熱風(fēng)及其組合干燥技術(shù)對肉制品水分遷移及品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

張立娟，石碩，夏秀芳*，鄭琳琳，佟永薇

（1.天津市食品研究所有限公司，天津 301609；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

畜肉由于水分、蛋白質(zhì)和脂肪含量高，易在加工、運(yùn)輸和貯藏期間被微生物污染，嚴(yán)重影響了肉制品的感官品質(zhì)、衛(wèi)生安全和保質(zhì)期[1]。干燥可降低肉制品的水分含量和水分活度，能有效抑制微生物的生長繁殖和內(nèi)源性酶的活性，且干燥后的肉制品具有質(zhì)量輕、方便運(yùn)輸、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性高和保質(zhì)期長等優(yōu)點[2]。此外，干燥是一種提高肉制品加工水平、綜合利用能力和生產(chǎn)附加值的方法，是肉制品加工過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。

肉制品干燥工藝中最常見的干燥方法有熱風(fēng)干燥和微波干燥[3]。熱風(fēng)干燥是一種通過熱空氣對肉制品表面進(jìn)行加熱，熱力逐漸由外向內(nèi)傳輸，在溫度梯度的推動下水分逐漸向肉表面遷移并被熱空氣帶走的干燥技術(shù)[3]。該技術(shù)具有成本低、能耗低和產(chǎn)品品質(zhì)容易控制等優(yōu)點。食品工業(yè)常采用熱風(fēng)干燥進(jìn)行肉制品的干燥生產(chǎn)，但熱風(fēng)干燥具有干燥效率低、產(chǎn)品易表面硬度大和色澤過暗等缺點。

微波干燥是利用微波作用在肉制品內(nèi)部產(chǎn)生熱量并逐漸向外傳輸，在溫度梯度和壓力梯度的雙重推動下水分逐漸向外遷移并蒸發(fā)至環(huán)境中，該方法干燥效率高且避免了產(chǎn)品表面硬度大的弊病[4]。組合干燥方式是將兩種或兩種以上干燥技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的干燥方式，保留了各干燥技術(shù)的優(yōu)點，具有干燥效率高、能耗小和產(chǎn)品品質(zhì)高的優(yōu)點[4]。

隨著干燥的進(jìn)行，肉制品品質(zhì)逐漸發(fā)生變化（水分含量、色澤、質(zhì)地和組織狀態(tài)等），這些品質(zhì)變化與干燥過程中肉制品的內(nèi)部和外部因素變化密切相關(guān)。內(nèi)部因素包括肌肉中各成分（水、蛋白質(zhì)和脂肪）所占比例、分子結(jié)構(gòu)和水分遷移情況等[5]。外部因素即指各種干燥工藝參數(shù)，如熱風(fēng)干燥溫度、濕度、風(fēng)速和時間，微波干燥功率和時間等。在干燥工藝參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，肌肉內(nèi)部因素的變化情況決定了干燥后成品的品質(zhì)。干燥過程中隨著肌肉內(nèi)水分不斷向外遷移并散失，原本肌肉中束縛水的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)受到破壞，各成分所占比例發(fā)生變化，最終成品品質(zhì)發(fā)生變化。

在生鮮肉中，85%的水分存在于肌肉的肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中，并通過毛細(xì)管力和靜電力受其束縛，干燥過程中這些水分在溫度和壓力梯度的推動力作用下，首先遷移到肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)之間的水分通道，再遷移至肌纖維間的水分通道，最后遷移到肌束間的水分通道才能到達(dá)肉表面被除去[6]。在熱風(fēng)干燥過程中，隨著水分不斷從內(nèi)向外遷移，促使肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷收縮。同時在加熱的影響下肌原纖維蛋白變性，表面疏水性增加、溶解性降低、肌原纖維蛋白與水的相互作用減弱，又促使肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中的水分向外遷移[6]。蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷收縮和蛋白變性幾乎同時進(jìn)行并相互影響。此外，由于水分流失、蛋白質(zhì)和脂肪的氧化變性，產(chǎn)品的食用品質(zhì)逐漸形成，但若品質(zhì)控制不當(dāng)，則易出現(xiàn)硬度過大、色澤較深和風(fēng)味不佳等一系列品質(zhì)劣變[7]。

