陳建福1,2,,汪少蕓2,*,林梅西

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建漳州 363000; 2.福州大學(xué),福建福州 350108; 3.福建省閩中有機(jī)食品有限公司,福建莆田 351100)

海鮮菇(Hypsizygusmarmoreus(Peck)H.E.Bigelow)又名真姬菇、鴻喜菇、蟹味菇和斑玉蕈等,是一類(lèi)富含蛋白質(zhì)的低熱量和低脂肪的藥食兩用珍稀菌[1]。海鮮菇肉厚、質(zhì)韌、味道鮮美、口感極佳且含有鉀、鈉、鈣、鎂、磷等多種人體代謝所需元素及硒、鐵、鋅、錳、銅等微量元素,還含有氨基酸、多酚和多糖等生物活性成分,具有清除自由基、抗腫瘤、抗氧化、防衰老、調(diào)節(jié)血糖、改善腸道循環(huán)、通便減肥等功效[2-3]。目前,人們對(duì)海鮮菇的需求量日益增加,然而新鮮海鮮菇含水量較高,且菇體表面沒(méi)有明顯的保護(hù)結(jié)構(gòu),采收后極易失水、褐變、軟化和菇柄空洞化,所以采摘后不能較長(zhǎng)時(shí)間保存[4]。

干燥是延長(zhǎng)農(nóng)產(chǎn)品保存時(shí)間的常用方法,而不同的干燥方法與干燥工藝對(duì)農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分的有效保留有較大的影響[5]。食用菌的干制方法很多,目前大多采用熱風(fēng)干燥方式,其具有設(shè)備成熟、操作簡(jiǎn)便、不受氣候條件影響、成本低、適合大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。李國(guó)鵬等[6]考察了不同條件對(duì)雞腿菇熱風(fēng)干燥的影響,結(jié)果表明,Demir模型能準(zhǔn)確描述雞腿菇的熱風(fēng)干燥過(guò)程,并預(yù)測(cè)雞腿菇干燥過(guò)程中的水分比,雞腿菇熱風(fēng)干燥活化能Ea為14.548 kJ/mol。黃磊[7]為保持杏鮑菇的貯藏性以及口感,通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)確定杏鮑菇的最佳熱風(fēng)干燥工藝條件為物料切為塊狀、干燥溫度60 ℃和干燥時(shí)間2 h,該條件下杏鮑菇水分含量適中,口感脆爽,有良好的咀嚼性。

表1 薄層干燥模型Table 1 Thin layer drying model

注:表中 A,N,k為待定系數(shù)。

為保證海鮮菇的食用品質(zhì)以及海鮮菇產(chǎn)業(yè)化的健康發(fā)展,需對(duì)海鮮菇進(jìn)行干燥。本文采用熱風(fēng)干燥法對(duì)海鮮菇進(jìn)行干燥,研究不同熱風(fēng)干燥溫度下海鮮菇水分變化規(guī)律及干燥特性,構(gòu)建海鮮菇熱風(fēng)干燥的數(shù)學(xué)模型,為海鮮菇的加工與利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮海鮮菇 購(gòu)于漳州市北橋市場(chǎng),挑選色澤均一、形狀均勻、飽滿度較好的海鮮菇,將原包裝袋一起存放于(4±1) ℃冰箱中冷藏。

AR124CN電子分析天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 海鮮菇的熱風(fēng)干燥 為防止干燥溫度過(guò)高而導(dǎo)致海鮮菇有效成分的破壞,干燥溫度選擇333、338、343、348和353 K,每個(gè)溫度取三組水平,風(fēng)速0.8 m/s,物料厚度為單層0.008 m。稱取100～110 g的海鮮菇,平鋪于烘箱中,鋪之前先將烘箱加熱設(shè)置預(yù)設(shè)的溫度,后每隔20 min取出海鮮菇測(cè)其重量。為防止海鮮菇吸潮,從烘箱中取出后,立即用自封袋封好,并置于干燥器中,待常溫后再進(jìn)行稱重,每次稱重重復(fù)3次,取平均值,當(dāng)海鮮菇干基含水率低于0.16 g/g為止,干燥結(jié)束。

1.2.2 干燥參數(shù)的測(cè)定

1.2.2.1 水分含量的測(cè)定 根據(jù)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定(GB 5009.3-2016),進(jìn)行水分含量的測(cè)定,海鮮菇的干基含水率和濕基含水率[8],由下式計(jì)算得到。

式(1)

式(2)

式中:mt表示t時(shí)刻時(shí)海鮮菇的質(zhì)量,g;ms表示海鮮菇的絕干質(zhì)量,g。

1.2.2.2 干燥速率(Drying rate,DR) 不同干燥時(shí)刻海鮮菇的干燥速率由式(3)計(jì)算得到[9]。

式(3)

式中:DR為海鮮菇某一時(shí)刻的干燥速率,g/min;Xt1和Xt2分別為t1和t2時(shí)刻時(shí)海鮮菇的干基含水率,g/g;t2-t1為干燥時(shí)間t1到t2的干燥時(shí)間差,min。

