蠶蛹熱泵干燥特性及其動(dòng)力學(xué)模型研究

吳釗龍，林芳，陳振林，*，莫嘉華，楊艷蘭

（1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧大連116034；2.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西賀州542899）

蠶蛹又名小蜂兒，蠶蛾科，是蠶發(fā)育到一定階段的產(chǎn)物，桑蠶業(yè)的附屬品，而且是衛(wèi)生部批準(zhǔn)的作為普通食品管理的食品新資源中唯一的昆蟲類食品[1-2]。我國蠶蛹資源非常豐富，年產(chǎn)蠶蛹30萬t以上，約占全世界總產(chǎn)量的80%[3-4]。蠶蛹不僅具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，還具有多種藥理作用，其營養(yǎng)價(jià)值可與牛奶、雞蛋相媲美[5]。蠶蛹蛋白質(zhì)中含有18種氨基酸，其中8種人體必需氨基酸占總氨基酸的42%，必需氨基酸與非必需氨基酸的比例達(dá)到0.7∶1.0，非常符合聯(lián)合國糧農(nóng)組織及世界衛(wèi)生組織建議的理想氨基酸模式[6-7]。蠶蛹因?yàn)楦缓梭w所必需營養(yǎng)和活性成分而在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)有著廣泛的用途，非常符合當(dāng)今人們對高蛋白低脂肪的膳食消費(fèi)需求[8-9]。

目前，有關(guān)蠶蛹綜合利用的研究已經(jīng)逐漸開展起來，干燥是一種通過將物料中的水分降低到一定程度而獲得干制品的方法，對食品貯藏期太短而造成浪費(fèi)的問題可以有效地解決[10]。熱泵干燥是一種具有節(jié)能、高效和提高干燥產(chǎn)品品質(zhì)的新型干燥方法[11-12]。目前對于昆蟲的干燥加工研究尚處于初級探索階段，尤其是采用熱泵干燥方法加工昆蟲的有關(guān)研究更是鮮有報(bào)道，迄今還未見有采用熱泵干燥方法干燥蠶蛹的研究報(bào)道。本研究以蠶蛹為原料，探究不同干燥溫度、不同鋪料密度兩個(gè)條件對蠶蛹熱泵干燥特性的影響，構(gòu)建關(guān)于蠶蛹熱泵干燥的動(dòng)力學(xué)模型，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為蠶蛹干制深加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

蠶蛹：廣西平樂國弘繭絲綢有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

WRH-100AB型環(huán)閉除濕熱泵干燥機(jī)：正旭新能源設(shè)備科技有限公司；JJ1000型電子天平：常熟市雙杰測試儀器廠；MB90型水分測定儀：奧豪斯儀器常州有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

冷凍蠶蛹→清洗→漂燙→瀝干→擺盤→熱泵干燥→成品

1.3.2 干燥溫度對蠶蛹熱泵干燥特性的影響

在恒定風(fēng)速，濕度為25%，鋪料密度為0.6 g/cm2條件下，分別考察干燥溫度為45、55、65、75℃時(shí)對蠶蛹熱泵干燥特性的影響。在干燥過程中，相隔15min取一次樣，使用MB90型快速水分測定儀測定樣品濕基水分含量，直至干燥至濕基含水量小于5%為止。

1.3.3 鋪料密度對蠶蛹熱泵干燥特性的影響

在恒定風(fēng)速，溫度為65℃，濕度為25%的條件下，分別考察鋪料密度0.4、0.6、0.8 g/cm2對蠶蛹熱泵干燥特性的影響。在干燥過程中，相隔15 min取一次樣，使用MB90型快速水分測定儀測定樣品濕基水分含量，直至干燥至濕基含水量小于5%為止。

1.4 測定方法

1.4.1 含水量的測定方法

通過用MB90型快速水分測定儀測定蠶蛹的含水量。得到蠶蛹平均初始含水量為76.39%。蠶蛹干基含水量根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：M為蠶蛹熱泵干燥到t時(shí)刻時(shí)的干基含水量，g/g；W為蠶蛹熱泵干燥到t時(shí)刻時(shí)的濕基含水量，g/g。

