裙帶菜微波真空干燥質(zhì)熱傳遞特性與品質(zhì)優(yōu)化

張 倩 李世榆 李秀辰 母 剛 戴逸俊 張國(guó)琛

(1. 遼寧省海洋漁業(yè)裝備專(zhuān)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116023；2. 大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院〔中新合作學(xué)院〕，遼寧 大連 116023；3. 設(shè)施漁業(yè)〔大連海洋大學(xué)〕教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

裙帶菜是褐藻門(mén)溫帶性海藻，被譽(yù)為長(zhǎng)壽菜，其多糖能夠通過(guò)促進(jìn)人淋巴細(xì)胞亞群表達(dá)和T細(xì)胞生長(zhǎng)因子分泌，達(dá)到提高人體免疫能力、抗腫瘤的藥理作用[1-3]。其黏液中含有的褐藻酸和巖藻固醇可以降低人體血液中的膽固醇，避免腦血栓、動(dòng)脈硬化和高血壓的發(fā)生[4]。此外，由于裙帶菜具有生物質(zhì)能含量高、生長(zhǎng)快并能減少水體富營(yíng)養(yǎng)化等優(yōu)勢(shì)[5-6]，已被列入最具開(kāi)發(fā)利用潛力的生物質(zhì)能資源行列。由于新鮮裙帶菜含水率高達(dá)75%～95%，并且富含有機(jī)成分和礦物質(zhì)，因此不論是將其作為食材、有機(jī)肥料、海洋藥物或是清潔能源，都需在收獲數(shù)天內(nèi)迅速將其干燥，以降低水分活性及延緩微生物生長(zhǎng)，從而獲得較好的產(chǎn)品品質(zhì)并減小貯藏空間[7]。中國(guó)裙帶菜年產(chǎn)量高達(dá)20萬(wàn)t，超過(guò)50%遠(yuǎn)銷(xiāo)海外，其中主要以鹽腌干品形式出口，年出口額近1.3億美元，是中國(guó)重要的創(chuàng)匯產(chǎn)品，但由于對(duì)其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保留需求的提高，淡干裙帶菜在市場(chǎng)中越發(fā)具有優(yōu)勢(shì)。

目前，裙帶菜常用的淡干方法為日光干燥，其衛(wèi)生條件較差，產(chǎn)品品質(zhì)不高，此外還有流化床干燥、熱風(fēng)干燥等，但干燥時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低[8-9]。微波真空干燥能夠?qū)⑽锪虾士焖俳档椭涟踩A藏范圍內(nèi)，是一種高效節(jié)能的干燥方式[10-11]，與目前常用的生產(chǎn)干燥方式相比，可明顯縮短干燥時(shí)間、降低能耗，已被應(yīng)用于羅非魚(yú)片[12]、生姜[13]、荔枝[14]、銀耳[15]、綠茶[16]、黃秋葵[17]、蘑菇[18]、酶[19]等產(chǎn)品干燥中，而利用微波真空干燥技術(shù)加工裙帶菜葉片的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。研究擬在前期試驗(yàn)[20]的基礎(chǔ)上，探究不同微波功率密度、真空度及間歇比對(duì)裙帶菜葉片微波真空干燥特性的影響，建立裙帶菜微波真空干燥動(dòng)力學(xué)模型，并計(jì)算其相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，以期為裙帶菜的快速、優(yōu)質(zhì)干燥加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及預(yù)處理

裙帶菜：大連海域成熟新鮮的裙帶菜，去梗，將葉片剪成20 cm×10 cm的長(zhǎng)條形狀，于鹽度3%的沸水中漂燙10 s，用涼水沖洗并瀝干，測(cè)得初始干基含水率為94.275%，-20 ℃冷凍，干燥前取出自然解凍，每組試驗(yàn)選取15片，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

微波真空試驗(yàn)爐：MZ08S-1型，南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司；

電熱鼓風(fēng)烘干箱：101A-5型，上海試驗(yàn)儀器廠(chǎng)有限公司；

精密電子天平：JA-MP1100B型，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 微波真空干燥試驗(yàn)優(yōu)化

