馮云，李汴生，周厚源，阮征，郭偉波，林光明，楊煥彬

1(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)2(廣東無窮食品有限公司，廣東饒平，515726)

微波是指頻率介于300 MHz～3000 GHz之間的電磁波，當(dāng)物料被置于微波電場(chǎng)中時(shí)，原本進(jìn)行無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的偶極子隨著高頻交變電磁場(chǎng)反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱，使得物料中的水分迅速吸熱蒸發(fā)，微波穿透力強(qiáng)，可以使物料內(nèi)、外部同時(shí)受熱，溫度梯度和水分梯度方向一致，可達(dá)到很高的干燥速率［1］。目前，微波干燥在水產(chǎn)品方面的研究較多:Darvishi等研究了沙丁魚的微波干燥特性，發(fā)現(xiàn)干燥速率隨著微波功率的增大而增大，當(dāng)功率為200～500 W 時(shí)，樣品的 Deff為 7.158 ×10－8～3.408 ×10－7m2/s，通過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)Midilli方程為沙丁魚微波干燥的最佳干燥模型［2］。余煉等用中等強(qiáng)度的微波干燥(微波密度為5、8)牡蠣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波干燥過程遵循Page方程［3］。Wu等比較了熱風(fēng)干燥和微波干燥對(duì)草魚的營養(yǎng)和風(fēng)味的影響，較之熱風(fēng)干燥，微波干燥后產(chǎn)品的脂肪損失率及茴香胺值更低、蛋白質(zhì)溶解性更高，而風(fēng)味沒有顯著差異［4］。

微波間歇干燥與連續(xù)干燥相比，能有效地避免干燥物料出現(xiàn)爆裂或焦糊等問題，是提高能源利用率及干燥產(chǎn)品質(zhì)量的干燥方式之一［5］，間歇微波在肉制品方面的研究尚不多，且主要是在水產(chǎn)品方面:張國琛等研究了不同微波密度(1～4)及間歇比(連續(xù)、10s－on/20s－off、20s－on/10s－off)對(duì)扇貝柱干燥特性及感官品質(zhì)的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在微波密度為3，間歇比為10s－on/20s－off的干燥條件下，水分含量從 70%降至13%僅需要190min，產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到最佳［6］;李艷等對(duì)膨化魚片的微波干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到最佳工藝條件:微波功率為418±2.5 W，間歇比為60s－on/30s－off，魚片感官品質(zhì)最佳［7］。

本試驗(yàn)研究了不同微波功率密度及間歇比對(duì)肉雞翅根干燥動(dòng)力學(xué)的影響，并對(duì)成品品質(zhì)進(jìn)行分析，以期為肉雞烤翅的加工生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

原料:肉雞翅根，購于麥德龍超市，置冰柜中凍藏。

腌制液:食鹽、白砂糖、黃酒、紅曲紅等配料，市售。

所用化學(xué)試劑均為分析純。

試驗(yàn)設(shè)備:DHG－9075A電熱恒溫干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;電子數(shù)顯卡尺，上海量具刃具廠;DZ300TN真空包裝機(jī)，浙江兄弟包裝機(jī)械有限公司;D8023CSL－K4格蘭仕微波爐，格蘭仕微波爐電器有限公司;TA－XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀，英國 SMS公司;752N紫外分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;AQUA LAB 型水分活度儀，Decagon Devices.Inc;CR－400型便攜式色彩色差儀，KONICA MINOLTA SENS－ING，INC.;PL203型電子天平，梅特勒－托利多儀器上海有限公司;BCD218型電冰箱，博西華有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

肉雞翅根經(jīng)解凍、清洗、修剪、腌制和瀝干后，每次試驗(yàn)取140 g左右，通過調(diào)節(jié)微波功率(480、640、800 W)，得到不同微波功率密度η，再通過控制間歇時(shí)間得到不同的間歇比PR(pulse ratio)，功率密度及間歇比參數(shù)如表1所示。

表1 微波功率密度及間歇比Table 1 Microwave power density and pulse ratio

將腌制瀝干后(水分含量為68% ±2%)的樣品置于微波爐中，控制功率及間歇時(shí)間，當(dāng)樣品水分降至30% ±1%［8］時(shí)，結(jié)束處理過程，經(jīng)真空包裝后放置于4℃冰箱中儲(chǔ)存，次日進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