1.2.2.3 水分比(Moisture Ratio,MR) 在一定干燥條件下,海鮮菇中剩余的水分比例用水分比來(lái)表示[10],由于水分比計(jì)算公式中,海鮮菇干燥平衡時(shí)的干基含水率Xe和t時(shí)刻時(shí)海鮮菇的干基含水率Xt均較小,方程可以簡(jiǎn)化為:

式(4)

式中:Xt為t時(shí)刻時(shí)海鮮菇的干基含水率,g/g;X0為海鮮菇的初始干基含水率,g/g。

1.2.3 薄層干燥數(shù)學(xué)模型 在Fick第二定律的基礎(chǔ)上,常用3種干燥經(jīng)驗(yàn)方程式來(lái)描述的農(nóng)產(chǎn)品的干燥過(guò)程如表1所示。由表1可以看出,指數(shù)模型是單項(xiàng)擴(kuò)散模型中A=1,Page方程中N=1時(shí)的特殊形式,因此可以在測(cè)定不同熱風(fēng)干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線后,運(yùn)用單項(xiàng)擴(kuò)散模型和Page模型進(jìn)行擬合回歸后,選擇擬合系數(shù)高的方程,建立海鮮菇的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型。

1.2.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù) 由物料內(nèi)部水分?jǐn)U散控制的降速干燥過(guò)程,可以用Fick擴(kuò)散方程來(lái)描述,其中水分有效擴(kuò)散系數(shù)是物料脫水能力的體現(xiàn),可以用來(lái)描述海鮮菇的干燥特性[14]。海鮮菇的水分有效擴(kuò)散系數(shù)可由下式得到。

式(5)

式(6)

式中:Deff是水分有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s;L為海鮮菇層高的一半,m。

1.2.5 干燥活化能 由Arrhenius方程表示干燥過(guò)程中水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff和干燥溫度T的關(guān)系[15],干燥活化能可由下式回歸方程斜率求得。

式(7)

式中:D0為水分?jǐn)U散前置因子,m2/s;Ea為干燥活化能,J/mol;R為摩爾氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為干燥溫度,K。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0 pro對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖及擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 海鮮菇水分含量

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入式(1)和(2),計(jì)算得到海鮮菇初時(shí)刻的干基含水率和濕基含水率分別為11.83 g/g、92.21%。

2.2 不同干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線

不同干燥溫度下海鮮菇的干燥曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,不同干燥溫度下的干燥曲線均呈下降的趨勢(shì),隨著干燥溫度的升高,干燥效果提高明顯,當(dāng)干燥溫度分別為333、338、343、348、353 K時(shí),海鮮菇的干燥時(shí)間分別為300、200、140、140和120 min,這是因?yàn)殡S著干燥溫度的升高,降低了熱空氣的相對(duì)濕度,增加了熱空氣的水蒸氣容量,同時(shí)溫度的升高也提高了海鮮菇與熱空氣之間的對(duì)流強(qiáng)度,強(qiáng)化了物料內(nèi)部水分的遷移與擴(kuò)散,提高了海鮮菇中的水分蒸發(fā)量,縮短了干燥時(shí)間[16]。

圖1 海鮮菇的干燥曲線Fig.1 Drying curve of Hypsizygus marmoreu

2.3 不同干燥溫度下海鮮菇的干燥速率曲線

不同干燥溫度下海鮮菇的干燥速率曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,在海鮮菇的干燥過(guò)程中,干燥速率曲線一直在變化。干燥初期,海鮮菇的水分?jǐn)U散速率急劇增加,在20 min時(shí)達(dá)到最大,隨后干燥速率均又開(kāi)始急劇下降,最后趨于平穩(wěn)?？梢?jiàn)海鮮菇的干燥過(guò)程分為加速、降速和恒速3個(gè)階段,其中降速為主要階段,且干燥溫度越高,干燥時(shí)間越短,這是因?yàn)楦稍餃囟仍礁?空氣的相對(duì)濕度越小,增大了海鮮菇與周邊環(huán)境的濕度差,加速了水分的遷移,提高了干燥速率,但隨著海鮮菇表面水分的蒸發(fā),海鮮菇表面逐漸變硬,內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面的通道變窄,擴(kuò)散阻力增大,造成了干燥速率的下降[17]。

圖2 海鮮菇的干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curve of Hypsizygus marmoreu

2.4 海鮮菇熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)單項(xiàng)擴(kuò)散模型和Page模型方程,采用Origin 8.0軟件對(duì)熱風(fēng)干燥溫度下的-ln(MR)-t曲線和ln[-ln(MR)]-lnt曲線進(jìn)地繪制并進(jìn)行線性回歸,如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出,ln[-ln(MR)]-lnt曲線的線性關(guān)系要好于-ln(MR)-t曲線,為更準(zhǔn)確地選擇干燥模型,對(duì)圖3和圖4的曲線進(jìn)行回歸分析,得到數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出，ln[-ln(MR)]-lnt擬合的數(shù)據(jù)中R2均大于0.99,說(shuō)明Page方程較適用于海鮮菇的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的描述,可選擇Page模型作為海鮮菇熱風(fēng)干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