1.3.1 微波功率密度 固定真空度90 kPa，連續(xù)間歇比，考察微波功率密度(3，4，5 W/g)對(duì)干燥特性的影響。

1.3.2 真空度 固定微波功率密度4 W/g，連續(xù)間歇比，考察真空度(70，80，90 kPa)對(duì)干燥特性的影響。

1.3.3 間歇比 固定微波功率密度4 W/g，真空度90 kPa，考察間歇比(微波開(kāi)啟與關(guān)閉比值分別為10-20即10 s-on/20 s-off，20-10即20 s-on/10 s-off，連續(xù)30 s)對(duì)干燥特性的影響。

1.3.4 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，選取干燥時(shí)間較短、感觀和復(fù)水效果較好的因素水平進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。由于研究中，干燥時(shí)間、能耗、物料溫度越小越好，復(fù)水率越大越好，因此正交試驗(yàn)以綜合評(píng)分為指標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)化。在加權(quán)評(píng)分時(shí)，干燥時(shí)間、能耗、復(fù)水率和物料溫度的權(quán)重賦值分別為-15，-20，50，-15。

1.4 微波真空干燥特性

1.4.1 水分比 按GB/T 5009.3—2003執(zhí)行，干燥至干基含水率≤15.60%。

1.4.2 能耗 采用電能表測(cè)定。

1.4.3 干燥品質(zhì)

(1) 感官特性：根據(jù)色澤、葉片平整度及產(chǎn)生氣泡情況進(jìn)行評(píng)定，顏色為綠色或深綠色、葉片平整無(wú)焦糊、無(wú)氣泡產(chǎn)生為優(yōu)。

(2) 復(fù)水率：將干裙帶菜于100 ℃水浴10 min，于篩網(wǎng)上瀝干水分，稱(chēng)量，按式(1)計(jì)算復(fù)水率。

(1)

式中：

Rr——復(fù)水率，%；

G0——復(fù)水前裙帶菜重量，g；

G——復(fù)水后裙帶菜重量，g。

(3) 物料溫度：由干燥箱內(nèi)的非接觸式紅外測(cè)溫傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料表面溫度，每5 min或10 min記錄1次。由于裙帶菜較薄，因此將其作為物料溫度。

1.5 微波真空干燥動(dòng)力學(xué)模型

選擇如表1所示的2個(gè)常用的薄層干燥模型進(jìn)行裙帶菜干燥動(dòng)力學(xué)研究[21-23]。

表1 常見(jiàn)的描述薄層干燥的數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematial models that describe thin layer drying

干燥模型擬合程度優(yōu)劣通常由決定系數(shù)(R2)決定。R2越大，越接近1，說(shuō)明擬合程度越好[22-23]，R2定義為

(2)

式中：

MRpre,i、MRexp,i——水分比的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值；

N——觀測(cè)次數(shù)；

n——回歸模型中常數(shù)項(xiàng)個(gè)數(shù)。

1.5.1 水分有效擴(kuò)散系數(shù) 裙帶菜干燥以降速為主，運(yùn)用Fick非穩(wěn)態(tài)第二定律方程計(jì)算干燥過(guò)程中水分有效擴(kuò)散系數(shù)[24]。

(3)

式中：

Deff——物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——海帶的物料厚度，m；

t——干燥時(shí)間，s。

1.5.2 熱力學(xué)特性 根據(jù)艾琳過(guò)渡態(tài)理論[25]，干燥過(guò)程中恒定速率k為：

(4)

若干燥過(guò)程中褐變機(jī)理未發(fā)生變化，則各含水率在干燥過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足式(4)。對(duì)式(4)取對(duì)數(shù)，乘以RTabs，得

(5)

ΔH=Ea-RTabs，

(6)

ΔG=ΔH-TabsΔS，

(7)