1.4.2 干燥速率的測定方法

式中：DR為干燥速率，g/（g·min）；Δt為相鄰2次測定蠶蛹的時(shí)間間隔，min；Mt+Δt為干燥至 t+ Δt時(shí)刻蠶蛹的干基含水量，g/g；Mt為干燥至t時(shí)刻蠶蛹的干基含水量，g/g[13]。

1.4.3 水分比的測定

式中：MR為水分比；Mt為干燥至t時(shí)刻蠶蛹的干基含水量，g/g；Me為蠶蛹平衡干基含水量；M0為蠶蛹初始干基含水量；由于蠶蛹的平衡干基含水量Me遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Mo和Mt，通?？梢院雎圆挥?jì)，因此，可將式（3）簡化成式（4）進(jìn)行計(jì)算[14-15]：

1.4.4 干燥模型的擬合

本試驗(yàn)選用了5種最常見的干燥模型對蠶蛹的干燥模型進(jìn)行線性擬合[16]，有利于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，5種動(dòng)力學(xué)模型及其表達(dá)式見表1。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠶蛹熱泵干燥特性

2.1.1 干燥溫度對蠶蛹熱泵干燥特性的影響結(jié)果

在恒定風(fēng)速，濕度為25%，鋪料密度為0.6 g/cm2條件下，不同溫度的蠶蛹熱泵干燥曲線如圖1所示。

由圖1知，蠶蛹熱泵干燥曲線相對比較光滑，蠶蛹干基含水量隨著干燥時(shí)間的延長呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，蠶蛹干燥到一定程度后干燥曲線逐漸趨于平緩；蠶蛹干燥特性易受溫度的影響，隨著溫度升高蠶蛹熱泵干燥曲線越陡峭，達(dá)到相同含水量時(shí)的時(shí)間也就越短；當(dāng)溫度為75℃時(shí)，達(dá)到平緩的時(shí)間為180 min，而溫度為45℃時(shí)，達(dá)到平緩的時(shí)間為415 min，這與葉維等[17]研究魔芋熱泵干燥特性時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥溫度對魔芋干燥曲線影響較大的研究結(jié)果一致。因?yàn)殡S著干燥溫度的上升會(huì)使蠶蛹表面水分迅速蒸發(fā)，還可以將空氣的相對濕度降低，蠶蛹表面的濕度與空氣介質(zhì)的濕度相差越大，蠶蛹水分的揮發(fā)就會(huì)越快，使蠶蛹表層水分向干燥氣體的擴(kuò)散動(dòng)力增加，進(jìn)而縮短蠶蛹的干燥時(shí)間[18]。表明蠶蛹在相同初始干基含水量，干燥溫度不同的情況下，物料水分變化存在顯著差異。干燥速率曲線如圖2所示。

表1 5種動(dòng)力學(xué)模型及其表達(dá)式Table 1 Five kinetic models and their expressions

圖2 不同溫度蠶蛹熱泵干燥速率曲線Fig.2 Heat pump drying rate curves of silkworm pupa at different temperatures

