真空冷冻干燥南美白对虾干燥模型及品质研究

宣晓婷,文丽华,2,崔 燕,尚海涛,林旭东,凌建刚,*

(1.宁波市农业科学研究院农产品加工研究所,浙江宁波 315000;2.浙江海洋大学食品与医药学院,浙江舟山 316000)

南美白对虾(Litopenaeusvannamei),又名凡纳滨对虾,具备高产量、快生长、强适应性、易养殖等优点,是目前世界上主要的养殖虾品种之一[1-2]。南美白对虾营养价值高,富含必需氨基酸、维生素、矿物质元素、蛋白质等,对弥补膳食结构不足和改善人体健康状况均具有明显的作用[3-5]。近年来高水分虾干制品(水分含量>40%)受到消费者的喜爱,不仅具有丰富的营养、独特的风味,并且具有口感优良、携带方便等特点,使得市场需求逐年增长,前景广阔。

目前传统的干燥方式主要是日光晾晒干燥和热风干燥,但前者由于不卫生的干燥环境和干燥时间长使得产品的品质难以保证,后者由于能耗高、温度高、对产品造成热损伤和过度氧化等问题使得学者们不得不再另辟蹊径。近些年,多样化的干燥方式被应用于水产加工过程中,如微波干燥[6-7]、真空干燥、气流干燥、真空冷冻干燥等[8]。真空冷冻干燥技术可将物料冷冻至共晶点温度以下,并在真空条件下获得疏松多孔、复水快、易长期储藏的干燥产品[9],极大的保留了原有的活性物质、色泽、风味、形态。目前真空冷冻干燥技术在果蔬[10]、谷物、豆制品[9]、水产等方面均有所研究和应用,在水产干制方面,真空冷冻干燥已在牡蛎[11]、刺参[12]、对虾[13-14]、海鳗[16]等方面有初步研究。刘达等[17]通过响应面法优化虾仁真空冷冻干燥工艺,确定最佳干燥工艺条件为加热板温度为31.25 ℃、真空度为22.81 Pa和漂烫时间1.43 min。而李文盛等[13]从干燥技术对对虾虾仁品质的影响方面开展研究,对比了热风干燥、微波干燥、热风联合微波喷动干燥和真空冷冻干燥对对虾虾仁的品质影响,发现真空冷冻干燥虾仁品质最佳,但目前关于整虾真空冷冻干燥研究较少。此外,在优化干燥工艺的过程中,基于干燥特性构建的真空冷冻干燥数学模型对于设计改进干燥设备、降低能耗等方面可提供理论依据,目前已有香菇、沙丁鱼、对虾等[14-15]的热风干燥数学模型研究,但关于真空冷冻干燥南美白对虾干燥模型鲜有报道。

本文对南美白对虾真空冷冻干燥规律进行研究,建立干燥数学模型,同时研究真空冷冻干燥与传统热风干燥对南美白对虾收缩率、复水率、质构、色泽以及感官等方面的影响,以期为真空冷冻干燥技术在南美白对虾干产业的应用提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南美白对虾 宁波市东柳菜市场;食盐 宁波市三江超市。

SCIENTZ-30ND真空冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;低温冰箱 海尔集团;FA2004分析天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司;CR-5色差仪 日本柯尼卡美能达公司。

1.2 预处理

选择体型大小均匀一致、无机械损伤的新鲜南美白对虾1000 g,自来水清洗干净后,用6%的盐水煮制1 min后,捞出沥干。

1.3 真空冷冻干燥

1.3.1 真空冷冻干燥温度对对虾干燥特性的影响 取预煮后对虾(1000 g)于-18 ℃冰箱中预冻过夜,将预冻后的虾置于真空冷冻干燥机中进行干燥,干燥温度分别为10、30、50 ℃,每隔2 h测定样品水分含量(干基),干燥22 h,结束干燥。其中干燥温度为50 ℃时，干基含水率达50%以下，直接测22 h指标。

1.3.2 载物量对对虾干燥特性的影响 取预煮后对虾于-18 ℃冰箱中预冻过夜,将预冻后的虾置于干燥温度50 ℃的真空冷冻干燥机中进行干燥,处理量分别为1000、1500、2000 g。每隔2 h测定样品水分含量(干基),干燥22 h(干基含水率约为20%),结束干燥。由于干燥12 h后含水量变化不明显，因此直接测干燥终点22 h即可。

