海帶晾曬干燥特性及干燥模型研究

郭賽飛，周 榮，沈 建，歐陽杰,馬田田，白 貞

(1上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

海帶(Laminariajaponica)是常見的水產(chǎn)品之一，在中國(guó)北部沿海及浙閩沿海均有大量養(yǎng)殖，2019年全國(guó)海帶養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到162萬t[1]。海帶含有大量功能活性物質(zhì)，如多糖、甘露醇、褐藻膠等，具有抗氧化、抗腫瘤、促進(jìn)骨骼再生、降低神經(jīng)功能及腎功能損傷等功效[2-6]，在海帶深加工領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。海帶的收獲具有極強(qiáng)的季節(jié)性，南方的收獲期在4、5月，通常比北方早2～3個(gè)月[7-8]。在收獲期時(shí)，由于收獲量很大，同時(shí)收獲的海帶含水率較高(濕基含水率90%左右)，為了防止海帶腐敗變質(zhì)，需及時(shí)對(duì)海帶進(jìn)行干燥處理，將海帶水分降至安全儲(chǔ)藏水分含量后(濕基含水率18%以下)再入倉儲(chǔ)藏。

含水率的高低是衡量海帶干燥后品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[9]，目前海帶干燥方式有晾曬干燥、熱風(fēng)干燥、過熱蒸汽干燥、真空冷凍干燥等。晾曬干燥作為傳統(tǒng)的干燥手段之一，對(duì)設(shè)備的要求比較低，是最經(jīng)濟(jì)的干燥手段，亞洲、非洲、太平洋沿岸的地區(qū)多采用此方法來干制水產(chǎn)品[10]。但在晾曬干燥過程中存在著天氣變化影響大、干燥不完全、平均干燥效率低的情況[11]。熱泵干燥屬于熱風(fēng)干燥的一種，相比于傳統(tǒng)的燃煤、燃?xì)?、燃油設(shè)備，其節(jié)能40%以上，目前在各個(gè)領(lǐng)域研究應(yīng)用較多，且烘干產(chǎn)品質(zhì)量較好[12]。將晾曬干燥與熱泵干燥相結(jié)合，可使海帶更快更節(jié)能地達(dá)到干燥終點(diǎn)。海帶的晾曬干燥進(jìn)程決定了是否要進(jìn)行熱泵干燥，所以需要建立相應(yīng)的海帶晾曬干燥含水率預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)外已針對(duì)堅(jiān)果、水果等的干燥建立了大量的水分干燥模型。胡自成等[13]通過雙蒸發(fā)器常閉式熱泵對(duì)海帶結(jié)進(jìn)行干燥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可用Page模型預(yù)測(cè)海帶結(jié)常閉式熱泵干燥過程中水分比隨時(shí)間變化的規(guī)律。Mbegbu等[14]研究了不同溫度下香料和檸檬羅勒葉的干燥動(dòng)力學(xué)特性，通過擬合發(fā)現(xiàn)，Logarithmic模型和Two term模型分別為香料和檸檬羅勒葉的最佳干燥模型。劉英娜等[15]對(duì)風(fēng)干板栗干燥過程中的水分變化進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)Page模型為最優(yōu)模型。

本研究預(yù)試驗(yàn)表明，相同條件下，海帶越厚，到達(dá)干燥終點(diǎn)(濕基含水率18%以下)的時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)海帶根部部位到達(dá)干燥終點(diǎn)時(shí)，海帶整體即達(dá)到干燥終點(diǎn)，故測(cè)定海帶根部部位在不同天氣情況下濕基含水率、總多糖、甘露醇和褐藻膠含量的變化，并利用現(xiàn)有干燥模型對(duì)其干燥過程中水分比隨時(shí)間的變化進(jìn)行擬合，計(jì)算相應(yīng)水分干燥模型參數(shù)，以確定海帶的晾曬干燥進(jìn)程變化規(guī)律和海帶部分功能活性物質(zhì)的變化，為海帶熱泵干燥工藝研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用山東省榮成市成熟期(6～7月)無病變新鮮海帶。試驗(yàn)海帶大小一致，長(zhǎng)度在140～150 cm之間，寬度在40～45 cm之間，采收后立即運(yùn)輸至上海實(shí)驗(yàn)室，于暫存池中暫存。暫存條件：28%鹽度的水，24℃外界溫度。暫存時(shí)間：12 h。

