南極磷蝦熱風(fēng)干燥特性及干燥模型

馬田田,歐陽杰,肖哲非,沈 建

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092;2 嶗山實驗室,山東青島 266200;3 國家水產(chǎn)品加工裝備研發(fā)分中心(上海),上海 200092;4 大連工業(yè)大學(xué)海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,遼寧大連 116034)

南極磷蝦以群居方式生活在南極水域,以食用浮游植物為主,生物資源豐富,儲量高達10億t[1-3]。南極磷蝦是一種高水分、高蛋白水產(chǎn)品,南極磷蝦中水分含量在74%以上,蛋白質(zhì)含量在14%以上,脂肪含量在2%以上,灰分含量在3%以上[4-6]。干燥是南極磷蝦主要加工形式之一,南極磷蝦干制品營養(yǎng)豐富,便于遠距離運輸與長時間保存[7-9]。熱風(fēng)干燥具有技術(shù)成熟,設(shè)備穩(wěn)定,操作簡便等優(yōu)勢[10],被廣泛用于水產(chǎn)干制品加工。目前已有南極磷干燥工藝方面相關(guān)研究,如劉曉攀等[11]通過優(yōu)化熱風(fēng)干燥溫度、風(fēng)速、堆積厚度等參數(shù),獲取了高品質(zhì)的南極磷蝦油,高翠竹等[12]通過優(yōu)化熱風(fēng)干燥溫度與時間,從南極磷蝦肉中制備了高品質(zhì)的脂質(zhì),而關(guān)于干燥模型方面的研究尚未見報道。

本研究以冷凍南極磷蝦為原料,經(jīng)解凍、蒸煮后分別置于相應(yīng)熱風(fēng)條件下進行干燥,干燥溫度為50、60、70、80、90和100 ℃,干燥量為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 kg,研究溫度及干燥量對南極磷蝦干燥用時和干燥速率影響,并分析不同干燥條件下南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)和干燥活化能。采用5種模型擬合南極磷蝦熱風(fēng)干燥過程,以決定系數(shù)R2、卡方檢驗值X2、均方根誤差M和誤差平方和S為模型擬合效果評價指標,確定最佳干燥模型,并對干燥模型進行驗證,旨在為南極磷蝦熱風(fēng)干燥過程的預(yù)測與控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍南極磷蝦,2020年購自遼漁集團有限公司,-20 ℃冷庫儲存?zhèn)溆谩P-4002型分析天平,上海精密儀器儀表有限公司;HH-2型蒸飯柜,常州朗越儀器制造有限公司;SW6086型熱敏式風(fēng)速儀,速為科技有限公司;101-4A型電熱鼓風(fēng)干燥箱,廈門森倍科技有限公司。

1.2 試驗方法

南極磷蝦熱風(fēng)干燥工藝流程:冷凍南極磷蝦→流水解凍→靜置瀝水→隔水蒸煮→熱風(fēng)干燥。

操作要點指標要求:

流水解凍。水溫約20℃左右,流速為4.0 L/min左右,蝦塊可掰斷且斷開處蝦體完整為解凍完全標志[13]。

靜置瀝水。解凍后的南極磷蝦置于瀝水槽,瀝去表面水分,每次取1.0 kg瀝水,靜置15 min。

隔水蒸煮。靜置瀝水的南極磷蝦置于蒸飯柜中,單次蒸煮量1.5 kg,蒸煮時間3 min,溫度100 ℃[14]。

熱風(fēng)干燥。取一定量蒸煮后的南極磷蝦均勻平鋪在一個不銹鋼托盤中,將托盤置于鼓風(fēng)干燥箱中干燥,其中不銹鋼托盤的長寬分別為45 cm和40 cm,干燥箱容積為100 L,風(fēng)速約為0.8～1.0 m/s。當干燥量為2.0 kg時,干燥溫度分別為50、60、70、80、90、100 ℃;當干燥溫度為80 ℃時,干燥量分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 kg。每隔10 min測定南極磷蝦質(zhì)量,直至南極磷蝦濕基含水量達到0.1左右,停止干燥,記錄干燥用時。

1.3 指標測定

1.3.1 濕基含水率的測定

南極磷蝦濕基含水率的測定,參考高亞平等[15]的方法。濕基含水率的計算公式為:

(1)

式中:wt為t時刻南極磷蝦的濕基含水率,g/g;mt為t時刻南極磷蝦的質(zhì)量,g;ms為南極磷蝦絕對干燥的質(zhì)量,g。

1.3.2 水分比的測定

水分比表示干燥一段時間后南極磷蝦中剩余的含水率[16]。水分比的計算公式為:

(2)

式中:W為南極磷蝦水分比;wt為t時刻南極磷蝦的濕基含水率,g/g;we為南極磷蝦干燥平衡時的濕基含水率,g/g;w0為南極磷蝦的初始濕基含水率,g/g。

1.3.3 干燥速率的測定

干燥速率指單位時間內(nèi)南極磷蝦蒸發(fā)的水分量[17]。干燥速率的計算公式為:

(3)

式中:D為南極磷蝦的干燥速率,g/(g.h);wt1為t1時刻南極磷蝦的濕基含水率,g/g;wt2為t2時刻南極磷蝦的濕基含水率,g/g。

1.3.4 水分有效擴散系數(shù)的測定

水分有效擴散系數(shù)一般表示水分在物料中的擴散傳遞速率的大小[18]。擴散方程由菲克第二擴散定律推導(dǎo)得出,當干燥時間長,W<0.6,可化簡擴散方程[19]。假設(shè)試驗所用南極磷蝦,初始干燥時南極磷蝦平鋪厚度相同,南極磷蝦內(nèi)部水分分布均勻,溫度及擴散系數(shù)恒定,則南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)計算公式可簡化為:

(4)

式中:W為南極磷蝦水分比;Deff為南極磷蝦水分有效擴散系數(shù),m2/s;L為南極磷蝦料層厚度,m;t為干燥時長,s。

1.3.5 干燥活化能的測定

干燥過程中活化能可根據(jù)描述水分有效擴散系數(shù)與干燥溫度關(guān)系的阿侖尼烏斯Arrhenius方程計算[20],南極磷蝦干燥活化能計算簡化后的公式如下:

(5)

式中:D0為擴散常數(shù),m2/s;Ea為南極磷蝦干燥活化能,kJ/mol;R為理想氣體常數(shù),8.314 J/(mol.K);T為南極磷蝦絕對干燥溫度,K。

1.4 干燥模型建立、篩選與驗證

干燥模型建立:參考張建友等[21]研究,采用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理和作圖,利用Matlab軟件對5種常用干燥數(shù)學(xué)模型(表1)進行非線性最小二乘法擬合,求得模型參數(shù)。模型篩選:參考文獻[22-24],通過決定系數(shù)R2、卡方檢驗值X2、均方根誤差M和誤差平方和S四個指標評價模型擬合程度,R2越大,X2、M、S越小,對應(yīng)模型的擬合程度越好。

表1 干燥動力學(xué)數(shù)學(xué)模型Tab.1 Mathematical model of drying kinetics

模型驗證:采用上述試驗方法,利用篩選出的擬合度最優(yōu)的干燥模型對驗證試驗條件下南極磷蝦水分比進行預(yù)測,通過線性擬合方法驗證模型預(yù)測值與試驗值的擬合程度。決定系數(shù)R2、卡方檢驗值X2、均方根誤差M和誤差平方和S的公式如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:Wexp為試驗測得的水分比,Wpre為模型預(yù)測的水分比,R2為決定系數(shù),X2為卡方檢驗值,M為均方根誤差,S為誤差平方和,N為試驗數(shù)據(jù)個數(shù),n為模型中參數(shù)個數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

至少重復(fù)試驗3次,數(shù)據(jù)用平均值表示,用Excel 2016處理數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南極磷蝦熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 干燥溫度

由圖1可知,溫度越高,干燥用時越短。溫度為50、60、70、80、90、100 ℃時,相應(yīng)的干燥用時分別為360、270、180、140、90、60 min;溫度由50 ℃分別升高至60、70、80、90、100 ℃時,干燥用時分別縮短25%、50%、61.11%、75%、83.33%。

圖1 不同溫度下南極磷蝦濕基含水量變化曲線Fig.1 Water content curve of Antarctic krill on wet basis at different temperatures

由圖2可知,溫度越高,最大干燥速率越高,干燥速率呈下降階段在干燥全進程中占比越大。

在未來人才濟濟的形勢面前，具備一定的自主探究能力，團隊協(xié)作能力以及英語語言的綜合運用能力一定會是一種優(yōu)勢。社會發(fā)展越來越迅速，互聯(lián)網(wǎng)普及越來越廣，不管從哪方面來說，產(chǎn)出導(dǎo)向法指導(dǎo)下的大學(xué)英語翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式都是具有積極意義的，這種教學(xué)模式的改變也將為學(xué)生大學(xué)英語的枯燥學(xué)習(xí)注入活力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，改掉他們長期以來的惰性。傳統(tǒng)模式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代化教學(xué)要求了，所以說新的教學(xué)模式可能會帶來新的機遇新的發(fā)展，這也是順應(yīng)時代發(fā)展而應(yīng)該向前邁出的一步。