本文擬綜述熱風(fēng)干燥、微波干燥與熱風(fēng)-微波組合干燥方式在肉制品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并論述各干燥過程中肉制品內(nèi)的水分遷移情況及水分遷移引起的肉制品品質(zhì)變化，為了解肉制品在實際的干燥生產(chǎn)中水分遷移、控制產(chǎn)品品質(zhì)和提高經(jīng)濟(jì)效益起到一定的指導(dǎo)意義。

1 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是一種以干燥箱中流動的熱空氣作為干燥介質(zhì)，通過加熱使熱量在物料中由外及內(nèi)的傳輸，水分由內(nèi)及外遷移至表面被熱空氣帶走的干燥方法[8]。熱風(fēng)干燥能控制干燥室的溫度、濕度和風(fēng)速，具有投資少、操作簡便、衛(wèi)生條件好、產(chǎn)品品質(zhì)易控制等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于肉制品的干燥[9]。

熱風(fēng)干燥中重要的工藝參數(shù)有干燥溫度、濕度、風(fēng)速和時間。當(dāng)干燥參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時，干燥后肉制品會出現(xiàn)營養(yǎng)損失大、干燥不均勻的現(xiàn)象。故很多學(xué)者在肉制品的熱風(fēng)干燥工藝優(yōu)化方面做了大量的研究，以確定各類肉制品的最佳干燥工藝參數(shù)。孫洋[10]探究了不同干燥溫度（40、50、60、70℃）對鰱魚魚片含水量和質(zhì)構(gòu)的影響，綜合考慮認(rèn)為干燥溫度設(shè)為50℃比較合適。賈愛榮等[11]確定了豬肉干的最佳熱風(fēng)干燥溫度為70℃，在此條件下豬肉干的最終含水量為40%，感官品質(zhì)良好，干燥速率較高。岑琦瓊[12]研究發(fā)現(xiàn)，梅魚在72℃的熱風(fēng)溫度和2.5 m/s的風(fēng)速下干燥，能較好地避免有益脂肪酸的流失和脂肪的氧化酸敗。鄭蘭亭等[13]的研究結(jié)果表明，當(dāng)重組鴨肉粒的最佳熱風(fēng)干燥溫度為60℃時，其感官品質(zhì)較好，整體可接受性最高。

隨著熱風(fēng)干燥的進(jìn)行，加熱促使肌肉中蛋白質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)變化，降低了產(chǎn)品的食用品質(zhì)，如汁液流失嚴(yán)重、嫩度降低和色澤劣變[14]。Becker等[15]發(fā)現(xiàn)隨著熱風(fēng)干燥豬肉的中心溫度由53℃增加至60℃時，汁液流失增加。Konieczny等[16]報道了牛肉干在熱風(fēng)干燥7 h后，牛肉干的亮度值（L*）下降了41.2%，嫩度下降了93.4%。蔡詩鴻等[17]研究表明隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高和時間的延長，廣式臘腸的彈性和咀嚼性增加，L*降低。類似地，Mewa等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度由30℃升高至50℃后，干燥牛肉的硬度增加11.1%。這些品質(zhì)的劣變與加熱引起的蛋白質(zhì)和脂肪氧化變性密切相關(guān)，血紅素鐵和肌紅蛋白的氧化使得肌肉顏色變深[19]，蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致了肌肉持水性降低、肌纖維收縮和組織結(jié)構(gòu)堅硬[20]。周厚源等[21]報道了熱風(fēng)干燥時間越長，產(chǎn)品的硫代巴比妥酸值及酸價值越大，表明脂質(zhì)氧化越嚴(yán)重。Kaspar等[22]發(fā)現(xiàn)豬肉經(jīng)50℃熱風(fēng)干燥6 h后水分含量大量降低，同時肌纖維結(jié)構(gòu)彎曲變形，產(chǎn)品硬度增加。

2 熱風(fēng)與微波組合干燥技術(shù)

食品組合干燥方式是指兩種或兩種以上的干燥技術(shù)相結(jié)合的一種混合干燥技術(shù)，充分利用各自干燥方式的優(yōu)點，優(yōu)化組合干燥過程，達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)、保證安全衛(wèi)生、提高干燥效率、降低干燥能耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的[4]。

2.1 微波干燥

微波干燥是一種在干燥室內(nèi)釋放高頻電磁波的干燥技術(shù)。通過電磁波產(chǎn)生的高頻磁場使物料中水分子不斷改變極性方向而劇烈運(yùn)動，大量產(chǎn)熱，受熱汽化后達(dá)到干燥的目的[23]。微波產(chǎn)生的熱量能迅速在肉中滲透5 cm～7 cm的深度，加快了干燥速度，同時減少了產(chǎn)品的營養(yǎng)損失[24]。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于干燥肉制品、乳制品和米面制品中。

