南美白對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律的研究*

趙偉，楊瑞金，謝樂生，張文斌，華霄，朱振樂

1(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

3(江蘇省贛榆縣海洋與漁業(yè)局，江蘇贛榆，222100)

南美白對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律的研究*

趙偉1，2，楊瑞金1，2，謝樂生1，張文斌2，華霄2，朱振樂3

1(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

3(江蘇省贛榆縣海洋與漁業(yè)局，江蘇贛榆，222100)

對(duì)南美白對(duì)蝦蝦仁進(jìn)行了微波真空干燥試驗(yàn)，獲得了微波真空干燥蝦仁的干燥規(guī)律，并建立了對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥模型。微波功率、裝載量是影響蝦仁干燥特性的主要因素，而真空度對(duì)其影響不明顯。隨著微波功率的增大和裝載量的減小，脫水速率增大，蝦仁干燥時(shí)間減小;隨蝦仁水分含量的減小，干燥速率先急劇增大，后緩慢減小，并且隨水分含量的繼續(xù)減小，干燥速率下降速度加快。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，發(fā)現(xiàn)Page模型能較好地描述蝦仁微波真空干燥規(guī)律，通過數(shù)據(jù)擬合建立的模型方程的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值一致性較好。

微波真空，對(duì)蝦，干燥，脫水速率，數(shù)學(xué)模型

凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeus vannamei)俗稱南美白對(duì)蝦，其蛋白質(zhì)含量為20%左右、脂肪含量為1%左右，另外還含有豐富的礦物質(zhì)[1］。

干燥蝦仁一直是深受消費(fèi)者喜愛的重要海產(chǎn)珍品之一。傳統(tǒng)的對(duì)蝦蝦仁干燥方法主要是日光晾曬干燥或日光與熱風(fēng)聯(lián)合干燥[2］。雖然日光干燥不需要特殊設(shè)備和技術(shù)，干燥成本比較低，但由于干燥時(shí)間長、干燥條件不能人為控制，產(chǎn)品的品質(zhì)和衛(wèi)生難以保證[2-4］。另外，盡管熱風(fēng)干燥設(shè)備投資比較少，操作控制相對(duì)容易，但因熱風(fēng)干燥溫度高、時(shí)間比較長，而且與O2接觸，在干燥過程中容易造成熱損傷和過度氧化，降低了產(chǎn)品品質(zhì)[2-5］。

微波真空干燥利用微波快速均勻加熱，并在真空條件下使水分蒸發(fā)，是綜合了微波干燥和真空干燥各自優(yōu)點(diǎn)的一項(xiàng)新技術(shù)。微波真空干燥過程是一個(gè)復(fù)雜的熱量和質(zhì)量傳遞過程，研究微波真空干燥過程的干燥規(guī)律，建立干燥基礎(chǔ)理論模型，對(duì)掌握微波真空干燥過程變化，優(yōu)化和控制干燥過程參數(shù)具有重要作用。目前，利用微波真空干燥技術(shù)進(jìn)行果蔬和谷物干燥方面的研究和應(yīng)用比較多，崔政偉等[6］對(duì)微波真空干燥胡蘿卜動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，介紹了一個(gè)基于能量與質(zhì)量平衡的理論干燥模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)了這個(gè)模型并且使用非線性回歸對(duì)其進(jìn)行了修正。Giri等[7］利用微波真空干燥蘑菇，發(fā)現(xiàn)與對(duì)流干燥相比，微波真空干燥時(shí)間縮短了70%～90%，建立了Page薄層干燥模型，并且發(fā)現(xiàn)影響干燥速率主要為微波功率，其次是樣品厚度，而真空度對(duì)其影響不明顯。伍玉潔等[8］研究了微波真空脫水干制蝦仁的水分活度對(duì)蝦仁貨架壽命和質(zhì)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)水分活度控制在0.86～0.9時(shí)，蝦仁干制產(chǎn)品在口感及微生物指標(biāo)等方面可取得平衡。

本文對(duì)蝦仁微波真空干燥規(guī)律進(jìn)行研究，建立干燥數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及預(yù)處理方法

試驗(yàn)所用對(duì)蝦為鮮活的南美白對(duì)蝦，購于當(dāng)?shù)厮a(chǎn)市場(chǎng)。挑選對(duì)蝦時(shí)盡量挑選個(gè)體適中、無傷、體表光滑、無爛眼、爛尾、體長8～12 cm、每尾7～13 g，60尾/500 g的對(duì)蝦。

