趙海波，戴家傲，喬玲敏，張玲玲，吳坤

（1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005）（2.煙臺(tái)大學(xué)土木學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005）（3.煙臺(tái)頓漢布什工業(yè)有限公司，山東煙臺(tái) 264003）

刺參具有非常高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1]，然而刺參極易自溶，采捕后需盡快加工。干制是目前采用的主要加工方法[2]。干制加工有鹽干[3]、凍干[4,5]、微波真空[6~8]、微波凍干[9]、熱泵干燥[10]和電流體動(dòng)力學(xué)干燥[11]等多種方式，但不同干燥方式又各有不足，如鹽干營養(yǎng)成分損失大、凍干能耗大、微波干燥不均勻和熱泵干燥耗時(shí)過長等[12,13]。因此，開發(fā)新型刺參干燥技術(shù)是近年來刺參加工領(lǐng)域一個(gè)主要研究趨勢。

遠(yuǎn)紅外干燥是基于紅外線的熱作用和物質(zhì)對(duì)輻射的選擇性吸收原理[14]，紅外線發(fā)射到物體表面時(shí)，物質(zhì)會(huì)吸收特定波長的輻射光譜，加速內(nèi)部微觀粒子振動(dòng)碰撞，引起溫度升高，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部水分向外擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)快速干燥。遠(yuǎn)紅外干燥具有干燥成本低、速度快、品質(zhì)好和耗能少等特點(diǎn)[15]，是一種比較理想的干燥方式。已在果蔬[16]、水產(chǎn)品[17]和草藥[18]等物料干燥中獲得了成功的應(yīng)用，但在刺參干燥中的應(yīng)用尚未見有報(bào)道。

研究刺參的干燥動(dòng)力學(xué)特性，分析刺參含水率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是設(shè)計(jì)遠(yuǎn)紅外干燥裝置、確定最優(yōu)干燥工藝的重要依據(jù)。干燥動(dòng)力學(xué)特性可用薄層干燥模型來描述。研究人員采用了不同的模型來研究分析不同物料的遠(yuǎn)紅外干燥特性。湯尚文等[19]研究了南瓜紅外干燥半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，發(fā)現(xiàn)Page模型可以作為南瓜片紅外干燥的基礎(chǔ)模型。周冰[20]、鄭霞[21]和曾目成等[22]研究認(rèn)為 Weibull分布函數(shù)模型能夠描述白芷藥材、紅棗泥片、獼猴桃切片的紅外干燥特性?？紤]到不同物料的結(jié)構(gòu)、熱物性參數(shù)的差異，上述模型是否適合刺參的遠(yuǎn)紅外干燥也有待進(jìn)一步的研究。為此，本文將通過實(shí)驗(yàn)方法研究刺參的遠(yuǎn)紅外干燥特性，為刺參干燥技術(shù)和干燥工藝的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

刺參，采購于煙臺(tái)一市場，體重（18±4.5）g。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平，游標(biāo)卡尺，遠(yuǎn)紅外線干燥箱（功率 2 kW）。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，將鮮活刺參去除內(nèi)臟后，迅速放入鍋內(nèi)煮沸，15 min后取出去除參嘴石灰質(zhì)，用濾紙吸干表面水分，將整只刺參作為試驗(yàn)樣品。取3個(gè)試驗(yàn)樣品置于干燥箱支架上，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度后，開始干燥實(shí)驗(yàn)。每隔20 min將刺參取出稱重，測量尺寸，烘干至前后兩次質(zhì)量差不超過0.01 g。干燥溫度設(shè)定40 ℃、60 ℃和80 ℃三個(gè)溫度。

復(fù)水試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[7]的方法，將干刺參浸泡于蒸餾水中，置于冰箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)72 h，每隔24 h取出稱重，測定其質(zhì)量增大倍數(shù)作為復(fù)水率。

