余 煉，顏棟美*，侯金東

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

牡蠣微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)研究

余 煉，顏棟美*，侯金東

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

測(cè)定不同微波強(qiáng)度下牡蠣干燥水分曲線及失水速率曲線，考察不同微波強(qiáng)度對(duì)牡蠣干制品的復(fù)水增重率、收縮率、色差等品質(zhì)方面的影響。結(jié)果表明：增大微波干燥強(qiáng)度可提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)條件下，采用中等強(qiáng)度的微波干燥(如5、8W/g)，牡蠣微波干燥時(shí)間在3.5～30min范圍內(nèi)。牡蠣品質(zhì)較好。用Page方程建立的牡蠣微波干燥模型，與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的擬合度較高。

牡蠣；微波干燥；動(dòng)力學(xué)

牡蠣營(yíng)養(yǎng)豐富、滋味鮮美。有關(guān)牡蠣的研究目前主要集中在牡蠣的養(yǎng)殖、牡蠣殼的利用、牡蠣入藥、牡蠣生鮮加工及營(yíng)養(yǎng)成分的分析等方面，對(duì)牡蠣干制工藝的研究較少，目前未見(jiàn)有采用微波干燥牡蠣的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

近年來(lái)，對(duì)各種食品的微波干燥特性研究均取得較好的效果。研究顯示，微波干燥強(qiáng)度越高，失水速率越大，干燥時(shí)間越短。林向陽(yáng)等[1]對(duì)茶葉微波干燥的研究表明干燥時(shí)間隨著微波干燥功率的增大而明顯縮短。段振華等[2]的研究表明，提高微波功率會(huì)大大加快羅非魚(yú)片的脫水速率。胡慶國(guó)等[3]對(duì)真空微波干燥金針菇進(jìn)行了研究，得出隨著微波功率的增大，脫水速率隨之增大的結(jié)論。余文勝等[4]對(duì)茭白微波干燥特性進(jìn)行了研究，結(jié)論是微波發(fā)射功率及裝載量對(duì)微波特性影響顯著。任廣躍等[5]對(duì)懷山藥的微波實(shí)驗(yàn)研究顯示，單位質(zhì)量微波功率越高，進(jìn)入恒速干燥階段越快。Heredia等[6]對(duì)櫻桃番茄干燥方法的研究表明，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥會(huì)嚴(yán)重破壞產(chǎn)品風(fēng)味、色澤和營(yíng)養(yǎng)，降低干制品的復(fù)水性，尤其對(duì)番茄紅素的影響更大，而微波干燥對(duì)干制品色澤影響不大。

傳統(tǒng)的牡蠣干燥一般采用自然風(fēng)干或氣流干燥的方式，干燥時(shí)間長(zhǎng)、制品收縮嚴(yán)重、色澤較深。相對(duì)傳統(tǒng)的氣流干燥而言，在生產(chǎn)量相同的前提下，微波干燥所需投資額相對(duì)較高，但干燥時(shí)間大幅度縮短，且其能量消耗比氣流干燥要低，與冷凍干燥相比，微波干燥所消耗能量及所需投資相對(duì)較低。

本實(shí)驗(yàn)考察不同微波強(qiáng)度的干燥特性及對(duì)牡蠣干制品的復(fù)水增重率、收縮率、色差等品質(zhì)方面的影響，并利用Page方程建立不同微波強(qiáng)度下的牡蠣微波干燥模型，旨在為牡蠣的微波干燥工藝控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

牡蠣購(gòu)于南寧市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，去殼、清洗干凈后瀝干水分待用。選取外形大小相似的鮮樣做實(shí)驗(yàn)。

1.2 儀器與設(shè)備

EM-3010EB1型微波爐 合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司；CM-3600d分光光度計(jì) 日本Minolta公司。

1.3 方法

1.3.1 牡蠣鮮樣初始含水率的測(cè)定

取處理好的牡蠣鮮樣按GB 5009.3—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》的直接干燥法進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值。經(jīng)測(cè)定，牡蠣鮮樣平均初始含水率為82.41%。

