趙偉，楊瑞金，謝樂生，張文斌，華霄，朱振樂

1(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品學院，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(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品學院，江蘇無錫，214122)

3(江蘇省贛榆縣海洋與漁業(yè)局，江蘇贛榆，222100)

對南美白對蝦蝦仁進行了微波真空干燥試驗，獲得了微波真空干燥蝦仁的干燥規(guī)律，并建立了對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。通過對實驗數據的回歸分析，發(fā)現Page模型能較好地描述蝦仁微波真空干燥規(guī)律，通過數據擬合建立的模型方程的預測值與實測值一致性較好。

微波真空，對蝦，干燥，脫水速率，數學模型

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

干燥蝦仁一直是深受消費者喜愛的重要海產珍品之一。傳統(tǒng)的對蝦蝦仁干燥方法主要是日光晾曬干燥或日光與熱風聯合干燥[2］。雖然日光干燥不需要特殊設備和技術，干燥成本比較低，但由于干燥時間長、干燥條件不能人為控制，產品的品質和衛(wèi)生難以保證[2-4］。另外，盡管熱風干燥設備投資比較少，操作控制相對容易，但因熱風干燥溫度高、時間比較長，而且與O2接觸，在干燥過程中容易造成熱損傷和過度氧化，降低了產品品質[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)點的一項新技術。微波真空干燥過程是一個復雜的熱量和質量傳遞過程，研究微波真空干燥過程的干燥規(guī)律，建立干燥基礎理論模型，對掌握微波真空干燥過程變化，優(yōu)化和控制干燥過程參數具有重要作用。目前，利用微波真空干燥技術進行果蔬和谷物干燥方面的研究和應用比較多，崔政偉等[6］對微波真空干燥胡蘿卜動力學進行了研究，介紹了一個基于能量與質量平衡的理論干燥模型，通過實驗數據檢測了這個模型并且使用非線性回歸對其進行了修正。Giri等[7］利用微波真空干燥蘑菇，發(fā)現與對流干燥相比，微波真空干燥時間縮短了70%～90%，建立了Page薄層干燥模型，并且發(fā)現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蝦仁貨架壽命和質構的影響，發(fā)現水分活度控制在0.86～0.9時，蝦仁干制產品在口感及微生物指標等方面可取得平衡。

本文對蝦仁微波真空干燥規(guī)律進行研究，建立干燥數學模型，并進行實驗驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及預處理方法

試驗所用對蝦為鮮活的南美白對蝦，購于當地水產市場。挑選對蝦時盡量挑選個體適中、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的對蝦。

將鮮活南美白對蝦洗凈，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)由實驗室自行研制，腔體容量(3.18×104)cm3(長36 cm、寬34 cm、高26 cm)，內有轉盤以5.3 r/min速度旋轉，保證轉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部。磁控管配備風扇以提供冷卻，控制面板可以控制微波輸出功率和微波發(fā)生時間。樣品放入后達到預期的真空度后即開始微波處理，其間樣品質量變化由電子天平(PL2002，Mettler-Toledo儀器有限公司)測得。

1.3 微波功率的測定[9］

準確稱取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℃。去離子水經充分攪勻，溫度由熱電偶測定。每一功率條件下測3組平行樣品。經測定，微波真空干燥器100%、80%和50%負荷時的輸出功率分別為(488.48±1.5)、(348.92±1.5)、(244.24±2.1)W。

1.4 干燥數學模型

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為干燥時間(min);K、A、n為待定系數。干基含水率=水(kg)/干物質(kg)。

2 結果與討論

2.1 干燥特性

2.1.1 微波功率對干燥特性的影響

圖1、圖2顯示的是原始水分含量(M0)為306%(對干基，以下同)的蝦仁在真空度為-60 kPa、裝載量為100 g時，微波輸出功率對干燥時間和干燥速率的影響。從圖1可知，隨著微波功率的增大，干燥時間減小，當功率為244.24、348.92、488.48 W時，蝦仁的干燥時間分別為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，干燥速率迅速下降。在微波功率較小的244.24 W時，干燥速率呈現出較明顯的加速、恒速和降速3個階段。而在較大微波功率時，這3個干燥階段并不明顯，其原因可能是物料較少，在較大微波功率時加熱太快，導致干燥速率未出現恒速階段，從而也可以知道水分含量越高，微波功率對干燥速率的影響越大。這與Giri等對微波真空干燥蘑菇的研究結果相一致[7］。

2.1.2 裝載量對干燥特性的影響

圖1 不同功率下水分含量與干燥時間的關系(-60 kPa、100 g)