圖2 不同溫度下南極磷蝦干燥速率變化曲線Fig.2 Drying rate curve of Antarctic krill at different temperatures

參考劉鶴等[25]研究可知,可能是由于升溫導(dǎo)致南極磷蝦表面水分加速氣化,同時干燥環(huán)境溫度與南極磷蝦表面溫度差距增大,南極磷蝦內(nèi)部壓力梯度變大,促使南極磷蝦內(nèi)部水分快速向表面移動。當溫度為50 ℃、60 ℃時,干燥速率呈現(xiàn)出上升、下降和穩(wěn)定三階段,與其他溫度相比,干燥速率較小;參考施政宇等[26]研究可知,較低干燥溫度下,物料中水分遷移是由內(nèi)向外,且干燥速度較慢,與本文試驗結(jié)果一致。當溫度為70 ℃、80 ℃時,干燥速率呈現(xiàn)出上升和下降兩階段,與溫度為50 ℃、60 ℃相比時,干燥速率最大值得到提高。當溫度為90 ℃、100 ℃時,干燥速率全程為下降階段;參考張建友等[21]研究可知,可能是由于較高溫度下,物料熱風(fēng)干燥以內(nèi)部水分擴散為主。

綜上可知,干燥溫度對南極磷蝦熱風(fēng)干燥特性具有明顯的影響。升高溫度,能提高最大干燥速率,縮短干燥時長。

2.1.2 干燥量

由圖3可知,干燥量越低,干燥用時越短。干燥量為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 kg時,相應(yīng)的干燥用時分別為60、70、120、140、200、280 min;干燥量由3.0 kg分別減少至2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 kg時,干燥用時分別縮短29%、50%、57%、75%、79%。

圖3 不同干燥量下南極磷蝦濕基含水量變化曲線Fig.3 Water content curve of Antarctic krill on wet basis under different drying quantities

由圖4可知,干燥量越低,最大干燥速率越高,干燥速率呈下降階段在干燥全進程中占比越大。

圖4 不同干燥量下南極磷蝦干燥速率變化曲線Fig.4 Drying rate curve of Antarctic krill under different drying quantities

參考趙志友等[27]研究可知,同一干燥溫度條件下,單位時間內(nèi)脫去水分的能力是一定的,當干燥量減小時,單位時間內(nèi)需脫除水分減少,而物料與干燥介質(zhì)接觸面增大,物料之間空隙增大,中下層物料水分蒸發(fā)加快。干燥量為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 kg時,相應(yīng)的最大干燥速率分別為0.128、0.115、0.103、0.09、0.064、0.053 ;干燥量由3.0 kg分別減少至2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 kg時,相應(yīng)的最大干燥速率分別是干燥量3.0 kg時的1.21、1.70、1.94、2.17、2.42倍。不同干燥量條件下,南極磷蝦熱風(fēng)干燥速率均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,上升階段較短,以下降為主;參考王漢羊等[28]可知,同一干燥溫度,不同干燥量下,干燥初期主要是通過蒸發(fā)的方式去除物料中流動性較強的自由水,自由水易被蒸發(fā),干燥進行較快;伴隨著自由水的減少,干燥后期主要是通過遷移擴散的方式進行,觀察發(fā)現(xiàn)隨著干燥的進行南極磷蝦逐漸收縮硬化,造成水分遷移阻力增大,干燥速率隨之降低。

綜上,干燥量對南極磷蝦熱風(fēng)干燥特性具有一定的影響,但小于干燥溫度。降低干燥量,能加速干燥,縮短干燥時長。

2.2 南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)

2.2.1 干燥溫度

由圖5可知,不同干燥溫度下南極磷蝦水分比對數(shù)值與干燥時間呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系,且R2都大于0.9。

圖5 不同干燥溫度下南極磷蝦水分比的對數(shù)值與干燥時間關(guān)系Fig.5 Relation between logarithm of water ratio of Antarctic krill and drying time under different drying temperatures

由菲克第二擴散定律計算可得相應(yīng)干燥溫度下南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)Deff,具體結(jié)果詳見表2。通過表2數(shù)據(jù)可知,干燥量為2.0 kg,干燥溫度在50 ～ 100 ℃范圍內(nèi),Deff在1.459×10-8～6.310×10-8范圍內(nèi),且隨著溫度提高,Deff呈現(xiàn)上升趨勢,即水分遷移速率增大。