式中：

ΔH——焓變，J/mol；

ΔS——熵變，J/(mol·K)；

ΔG——吉布斯自由能變，J/mol；

kb——玻爾茲曼常數(shù)，J/K；

hp——普朗克常數(shù)，J/s；

R——?dú)怏w摩爾常數(shù)， 8.314 J/(mol·K)；

Tabs——絕對(duì)溫度，K；

k——干燥過(guò)程速率常數(shù)，s-1。

按式(8)計(jì)算干燥活化能Ea。

(8)

式中：

D0——物料擴(kuò)散基數(shù)，m2/s；

Ea——物料的干燥活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w摩爾常數(shù)， 8.314 J/(mol·K)；

T——裙帶菜干燥溫度，℃。

將式(8)兩邊取對(duì)數(shù)得：

(9)

1.6數(shù)據(jù)分析

利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，采用雙尾t檢驗(yàn)分析品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與熱力學(xué)特性參數(shù)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)干燥速率的影響

2.1.1 微波功率密度 由圖1(a)可知，微波功率密度對(duì)裙帶菜干燥速率有較大影響，提高微波功率可以明顯縮短干燥時(shí)間，當(dāng)微波功率密度分別為3，4，5 W/g時(shí)，裙帶菜干燥時(shí)間分別為23，18，16 min。這是由于裙帶菜葉片較薄，水分由內(nèi)向外遷移所需經(jīng)過(guò)的路程較短，極大的壓力差使水分快速遷移至葉片表面，水蒸氣達(dá)到飽和并迅速蒸發(fā)除去，因此干燥時(shí)間較短。此外，由于微波能提供了干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)所需的熱量，功率密度越大水分子吸收的微波能越多，相互摩擦越劇烈，故功率密度越大，干燥時(shí)間越短[26]。

2.1.2 真空度 由圖1(b)可知，當(dāng)真空度分別為70，80，90 kPa時(shí)，裙帶菜干燥時(shí)間分別為21，20，18 min。即提高真空度可以縮短干燥時(shí)間，是由于真空條件在物料內(nèi)外部形成了較大的壓力梯度，有效降低了物料沸點(diǎn)從而使其在較低溫度下干燥成為可能，當(dāng)微波功率密度和間歇比一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)獲得的微波能相同，提高真空度即增大了壓力梯度的推動(dòng)作用，因此干燥速率有所提高[18]，但真空度對(duì)干燥速率的影響與微波功率密度相比不明顯，與張繼馳[27]的結(jié)果一致。

圖1 各因素對(duì)裙帶菜微波真空干燥曲線(xiàn)的影響Figure 1 Moisture curves of Undaria pinnatifida Suringar with different factor

2.1.3 間歇比 由圖1(c)可知，間歇比對(duì)裙帶菜干燥速率影響較大，增大間歇比可以明顯提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間，當(dāng)間歇比為10-20、20-10和連續(xù)時(shí)，裙帶菜干燥時(shí)間分別為54，28，18 min。這是由于微波功率密度一定時(shí)，工作周期內(nèi)微波開(kāi)啟時(shí)間的增加使得提供的微波能和轉(zhuǎn)換熱能增加，進(jìn)而加速了干燥。

2.2 干燥模型

由表2可知，相同參數(shù)下ln[-ln(MR)]和lnt之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.818～0.970，其平均值更接近1，因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在ln[-ln(MR)]-lnt坐標(biāo)系內(nèi)更接近線(xiàn)性關(guān)系，即Page模型MR=exp(-Ktn)更適合擬合該數(shù)據(jù)，與某些學(xué)者[24，28]的結(jié)論一致。

表2 不同干燥條件下曲線(xiàn)擬合參數(shù)Table 2 Curve fitting parameters under different drying conditions

依據(jù)不同試驗(yàn)條件下的微波真空功率(M)、真空度(V)以及Page模型中k和n值，利用SPSS擬合分析，求出各試驗(yàn)條件下Page模型中的參數(shù)k和n的回歸方程及模型擬合方程為

lnk=-5.541+0.453M-0.037V,

(10)

n=2.028-0.033M+0.005V,

(11)

ln[-ln(MR)]=-5.541+0.453M-0.037V+(2.028-0.033M+0.005V)lnt。

(12)