將鮮活南美白對(duì)蝦洗凈，去頭挑腸腺，沸水熱燙40 s后去殼，洗凈瀝干。所得蝦仁的初始濕基含水率為74%～76%。

1.2 微波真空干燥

諧振腔型微波真空干燥裝置(2450 Hz)由實(shí)驗(yàn)室自行研制，腔體容量(3.18×104)cm3(長36 cm、寬34 cm、高26 cm)，內(nèi)有轉(zhuǎn)盤以5.3 r/min速度旋轉(zhuǎn)，保證轉(zhuǎn)盤各部分均勻接受微波。盛放蝦仁的單層Telflon淺盤(直徑22 cm)擺放在轉(zhuǎn)盤的中心位置，腔體中不再有其他可以加快蝦仁干燥速度的物件，微波真空干燥過程中也沒有干空氣流通過腔體內(nèi)部。磁控管配備風(fēng)扇以提供冷卻，控制面板可以控制微波輸出功率和微波發(fā)生時(shí)間。樣品放入后達(dá)到預(yù)期的真空度后即開始微波處理，其間樣品質(zhì)量變化由電子天平(PL2002，Mettler-Toledo儀器有限公司)測(cè)得。

1.3 微波功率的測(cè)定[9］

準(zhǔn)確稱取1 kg去離子水，冷卻至8℃，在微波真空干燥器中分別以100%、80%和50%的功率加熱至18℃。去離子水經(jīng)充分?jǐn)噭?，溫度由熱電偶測(cè)定。每一功率條件下測(cè)3組平行樣品。經(jīng)測(cè)定，微波真空干燥器100%、80%和50%負(fù)荷時(shí)的輸出功率分別為(488.48±1.5)、(348.92±1.5)、(244.24±2.1)W。

1.4 干燥數(shù)學(xué)模型

以下幾種干燥模型常被用來描述微波和微波真空干燥[7］。

上3式中:水分比MR=(M-Me)/(M0-Me);M為t時(shí)刻物料干基含水率;M0為物料原始干基含水率;Me為物料平衡干基含水率;t為干燥時(shí)間(min);K、A、n為待定系數(shù)。干基含水率=水(kg)/干物質(zhì)(kg)。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥特性

2.1.1 微波功率對(duì)干燥特性的影響

圖1、圖2顯示的是原始水分含量(M0)為306%(對(duì)干基，以下同)的蝦仁在真空度為-60 kPa、裝載量為100 g時(shí)，微波輸出功率對(duì)干燥時(shí)間和干燥速率的影響。從圖1可知，隨著微波功率的增大，干燥時(shí)間減小，當(dāng)功率為244.24、348.92、488.48 W時(shí)，蝦仁的干燥時(shí)間分別為24、16、13 min，干基水分含量降至11%。從圖2知，隨微波功率的增大，干燥速率增大;隨著蝦仁水分含量的減小，干燥速率先迅速增大，后緩慢下降;在干燥的最后階段，即低水分含量時(shí)，干燥速率迅速下降。在微波功率較小的244.24 W時(shí)，干燥速率呈現(xiàn)出較明顯的加速、恒速和降速3個(gè)階段。而在較大微波功率時(shí)，這3個(gè)干燥階段并不明顯，其原因可能是物料較少，在較大微波功率時(shí)加熱太快，導(dǎo)致干燥速率未出現(xiàn)恒速階段，從而也可以知道水分含量越高，微波功率對(duì)干燥速率的影響越大。這與Giri等對(duì)微波真空干燥蘑菇的研究結(jié)果相一致[7］。

2.1.2 裝載量對(duì)干燥特性的影響

圖1 不同功率下水分含量與干燥時(shí)間的關(guān)系(-60 kPa、100 g)

圖2 不同微波功率對(duì)干燥速率的影響

圖3 和圖4顯示的是原始干基水分含量(M0)為283%的蝦仁在微波功率為348.92 W、真空度為-60 kPa時(shí)，不同干燥裝載量對(duì)干燥時(shí)間和干燥速率的影響。由圖3看出，隨著裝載量的減小，干燥速度明顯提高，所需干燥時(shí)間明顯下降。當(dāng)裝載量分別為150、100、50 g時(shí)，蝦仁干基水分含量降至11%所需的干燥時(shí)間分別為24、18、14 min左右。從圖4可知，隨裝載量減小，干燥速率增大;隨水分含量的減小，干燥速率先急劇增大后迅速下降，且裝載量越小速率下降速度越快，同樣這也可能加熱太快所致。

圖3 不同樣品重量下水分含量與干燥時(shí)間的關(guān)系(-60 kPa、348.92 W)

2.1.3 真空度對(duì)干燥特性的影響

圖5 、圖6顯示的是原始干基水分含量(M0)為306%的蝦仁在微波功率為348.92 W、裝載量為100 g時(shí)，不同真空度對(duì)干燥時(shí)間和干燥速率的影響。結(jié)果表明，真空度對(duì)干燥時(shí)間和干燥速率的影響都不大，隨真空度的減小，干燥速率略有減小;同樣，隨水分含量的減小，干燥速率先急劇增大，后緩慢下降，干燥后期下降越快。

圖4 不同裝載量對(duì)干燥速率的影響

圖5 不同真空度下水分含量與干燥時(shí)間的關(guān)系(348.92W、100g)

圖6 不同真空度對(duì)干燥速率的影響

2.2 模型擬合

對(duì)模型方程(1)、(2)、(3)線性化處理，得式(4)、(5)、(6)