表2 不同干燥溫度和干燥量下南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)Tab.2 Water effective diffusion coefficient of Antarctic krill under different drying temperatures and drying quantities

參考王安建等[29]研究,分析造成水分有效擴散系數(shù)上升的原因可能是溫度升高,水分子獲取的能量增大,導(dǎo)致躍遷的頻率加快;參考吳靖娜等[30]研究,相同溫度條件下,熱風(fēng)干燥海馬得到水分有效擴散系數(shù)明顯低于南極磷蝦,這可能是因為海馬中蛋白質(zhì)和脂肪含量高于南極磷蝦,導(dǎo)致其水分遷移受阻。參考趙洪雷等[31]研究,相同熱風(fēng)干燥溫度下,鮐魚對應(yīng)的水分有效擴散系數(shù)低于南極磷蝦,這可能是因為鮐魚肉質(zhì)緊實,隨干燥進行鮐魚肌肉組織變性收縮,硬度增加,緊密的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致脫水能力減弱。

由菲克第二擴散定律計算可得相應(yīng)干燥量下南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)Deff,具體結(jié)果詳見表2。通過表2數(shù)據(jù)可知,干燥溫度為80 ℃,干燥量在0.5 ～ 3.0 kg范圍內(nèi),Deff在4.63×10-9～3.533×10-8范圍內(nèi),且隨著干燥量提高,Deff先上升后下降,即水分遷移速率先增大后減小,干燥量為2.5 kg時Deff達到最大值3.533×10-8;參考劉鶴等[25]研究,分析造成水分有效擴散系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的原因可能是干燥溫度及空間固定,干燥量增加到一定程度時,由于物料層厚度變大,物料間隙變小,單位時間內(nèi)水分獲取的能量及躍遷距離均受到影響。

2.2.2 干燥量

由圖6可知,不同干燥量下南極磷蝦水分比對數(shù)值與干燥時間呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系,且R2都大于0.9。

圖6 不同干燥量下南極磷蝦水分比的對數(shù)值與干燥時間關(guān)系Fig.6 Relation between logarithm of water ratio of Antarctic krill and drying time under different drying quantities

作為衡量物料干燥進程中水分遷移速率大小的指標,水分有效擴散系數(shù)越大表明遷移速率越大。通過對比不同干燥溫度和干燥量下南極磷蝦水分有效擴散系數(shù)可知,溫度的影響程度大于干燥量。

2.4 南極磷蝦干燥活化能

干燥活化能用以表述物料在干燥中去除單位摩爾水分消耗的能量,即物料干燥的難易程度,干燥活化能越大,表示物料越難被干燥[32]。

不同干燥溫度下水分有效擴散系數(shù)的對數(shù)值與熱力學(xué)溫度倒數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同干燥溫度下水分有效擴散系數(shù)的對數(shù)值與熱力學(xué)溫度倒數(shù)關(guān)系Fig.7 Relation between logarithm of effective moisture diffusion coefficient and reciprocal of thermodynamic temperature under different drying temperatures

由圖7可知,不同干燥溫度下,南極磷蝦的水分有效擴散系數(shù)取對數(shù)后與干燥溫度轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)溫度再取倒數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系,方程式為:lnDeff= -3 560.1/(t+273) -7.050 5,R2為0.998 6,式中

t為干燥溫度(℃),圖中橫坐標中T為相應(yīng)干燥溫度對應(yīng)的熱力學(xué)溫度(K)。通過阿侖尼烏斯方程可知,南極磷蝦熱風(fēng)干燥活化能為29.599 kJ/mol。參考張建友等[21]研究,中國毛蝦與南極磷蝦體長相近,試驗選用的也是冷凍后經(jīng)解凍的中國毛蝦,其初始含水量與本文南極磷蝦中初始含水量相似,對比發(fā)現(xiàn)紅外熱風(fēng)耦合干燥方式下中國毛蝦干燥活化能為34.24 kJ/mol,高于熱風(fēng)干燥方式下南極磷蝦干燥活化能。參考林雅文等[33]研究,同樣采用熱風(fēng)干燥,南美白對蝦熱風(fēng)干燥活化能為14.784 kJ/mol,明顯低于南極磷蝦,可能與兩者營養(yǎng)成分含量存在一定差異相關(guān)[34]。綜上可知,物料干燥活化能大小不僅與干燥方式相關(guān),還與自身特性相關(guān)。