2.2.1 干燥模型驗(yàn)證 由圖2可知，干燥試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值曲線(xiàn)擬合良好，誤差范圍在3%以?xún)?nèi)，因此該模型能夠較好地反映裙帶菜干燥中水分比的變化規(guī)律。

2.2.2 水分有效擴(kuò)散系數(shù) 由式(3)可知，裙帶菜干燥過(guò)程中水分比的自然對(duì)數(shù)lnMR與干燥時(shí)間t呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)線(xiàn)性回歸計(jì)算得出不同干燥條件下裙帶菜水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff如表3所示。

功率密度5 W/g，真空度90 kPa圖2 干燥模型驗(yàn)證Figure 2 Drying model validation

由表3可知，當(dāng)干燥功率密度升高時(shí)，裙帶菜水分有效擴(kuò)散系數(shù)升高，其變化范圍為1.49×10-9～2.38×10-9m2/s；當(dāng)干燥真空度從70 kPa上升到90 kPa時(shí)，裙帶菜水分有效擴(kuò)散系數(shù)從1.08×10-9m2/s升高至1.62×10-9m2/s；說(shuō)明微波功率密度升高，真空度上升時(shí)能有效提高裙帶菜在干燥過(guò)程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)。這主要是由于微波功率密度升高降低了裙帶菜內(nèi)部水黏度，加劇了水分子振動(dòng)，從而使得水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大；真空度加大，加快了裙帶菜表面水分的汽化過(guò)程，并加大了裙帶菜表面與內(nèi)部的濕度梯度，使內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的速率加快，因此水分?jǐn)U散系數(shù)增大[29-32]。

表3 不同干燥條件下裙帶菜的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 3 Effective water diffusivity under different drying conditions

2.2.3 熱動(dòng)力學(xué)特性

(1) 干燥活化能：由表7可知，裙帶菜的干燥活化能為4.51 kJ/mol，低于南瓜片(18.59 kJ/mol)[33]和南美白對(duì)蝦(39.63 kJ/mol)[34]的，可能是不同的干燥方式會(huì)影響物料的組織狀態(tài)、結(jié)構(gòu)等，從而間接影響干燥活化能。解國(guó)珍等[35]研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸越大，質(zhì)量傳遞越困難，其干燥活化能越大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

(2) 焓、熵和吉布斯自由能：由表4可知，所有的焓值均為正值，為吸熱反應(yīng)，隨著微波功率密度的增加，焓值減小，即所需干燥能量較少，與Cristian等[36]的結(jié)果一致。ΔS均小于0，主要是由于當(dāng)干燥溫度升高時(shí)，熵變?nèi)酰砻飨到y(tǒng)的順序增加，對(duì)熵不利。因?yàn)榻档透稍餃囟葧?huì)減少對(duì)物料水分子的激發(fā)，并改善物料系統(tǒng)中水分子的有序性，從而使熵減增加。同時(shí)，水分子失去了在平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方向上的自由，其熵變只能為負(fù)值。ΔG為正值，與Nadi等[37]的結(jié)論一致。

表4 不同干燥條件下的焓變、熵變和吉布斯自由能變Table 4 Changes in enthalpy, entropy and Gibbs free energy under different drying conditions

2.3 對(duì)感官品質(zhì)的影響

由表5可知，不同微波功率密度下的裙帶菜品質(zhì)差異較大，過(guò)低或過(guò)高的微波功率密度均無(wú)法獲得滿(mǎn)意的感官品質(zhì)，當(dāng)微波功率密度為3 W/g時(shí)，裙帶菜葉片發(fā)生褐變，且出現(xiàn)了較大氣泡，嚴(yán)重破壞了表面質(zhì)量；當(dāng)微波功率密度為5 W/g時(shí)，部分葉片出現(xiàn)燒焦的黃褐色斑點(diǎn)及小氣泡，整體感觀不理想。真空度和間歇比對(duì)物料感官品質(zhì)也有一定影響，真空度較低或間歇比較小時(shí)，物料邊緣均出現(xiàn)了較小的氣泡，降低了感官品質(zhì)。微波功率密度為4 W/g，真空度為90 kPa，連續(xù)干燥下獲得的裙帶菜感官品質(zhì)最好，葉片為深綠色或褐色，葉面平整，無(wú)焦糊和氣泡現(xiàn)象。