1.2 試驗(yàn)試劑

硫酸、高碘酸、硫代硫酸鈉、碘化鉀、淀粉、碳酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉、95%乙醇均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；總多糖試劑盒，上海酶聯(lián)生物科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)定裝置：BPG-9056A精密鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SpectraMax i3多功能酶標(biāo)儀，美國(guó)美谷分子儀器公司；VS-15000CFNⅡ高速冷凍離心機(jī)，上海民儀電子有限公司；DK-S22電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；XS-105梅特勒電子天平，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司。

晾曬裝置：130 cm×160 cm的定制鐵架，平鋪放置于屋頂；記錄裝置：RS-WS-N01-SMG-4數(shù)碼管王字殼485型溫濕度變送器，RS-GZ-N01-2-20000光照度變送器，RS-FSJT-N01聚碳風(fēng)速傳感器，RS-WIFI-MWIFI型集中器，山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于6～7月在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，前期試驗(yàn)表明當(dāng)光照度在30 000 Lx以下或濕度在70%以上時(shí)，干燥速率較低。故選擇初始光照強(qiáng)度大于30 000 Lx且濕度小于70%的天氣，將海帶展平平鋪于屋頂定制的鐵架上，并使用傳感器每隔1 min記錄一次溫度、濕度、光照度、風(fēng)速，試驗(yàn)期間每隔1 h剪取80 mm×5 mm海帶根部部位，測(cè)定其濕基含水率，同時(shí)將海帶翻曬，直至海帶達(dá)到干燥終點(diǎn)或光照度小于30 000 Lx或濕度大于70%時(shí)停止晾曬。分別在試驗(yàn)開始前和晾曬結(jié)束后測(cè)定其總多糖、甘露醇和褐藻膠含量。海帶編號(hào)、晾曬期間平均溫度、平均濕度、平均光照度、平均風(fēng)速和海帶根部初始厚度如表1。

表1 海帶編號(hào)及晾曬期間天氣條件

1.5 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法

1.5.1 含水率

參照方法GB 5009.3—2016[16]計(jì)算海帶干基含水率和濕基含水率，干基含水率計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wt為干燥時(shí)間t時(shí)海帶干基含水率/%；Mt為干燥時(shí)間t時(shí)海帶的質(zhì)量/g；MG為海帶干物質(zhì)質(zhì)量/g。

濕基含水率計(jì)算公式為：

(2)

式中：Xt為干燥時(shí)間t時(shí)海帶濕基含水率/%，如無特殊說明，下文中含水率均指濕基含水率。

1.5.2 水分比

水分比MR計(jì)算公式[17]為：

(3)

式中：W0為海帶的初始干基含水率；We為物料干燥平衡干基含水率，由于平衡干基含水量We遠(yuǎn)小于Wt和W0，因此上述公式可簡(jiǎn)化[18]為：

(4)

1.5.3 干燥速率

干燥速率Vi計(jì)算公式[19]為：

(5)

式中：Vi為干燥時(shí)間i時(shí)刻海帶干燥速率，%/h；ωi為i時(shí)刻海帶水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωt為t時(shí)刻海帶水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。在本研究中以海帶開始晾曬的時(shí)間作為初始時(shí)間，計(jì)算每晾曬1 h干燥速率的數(shù)值，即t-i=1 h。