圖2 不同微波功率對干燥速率的影響

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，不同干燥裝載量對干燥時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，所需干燥時間明顯下降。當裝載量分別為150、100、50 g時，蝦仁干基水分含量降至11%所需的干燥時間分別為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間的關系(-60 kPa、348.92 W)

2.1.3 真空度對干燥特性的影響

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，不同真空度對干燥時間和干燥速率的影響。結果表明，真空度對干燥時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 不同裝載量對干燥速率的影響

圖5 不同真空度下水分含量與干燥時間的關系(348.92W、100g)

圖6 不同真空度對干燥速率的影響

2.2 模型擬合

對模型方程(1)、(2)、(3)線性化處理，得式(4)、(5)、(6)

3種模型經處理后，由非線性關系轉變?yōu)榫€性關系[10］。經長時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(4)、(5)、(6)式進行線性回歸分析(SAS軟件)得到的相關決定系數。圖7是不同干燥條件下的ln(MR)-t曲線，可以看出試驗數據在lnMR-t坐標系內呈曲線，這說明指數模型與單項擴散模型不能很好地描述對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，可以看出試驗數據在ln[-ln(MR)］-lnt坐標系內呈線性關系，表明試驗數據用(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 不同干燥條件對模型參數的影響

由于真空度對干燥規(guī)律影響不大，故忽略其影響。為進一步簡化參數，把裝載量與微波功率一起考慮，即用功率與裝載量的比值:單位質量發(fā)射功率(P)來表示;同時為簡化方程，文中采用單位質量發(fā)射功率二次方程來求系數。因此，令

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

代入式(3)后，將試驗數據處理，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:

將上述各系數代入lnK、n，再將lnK、n代入式(6)，得擬合方程為:

2.3 模型方程驗證

為驗證所獲得的干燥方程的準確性，進行了兩組驗證試驗。驗證試驗1的條件為:微波功率348.92 W，裝載量85 g，真空度-60 kPa;驗證試驗2的條件為:微波功率244.24 W，裝載量125 g，真空度-60 kPa。試驗結果與從擬合方程獲得的預測值比較曲線見圖9。從圖9可以看出，模型預測值和試驗值有較好的一致性，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蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律。

圖9 實測值與預測值的比較

3 結論

通過微波真空干燥對蝦蝦仁試驗，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。對實驗數據進行回歸分析發(fā)現，Page模型能較好地描述蝦仁微波真空干燥規(guī)律，通過擬合構建了對蝦蝦仁微波真空干燥的數學模型，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蝦蝦仁微波真空干燥規(guī)律。

[1]潘英，王如才，羅永巨，等.海水和淡水養(yǎng)殖南美白對蝦肌肉營養(yǎng)成分的分析比較[J］.青島海洋大學學報，2001，31(6):828-834.

[2]張國琛，Arason S，árnason S V.熱泵干燥北極蝦的物理和感觀特性研究[J］.農業(yè)工程學報，2008，24:235-239.

[3]Dirk B，Markus S.Heat pump drying(HPD)-how refrigeration technology provides an alternative for common drying challenges[J］.Ki-luft-und Kaltetechnik，2004，40:140-144.

[4]Chua K J，Chou S K，Ho J C.Heat pump drying:recent developments and future trends[J］.Drying Technology，2002，20:1579-1610.

[5]Zhang Guochen，Sigurjon Arason，Sveinn Vikingur arnason.Drying characteristics of heat pump dried shrimp(Pandalus borealis)and fish cake[J］.Transactions of the CSAE，2006，22(9):189-193.

[6]Cui Z W，Xu S Y，Sun D W.Microwave–vacuum drying kinetics of carrot slices[J］.Journal of Food Engineering，2004，65:157-164.

[7]Giri S K，Suresh Prasad.Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum and convective hot-air dried mushrooms[J］.Journal of Food Engineering，2007，78:512-521.

[8]伍玉潔，楊瑞金，劉言寧.水分活度對干制蝦仁產品的貨架壽命和質構的影響[J］.水產科學2OO6，25(4):175-178.

[9]Schiffmamn R F.Handbook of Industrial Drying[M］.New York:Marcel Dekker，1987.

[10]熊永森，王俊，王金雙.微波干制南瓜片干燥規(guī)律及工藝優(yōu)化研究[J］.農業(yè)工程學報，2004，20(2):181-184.

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。

*國家科技支撐計劃項目(2008BAD94B06);江南大學江南大學自主科研計劃項目(JUSRP20910)

2010-03-11，改回日期:2010-05-10