干基含水量的測定采用GB/T 5009.3-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)-食品中水分的測定中規(guī)定的常壓干燥法[23]。將刺參置于遠(yuǎn)紅外線干燥箱內(nèi)，設(shè)定溫度為105 ℃，持續(xù)加熱，使海參完全干燥，作為全干質(zhì)量，再由測得的質(zhì)量計(jì)算每個(gè)測量時(shí)刻的干基含水率。

試驗(yàn)時(shí)，每組設(shè)三個(gè)平行樣本，測量上述參數(shù)后分別取平均值。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)

(1)干基含水率X：

式中，mt為干燥進(jìn)行到t時(shí)刻時(shí)的刺參質(zhì)量，kg；mg為全干刺參質(zhì)量，kg。

(2)相對(duì)含水率M：

式中，X0為刺參初始含水率；Xe為刺參平衡含水率。相對(duì)比干基含水率，該指標(biāo)更有利于比較刺參載不同初始含水率和干燥條件下的干燥特性。

(3)干燥速率

式中，Mt為t時(shí)刻刺參相對(duì)含水率，Mt+dt為t+dt時(shí)刻刺參相對(duì)含水率。

(4)收縮率 ?

采用游標(biāo)卡尺測量干燥前后刺參的體長，按下式計(jì)算收縮率[7]：

式中，L0為刺參的初始長度，Lt為刺參在每一時(shí)刻的長度。

(5)復(fù)水率 β

式中，m1為刺參復(fù)水后的質(zhì)量，m2為刺參烘干后的質(zhì)量。

2 干燥模型

為了獲得適合不同干燥溫度的薄層干燥模型，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用 Matlab軟件的非線性擬合方法，將常用薄層干燥模型[24~26]中的系數(shù)表示為溫度的函數(shù)，從而獲得了適用于不同干燥溫度的薄層干燥模型，如表1。

(1)決定系數(shù)

(2)均方根誤差

(3)平均相對(duì)偏差百分比

(4)卡方誤差

式中，y為擬合值，y?為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值，m為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，i為第i組實(shí)驗(yàn)，j為常數(shù)的個(gè)數(shù)。

4個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，R2越接近于1，EMD、χ2和ERMS越接近于0的模型擬合精度越高。計(jì)算時(shí)，先由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定各模型中的所有系數(shù)，再用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算結(jié)果計(jì)算得上述4個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)，最終根據(jù)指標(biāo)值選擇精度最高的模型。

生物保鮮劑是指從動(dòng)植物、微生物中提取的天然的或利用生物工程技術(shù)改造而獲得的對(duì)人體安全的保鮮劑。主要分為四大類，一是微生物代謝產(chǎn)物，包括乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸和枯草桿菌素等；二是生物酶，包括溶菌酶、葡萄糖氧化酶和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶等；三是生物天然提取物，包括茶多酚、殼聚糖和魚精蛋白等；四是以上述物質(zhì)為主要成分的復(fù)合生物保鮮劑。

表1 常用薄層干燥模型Table 1 Thin layer drying models commonly used

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥特性

圖1 刺參相對(duì)含水率隨干燥時(shí)間的變化情況Fig.1 Variation of relative moisture content of sea cucumber with the drying time

圖2 刺參干燥速率隨干燥時(shí)間的變化情況Fig.2 Variation of drying rates of sea cucumber with the drying time

圖3 刺參收縮率隨干燥時(shí)間的變化情況Fig.3 Variation of shrinkage ratio of sea cucumber with the drying time

圖1為遠(yuǎn)紅外干燥過程中，刺參相對(duì)含水率的動(dòng)態(tài)變化情況?？梢钥闯?，刺參在干燥中含水率逐漸降低，且干燥溫度越高，所需干燥時(shí)間越短，40 ℃時(shí)，干燥時(shí)間最長為24 h，60 ℃時(shí)為14 h，到80 ℃時(shí)，干燥時(shí)間最短為10.1 h。說明溫度對(duì)刺參干燥進(jìn)程具有重要作用。本實(shí)驗(yàn)中所需的遠(yuǎn)紅外干燥時(shí)間也遠(yuǎn)小于熱風(fēng)干燥。文獻(xiàn)[28]研究結(jié)果表明，75 ℃熱風(fēng)干燥下，刺參干燥時(shí)間均超過20 h，60 ℃條件下甚至超過40 h，如圖1所示。這說明刺參在遠(yuǎn)紅外干燥條件下效率更高。