1.3.2 微波干燥曲線的測(cè)定

通過(guò)調(diào)節(jié)微波功率和控制干燥進(jìn)料量的大小，可得到微波強(qiáng)度，亦稱單位質(zhì)量發(fā)射功率[8]。將處理好的牡蠣均勻平鋪在玻璃皿上，放入微波爐中，分別按不同的微波強(qiáng)度2、3、4、5、6、8、10W/g，及變功率干燥模式一(6W/g(3min)→4W/g(3min)→2W/g(7min))和變功率干燥模式二(5W/g(4min)→3W/g(5min)→2W/g(7.5min))進(jìn)行干燥，直至其干基含水率達(dá)17%時(shí)停止干燥。干燥過(guò)程中定時(shí)測(cè)量牡蠣的質(zhì)量變化，每個(gè)微波強(qiáng)度及變功率干燥模式實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，取其平均值，計(jì)算干基含水率及失水速率，作出牡蠣微波干燥曲線及失水速率曲線。干基含水率和失水速率可通過(guò)式(1)及式(2)計(jì)算。

式中：mt為干燥t時(shí)刻牡蠣質(zhì)量/g；mo為牡蠣絕干質(zhì)量/g。

式中：Δm為相鄰兩次測(cè)量的牡蠣失水質(zhì)量之差/g；Δto為相鄰兩次測(cè)量的時(shí)間間隔/min。

1.3.3 微波干燥牡蠣復(fù)水增重率的測(cè)定

分別稱取不同功率牡蠣微波干燥牡蠣，放入100℃水浴鍋中復(fù)水。樣品每隔4min取出瀝干，測(cè)定質(zhì)量，直至40min結(jié)束復(fù)水。計(jì)算復(fù)水增重率，每個(gè)微波強(qiáng)度及變功率干燥模式所得樣品實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，取其平均值，繪制牡蠣復(fù)水增重率曲線。復(fù)水增重率可通過(guò)式(3)計(jì)算。

式中：m1為t時(shí)刻時(shí)測(cè)得的牡蠣復(fù)水后瀝干質(zhì)量/g；m2為牡蠣干制品質(zhì)量/g。

1.3.4 微波干燥牡蠣收縮率的測(cè)定

由于牡蠣干制品容易吸水，因此不能采用浮力法進(jìn)行體積測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)采用置換法進(jìn)行牡蠣干燥前后體積的測(cè)定，置換介質(zhì)是海砂。每個(gè)微波強(qiáng)度及變功率干燥模式重復(fù)3次，取其平均值計(jì)算收縮率。收縮率按式(4)計(jì)算。

式中 ：Vi為干燥后的牡蠣體積/mL；Vo是干燥前的牡蠣體積/mL。

1.3.5 顏色測(cè)定

使用CM-3600d分光光度計(jì)測(cè)定新鮮牡蠣及經(jīng)微波干燥后牡蠣樣品的顏色。顏色測(cè)定結(jié)果用L*、a*、b* 3個(gè)參數(shù)表示，每一個(gè)微波干燥功率取3個(gè)樣品，對(duì)每個(gè)樣品不同部位進(jìn)行3次平行測(cè)定，取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，微波干燥動(dòng)力學(xué)模型采用Page方程及Matlab軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波強(qiáng)度對(duì)牡蠣干燥特性的影響

牡蠣分別在2、3、4、5、6、8、1 0 W/g的微波強(qiáng)度條件下干燥，至干燥結(jié)束使其干基含水率為17%。測(cè)定其干燥過(guò)程中的水分變化，計(jì)算干基含水率及失水速率的變化情況，繪制牡蠣干燥曲線及失水速率曲線，如圖1、2所示。

圖1 不同微波強(qiáng)度下牡蠣的干燥曲線Fig.1 Water content curves of oyster during the drying process at various microwave intensities