1.4 热风干燥

取预煮后对虾(1000 g)于热风干燥箱中进行干燥,热风温度为50 ℃,每隔2 h测定样品水分含量(干基)至样品干燥6 h后与真空冷冻含水量相同时即为干燥终点。

1.5 指标测定方法

1.5.1 干基含水率和干燥速率测定

1.5.1.1 初始干基含水率测定 采用GB 5009.3-2016直接法进行测定,重复3次。

式(1)

式中:W干α为初始干基含水率(%);m湿α为初始样品重量(g);m干为样品干物质重(g)。

1.5.1.2 干燥过程中干基含水率测定 采用重量差法测得,随机选择10尾南美白对虾取出称重,再根据公式计算得出干燥过程中干基含水量,重复3次。

式(2)

式中:W干t为干燥t时刻干基含水率(%);m湿t为t时刻样品重量(g);m干为样品干物质重(g)。

1.5.1.3 干燥速率测定 根据干燥过程中干基含水率计算得出干燥过程中干燥速率,计算公式如下,重复3次。

式(3)

式中:Vt为干燥t时刻的干燥速率(%·h-1);W干t为t时刻干基含水率(%);W干t-2为t-2时刻干基含水率(%);n为干基含水率测定时间间隔(h),本试验时间间隔为2 h。

1.5.2 干燥数学模型 基于不同干燥温度、载物量与干燥时间的相互关系,参照Djendoubi等[15],通过干燥模型分别对真空冷冻干燥特性曲线进行拟合,干燥模型如下:

指数模型(Exponential model) MR=e(-Kt)

式(4)

单项扩散模型(Fick model) MR=Ae(-Kt)

式(5)

Page模型(Page model) MR=e(-Ktn)

式(6)

MR=(M-Me)/(M0-Me)

式(7)

式中：MR为水分比,表示一定干燥条件物料未被干燥除去的水分;M为t时刻干基含水率;M0为初始干基含水率;Me为平衡干基含水率;t为干燥时间(h);K、A、n为待定系数。

1.5.3 真空冷冻干燥与热风干燥的品质对比研究 探究两种干燥方式在相同干燥温度(50 ℃)和装载量(1000 g)干燥至相近含水量(真空冷冻22 h,热风干燥16 h)条件下南美白对虾的品质。

1.5.3.1 收缩率测定 收缩率采用体积置换法[18],即容器中先装满水,物体浸没水中,测量出溢出的水的质量,算出溢出水的体积,就等于物体体积,重复3次,计算公式如下:

式(8)

式中:r为收缩率(%),V为干燥前南美白对虾的体积(cm3),V0为干燥终止后南美白对虾的体积(cm3)。

1.5.3.2 复水率测定 复水率用复原率表征[18],通过南美白对虾干在100 ℃的沸水中复水5 min,沥干水分测得的样品重与干燥前样品重量的比值计算,计算公式如下:

式(9)

式中:Rf为复原率(%),mf为复水后沥干水分测得的样品重(g);mg为南美白对虾干燥前样品重量,即经预煮后,冷却沥干水分后测得的样品重(g),重复3次。

1.5.4 质构测定 随机选取干燥结束和复水后南美白对虾各5尾,选取P/5柱形探头,探头下行速度5 mm/s,下压速度0.5 mm/s,回升速度0.5 mm/s,测试形变量50%,触发力5 g,下压深度5 mm,做3个平行样,每个平行样测定3次,以未干燥的南美白对虾为空白组,记录数据。由质地特征曲线得到表征对虾质构状况的评价参数:硬度(Hardness)、弹性(Springiness)、黏性(Adhesiveness)、咀嚼性(Chewiness)。

1.5.5 色差的测定 使用色差计测定干燥后样品的L*,a*,b*值,在Hunter表色系统中L*值表示明度,值越大表示亮度越大;a*值正数代表红色,负数代表绿色;b*值正数代表黄色,负数代表蓝色[18]。以对虾第二腹节为测定点,在其表面附一层保鲜膜,相同自然灯光条件下每组测定3尾虾干,每尾重复测定3次,并以盐水煮制后的对虾作为空白组,同时利用白度(WI)及总色差(ΔE)计算对虾色泽的变化程度。