將肉雞翅根微波間歇干燥曲線與現(xiàn)有的干燥模型進(jìn)行擬合，選擇擬合度高、參數(shù)少的模型;應(yīng)用菲克第二定律，計(jì)算樣品微波干燥過程的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff;對(duì)比分析間歇處理和連續(xù)處理在比能耗ES的差異及對(duì)成品水分活度、LSR、TPA和TBA等13個(gè)指標(biāo)的影響。

1.2.2 水分指標(biāo)測(cè)定

濕、干基含水量按照 GB9695.15－2008方法測(cè)定;干燥速率按照Falade［9］的方法，通過測(cè)定某時(shí)刻樣品的干基含水率計(jì)算所得。

水分比用于描述樣品在一定干燥條件下的剩余水分率，按如下公式計(jì)算:

式中，MR為水分比，無量綱;Mt、M0分別表示t時(shí)刻及初始時(shí)刻樣品干基含水率，%;Me為樣品平衡含水率，%，根據(jù)相關(guān)資料，在微波干燥過程中，物料的干基平衡含水率可認(rèn)為是零，因此把水分比簡(jiǎn)化為:MR=Mt/M0［10］。

1.2.3 TBA 值測(cè)定

采用改進(jìn)的TBA值法來測(cè)定肉類食品中脂肪的氧化情況［11］。

1.2.4 色澤分析

樣品色澤采用CR－400便攜式色差儀測(cè)定。L*值表示亮度，L*值越大，亮度越大;a*值表示有色物質(zhì)的紅綠偏向，正值越大，偏向紅色的程度越大，負(fù)值絕對(duì)值越大，偏向綠色的程度越大;b*值表示有色物質(zhì)的黃藍(lán)偏向，正值越大，偏向黃色的程度越大，負(fù)值的絕對(duì)值越大，偏向藍(lán)色的程度越大［12］。

1.2.5 TPA 和剪切力測(cè)定

樣品采用TA－XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)不同微波密度和間歇比處理的雞翅根各取5塊長(zhǎng)方體肉塊(1 cm×1 cm×0.3 cm)，選用P/36R型平底圓柱探頭(P/36R Flat－ended Cylinder Probe)進(jìn)行 TPA測(cè)試。測(cè)試參數(shù)為:測(cè)前速率1 mm/s，測(cè)試速率1 mm/s，測(cè)后速率5 mm/s;壓縮比50%，探頭兩次測(cè)定間隔時(shí)間:5 s;觸發(fā)類型:Auto－5 g［13］。選擇硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性和回復(fù)性5個(gè)指標(biāo)［14］。

剪切力測(cè)定參考Christensena等［15］的方法，同樣采用TA－XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)不同微波密度和間歇比處理的雞翅各取5塊長(zhǎng)方體肉塊(1.5 cm×1 cm×0.5 cm)，用燕子尾刀片沿與肌纖維方向垂直的方向剪切，剪切曲線的峰值即是剪切力值，5組剪切力值的平均值即是每個(gè)雞翅樣品的剪切力(Shear Force，SF)。測(cè)定參數(shù)如下:探頭類型:HDP/BSW 剪切刀，測(cè)前速度(Pre－Test Speed)為 1.0 mm/s，測(cè)中速度(Test Speed)2.0 mm/s，測(cè)后速度(Post－Test Speed)為 5.0 mm/s，觸發(fā)類型:Auto－20 g。

1.2.6 水分活度測(cè)定

采用 Aqua Lab水分活度儀(Decagon Devices.Inc)進(jìn)行測(cè)定，將樣品剪碎平鋪于水活儀測(cè)量專用皿，以樣品完全覆蓋皿底面為標(biāo)準(zhǔn)，然后把樣品皿放入水活儀樣品池中，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取水分活度，每組樣品平行測(cè)定3次。

1.2.7 收縮率測(cè)定

肉雞翅根在微波干燥過程，樣品縱向收縮最為明顯，用游標(biāo)卡尺測(cè)量干燥前、后翅根肉的縱向長(zhǎng)度變化，用此縱向收縮程度描述翅根收縮率，計(jì)算公式如下:

式中:LSR為收縮率;l0、lt分別為干燥前后樣品肉縱向長(zhǎng)度。

1.2.8 比能耗計(jì)算

比能耗定義為干燥過程每蒸發(fā)1 kg水所消耗能量［2］，用以下公式計(jì)算:

式中，ES，比能耗，M/kg;Emicrowave微波消耗能量，kW/h;P，微波輸入功率，kW;Mt、M0，分別為物料終點(diǎn)和初始干基含水率;ms，物料干基質(zhì)量，kg。