由圖1牡蠣干燥曲線變化可知，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，牡蠣水分含量逐漸降低，干燥曲線基本上呈現(xiàn)“S”型。微波強(qiáng)度的高低對(duì)牡蠣干燥有顯著的影響：微波強(qiáng)度越大，牡蠣內(nèi)部水分子吸收的能量越多，導(dǎo)致水分迅速汽化，水分降低加快，干燥時(shí)間縮短，其干燥曲線的斜率變大。微波強(qiáng)度為2W/g時(shí)所需干燥時(shí)間約為30min，而微波強(qiáng)度為10W/g時(shí)所需干燥時(shí)間僅為3.5min，增大干燥強(qiáng)度可縮短干燥時(shí)間。謝國(guó)山等[7]采用冷凍干燥牡蠣的工藝表明，牡蠣凍干時(shí)間達(dá)5h以上，由此可見(jiàn)，微波干燥可大幅度縮短干燥時(shí)間。

圖2 不同微波強(qiáng)度下牡蠣的失水速率曲線Fig.2 Dehydration rate curves of oyster under various microwave intensities

由圖2牡蠣失水速率變化可知，牡蠣微波干燥速率與傳統(tǒng)干燥速率相似，可分為初始段、恒速段、降速段。初始段干燥速率逐漸上升，微波強(qiáng)度越大，干燥速率上升越快，到達(dá)恒速段所需的時(shí)間也迅速縮短。干燥速率上升到最高點(diǎn)，進(jìn)入恒速段，微波強(qiáng)度的上升導(dǎo)致失水速率的大幅度提高，微波強(qiáng)度為10W/g的失水速率比2W/g提高了將近7倍；另外，微波強(qiáng)度越大，牡蠣內(nèi)部水分子吸收的微波能越多，升溫越快，內(nèi)部水分汽化速度加快[8]，內(nèi)部水分?jǐn)U散速率超過(guò)表面水分蒸發(fā)速率，導(dǎo)致恒速段時(shí)間縮短，快速進(jìn)入降速段；恒速段去除的水分約占總?cè)コ值?0%左右。進(jìn)入到降速段，由于大量水分在恒速段被去除，物料水分含量大大降低，牡蠣對(duì)微波吸收能力下降，失水速率也隨之降低，微波強(qiáng)度越小，降速段所需干燥時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2 變功率微波干燥模式對(duì)牡蠣干燥特性的影響

微波進(jìn)入降速段，水分的減少及組織收縮、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，水分向外擴(kuò)散變得困難。采用高強(qiáng)度微波干燥(如10、8、6W/g)可縮短干燥時(shí)間，但當(dāng)大部分水分被移走時(shí)樣品的電介性能發(fā)生改變，導(dǎo)致降速期溫度急劇上升，產(chǎn)品易發(fā)生碳化現(xiàn)象。采用低功率干燥(如2、3W/g)可避免焦化現(xiàn)象的出現(xiàn)，但耗時(shí)較長(zhǎng)[6]。因此，根據(jù)水分及組織結(jié)構(gòu)的變化適時(shí)調(diào)整微波功率，前期恒速段采用較高的微波強(qiáng)度，后期降速段微波強(qiáng)度呈兩級(jí)下降，可在縮短牡蠣微波干燥時(shí)間的同時(shí)保護(hù)牡蠣干制品的品質(zhì)。圖3、4為兩種模式的干燥水分曲線圖及失水速率圖。

圖3 牡蠣變功率模式下微波干燥曲線Fig.3 Water content curves of oyster under fluctuant microwave intensity

圖4 牡蠣變功率模式下微波干燥失水速率曲線Fig.4 Dehydration rate curves of oyster under fluctuant microwave intensity

由圖1、3可知，單獨(dú)采用4W/g的微波干燥強(qiáng)度需要25min，而采用模式一僅需13min，采用模式二需要16.5min，因此，采用變功率干燥與單純采用較低干燥功率(4、3W/g等)相比，在避免溫度過(guò)高的同時(shí)，可顯著縮短微波干燥的時(shí)間。由圖4可知，降速段降低微波干燥強(qiáng)度，樣品水分子吸收的微波能減少，失水速率降低，可防止高溫對(duì)產(chǎn)品的破壞，以達(dá)到改善干燥效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