WI=100-[(100-L*)2+(a*)2+(b*)2]1/2

式(10)

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

式(11)

式中:ΔL*-干燥组与未干燥处理的L*平均值之差;Δa*-干燥组与未干燥处理的a*平均值之差;Δb*-干燥组与空白组b*平均值之差。

1.5.6 感官评价 将外观均一的南美白对虾进行真空冷冻干燥和热风干燥处理,选择10名经过训练的评价员组成感官评价小组,采用现场打分方式,对相同干燥温度(50 ℃)和装载量(1000 g)下两种干燥方式所得产品进行色泽、外观、肌肉、气味、口感五方面评定[18],以未干燥的南美白对虾为空白组,评分标准如表1。

表1 南美白对虾感官评定标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of dried pacific white shrimp

1.6 数据处理

测定所得数据均以平均值±标准差的形式表示,数据分析采用SPSS 19.0和Excel 2010软件处理,用Original 8.2软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同干燥参数对干燥特性的影响

2.1.1 真空冷冻干燥温度对干燥特性的影响 装载量相同条件下(1000 g),不同真空冷冻干燥温度对南美白对虾干基含水率和干燥速率的影响如图1和图2所示,其中初始干基含水率为250%±5%。图1显示当干燥温度分别为10、30、50 ℃时,干燥22 h后对虾干基含水率分别为57.3%、38.0%、12.2%,可以看出相同干燥时间(22 h)下,随着干燥温度的上升,干燥终点的对虾干基含水率明显减少。由图2可知,随着干基含水率的下降,干燥速率呈现下降趋势;在干燥前期(干基含水率在104%以上)时，随着干燥温度的上升,对虾干燥速率增大,这是由于干燥温度的提高会推动传热进程,并且在相对湿度较低的干燥室内,物料的传质推动力也增大,因此,干燥温度是影响食品干燥速率的重要因素[19-20]。

图1 不同真空冷冻干燥温度对南美白对虾水分含量的影响

图2 不同真空冷冻干燥温度对南极白对虾干燥速率的影响

2.1.2 装载量对干燥特性的影响 相同干燥温度条件下(50 ℃),不同真空冷冻干燥载物量对南美白对虾干基含水率和干燥速率的影响如图3和图4所示。由图3数据可以看出,当装载量分别为1000、1500、2000 g时,干燥22 h后对虾干基含水率分别为13.3%、25.4%、64.7%;即随着装载量的不断增加,干燥终点的对虾干基含水率增大。由图4可知,随着载物量的上升,对虾干燥速率降低。随着干基含水率的下降,干燥速率呈现下降趋势。这是由于相同面积上装载量与物料厚度成正比,而物料厚度与干燥过程中传热传质速率成反比,随着装载量的增加,物料传热传质速率下降,导致干燥时间延长。

图3 不同真空冷冻干燥载物量对南极白对虾水分含量的影响

图4 不同真空冷冻干燥载物量对南极白对虾干燥速率的影响

2.2 模型拟合及验证性试验

对三种干燥模型进行对数处理,得到线性化干燥模型方程,如下:

指数模型ln(MR)=-Kt

式(12)

单项扩散模型ln(MR)=lnA-Kt

式(13)

Page模型ln[-ln(MR)]=lnK+nlnt

式(14)

表2 不同干燥条件对模型参数的影响Table 2 Effects of different drying conditions on model parameters

综合考虑干燥温度和装载量两个参数对干燥曲线的影响,设立一个新参数P,即为单位质量所受温度,并采用二次方程来求系数,令:

lnK=a+bP+cP2

n=d+eP+fP2

其中,a、b、c、d、e、f为待定系数。

将上述两个二次方程带入Page模型公式中,通过线性回归求得真空冷冻干燥对虾模型线性拟合的待定系数:

a=-3.1408;b=11.5683;c=35.0252;d=1.4653;e=-12.9712;f=11.4161

将上述系数带入lnK和n方程中,再将lnK和n代入Page模型公式中,得到拟合方程为:

ln[-ln(MR)]=-3.1408+11.5683P+35.0252P2+(1.4653-12.9712P+11.4161P2)/lnt

为了验证模型的可行性,将南美白对虾干燥温度(50 ℃)和装载量(1000 g)条件下的冷冻干燥测量值同模型预测值进行比较,结果见图5,Page模型实测值同预测值拟合度较高,说明该模型可以用来预测南美白对虾真空冷冻干燥过程中的含水率。