1.5.4 部分功能活性物質(zhì)的測(cè)定

總多糖采用苯酚-硫酸法[20]，甘露醇采用過碘酸鹽氧化法[21]，褐藻膠采用重量法[22]。

1.6 干燥數(shù)學(xué)模型的選擇與建立

為了準(zhǔn)確地描述海帶自然晾曬下水分散失情況，選擇6種常見的干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)海帶晾曬干燥進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[23-26]，如表2,并引用決定系數(shù)R2，均方根誤差RMSE來評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的擬合程度，R2越大，RMSE越小，模型的擬合程度越好，數(shù)據(jù)采用Spss26，Excel2016進(jìn)行處理。決定系數(shù)R2，均方根誤差RMSE公式如下：

表2 常用薄層干燥模型

(6)

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 海帶晾曬干燥特性分析

結(jié)合圖1、表1，不同的新鮮海帶根部厚度不同，但初始含水率相近，均在88%～92%之間。由圖1可知，樣品1A、2A、3A、4A、6A、7A經(jīng)晾曬干燥后海帶含水率能夠達(dá)到干燥終點(diǎn)，最快為6 h，而樣品5A在晾曬干燥的末期，由于光照強(qiáng)度下降到30 000 Lx以下，停止晾曬，未達(dá)到干燥終點(diǎn)。根據(jù)圖3、圖4，樣品1A～7A的晾曬期間的溫度變化和風(fēng)速變化相對(duì)較小，光照度和濕度變化相對(duì)較大。對(duì)比樣品3A和7A，樣品3A根部厚度大于樣品7A厚度，在平均溫度、平均風(fēng)速變化不大的情況下，晾曬期間樣品3A平均光照度高、平均濕度小，達(dá)到干燥終點(diǎn)的時(shí)間短，降低干燥期間的平均濕度可提高干燥效率[27-28]。

圖1 不同天氣條件下海帶含水率隨晾曬時(shí)間的變化

圖2 不同天氣條件下海帶干燥速率隨晾曬時(shí)間的變化

圖3 海帶晾曬期間每隔1 h平均溫度、平均濕度的變化

圖4 海帶晾曬期間每隔1 h平均風(fēng)速、平均光照度的變化

晾曬干燥過程主要分為調(diào)整階段、快速降水階段和慢速降水階段。由圖2可知，海帶晾曬干燥過程先為升速階段，再為降速階段，不同的外界天氣條件下干燥速率達(dá)到最高值的時(shí)間不同。在晾曬干燥的前期，海帶的含水率下降較慢，這可能是由于海帶本身溫度較低，水分子吸收不到充足的熱量蒸發(fā)，隨著太陽晾曬時(shí)間的增加，海帶自身溫度提高，海帶表面水分逐漸蒸發(fā)，海帶內(nèi)部壓力梯度增大，內(nèi)部水分更快地向外部遷移[29]，干燥速率變大。在干燥末期，海帶內(nèi)外部水分梯度逐漸趨于平衡，故干燥速率變小。

2.2 海帶晾曬前后部分功能活性物質(zhì)含量的變化

總多糖、甘露醇、褐藻膠是海帶中重要的功能活性物質(zhì)，以干重計(jì)，海帶晾曬干燥前后總多糖、甘露醇、褐藻膠含量變化如表3所示。由表3，雖然海帶1A～7A來自同一海域，但初始總多糖含量、甘露醇含量、褐藻膠的含量也存在著不同程度的差異[30]，這可能與采摘海帶的季節(jié)變化以及海帶的生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)[31-32]。受環(huán)境中的微生物和陽光中的紫外線強(qiáng)度高低等的影響[33]，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的晾曬會(huì)對(duì)海帶中的功能活性物質(zhì)造成不同程度的損害，其中總多糖含量下降較為明顯，褐藻膠其次，甘露醇變化較小。

表3 海帶晾曬前后總多糖、甘露醇、褐藻膠含量的變化(g/100 g)