2.3 微波干燥對(duì)牡蠣性質(zhì)的影響

2.3.1 復(fù)水增重率

圖5 不同微波強(qiáng)度及變功率模式下干燥牡蠣的復(fù)水增重率曲線Fig.5 Rehydration rate curves of oyster under various microwave intensities

由圖5可知，微波強(qiáng)度為5W/g的樣品復(fù)水增重率最高，達(dá)到1.11；其次是8W/g的樣品復(fù)水增重率為0.9；3、4、6W/g及變功率模式一的樣品復(fù)水增重率在0.74～0.80之間；10W/g及變功率模式二的樣品復(fù)水增重率為0.64；2W/g的樣品復(fù)水增重率最低，只有0.53。2W/g微波干燥時(shí)間較長(zhǎng)，約為32min，過(guò)長(zhǎng)的微波干燥時(shí)間有可能使細(xì)胞和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致復(fù)水增重率的降低。10W/g微波干燥強(qiáng)度較大，雖然干燥時(shí)間較短，但高強(qiáng)度導(dǎo)致過(guò)高的溫度有可能使蛋白質(zhì)變性，從而造成復(fù)水增重率的降低。因此，過(guò)高的微波強(qiáng)度和過(guò)長(zhǎng)的微波時(shí)間均不利于牡蠣的復(fù)水。前期(8min以內(nèi))牡蠣復(fù)水速度較快，后期牡蠣復(fù)水速度較慢，由此可知，復(fù)水時(shí)間無(wú)需太長(zhǎng)，以20min為好。

2.3.2 收縮率

圖6 不同微波強(qiáng)度及功率模式下干燥牡蠣的收縮率Fig.6 Shrinkage rate of oyster under various microwave intensities

由圖6可知，微波干燥牡蠣的收縮率在61.47%～67.49%之間，收縮率均較小。微波加熱時(shí)，物料內(nèi)部的濕度梯度和溫度梯度方向一致，內(nèi)部水分迅速向外擴(kuò)散，干燥速度較快；干燥后期，牡蠣內(nèi)部的水分減少，黏稠度增加，且牡蠣屬于高蛋白物質(zhì)，內(nèi)部產(chǎn)生的水蒸氣被蛋白質(zhì)包裹，產(chǎn)生一定的發(fā)泡膨化現(xiàn)象，因此微波干燥牡蠣的形變較小，外型飽滿。不同微波干燥強(qiáng)度牡蠣收縮率的差別可能是由于牡蠣個(gè)體結(jié)構(gòu)的差異性及加熱時(shí)間的長(zhǎng)短、加熱溫度的高低等因素共同作用的結(jié)果。

2.3.3 顏色

干燥產(chǎn)品的色澤也是品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。由表1可知，牡蠣鮮樣色澤偏白，而微波干燥牡蠣干品色澤偏向紅色和黃色?？傮w來(lái)說(shuō)，各個(gè)干燥樣品顏色差別不大，微波強(qiáng)度為8、5、4W/g的干燥牡蠣顏色較明亮，2、10W/g的樣品顏色較黑，尤其是10W/g的樣品呈黃褐色。楊金英等[9]的研究顯示春筍筍干的色澤隨著微波干燥時(shí)間的增長(zhǎng)和微波干燥功率的上升而下降；Figiel[10]采用微波真空干燥片狀大蒜的結(jié)果也顯示，較低的微波干燥強(qiáng)度所得大蒜干品顏色較黑，這表明過(guò)長(zhǎng)的微波干燥時(shí)間和過(guò)高的微波干燥強(qiáng)度對(duì)干制品顏色都有不利影響。