由圖2可知，干燥溫度為75℃的失水速率明顯高于干燥溫度為45℃的失水速率。在不同溫度下溫度越高，蠶蛹干燥速率曲線變化就越陡峭，所需的干燥時(shí)間就越短，恒速階段越不明顯。蠶蛹干燥速率隨著干基含水量的變化而變化，隨著干基含水量的降低，4條曲線均存在明顯的增速階段和降速階段。蠶蛹在干燥溫度為45℃和55℃時(shí)出現(xiàn)明顯的恒速期約為80 min～120 min，而在干燥溫度為65℃時(shí)出現(xiàn)短暫的恒速期約為50 min～70 min，在干燥溫度為75℃時(shí)未出現(xiàn)明顯的恒速期，隨后均逐漸下降，降速階段占絕大部分。出現(xiàn)明顯的恒速期是因?yàn)樾Q蛹表面水分蒸發(fā)與內(nèi)部水分遷移之間保持短暫的恒定，在整個(gè)干燥過程中，降速期占大部分是因?yàn)楦稍锍跗谛Q蛹表面水分會(huì)在空氣中擴(kuò)散較快而且失水速率相對較高，因此不易形成恒定的水分濃度差，從而加速階段和恒速階段相對于降速階段來說持續(xù)時(shí)間較短，而隨著蠶蛹表層水分降至一定程度后，水分從內(nèi)部向表層遷移的速率減慢，失水速率下降變慢[19-20]。

2.1.2 鋪料密度對蠶蛹熱泵干燥特性的影響結(jié)果

在恒定風(fēng)速，溫度為65℃，濕度為25%的條件下，不同鋪料密度對蠶蛹熱泵干燥的影響如圖3、圖4所示。

圖3 不同鋪料密度蠶蛹熱泵干燥曲線Fig.3 Heat pump drying curves of silkworm pupa at different traying density

圖4 不同鋪料密度蠶蛹熱泵干燥速率曲線Fig.4 Heat pump drying rate curves of silkworm pupa at different traying density

由圖3可知，鋪料密度是影響蠶蛹熱泵干燥的重要因素，不同鋪料密度蠶蛹干燥曲線線形相似，隨著干燥時(shí)間的延長，蠶蛹干基含水量逐漸減小。鋪料密度為0.4、0.6、0.8 g/cm2的蠶蛹在65℃下干燥時(shí)，干基含水量降低至趨于平緩的含水量分別需要190、230、300 min。蠶蛹鋪料密度越大，含水量降低越慢，干燥曲線趨于平緩時(shí)間就越長。由于鋪料密度不同蠶蛹形成的水分梯度大小也不同，會(huì)有不同的水分驅(qū)動(dòng)力形成，所以在不同的鋪料密度、相同的干燥時(shí)間情況下蠶蛹的含水量有所不同[21]。

由圖4可知，鋪料密度對蠶蛹干燥速率影響較大，3條不同鋪料密度的干燥速率曲線均有明顯加速階段，隨后迅速下降，在整個(gè)干燥過程中降速階段占大部分。鋪料密度為0.8 g/cm2時(shí)存在明顯恒速期約為80 min～100 min，鋪料密度為0.4 g/cm2和0.6 g/cm2時(shí)未出現(xiàn)明顯的恒速期，即隨著鋪料密度的減小，恒速期越不明顯。3條曲線均表現(xiàn)出明顯降速階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但是不同鋪料密度的干燥速率曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處蠶蛹水分含量有明顯差異。這是因?yàn)樵跍囟认嗤那闆r下，在蠶蛹熱泵干燥初期階段產(chǎn)生的熱量主要用來提高蠶蛹自身的溫度，隨著鋪料密度的增加，因此水分蒸發(fā)所需熱量也就越多，從而干燥速率會(huì)越緩慢。

2.2 蠶蛹熱泵干燥模型的建立

2.2.1 蠶蛹熱泵干燥過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合

按照1.4.4選用的5種最常見干燥動(dòng)力學(xué)模型，對蠶蛹熱泵干燥過程進(jìn)行線性擬合，干燥動(dòng)力學(xué)模型中Newton、Henderson and Pabis、Lagarithmic的-lnMR-t均為線性關(guān)系，干燥模型Wang and Singh的MR-t為線性關(guān)系，Page模型的ln（-lnMR）-ln t為線性關(guān)系。因此分別以不同干燥溫度和鋪料密度下，蠶蛹熱泵干燥過程 MR、-lnMR、ln（-lnMR）為縱坐標(biāo)，t、t、lnt分別為對應(yīng)的橫坐標(biāo)作圖。結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5可知，不同干燥溫度和鋪料密度下，蠶蛹熱泵干燥過程MR-t是非線性關(guān)系，因此，Wang and Singh模型不適合用來描述蠶蛹熱泵干燥。