微波干燥幾乎使物料內(nèi)外同時受熱，與熱風(fēng)干燥由外及內(nèi)的熱量傳輸方式不同，微波干燥極大地提高了產(chǎn)品的干燥效率[25]。陳美鏈[26]確定了微波干燥豬肉脯的最佳工藝條件為微波功率400W，微波時間10min。段續(xù)等[27]報道了熱風(fēng)干燥海刺參的干燥時間為8 h，而微波干燥海刺參時間僅為2.5 h。干燥過程中微波首先在物料內(nèi)部形成干燥層，再迅速向外部擴(kuò)散，物料整體溫差小受熱時間短，避免了干燥不均勻引起的表面硬化現(xiàn)象，故干燥后產(chǎn)品品質(zhì)良好[28]。朱萌等[29]研究表明微波干燥雞粉的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)損失較少，生成的雜環(huán)類化合物較多，有助于風(fēng)味的提高。辜雪冬等[30]、李真等[31]研究表明與熱風(fēng)干燥相比，微波干燥藏豬肉干和熏馬肉干的色澤更好、咀嚼性更大、貯藏穩(wěn)定性更佳。微波干燥過程中由于熱量在物料內(nèi)部迅速產(chǎn)生，蒸汽壓較高，物料可能會迅速膨脹而造成塌陷或崩裂[32]，Venkatachalapathy等[33]在用微波干燥草莓的過程中就曾出現(xiàn)過這種現(xiàn)象。雖然該現(xiàn)象在肉制品干燥中并不常見，但也有學(xué)者針對該方面的品質(zhì)劣變做了研究。程裕東等[34]基于電磁學(xué)、多相傳輸和固體力學(xué)研究了南極磷蝦肉糜的微波干燥模型，可用于描述蝦肉糜在干燥過程中傳熱傳質(zhì)、水分蒸發(fā)及物料形變等參數(shù)，較好地控制了產(chǎn)品品質(zhì)劣變。

2.2 熱風(fēng)與微波組合干燥

熱風(fēng)-微波組合干燥方式是指先利用熱風(fēng)干燥排出物料表面及表層的大量水分，再采用不同功率的微波對物料繼續(xù)干燥。該組合干燥方式不僅可縮短干燥時間，降低能耗，還能保證產(chǎn)品品質(zhì)。多數(shù)學(xué)者已通過研究證明熱風(fēng)-微波組合干燥方式比單一熱風(fēng)干燥或單一微波干燥的干燥效率高。孫卓等[35]確定了熱風(fēng)-微波組合干燥鴨肉粒的最佳工藝為前期采用60℃的熱風(fēng)干燥，待水分含量降低至65%時，再采用5 W/g的微波干燥。該條件下，干燥時間比單一熱風(fēng)干燥時間縮短75%～89%，且產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)于單一微波干燥。Wang等[36]研究表明熱風(fēng)-微波組合干燥豬肉餅的傳熱效果更強(qiáng)，整個干燥期間產(chǎn)品溫度較單一微波干燥方式更高。吳滿剛等[37]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雞肉干中的水分含量降低至40%時，熱風(fēng)干燥用時300 min，而微波-熱風(fēng)干燥組合干燥方式僅用時60 min。龍映均等[38]研究熱風(fēng)微波干燥時間和微波功率對羅非魚片水分含量、復(fù)水率、復(fù)原率及色差等指標(biāo)的影響，確定了干燥羅非魚片最優(yōu)的組合方式為先熱風(fēng)干燥5 h，再用400 W微波干燥至安全水分。

熱風(fēng)-微波組合干燥方式不僅保留了熱風(fēng)干燥和微波干燥效率高的優(yōu)勢，還具有微波干燥肉制品品質(zhì)良好的優(yōu)點。王俊山[39]發(fā)現(xiàn)利用微波-熱風(fēng)耦合干燥方式加工的牛肉干具有較好的烤香味，剪切力以及體積收縮程度顯著低于熱風(fēng)干燥加工的牛肉干，解決了產(chǎn)品表面硬化問題；此外確定了該干燥方式的動力學(xué)模型，達(dá)到了牛肉干干燥過程中水分變化的實時預(yù)測與控制。吳滿剛等[37]發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥雞肉干的硬度高，可達(dá)104.2 N，而微波-熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的硬度僅為65.87 N。Duan等[40]研究表明熱風(fēng)微波組合干燥方式可以大大提高羅非魚品質(zhì)，并縮短干燥時間，并發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥溫度越高，產(chǎn)品的收縮率和復(fù)水率也越高。