2.5 南極磷蝦熱風(fēng)干燥模型建立、篩選及驗證

2.5.1 模型建立與篩選

不同干燥溫度下南極磷蝦干燥模型擬合結(jié)果如表3所示。

表3 不同干燥溫度下南極磷蝦干燥模型擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of Antarctic krill drying model at different drying temperatures

干燥數(shù)學(xué)模型可表達干燥過程中南極磷蝦水分比變化,對干燥進程進行預(yù)測與控制具有重要作用。本試驗選用5種干燥模型擬合不同干燥條件下南極磷蝦水分比,以決定系數(shù)R2、卡方檢驗值X2、均方根誤差M、誤差平方和S四個指標來評價模型擬合效果,R2越大,X2、M、S越小,表明模型的擬合度越好。由表3可知,對比不同干燥溫度下5種干燥模型發(fā)現(xiàn),Page模型對應(yīng)的R2更大,且2在0.000 1～0.003 7之間,M在0.007 7～0.026 5之間,S在0.000 9～0.008 5之間,相比其他4種模型,其X2、M、S值整體更小,因此,在不同干燥溫度下,5種干燥模型中Page模型擬合效果最好。不同干燥量下南極磷蝦干燥模型擬合結(jié)果如表4所示。

表4 不同干燥量下南極磷蝦干燥模型擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of Antarctic krill drying model under different drying quantities

同上,對比表4中5種模型的R2、X2、M、S得出,得出在不同干燥量下,5種干燥模型中Page模型擬合效果最好。綜上可得,不同干燥溫度和干燥量條件下,5種干燥模型中Page模型擬合效果最好,最適宜描述和預(yù)測南極磷蝦熱風(fēng)干燥進程。

2.5.2 模型驗證

南極磷蝦熱風(fēng)干燥模型驗證試驗條件:風(fēng)速為2.0 m/s,干燥量為2.0 kg,溫度分別設(shè)定為60、80、100 ℃。采用上述試驗條件對Page模型進行驗證,以南極磷蝦水分比試驗值為縱坐標,Page模型預(yù)測值為橫坐標,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同試驗條件下Page模型擬合驗證結(jié)果Fig.8 Results of Page model fitting verification under different test conditions

60、80、100 ℃條件下南極磷蝦水分比試驗值與Page模型預(yù)測值的線性擬合R2分別為0.999 0、0.999 5、0.999 1,表明Page模型可準確描述和預(yù)測南極磷蝦在熱風(fēng)干燥過程中的水分變化規(guī)律。姜鵬飛[35]通過Page模型、Newton模型、Henderson and Pabis 3種模型的比較研究,最終確定適合刺參熱風(fēng)干燥的最佳動力學(xué)模型為Page模型。張燕平等[36]通過Lewis模型、Modified Page 模型、Page 模型、Henderson and Pabis 模型、Logarithmic 5種模型,最終確定適合梅魚熱風(fēng)干燥的最佳動力學(xué)模型為Page模型。何學(xué)連等[37]通過比較Lewis模型、Modified Page 模型、Page 模型、Henderson and Pabis 4種模型,最終確定白對蝦真空干燥的最佳動力學(xué)模型為Page模型。

3 結(jié)論

根據(jù)南極磷蝦不同干燥溫度、干燥量的濕基含水量及干燥速率變化曲線可以看出,溫度越高,干燥量越少,最大干燥速率數(shù)值越大,干燥時間越短。在整個干燥過程中,降速干燥起主要作用,因此,適當提高干燥溫度,降低單次干燥量有利于提高干燥效率。在干燥溫度為50～100 ℃,干燥量為0.5～3.0 kg條件下,Deff值4.63×10-9～ 6.310×10-8范圍內(nèi),Ea值為29.599 kJ/mol。通過比較5種干燥模型,Page模型擬合度高,為最佳南極磷蝦熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型,能更好地描述南極磷蝦熱風(fēng)干燥過程中水分比的變化。本研究僅對南極磷蝦在溫度為50～100 ℃,干燥量為0.5～3.0 kg條件下的熱風(fēng)干燥特性和動力學(xué)模型進行了研究,后續(xù)可研究其他干燥方式及干燥條件下南極磷蝦干燥動力學(xué)模型,并結(jié)合干燥方式及干燥條件對南極磷蝦營養(yǎng)物質(zhì)和活性成分含量的影響,從而確定最優(yōu)干燥方式及工藝參數(shù),達到提高生產(chǎn)效率,控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。