圖2為遠(yuǎn)紅外干燥過程中，刺參干燥速率變化情況。可以看出，刺參的干燥速率在干燥初期比較大，在三種干燥條件下分別為 0.65%/min，0.9%/min和1.65%/min，接著迅速下降，在干燥中后期基本低于0.2%/min。整個(gè)干燥過程中不存在恒速干燥，說明刺參與青豆等[25,26]物料干燥一樣，其干燥均屬于降速干燥。從圖中還可以看出，在不同的干燥階段，溫度對(duì)干燥速率的影響不一樣。在干燥初期，干燥速率與溫度呈正相關(guān)，干燥溫度越高，干燥速率越大，而到了干燥中后期，溫度與干燥速率就不是正相關(guān)，計(jì)算三種干燥條件下50%~100%干燥進(jìn)程的干燥速率均值，分別為0.0353%/min、0.032%/min和0.0167%/min，表明溫度低的干燥速率反而更高，進(jìn)一步地，計(jì)算得35 ℃與 40 ℃和 45 ℃條件下的顯著性 P值分別為0.584和0.192，均大于0.05，說明其干燥速率差別不顯著。分析其原因，在刺參的遠(yuǎn)紅外干燥過程中，主要驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為水分的內(nèi)部擴(kuò)散，刺參內(nèi)部水分子（尤其是自由水）在干燥初期受到溫度越高，運(yùn)動(dòng)速度越快，更容易向外擴(kuò)散，而到了干燥中后期，刺參內(nèi)部含水率已處于較低水平，且大部分為結(jié)合水，且較低溫度干燥條件下的刺參內(nèi)部含水率相對(duì)較高，其含水率梯度更大，在此驅(qū)動(dòng)下水分?jǐn)U散反而能更快。

圖3為刺參收縮率在遠(yuǎn)紅外干燥過程中的變化情況。從圖中可以看出，在三個(gè)干燥溫度下，刺參收縮率均隨干燥的進(jìn)行而逐漸增加，且干燥溫度越高，收縮的更快。證明遠(yuǎn)紅外干燥溫度對(duì)刺參干燥中的收縮具有決定性的影響。其原因應(yīng)歸于干燥溫度對(duì)刺參體壁組織結(jié)構(gòu)和膠原纖維結(jié)構(gòu)的影響[29]。隨著干燥溫度的升高，刺參肌肉組織中的纖維會(huì)發(fā)生聚集交聯(lián)，且膠原蛋白出現(xiàn)熱變性，使得膠原纖維結(jié)構(gòu)收縮，排列更緊密，刺參整體逐漸收縮。

圖4為刺參復(fù)水率隨復(fù)水時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，隨著復(fù)水時(shí)間的增加，復(fù)水率逐漸增加，如60 ℃干燥條件下得到的干刺參，復(fù)水時(shí)間從24 h增加到72 h后，復(fù)水率從4.0增加到5.0。80 ℃條件下從7.0增加到7.9。干燥溫度越高，復(fù)水率越大。該結(jié)論與文獻(xiàn)30中紅棗的復(fù)水結(jié)果相反，但與文獻(xiàn)31中對(duì)流干燥海參的復(fù)水率結(jié)論一致。原因應(yīng)是高溫干燥條件下得到的海參其內(nèi)部的親水性基團(tuán)更多，使得復(fù)水率不斷升高。

圖4 刺參復(fù)水率隨復(fù)水時(shí)間的變化情況Fig.4 Variation of rehydration ratio of sea cucumber with the rehydration time