3種模型經(jīng)處理后，由非線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系[10］。經(jīng)長時(shí)間微波真空干燥的物料平衡含水量Me可視為0，因此可以把樣品的水分比MR簡化為。表1是不同干燥條件下對(duì)(4)、(5)、(6)式進(jìn)行線性回歸分析(SAS軟件)得到的相關(guān)決定系數(shù)。圖7是不同干燥條件下的ln(MR)-t曲線，可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)在lnMR-t坐標(biāo)系內(nèi)呈曲線，這說明指數(shù)模型與單項(xiàng)擴(kuò)散模型不能很好地描述對(duì)蝦蝦仁的微波真空干燥規(guī)律，其R2平均值分別僅為0.9821和0.9626。圖8是不同干燥條件下的ln[-ln(MR)］-lnt曲線，可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)在ln[-ln(MR)］-lnt坐標(biāo)系內(nèi)呈線性關(guān)系，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)用(6)式擬合得比較好，其R2最小為0.9918，最大為0.9995，平均值為0.9968，R2接近1，說明樣本資料與回歸方程配合緊密，各點(diǎn)接近回歸直線，證明Page模型能較好的描述蝦仁微波真空干燥的特性。

圖7 不同干燥條件下的lnMR-t曲線

圖8 不同干燥條件下的ln[-ln(MR)］-lnt曲線

表1 不同干燥條件對(duì)模型參數(shù)的影響

由于真空度對(duì)干燥規(guī)律影響不大，故忽略其影響。為進(jìn)一步簡化參數(shù)，把裝載量與微波功率一起考慮，即用功率與裝載量的比值:單位質(zhì)量發(fā)射功率(P)來表示;同時(shí)為簡化方程，文中采用單位質(zhì)量發(fā)射功率二次方程來求系數(shù)。因此，令

式中:P，單位質(zhì)量發(fā)射功率[功率(W)/物料初始質(zhì)量(g)］;a、b、c、d、e、f，為待定系數(shù)。

代入式(3)后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，利用回歸程序(SAS軟件)求得微波真空干燥蝦仁模型線性擬合各待定系數(shù):

將上述各系數(shù)代入lnK、n，再將lnK、n代入式(6)，得擬合方程為:

2.3 模型方程驗(yàn)證

為驗(yàn)證所獲得的干燥方程的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了兩組驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)1的條件為:微波功率348.92 W，裝載量85 g，真空度-60 kPa;驗(yàn)證試驗(yàn)2的條件為:微波功率244.24 W，裝載量125 g，真空度-60 kPa。試驗(yàn)結(jié)果與從擬合方程獲得的預(yù)測(cè)值比較曲線見圖9。從圖9可以看出，模型預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值有較好的一致性，二者水分比最大偏差為3.3%，因此本研究所建立的模型可以較好的描述對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律。

圖9 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的比較

3 結(jié)論

通過微波真空干燥對(duì)蝦蝦仁試驗(yàn)，獲得微波真空干燥蝦仁的干燥規(guī)律。微波功率、裝載量是影響蝦仁干燥特性的主要因素，而真空度對(duì)其影響不大。隨著微波功率的增大和裝載量的減小，蝦仁干燥時(shí)間減小，脫水速率增大;隨蝦仁水分含量的減小，干燥速率先急劇增大，后緩慢減小，隨水分含量的繼續(xù)減小，干燥速率下降加快。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，Page模型能較好地描述蝦仁微波真空干燥規(guī)律，通過擬合構(gòu)建了對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥的數(shù)學(xué)模型，即:MR=exp(-Ktn)，其中K=0.01064 exp(0.54260 P-0.01569 P2)，n=1.23631+0.10131 P-0.01896 P2。該模型可以較好的描述對(duì)蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律。

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ABSTRACTThe effect of drying parameters，such as microwave power，vacuum pressure and mass load on the drying kinetics were investigated and the mathematical model of microwave-vacuum drying(MVD)of shrimp was developed.The results showed that the drying characteristics were affected mainly by the microwave power level，followed by mass load.The vacuum pressure had a little effect on the drying rate.With the increase of microwave power and the decrease of mass load，drying rate increased.The drying rate initially increased rapidly and then slowly reduced and finally dropped sharply as the reduction of moisture content during MVD.Page＇s model for MVD of shrimp，developed by regression analysis of the experimental data，was the most close in accordance with the drying characteristic of shrimp.

Key wordsmicrowave-vacuum，Litopenaeus vannamei，drying，drying rate，mathematics model

Study on Drying Characteristics of Microwave-vacuum Drying of Litopenaeus vannamei

Zhao Wei1，2，Yang Rui-jin1，2，Xie Le-sheng1，Zhang Wen-bin2，Hua Xiao1，Zhu Zhen-le3
1(State Key Laboratory of Food Science＆Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
3(Ganyu Ocean＆Fishery Administration，Ganyu 222100，China)

博士，副教授。

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAD94B06);江南大學(xué)江南大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目(JUSRP20910)

2010-03-11，改回日期:2010-05-10