1.2.9 干燥動(dòng)力學(xué)模型

1.2.9.1 理論模型

理論擴(kuò)散模型—菲克第二定律可以普遍用于描述物料薄層干燥特性，根據(jù)該模型對(duì)樣品干燥曲線的擬合，可計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù) Deff［16－17］:

式中:R0為樣品當(dāng)量半徑，m;t為干燥時(shí)間，s;Deff為物料內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。將數(shù)據(jù)用以上方程擬合，得到以lnMR及t為坐標(biāo)直線，直線斜率即為，從而計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)Deff。

1.2.9.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在菲克第二定律基礎(chǔ)上，國內(nèi)、外學(xué)者推導(dǎo)出多種干燥經(jīng)驗(yàn)方程，本文選取了 Henderson，Page，Wang，Verma，Midilli等8個(gè)常見的干燥數(shù)學(xué)模型，具體見表3，并通過決定系數(shù)R2和卡方值χ2評(píng)價(jià)其擬合優(yōu)度。

1.2.10 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0和Origin8.6進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中R2和 χ2作為模型擬合度評(píng)價(jià)指標(biāo)，R2越接近 1，χ2值越小，說明擬合度越高;采用新復(fù)極差分析法Duncan法進(jìn)行顯著性分析，置信區(qū)間取95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉雞翅根微波干燥特性

預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肉雞翅根長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行連續(xù)微波處理，物料內(nèi)部及邊緣易出現(xiàn)焦化、收縮程度高及感官等問題。間歇時(shí)間為水分繼續(xù)汽化和向外擴(kuò)散提供了條件，使溫度不會(huì)持續(xù)上升，而是在一定范圍波動(dòng)。

圖1 不同功率密度及間歇比下肉雞翅根干燥曲線圖Fig.1 Drying curve of broiler chicken wings under different power density and pulse ratio

由圖1中可以看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，含水率均明顯下降，微波功率密度和間歇比對(duì)水分含量變化有顯著影響:功率密度為3.31 W/g時(shí)，PR=1下，水分含量降低到30%［18］所需時(shí)間分別為:11.66、23和35.55 min;功率密度為4.43時(shí)，所需時(shí)間分別為:9.5、17.67 和25 min;功率密度為 5.59 時(shí)，所需時(shí)間分別為:7.33、14和22 min;在相同的功率密度下，干燥時(shí)間會(huì)隨著間歇比的在相同的間歇比下，干燥時(shí)間均隨著功率密度的增加而減小，這是因?yàn)楦稍镞^程中水分的蒸發(fā)所吸收的熱量是由微波提供，功率密度越大，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的熱能就越多，干燥速率越快。計(jì)算肉雞翅根的干燥速率，其變化曲線如圖2所示。

圖2 不同功率密度及間歇比下肉雞翅根干燥速率曲線圖Fig.2 Drying rate curves of broiler chicken wings at different power density and pulse ratio

由圖2可見，PR=1(連續(xù))的微波條件干燥速率曲線與其他間歇比略有不同干燥速率曲線符合食品干燥的一般規(guī)律，基本分為3個(gè):加速期、恒速期和降速期。在微波處理下，水等極性分子快速改變方向，發(fā)生碰撞摩擦，微波能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，物料吸熱升溫，物料對(duì)微波的吸收能力主要取決于電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率及介電特性等，介電特性主要與水分有關(guān)在干燥初期，物料含水率比較高，吸收微波能量快，干燥速率較快，隨著干燥時(shí)間的增加，物料含水率降低，微波吸收能力減弱導(dǎo)致干燥速率下降［2］。而PR=2、3的微波條件下的干燥速率曲線會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，這是由于間歇時(shí)間為水分繼續(xù)汽化和向外擴(kuò)散提供了條件，使溫度不會(huì)持續(xù)上升，導(dǎo)致脫水速率在一定范圍波動(dòng)。從圖2可見，肉雞翅根微波干燥過程主要發(fā)生在恒速階段。

