豬肉的微波干燥與能耗分析

陳鵬飛

凌 菁

袁曉紅

胡甜甜

萬(wàn)江華

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

水分含量是影響豬肉品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[1]，水分過(guò)多和久置會(huì)導(dǎo)致豬肉腐敗變質(zhì)。干制后不僅能夠抑制微生物生長(zhǎng)繁殖、延長(zhǎng)貯藏時(shí)間，還能保存豬肉的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、增加口感。

微波具有穿透力強(qiáng)、波長(zhǎng)較短、干燥速度快且節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，被廣泛應(yīng)用于干燥生產(chǎn)中。張樂(lè)等[4]研究發(fā)現(xiàn)，微波功率和真空度對(duì)微波干燥時(shí)間有顯著影響。劉田子等[5]研究表明，Page模型為豬肉干熱風(fēng)干燥的最優(yōu)模型。汪磊等[6]發(fā)現(xiàn)，微波干燥可在改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)縮短干燥時(shí)間。田龍等[7]研究表明，豬肉脯的最佳加工方式為微波法聯(lián)合傳統(tǒng)工藝加工。

文章擬結(jié)合微波干燥的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)豬肉進(jìn)行不同功率的微波干燥，通過(guò)建立微波干燥數(shù)學(xué)模型，分析豬肉干燥過(guò)程中的水分變化、微波能耗以及干燥效率等，探討豬肉微波干燥特性，為肉類微波干燥過(guò)程優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬肉：選擇剔除脂肪、筋、腱的肌肉作為試樣，市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微波爐：G90F23MN3XLVN-A7型，廣東格蘭仕集團(tuán)有限公司；

電子分析天平：LQ-W50002型，優(yōu)科維特電子科技有限公司；

微波干燥系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)：自制。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥條件設(shè)計(jì) 豬肉用水果刀切割成厚度相當(dāng)、質(zhì)量分別為20，25，30 g的薄片。將微波功率分別固定在70，140，210，280，350，420 W，選取20，25，30 g豬肉試樣，研究質(zhì)量及微波功率對(duì)豬肉微波干燥特性的影響。利用計(jì)算機(jī)每隔1 s自動(dòng)記錄豬肉干燥過(guò)程中含水率的變化。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與分析 使用Excel 2019軟件整理數(shù)據(jù)，采用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法進(jìn)行非線性模型擬合，采用Origin 2018 64bit分析處理并進(jìn)行圖表繪制。

1.3.3 干燥曲線的數(shù)學(xué)模型 選用5個(gè)較為常用的經(jīng)典薄層干燥模型進(jìn)行擬合對(duì)比分析，建立豬肉微波干燥數(shù)學(xué)模型。干燥模型如表1所示。

1.3.4 干燥含水率及水分比 按式(1)計(jì)算豬肉干基含水率[13]。

Mt=(Wt-G)/G，

(1)

式中：

Mt——豬肉干基含水率，g/g；

Wt——任意時(shí)刻的總重，g；

G——干重，g。

微波干燥過(guò)程中，豬肉的水分含量用水分比(MR)[14]表示：

MR=(Mt-Me)/(Mo-Me)。

(2)

由于微波干燥能量較大，對(duì)于Mt和Mo而言，Me又非常小，因此假定豬肉在微波干燥下的Me為0，即水分比可簡(jiǎn)化為：

MR=Mt/Mo，

(3)

式中：

MR——水分比；

Mo——豬肉初始的干基含水率，g/g；

Mt——豬肉在t時(shí)刻的干基含水率，g/g；

Me——豬肉的平衡含水率，g/g。

1.3.5 干燥速率 按式(4)計(jì)算干燥速率[15]。

DR=(M2-M1)/(t2-t1)，

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·s)；

M1——干燥過(guò)程中t1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的水分比，%；

M2——干燥過(guò)程中t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的水分比，%。

1.3.6 微波干燥能效測(cè)定 采用平均單位能耗和微波干燥效率[16]來(lái)表示微波干燥能效。按式(5)計(jì)算微波干燥效率。

(5)

式中：

μ——微波干燥效率，%；

mω——蒸發(fā)的水蒸氣質(zhì)量，kg；

γω——水的汽化潛熱，MJ/kg；

p——微波輸出功率，W；

t′——間隔時(shí)間，s。

當(dāng)豬肉內(nèi)部水分溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，水分開(kāi)始蒸發(fā)，水蒸發(fā)的汽化潛能為2 257 MJ/kg。水分蒸發(fā)所需要的能耗為[16]：

(6)

式中：

Es——單位能耗，MJ/kg。

1.3.7 決定系數(shù)及誤差分析 選取決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)作為擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中R2值越大、RMSE值越小，此模型擬合程度越好[17]。

(7)

(8)

式中：

MRexp,i——干燥試驗(yàn)實(shí)測(cè)的第i個(gè)水分比；

MRpre,i——模型預(yù)測(cè)的第i個(gè)水分比；

n——試驗(yàn)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬肉微波干燥特性分析

2.1.1 干燥質(zhì)量和微波功率 由圖1可知，微波功率越高，干燥時(shí)間越短，干燥曲線斜率越大；當(dāng)微波功率為70 W時(shí)，20，25，30 g豬肉干燥所需時(shí)間分別為2 250，2 695，2 987 s。不同干燥質(zhì)量下的豬肉水分比變化關(guān)系為干燥時(shí)間隨干燥質(zhì)量的增大而增加。干燥質(zhì)量越大，豬肉干燥時(shí)間越長(zhǎng)，水分比干燥曲線就越平緩。