圖3 不同熱風(fēng)溫度下-ln(MR)-t關(guān)系曲線Fig.3 -ln(MR)-t curve at different hot air temperatures

圖4 不同熱風(fēng)溫度下ln[-ln(MR)]-lnt關(guān)系曲線Fig.4 ln[-ln(MR)]-lnt curves at different hot air temperatures

表2 不同熱風(fēng)溫度下的回歸方程參數(shù)Table 2 Regression equation parameters at different hot air temperatures

為了解熱風(fēng)溫度對(duì)Page模型方程中的干燥參數(shù)k、N的影響,采用Origin 8.0 pro軟件分別對(duì)模型中待定的參數(shù)k、N與干燥溫度T進(jìn)行一元線性分段回歸,得出k、N與T的關(guān)系式:

當(dāng)T≤343K時(shí),k=-7.88×10-4T+0.27886(R2=0.99993);

當(dāng)T>343K時(shí),k=5.53×10-4T-0.18111(R2=0.99991);

當(dāng)T≤343K時(shí),N=0.02869T-8.58783(R2=0.99869);

當(dāng)T>343K時(shí),N=-0.00597T+3.30412(R2=0.99925)。

k、N與干燥溫度T 分段進(jìn)行回歸分析的相關(guān)系數(shù)R>0.99,說(shuō)明k、N可以用干燥溫度T的函數(shù)關(guān)系式來(lái)表示,因此可以用下式來(lái)表示海鮮菇薄層熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)。

當(dāng)T≤343K時(shí),MR=exp[-(-7.88×10-4T+0.27886)t-0.02869T-8.58783],

當(dāng)T>343K時(shí),MR=exp[-(5.53×10-4T-0.18111)t-0.00597T+3.30412]。

表3 海鮮菇的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 3 Moisture diffusion coefficient of Hypsizygus marmoreu

2.5 海鮮菇熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證海鮮菇熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,對(duì)不同熱風(fēng)干燥溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,并與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較如圖5所示。從圖5中可以看出,海鮮菇熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際值的吻合度較高,進(jìn)一步說(shuō)明Page模型適用于海鮮菇的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的描述,可以用來(lái)控制與預(yù)測(cè)海鮮菇的熱風(fēng)干燥過(guò)程[18]。

圖5 熱風(fēng)干燥試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.5 Comparison of hot air drying test values and predicted values

2.6 海鮮菇熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)

由干燥速率曲線可知,海鮮菇的干燥過(guò)程主要為降速階段,說(shuō)明海鮮菇內(nèi)部水分?jǐn)U散控制著海鮮菇的干燥過(guò)程,可以用Fick第二定律來(lái)描述[19]。根據(jù)式(5),繪圖并回歸得到斜率,后根據(jù)式(6)計(jì)算得水分有效擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表3。從表3可以看出,海鮮菇在所考察5個(gè)不同熱風(fēng)干燥溫度下,其水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高而增大,當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度從333 K增加到353 K時(shí),其水分有效擴(kuò)散系數(shù)從1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,說(shuō)明在試驗(yàn)的干燥溫度范圍內(nèi)提高干燥溫度能有效提高海鮮菇熱風(fēng)干燥過(guò)程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù),從而提高干燥效率。

2.7 海鮮菇熱風(fēng)干燥活化能

干燥活化能表示所考察的物料,每脫除1 mol的水分所需要的熱量,是評(píng)價(jià)干燥能耗和干燥設(shè)備選型的重要依據(jù)[20]。干燥活化能與物料的種類(lèi)、成分、組織狀態(tài)及干燥方式、方法等相關(guān)。根據(jù)Arrhenius方程,干燥過(guò)程的活化能可由不同溫度下的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff與溫度T的關(guān)系式得到。圖6為ln(Deff)-1/T的關(guān)系曲線,從圖6中可得回歸方程為y=-5793.99x-2.70112,R2=0.94154,計(jì)算得到海鮮菇的干燥活化能Ea=48.17 kJ/mol。

圖6 海鮮菇有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度關(guān)系圖Fig.6 Curve of moisture diffusion coefficient and drying temperature

3 結(jié)論

在恒定風(fēng)速為0.8 m/s的條件下,研究了海鮮菇在333、338、343、348和353 K溫度下的熱風(fēng)干燥曲線及干燥速率曲線,結(jié)果表明干燥溫度對(duì)海鮮菇干燥的特性影響較大,隨著干燥溫度的升高,干燥效果提高明顯。海鮮菇的干燥過(guò)程分為加速、降速和恒速3個(gè)階段,其中降速為主要階段。海鮮菇水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著熱風(fēng)溫度的升高而增大,當(dāng)熱風(fēng)溫度從333 K增加到353 K時(shí),其水分有效擴(kuò)散系數(shù)從1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,海鮮菇熱風(fēng)干燥的活化能為48.17 kJ/mol。Page模型方程較適用于海鮮菇的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型的描述,在實(shí)際生產(chǎn)中,可選擇Page模型來(lái)預(yù)測(cè)并控制海鮮菇熱風(fēng)干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律,為海鮮菇干燥過(guò)程的設(shè)備選型、節(jié)能降耗及干品品質(zhì)提升提供技術(shù)支持。