由圖2還可見，相同的功率密度下，干燥速率隨著間歇比的增加顯著下降:當(dāng)微波密度為3.31時(shí)，干燥速率從 PR=1的(14.5±3.35)×10－2g/(g·min)(干燥速率值為 Avg.±SD，下同)降至 PR=3的(4.74 ±1.10)× 10－2g/(g·min)微波密度為 4.43時(shí)，干燥速率從(18.18 ±3.32)×10－2g/(g·min)降至(6.75 ±0.26)×10－2g/(g·min)微波密度為5.59時(shí)，干燥速率從(22.69 ±4.33)×10－2g/(g·min)降至(7.90 ±0.67)×10－2g/(g·min)，從平均速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差值也可見，間歇操作過程干燥速率不僅降低，且波動(dòng)小。張國琛等［6］在扇貝柱的微波間歇干燥，Soysal等［19］在紅辣椒的微波間歇干燥試驗(yàn)中也均發(fā)現(xiàn)間歇時(shí)間能有效減低干燥速率。相同的間歇比下，干燥速率隨著功率密度的增加而變大，這是由于功率密度越大，單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱能越多，水分蒸發(fā)速率越快，達(dá)到最大速率所需要的時(shí)間也越短，以上所述均表明，功率密度及間歇比對(duì)于干燥速率的影響均顯著(P ＜0.05)。

2.2 水分有效擴(kuò)散系數(shù)

水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)反映的是物料整體的傳質(zhì)特性，對(duì)不同微波條件處理后所得的干燥曲線進(jìn)行菲克第二定律的擬合，計(jì)算樣品的(見表2)。由表2可見，不同功率密度和間歇比下樣品的Deff差異明顯，η =5.59 W/g、PR=1 條件下最大，為4.44 ×10－7m2/s;η =3.31 W/g、PR=3 條件下最低，為 0.84 ×10－7m2/s。相同功率密度下，Deff隨著間歇比的增大而減小，這是由于隨著間歇比的增加，水分間斷性受熱，降低了水分子的活性，Deff相應(yīng)減小;相同間歇比下，Deff則隨著功率密度的增大而增大，功率密度越大，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的熱能越多，增加了物料中心與表面之間蒸汽壓，使得物料內(nèi)部傳質(zhì)速率更大。

為表達(dá)水分有效擴(kuò)散系數(shù)與功率密度及間歇比的關(guān)系，將因變量Deff與自變量η、PR進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到以下回歸方程:

Deff=(2.211 － 2.486η +0.991PR+0.612η2－0.268PR·η)× 10－7，R2=0.998

表2 不同功率密度及間歇比下水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 2 Values of effective moisture diffusivity at different power density and pulse ratio

2.3 干燥模型的選擇

為了描述肉雞翅根微波間歇干燥過程脫水規(guī)律，對(duì)水分比隨干燥時(shí)間變化的的干燥曲線(圖3)進(jìn)行Newton、Page等8個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?表3)的回歸分析，并取決定系數(shù)R2和卡方值χ2作為方程接受度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，各方程對(duì)不同微波處理所得干燥曲線的平均擬合結(jié)果見表3。

由表3可知，大部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途_(dá)到較高的擬合度，第2、4、5、7 序號(hào)方程的 R2均高于 0.99，χ2均小于0.000 5，其中以第2和第4號(hào)方程參數(shù)少，表達(dá)式最簡(jiǎn)單，兩者相比，以第4號(hào)方程擬合結(jié)果略優(yōu)，但第2號(hào)方程的應(yīng)用更為普遍［20］，故此試驗(yàn)選擇Page方程作為肉雞翅根微波間歇干燥的最適模型。

圖3 不同功率密度和間歇比下肉雞翅根水分比變化曲線Fig.3 Curves of MR value versus time of broiler chicken wings at different power density and pulse ratio

表4為Page模型對(duì)不同微波處理?xiàng)l件干燥曲線的參數(shù)擬合結(jié)果，表達(dá)式的兩個(gè)未知數(shù)為k和n分別表示干燥常數(shù)和干燥指數(shù)［21］，由表4可見，k和n的變化規(guī)律一致，均受功率密度和間歇比的影響，但k受影響明顯，在相同的間歇比下，k隨著功率密度的增加先減小后增大，n隨著功率密度的增加先增大后減小;在相同的功率密度下，k和n均隨著間歇比的增加而減小。

將功率密度η和間歇比PR分別與k、n進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到下面兩個(gè)回歸方程:

k=0.143 － 0.056η +0.006η2－ 0.002PR，R2=0.957

n=1.877 － 0.175PR，R2=0.895

因此，在微波條件功率密度η為3.31～5.59，間歇比PR為1～3時(shí)，肉雞翅根的干燥模型可為:

MR=exp(－ktn)

其 中:k = 0.143 － 0.056η +0.006η2－0.002PR，n=1.877 － 0.175PR。

表3 干燥數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 3 Regression results of drying data of broiler chicken wings

表4 Page模型參數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Regression results of Page equation at different power density and pulse ratio