圖1 不同干燥質(zhì)量下豬肉干燥曲線Figure 1 Pork drying curve under different drying quality

由圖2可知，豬肉微波干燥速率分為短時(shí)間加速和較長(zhǎng)時(shí)間減速2個(gè)階段，與即食慈姑片[18]微波干燥類似。由于微波加熱有別于傳統(tǒng)加熱，微波加熱能在物料內(nèi)部形成獨(dú)特的內(nèi)熱源，并且水分的蒸發(fā)能夠降低豬肉表面的溫度，使其內(nèi)部先干燥。在干燥初始預(yù)熱階段，豬肉吸收的微波能量主要使其自身溫度不斷上升。物料初始的水分含量比較高，隨著豬肉自身溫度的不斷上升，微波能量主要用于干燥，使豬肉內(nèi)部的水分被逐步汽化，形成一個(gè)壓力梯度，從而推動(dòng)其內(nèi)部水分不斷向外遷移，干燥速率也隨之不斷上升；當(dāng)豬肉含水率逐漸減小時(shí)，其吸收的微波能量越來(lái)越少，導(dǎo)致壓差減小，因此干燥速率處于減速階段，與李秋庭等[19]的結(jié)論一致。此外，降速期間的干燥受物料中水分?jǐn)U散的影響，不僅增加了對(duì)水運(yùn)動(dòng)的阻力，還導(dǎo)致干燥速率進(jìn)一步降低[20]。

圖2 不同干燥質(zhì)量下豬肉干燥速率曲線Figure 2 Pork drying rate curve under different drying quality

2.1.2 干燥模型曲線擬合 由表2可知，Logarithmic模型對(duì)于不同干燥質(zhì)量下豬肉的微波干燥所得數(shù)據(jù)的擬合最優(yōu)，其決定系數(shù)為0.993 86～0.996 78，均方根誤差為0.321 72～0.626 78。

表2 不同干燥質(zhì)量下5種數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 2 Data analysis results of 5 mathematical models with different drying quality

由表3可知，Logarithmic模型對(duì)于不同微波功率下豬肉的微波干燥所得數(shù)據(jù)的擬合較優(yōu)，其決定系數(shù)為0.990 50～0.996 01，均方根誤差為0.109 55～0.646 93，綜合分析，Logarithmic模型對(duì)于不同干燥質(zhì)量、不同微波功率豬肉的微波干燥所得數(shù)據(jù)的擬合較優(yōu)，說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型能較好地描述豬肉的微波干燥規(guī)律。

表3 不同微波功率下5種數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 3 Results of data analysis of 5 mathematical models at different microwave power

2.2 干燥效率與單位能耗

由表4可知，在豬肉的微波干燥過(guò)程中，隨著干燥質(zhì)量增加及干燥功率增大，干燥過(guò)程的單位能耗先降低后增加、干燥效率先增大后減小。當(dāng)豬肉質(zhì)量為25 g、微波功率為210 W時(shí)，單位能耗最低為10.89 MJ/kg，干燥效率最高為20.72%。有研究[21]表明，提高微波功率可以降低干燥時(shí)間。但并非微波功率越高，平均單位能耗越低，干燥效率越高[22]。因此,在進(jìn)行微波干燥時(shí)應(yīng)對(duì)微波功率、干燥能耗及干燥效率進(jìn)行綜合考慮。

表4 不同干燥質(zhì)量下單位能耗和干燥效率Table 4 Unit energy consumption and drying efficiency under different drying quality

由圖3可知，初始時(shí)刻，微波能耗呈快速增加趨勢(shì)，微波的能量用于提高待干燥豬肉的溫度，因此能耗較大；隨后豬肉達(dá)到相應(yīng)溫度條件后能耗出現(xiàn)一個(gè)階段的減小；最后微波能量用于蒸發(fā)豬肉內(nèi)部的水分，需要的能耗逐漸增大，最終70 W時(shí)的單位能耗最高(為14.93 MJ/kg)，210 W時(shí)的單位能耗最低(為10.89 MJ/kg)。相同的水分比條件下，微波干燥功率越高，干燥所造成的平均單位能耗越低。

圖3 單位能耗與水分比的關(guān)系Figure 3 Specific energy consumption versusmoisture ratio

由圖4可知，干燥開(kāi)始時(shí)，豬肉吸收微波能量使其自身溫度不斷上升，這一過(guò)程中蒸發(fā)的水分較少。因此，初始時(shí)刻的加熱階段導(dǎo)致干燥效率不斷增加，并在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值，之后干燥效率逐漸下降，最終維持在20%左右。這主要?dú)w因于干燥后期豬肉含水量的降低。

圖4 干燥效率與水分比的關(guān)系Figure 4 Relationship between drying efficiency andmoisture ratio

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)5種常用的干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，Logarithmic對(duì)數(shù)模型可以更好地描述豬肉在微波干燥過(guò)程中的水分比變化關(guān)系。微波干燥過(guò)程中，當(dāng)干燥質(zhì)量增加或微波功率增大時(shí)，豬肉的平均單位能耗先降低后增加、干燥效率先增加后降低，且當(dāng)干燥質(zhì)量為25 g、微波功率為210 W時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)平均單位能耗為10.89 MJ/kg，微波干燥效率為20.72%。試驗(yàn)在研究微波功率和干燥質(zhì)量對(duì)豬肉微波干燥特性的影響時(shí)，未考慮豬肉切片厚度這一因素。后續(xù)可尋求一種微波正交干燥試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析方法，分析豬肉切片厚度對(duì)微波干燥特性及能耗的影響，以更好地為豬肉微波干燥參數(shù)的優(yōu)化及實(shí)際干燥工藝提供參考。