3 熱風(fēng)干燥過程中肉制品水分遷移和品質(zhì)的變化

3.1 肌肉中水分的存在形式

水是肌肉的主要成分，占肌肉質(zhì)量的85%。根據(jù)肌肉中蛋白質(zhì)和水結(jié)合的緊密程度，分為結(jié)合水、不易流動水和自由水。結(jié)合水與蛋白質(zhì)結(jié)合最為緊密，約占肌肉總水量的5%，不能被干燥所去除。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，肉制品中結(jié)合水的存在狀態(tài)和含量是不變的，并不受加工和貯藏環(huán)境變化的影響，但利用低場核磁共振技術(shù)測定肉制品中水分存在狀態(tài)和含量時，發(fā)現(xiàn)結(jié)合水的含量是可以改變的，會和不易流動水和自由水相互轉(zhuǎn)化[41]。王璋等[42]提出物理截留水和不易流動水是通過毛細(xì)管力和靜電作用存在于肌原纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，占肌肉總含水量的85%，可被干燥除去。通常情況下這部分水的存在狀態(tài)和含量決定了肌肉的持水力。干燥過程中，肌原纖維蛋白粗絲之間和粗細(xì)絲之間的孔隙直徑變小，不易流動水被擠出肌原纖維網(wǎng)絡(luò)成為自由水，即不易流動水向自由水轉(zhuǎn)變。自由水存在于肌原纖維網(wǎng)絡(luò)外，肌原纖維收縮造成的微小的力可以使自由水流動，也容易被干燥除去[42]。

3.2 肌肉中水分遷移機(jī)制

85%的水分存在于肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中，并受其束縛。干燥過程中大部分水首先從肌原纖維網(wǎng)絡(luò)中排出，逐步遷移至肌原纖維之間和肌纖維間的水分通道，最后遷移到肌束間的水分通道才能到達(dá)肉條表面[6]。通過低場核磁共振弛豫時間（T2b、T21和 T22）及峰面積（P2b、P21和P22）的變化能分別表達(dá)肌肉中結(jié)合水、不易流動水和自由水的遷移狀態(tài)及含量，其總和與物料的水分含量顯著相關(guān)[43]。李枚[44]研究表明雞肉在熱風(fēng)干燥過程中不易流動水含量與總水分含量呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），說明雞肉中不易流動水為水分的主要存在形式。Ojha等[45]報道了45 kHz的超聲功率能顯著提高牛肉干熱風(fēng)干燥過程中的水分?jǐn)U散率，促進(jìn)低場核磁共振弛豫時間T21和T22向左移動，T22含量大量減少，表明不易流動水和自由水逐漸向結(jié)合水方向遷移，自由水含量大量減少。熱風(fēng)及微波干燥機(jī)制見圖1。

圖1 熱風(fēng)及微波干燥機(jī)制Fig.1 Drying mechanism of hot air and microwave

如圖1所示，熱風(fēng)干燥過程中物料中的水分是由內(nèi)及外逐漸遷移至物料表面，與熱量在物料中的傳輸方向正好相反，當(dāng)干燥時間較長時熱量傳輸速度快于水分遷移速度，故物料表面水分散失過多，蛋白構(gòu)象發(fā)生不可逆的變化，肌肉表面出現(xiàn)了硬層[37]。而微波干燥的熱量傳輸方向正好與水分遷移方向相同，加快了水分遷移速度，提高了干燥速率。饒偉麗[6]研究表明熱風(fēng)干燥的傳熱效率低，牛肉干表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生的硬殼阻礙了牛肉干內(nèi)部水分向外遷移速度。謝小雷[9]基于Visual Basis軟件建立了牛肉干熱風(fēng)-中紅外干燥過程中水分的快速預(yù)測模型，能實時預(yù)測牛肉干水分含量的變化；并發(fā)現(xiàn)與熱風(fēng)干燥相比，熱風(fēng)-中紅外干燥方式能有效提高牛肉干內(nèi)外干燥溫度，提高了熱量在物料內(nèi)外的傳遞速度，加快了不易流動水向自由水的遷移速度。這是因為肉制品在干燥過程中，水分遷移程度受蛋白質(zhì)-水相互作用的影響，肌原纖維蛋白表面疏水性增加，溶解性降低，肌球蛋白頭部變性，促進(jìn)了不易流動水向自由水方向遷移[6]。

