恒速3個階段,其中降速為主要階段。海鮮菇水分有效擴散系數隨著熱風溫度的升高而增大,當熱風溫度從333 K增加到353 K時,其水分有效擴散系數從1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,海鮮菇熱風干燥的活化能為48.17 kJ/mol。Page模型方程較適用于海鮮菇的熱風干燥動力學模型的描述,在實際生產中,可選擇Page模型來預測并控制海鮮菇熱風干燥過程的水分變化規(guī)律,為海鮮菇干燥過程的設備選型、節(jié)能降耗及干品品質提升提供技術支持。