2.3 海帶數(shù)學(xué)干燥模型的建立與驗(yàn)證

2.3.1 海帶數(shù)學(xué)干燥模型的建立

海帶的晾曬干燥外界天氣條件一直在變化，為了準(zhǔn)確描述隨時(shí)間的變化在不同的外界條件下模型參數(shù)的變化情況，選擇從開始晾曬的時(shí)間到晾曬4、5、6、7、8 h的平均溫度、平均濕度、平均光照強(qiáng)度、平均風(fēng)速分別作為外界條件，根據(jù)4、5、6、7、8 h海帶干基含水率的變化分別推出水分比MR隨干燥時(shí)間t的變化，使用常見的薄層干燥模型對(duì)水分比MR和時(shí)間t進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分別推出在這些外界條件下模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)值及決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE，選擇擬合度最好的模型，再通過Spss做線性回歸推出模型參數(shù)與平均溫度、平均濕度、平均光照度、平均風(fēng)速、初始厚度的關(guān)系。薄層干燥模型分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，模型擬合程度見表5。

表4 薄層干燥分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(續(xù)表)

表5 模型擬合結(jié)果

根據(jù)表5可得到Page模型的R2是0.990，為6種模型R2的最高值，RMSE是0.022 4，為6種模型RMSE的最低值，說明Page模型最能適合描述海帶在自然晾曬過程中水分比MR與時(shí)間t的變化關(guān)系，由表4可推出Page參數(shù)k、n與溫度(W)、濕度(S)、光照度(G)、風(fēng)速(F)和厚度(H)的關(guān)系:

k=-1.26+0.024W+0.778S+0.000002576G+0.526F+0.012H(R2=0.974)

n=6.25-0.068W-3.458S-0.00000002373G+0.513F-0.260H(R2=0.935)

2.3.2 海帶數(shù)學(xué)干燥模型的驗(yàn)證

從為了確保模型的適用性，挑選建模外的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)所選日期從開始晾曬到晾曬1、2、3、4、5、6、7 h的平均溫度、平均濕度、平均光照強(qiáng)度、平均風(fēng)速，初始厚度代入上式可推出相應(yīng)的k和n值，即可得到相應(yīng)的水分比MR的模擬值，再由海帶的初始含水率可分別得到干燥1、2、3、4、5、6、7 h含水率的模擬值。海帶含水率隨晾曬干燥時(shí)間的變化如圖3，MR的模擬值與實(shí)測(cè)值的差異見表6，由圖5可見，MR的模擬值和實(shí)測(cè)值擬合度較高，Person相關(guān)系數(shù)為0.995，二者顯著相關(guān)(P<0.05)，說明該預(yù)測(cè)模型對(duì)自然晾曬下海帶含水率變化的預(yù)測(cè)是可信的。

表6 MR的模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖5 MR的模擬值和實(shí)測(cè)值

3 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海帶的干燥研究主要集中在熱風(fēng)干燥和設(shè)備方面，對(duì)海帶晾曬干燥的研究還未見報(bào)道，本研究通過晾曬的方式來干燥新鮮海帶，不同天氣條件下晾曬相同時(shí)間含水率變化差異較大，其干燥速率經(jīng)歷加速和降速兩個(gè)階段。同一海域的海帶初始總多糖、褐藻膠和甘露醇含量有較大差別，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的晾曬，到達(dá)干燥終點(diǎn)時(shí)，海帶總多糖含量下降最多，褐藻膠其次，甘露醇下降最小。針對(duì)不斷變化的外界環(huán)境，選用6種常用的干燥模型進(jìn)行擬合，根據(jù)決定系數(shù)R2，均方根誤差RMSE推出Page模型為最優(yōu)解，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸得到Page模型參數(shù)關(guān)于平均溫度、平均濕度、平均光照強(qiáng)度、平均風(fēng)速及初始厚度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)表達(dá)式驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好，表明Page模型能夠較好地描述新鮮海帶在自然晾曬過程中的水分變化規(guī)律。

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