3.3 水分遷移引起肉制品品質(zhì)的變化

干燥過程中肉制品發(fā)生的生理生化變化取決于自身組分及所處環(huán)境的變化。食品基質(zhì)的組分與聚合物有著最基本、普遍的相似性。故肉制品內(nèi)部微觀分子結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動及交聯(lián)形態(tài)的變化與宏觀品質(zhì)變化密切相關(guān)。因此根據(jù)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的關(guān)系，干燥過程中由肌肉內(nèi)部水分遷移引起的結(jié)構(gòu)變化與品質(zhì)變化可與水分建立聯(lián)系，即肌肉中水分遷移途徑和速度決定了成品品質(zhì)的變化[44]。

水分含量、硬度和色澤是肉制品重要的品質(zhì)，是消費(fèi)者評估肉制品感官可接受性的重要因素。水分含量可用于評價加工及貯藏期間肉制品品質(zhì)劣變程度，與肉的出品率和硬度密切相關(guān)[46]。硬度可通過剪切力值來表示，與肉品嫩度相關(guān)[47]。色澤是用來反映肉制品外觀、質(zhì)地和可接受性的重要指標(biāo)，可直接用于肉制品的視覺質(zhì)量評價[48]。姜秀麗[49]研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥過程中肉干類制品的T21變化與產(chǎn)品的水分含量和水分活度的變化呈正相關(guān)，與剪切力呈負(fù)相關(guān)，表明產(chǎn)品的水分遷移情況與食用品質(zhì)存在一定相關(guān)性。干燥過程中肉制品水分遷移及其對肌肉結(jié)構(gòu)和品質(zhì)的影響見圖2。

圖2 干燥過程中肉制品水分遷移及其對肌肉結(jié)構(gòu)和品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of moisture migration on muscle structure and quality of meat product during drying

如圖2（A）和圖2（B）所示，熱風(fēng)干燥過程中隨著肌肉中水分不斷向外遷移，肌纖維直徑變小，肌纖維間的水分通道寬度增加。由于干燥期間水分遷移與熱量傳輸速度的不均等性，可宏觀觀察到肌肉熟度的不同，由外及內(nèi)分別為硬層、過熟、適熟和輕熟。張厚軍等[50]研究發(fā)現(xiàn)豬通脊肉在熱風(fēng)干燥過程中呈現(xiàn)出水分遷移的不均勻性，從中心至表面水分含量逐漸降低，且隨著干燥時間的增加體積收縮系數(shù)逐漸增加。Wang等[36]研究發(fā)現(xiàn)與單一微波干燥技術(shù)相比，熱風(fēng)-微波組合干燥豬肉餅的T2弛豫時間向左遷移的程度更大且多保留了6.02%的不易流動水（P21），表明該組合干燥方式能降低水的流動性；品質(zhì)結(jié)果顯示該干燥方式增加了產(chǎn)品的水分含量，減小了烹調(diào)損失和硬度。

4 結(jié)語

干燥是肉制品加工的重要手段，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，常用的干燥方法有熱風(fēng)干燥和微波干燥。熱風(fēng)干燥是應(yīng)用最廣泛的一種方法，具有成本低、設(shè)備維修簡單、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點，但干燥后產(chǎn)品易表面硬度大，色澤劣變嚴(yán)重。微波干燥的干燥效率高并能較好地避免表面硬度大的問題，但干燥后產(chǎn)品易發(fā)生局部過熱的現(xiàn)象，營養(yǎng)損失嚴(yán)重。因此，熱風(fēng)與微波組合干燥的方式，在保留兩種干燥方式優(yōu)點的基礎(chǔ)上，極大地提高了干燥效率。

干燥過程中肌肉中大部分水首先從肌原纖維網(wǎng)絡(luò)中排出，逐步遷移至肌原纖維之間和肌纖維間的水分通道，最后遷移到肌束間的水分通道才能到達(dá)肉表面而被蒸發(fā)。不同干燥方式其熱量傳輸方向不同，而水分遷移途徑卻是不變的，因此干燥效率不同。熱干燥中隨著水分不斷遷移，肌原纖維蛋白變性，束縛水分的能力減弱，水的流動性增強(qiáng)。此外，由水分遷移引起的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步影響了產(chǎn)品品質(zhì)，如含水量、色澤、硬度和組織狀態(tài)等。