表1 牡蠣干制品的色澤參數(shù)Table 1 Color parameters of dried oyster

2.4 牡蠣微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型

許多學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)物料的微波干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，如黃艷等[11]采用Page方程擬合銀耳微波真空干燥模型，得到的預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際值基本符合； Li Zhenfeng等[12]建立了蘋(píng)果片微波功率與水分含量的高斯模型；楊毅等[13]采用Lewis、Page、Henderson和Wang等4種方程擬合羅非魚(yú)片真空微波干燥模型，結(jié)論是Page方程較為合適；焦愛(ài)權(quán)等[14]建立了微波熱風(fēng)干燥方便米飯的脫水Page模型；Ozkan等[15]同樣也采用Page方程對(duì)菠菜微波干燥模型進(jìn)行了擬合； Dadali等[16]采用Lewis、Page、Henderson & Dabis、Logarithmic等方程擬合秋葵微波干燥模型，他們均認(rèn)為Page模型與實(shí)測(cè)值最匹配。這些研究表明，Page模型較適合描述薄層干燥過(guò)程，因此，本實(shí)驗(yàn)采用Page方程進(jìn)行牡蠣微波干燥動(dòng)力學(xué)的初步研究。

式中：MR為水分比；ct是t時(shí)刻物料干基含水量/%；ce是物料平衡干基含水量/%；c0是物料初始干基含水量/%；t是物料干燥時(shí)間/min；k、n是待定系數(shù)。

對(duì)方程(5)取對(duì)數(shù)化成線性：

分別計(jì)算牡蠣不同微波干燥強(qiáng)度的MR值，利用Matlab統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行一元線性回歸，得到k、n及相關(guān)系數(shù)R2如表2所示。

表2 不同微波干燥強(qiáng)度Page模型預(yù)測(cè)指標(biāo)Table 2 Page model parameters at various microwave intensity levels

由表2可知，干燥常數(shù)k隨微波強(qiáng)度的增加而增加，這意味著隨著功率的增加，干燥曲線變得陡峭，干燥速度隨之加快。從表2、圖7可知，對(duì)于不同微波強(qiáng)度，Page模型擬合度均較好，其中10、8、2W/g模型的模型擬合度較高，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.99以上，因此，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為Page模型較適合用于預(yù)測(cè)牡蠣微波干燥過(guò)程中的水分變化，對(duì)深入研究牡蠣微波干燥動(dòng)力學(xué)有一定的參考作用。

圖7 不同微波強(qiáng)度干燥牡蠣擬合曲線與實(shí)測(cè)值比較Fig.7 Comparison between predicted values and experimental values of water content during oyster drying under various microwave intensities

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)牡蠣的微波干燥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：提高微波功率，增大微波干燥強(qiáng)度可提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間。隨微波強(qiáng)度的不同，牡蠣微波干燥時(shí)間在3.5～30min之間。過(guò)高的微波干燥強(qiáng)度可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，而較低的微波干燥強(qiáng)度使物料經(jīng)受微波時(shí)間較長(zhǎng)，也可能影響組織結(jié)構(gòu)，因此，采用中等強(qiáng)度的微波干燥效果較好。采用變功率干燥模式，可防止微波干燥后期牡蠣溫度過(guò)高引起的品質(zhì)劣變。牡蠣微波干制品具有較高的復(fù)水率、較低的收縮率，且外形飽滿、色澤較淺。用Page方程建立了不同微波強(qiáng)度的牡蠣微波干燥模型，模型的擬合度較高，為實(shí)現(xiàn)牡蠣微波干燥工業(yè)化控制提供了一定的理論依據(jù)。

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Characteristics and Kinetics of Microwave Drying for Oyster

YU Lian，YAN Dong-mei*，HOU Jin-dong
(College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Water content and dehydration rate of oyster subjected to microwave drying at various microwave intensities were determined. The effect of microwave intensity on rehydration rate, shrinkage rate and surface color of dried oyster were explored. The results showed that dehydration rate was improved and drying time was shortened with increasing microwave intensity. The time required for microwave drying of oyster was in the range of 3.5-30 min. Microwave dried oyster at middle intensity level such as 5 W/g or 8 W/g revealed better quality. A microwave drying kinetic model was established by the Page equation with excellent fitting degree.

oyster；microwave drying；kinetics

TS205.9

A

1002-6630(2012)11-0111-05

2011-06-08

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(桂科自0991033)

余煉(1971—)，女，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称芳庸?。E-mail：susan628@126.com

*通信作者：顏棟美(1963—)，女，副教授，學(xué)士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)。E-mail：ydm0202@163.com