3.2 干制品品質(zhì)

為了進(jìn)一步比較不同干燥條件的干燥效果，我們建立了5人小組對(duì)干刺參的外觀、硬度、彈性進(jìn)行了評(píng)定。結(jié)果如表2。由表2可知，60 ℃條件下得到的干刺參，質(zhì)量較好，表現(xiàn)為表面完整，富有光澤，按壓有較好彈性；40 ℃時(shí)，干刺參有彈性，表面有皺褶，硬度一般；80 ℃時(shí)，干刺參表面焦黑、變形嚴(yán)重，硬度過大，彈性變差。

表2 刺參干制品品質(zhì)隨遠(yuǎn)紅外干燥溫度的變化情況Table 2 Variation of dried sea cucumber quality with the far infrared drying temperature

3.3 干燥動(dòng)力學(xué)模型

表3列出了不同干燥模型的檢驗(yàn)指標(biāo)值。可以看出，Two-term模型具有最高的R2，最低的EMD、χ2、ERMS，模擬精度最高，這與文獻(xiàn)28得出的結(jié)論一致。圖5是該模型計(jì)算得到的三個(gè)遠(yuǎn)紅外干燥溫度下刺參相對(duì)含水率隨干燥時(shí)間的變化情況，可以看出計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合很好，可以用來預(yù)測刺參在遠(yuǎn)紅外干燥過程中的動(dòng)力學(xué)特性。

從圖1~5中還可看出，各參數(shù)的測量誤差絕對(duì)值均隨干燥的進(jìn)行而減小，相對(duì)誤差絕大部分在10%以內(nèi)，少數(shù)時(shí)刻相對(duì)誤差較大，在后續(xù)研究中可采用更高精度的測量儀器、增加平行樣本數(shù)量以及實(shí)驗(yàn)測試次數(shù)等方法改善。

圖5 不同溫度下，相對(duì)含水率的模擬值和試驗(yàn)值隨干燥時(shí)間的變化情況Fig.5 Variation of simulated and experimental relative moisture content with the drying time under different drying temperatures

表3 各干燥模型檢驗(yàn)指標(biāo)值Table 3 Test index values of thin layer drying models

4 結(jié)論

為了探究遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)在刺參加工中的應(yīng)用，本文通過實(shí)驗(yàn)方法研究了刺參的遠(yuǎn)紅外干燥特性，比較分析了不同的薄層干燥模型，得到的主要結(jié)論如下：

4.1 刺參的遠(yuǎn)紅外干燥屬于降速干燥，含水率隨干燥的進(jìn)行逐漸降低，且溫度對(duì)刺參干燥進(jìn)程具有決定作用，溫度越高，降低速度越快。與熱風(fēng)干燥相比，刺參在遠(yuǎn)紅外干燥條件下耗時(shí)更短，干燥效率更高。

4.2 在干燥初期，刺參的干燥速率與溫度呈正相關(guān)，干燥溫度越高，干燥速率越大，而到了干燥中后期，溫度對(duì)干燥速率的正相關(guān)影響不太明顯，甚至溫度低的干燥速率反而更高。

4.3 刺參收縮率隨干燥溫度的升高逐漸增加，且溫度越高，收縮越嚴(yán)重。復(fù)水率隨著復(fù)水時(shí)間的增加逐漸增加，且干燥溫度越高，復(fù)水率越大。

4.4 比較干刺參的外觀、硬度和彈性等因素發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其余兩個(gè)溫度，60 ℃條件下得到的干刺參，表面完整，富有光澤，按壓有較好彈性，質(zhì)量更好。

4.5 在干燥動(dòng)力學(xué)模型方面，在研究的13種薄層模型中，Two-term模型能更好地預(yù)測刺參相對(duì)含水率隨干燥時(shí)間的變化情況，應(yīng)優(yōu)先用于預(yù)測刺參在遠(yuǎn)紅外干燥過程中的動(dòng)力學(xué)特性變化。

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