由圖6可知，不同干燥溫度和鋪料密度下，蠶蛹熱泵干燥過程-lnMR-t是非線性關(guān)系，因此，Lagarithmic、Henderson and Pabis、Newton 3 種模型不適合用來描述蠶蛹熱泵干燥。

由圖7可知，不同干燥溫度和鋪料密度下，蠶蛹熱泵干燥過程ln（-lnMR）-lnt是線性關(guān)系，所以Page模型可以描述和預(yù)測蠶蛹熱泵干燥。

經(jīng)計(jì)算得到Page模型擬合方程中的系數(shù)R2=0.990，表明Page模型適合用于不同干燥溫度和不同鋪料密度條件，所以Page模型可以適用于蠶蛹熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型。

2.2.2 蠶蛹熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型的建立

采用Page模型ln（-lnMR）=lnk+nlnt建立蠶蛹熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型，令：

圖5 不同條件蠶蛹熱泵干燥過程MR-t曲線Fig.5 MR and t of silkworm pupa heat pump drying process under different conditions

圖6 不同條件蠶蛹熱泵干燥過程-lnMR-t曲線Fig.6 -lnMR and t of silkworm pupa heat pump drying process under different conditions

圖7 不同條件蠶蛹熱泵干燥過程ln（-lnMR）-lnt曲線Fig.7 ln（-lnMR）and lnt of silkworm pupa heat pump drying process under different conditions

式中：H 為鋪料密度，g/cm2；L 為溫度，℃；a、b、c、d、e、f為待定系數(shù)，可得到：

ln（-lnMR）=a+bH+cL+（d+eH+fL）lnt

通過軟件SPSS19.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到待定系數(shù) a，b，c，d，e，f的數(shù)值為 a=-5.545，b=-2.024，c=0.059，d=1.034，e=0.259，f=-0.006。

得擬合方程為：

式中：k=e-5.545-2.024H+0.059L，n=1.034+0.259H-0.006L

該擬合方程 F=2 860.281，p＜0.001，R2=0.990，表明該方程極顯著且擬合度比較高。

2.2.3 動(dòng)力學(xué)模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)回歸模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)置試驗(yàn)條件為鋪料密度為0.8 g/cm2，干燥溫度為45℃進(jìn)行驗(yàn)證。擬合值和試驗(yàn)值結(jié)果見圖8。

由圖8可見，Page方程的試驗(yàn)值與擬合值對比得出二者擬合比較好，說明Page模型能夠較好的反映和預(yù)測蠶蛹熱泵干燥規(guī)律。

圖8 蠶蛹熱泵干燥的動(dòng)力學(xué)模型檢驗(yàn)曲線Fig.8 Test curve for kinetic model of the heat pump drying silkworm pupa

3 結(jié)論

1）本試驗(yàn)表明，干燥溫度越高，鋪料密度越小，蠶蛹干燥所需要的時(shí)間就越短，干燥速率越快，恒速期也就越不明顯。蠶蛹的熱泵干燥過程中主要存在加速、恒速和降速3個(gè)階段，其中降速階段占干燥過程中的大部分。

2）通過對5種常見的動(dòng)力學(xué)模型擬合分析，確定蠶蛹熱泵干燥特性符合Page模型，并通過用SPSS19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合方程為ln（-lnMR）=-5.545-2.024H+0.059L+ （1.034+0.259H-0.006L）lnt在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，Page模型的試驗(yàn)值與擬合值擬合比較好，能較好的反映蠶蛹的熱泵干燥規(guī)律，且通過得出干燥溫度、鋪料密度的函數(shù)表達(dá)式和模型相關(guān)的參數(shù)，可以用來準(zhǔn)確地預(yù)測到任意時(shí)刻蠶蛹水分比的含量。