2.4 微波處理比能耗分析

從圖4中可得，9組不同微波處理?xiàng)l件下的比能耗 ES區(qū)間為 13.48～ 17.97MJ/kg，其中，3.31 W/g、PR=1處理的比能耗最低;5.59 W/g、PR=3條件下比能耗最高。相同間歇比下，不同功率密度之間比能耗ES均比較接近，而相同功率密度下，比能耗ES隨著間歇比有較為明顯的增加趨勢(shì)。雙因素方差分析，功率密度對(duì)ES無統(tǒng)計(jì)差異(P＞0.05)，間歇比對(duì)ES的影響顯著(P＜0.05)，這也說明間歇比對(duì)ES的影響要明顯高于功率密度。Darvishi等［2］在沙丁魚微波干燥試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)不同微波功率的比能耗無統(tǒng)計(jì)差異。

2.5 微波處理成品品質(zhì)分析

圖4 肉雞翅根微波處理比能耗ESFig.4 Specific energy consumption for microwave processing of broiler chicken wings

不同功率密度及間歇比處理下的成品指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表5所示:9組樣品在含水率和水分活度兩個(gè)指標(biāo)間的差異較小，變異系數(shù)都很小，分別為0.98%和0.91%，這說明成品的水分活度受微波功率密度和間歇比的影響較小;收縮率 LSR(14.28%)、TBA(25.62%)、SF(28.68%)、硬度(16.63%)和咀嚼性(17.21%)功率密度及間歇比的影響較:相同功率密度下，LSR會(huì)隨著PR值的增加而減小，表明間歇操作可降低樣品縱向收縮率，提高樣品外觀的完整性，這是由于微波處理引起了蛋白變性和脫水收縮，不可逆結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致外觀發(fā)生收縮，連續(xù)處理會(huì)使蛋白質(zhì)吸收更多的熱量，發(fā)生更大的變性;在及TPA方面，相同的功率密度下，間歇處理的SF均低于連續(xù)處理，因?yàn)榧羟辛唾|(zhì)構(gòu)主要受結(jié)締組織和肌原纖維蛋白(肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白)的影響，連續(xù)處理會(huì)發(fā)生更大的溶質(zhì)濃縮和體積的收縮，使得肉質(zhì)更加緊密結(jié)實(shí)，而TPA值變化規(guī)律不明顯。

表5 微波烤翅成品13個(gè)品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定值Table 5 Values of 13 quality indexs of microwave roast chicken wings

微波作為一種熱處理方法，在肉雞加工方面具有高效、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)還存在一些問題，如:微波加熱速度快，升溫過程不易控制，且微波均勻分布問題尚未解決，易影響產(chǎn)品品質(zhì)的均勻性。本試驗(yàn)采用間歇式操作，重點(diǎn)探究了干燥特性，并對(duì)比分析了間歇處理和連續(xù)處理的差別，采用間歇方式降低升溫速率，但只是屬于小型微波爐的初探，其工業(yè)化的應(yīng)用尚需更多的嘗試和試驗(yàn)。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了不同微波密度(η =3.31、4.43、5.59 W/g)及間歇比(PR=1、2、3)對(duì)肉雞翅根干燥特性及品質(zhì)的影響，得到以下結(jié)論:

(1)肉雞翅根微波間歇干燥過程主要為恒速干燥過程，含水率及干燥速率的變化受微波條件影響顯著。

(2)肉雞翅根的Deff受微波條件影響顯著，η=3.31W/g/PR=1～ 3 的 Deff為 2.71～ 0.84(× 10－7m2/s)，η =4.43PR=1～ 3 的 Deff為 3.51～ 1.1(×10－7m2/s)，η =5.59=1～3 的 Deff為 4.44～1.35(×10－7m2/s)。

(3)對(duì)比分析8種干燥經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕貧w統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定Page方程為最適干燥模型(平均R2=0.995 8，平均χ2=0.000 3)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)肉雞翅根微波間歇(PR=1、2、3)干燥過程的含水率。

(4)9種不同微波處理?xiàng)l件下的ES為13.4813.48～17.97 MJ/kg，間歇比對(duì)ES的影響要明顯高于η。

(5)對(duì)比分析了微波間歇處理和連續(xù)處理的差別，結(jié)果表明間歇操作可降低樣品縱向收縮率，提高樣品外觀的完整性;在及TPA方面，相同功率密度下，間歇處理的SF均低于連續(xù)處理，而TPA值沒有明顯的變化規(guī)律。

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