表5 微波真空干燥條件對(duì)裙帶菜感觀品質(zhì)的影響Table 5 Influence of different microwave vacuum drying conditions on sensory quality of Undaria pinnatifida Suringar

2.4 對(duì)復(fù)水品質(zhì)的影響

由表6可知，微波功率密度、真空度及間歇比對(duì)裙帶菜的復(fù)水率影響不顯著，復(fù)水率為1 880%～1 885%，其中微波功率密度為4 W/g，真空度為90 kPa，連續(xù)干燥條件下的復(fù)水率最高為1 885.81%。復(fù)水后的裙帶菜感觀與預(yù)處理后的樣品極其相似，即微波真空干燥不僅能夠?qū)⑷箮Р搜杆俑稍镆砸子谫A藏，且復(fù)水后能夠獲得近乎新鮮樣品的感官品質(zhì)。

表6 不同微波功率密度、真空度和間歇比下裙帶菜的復(fù)水率Table 6 Rehydration rate of Undaria pinnatifida Suringar with different microwave powers，vacuum degrees and intermittent ratios %

2.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化裙帶菜的微波真空干燥工藝

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇微波功率密度、真空度和間歇比進(jìn)行裙帶菜微波真空干燥正交試驗(yàn)優(yōu)化，各因素水平取值見(jiàn)表7，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 L9(34) 正交試驗(yàn)因素及水平Table 7 Factors and levels of L9(34) orthogonal experiment

表8 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 8 Results of the L9(34) orthogonal experiment

由表8可知，各因素對(duì)綜合評(píng)分的作用大小為間歇比>微波功率密度>真空度，最優(yōu)參數(shù)組合為微波功率密度為4.5 W/g，真空度為80 kPa，連續(xù)干燥。在此條件下對(duì)裙帶菜進(jìn)行微波真空干燥驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平行3次。結(jié)果表明，微波真空干燥16 min即可將物料含水率降至12.30%，此時(shí)能耗為0.037 5 kW·h/g水，復(fù)水率為1 885.69%，物料溫度為26.71 ℃，葉片呈深綠色，葉面平整，無(wú)焦糊及氣泡產(chǎn)生，復(fù)水后的樣品與新鮮樣品幾乎無(wú)差別。因此，采用正交優(yōu)化試驗(yàn)得到的裙帶菜微波真空干燥參數(shù)可靠，實(shí)現(xiàn)了裙帶菜快速節(jié)能干燥，干制的裙帶菜品質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，微波真空干燥有效解決了裙帶菜傳統(tǒng)干燥方式速度慢、質(zhì)量差的問(wèn)題，能夠?qū)⑷箮Р搜杆俑稍?，且?fù)水后獲得近乎新鮮樣品的感官品質(zhì)，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，是一種適宜的生產(chǎn)加工方法。裙帶菜的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.38×10-9～1.49×10-8m2/s，隨微波功率密度的升高而增加。干燥活化能為4.51 kJ/mol，熵變?yōu)?155.16～-158.43 J/(mol·K)，吉布斯自由能變?yōu)?8 501.08～50 524.08 J/mol，焓變?yōu)?.86～1.95 kJ/mol。裙帶菜微波真空干燥的最佳工藝條件為微波功率密度4.5 W/g，真空度80 kPa，連續(xù)干燥16 min即可達(dá)到12.30%濕基含水率要求，此時(shí)能耗為0.037 5 kW·h/g水，復(fù)水率為1 885.69%，物料溫度為26.71 ℃，葉片呈深綠色，葉面平整，無(wú)焦糊及氣泡產(chǎn)生，復(fù)水后的樣品與新鮮樣品幾乎無(wú)差別。后續(xù)可圍繞裙帶菜品質(zhì)形成機(jī)制開(kāi)展進(jìn)一步的研究。