图5 Page模型对试验点的拟合性

2.3 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾品质的影响

2.3.1 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾收缩率和复水率的影响 图6数据显示真空冷冻干燥对虾收缩率为30.11%±0.04%,低于热风干燥对虾收缩率44.19%±0.05%;而真空冷冻干燥对虾的复水率为74.98%±0.01%,明显高于热风干燥对虾复水率55.84%±0.06%。较之传统干燥方式热风干燥,真空冷冻干燥对虾具有低收缩率和高复水率特性,由于热风干燥使得对虾蛋白发生了较大变化,酶活性和持水性都相应降低,因此产品肉质致密、坚硬,收缩率高,而复水后只能吸收干燥时失去的约60%的水分[22-23]。相比较之下,冷冻干燥对虾样口温度较低,保持了对虾的外观结构,收缩率低,肉质松脆,复水性更佳。

图6 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾收缩率和复水率的影响

2.3.2 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾质构的影响 食品质构参数是用来表示食品的组织、结构和触感等特性,并将咀嚼、吞咽时与人感官评价相对应的弹性、硬度等参数利用力学测试原理进行数据化。测定食品质构特性能很好反映食品质量优劣、解释其物性变化,是评价食品品质的重要指标[24]。

真空冷冻干燥与热风干燥对南美白对虾复水前后质构的影响如表3所示。相同干燥温度和载物量的条件下,干燥结束后,真空冷冻干燥对虾的硬度、黏性、咀嚼性显著低于热风干燥组(p<0.05),这是由于热风干燥温度高，水分蒸发快,纤维蛋白收缩加剧,酪蛋白网络结构形成迅速,肌球蛋白变性聚合,导致硬度增加、弹性变大,其干制品咀嚼性差[24-25];而真空冷冻干燥是在较低温度下将物料冻结为固态并直接升华成气态得以脱水[26],经真空冷冻干燥的虾仁其硬度、黏性、咀嚼性均小于热风干燥。复水后,两种干燥方式所得对虾的硬度、黏性和咀嚼性均有所下降,弹性上升。与热风干燥组相比,真空冷冻干燥对虾复水后弹性更高,同时复水前后硬度、弹性、黏性和咀嚼性变化最小,产品适口性更强。

表3 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾复水前后质构的影响Table 3 Effects of vacuum freeze drying and hot-air drying on the texture of pacific white shrimp

2.3.3 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾色差的影响 色泽是评价水产品品质的主要指标之一,能反映产品的新鲜度,色泽改变会影响产品的感官质量,产品色泽会影响消费者的选购意愿[24,26]。表4是不同干燥方法对南美白对虾色泽的影响。

表4 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾色差的影响Table 4 Effects of vacuum freeze drying and hot-air drying on the color difference of pacific white shrimp

由表4可知,与空白组相比,真空冷冻干燥和热风干燥南美白对虾L*、a*、b*值以及白度(WI)和总色差(ΔE)值均呈上升趋势,其中L*、b*和ΔE差异显著(p<0.05),a*无显著变化(p<0.05),热风干燥WI与空白组差异显著(p<0.05),而真空冷冻干燥组WI与空白组差异不显著。对比两种干燥方法,热风干燥南美白对虾L*、a*最高,色泽红亮,其白度(WI)高为44.0;真空冷冻干燥a*、b*、ΔE值均低于热风干燥组,但差异不显著(p>0.05),L*和WI均显著低于热风干燥(p<0.05),表明真空冷冻干燥制得的对虾色变程度较低。热风干燥由于较高的温度导致色泽变化更大,从色泽判断真空冷冻干燥南美白对虾色泽微黄,虽然没有热风干燥得到的产品色泽红亮,但依然属于令人愉悦可被接受范围。张高静[24]对比了日光晾晒干燥、热风干燥、太阳能干燥和真空冷冻干燥四种干燥方法对南美白对虾色泽的影响,结果表明真空冷冻干燥虾干的ΔE值最小,且与其他三种方法差异显著(p<0.01)。

2.3.4 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾感官评分的影响 感官评定是食品品质的重要评价指标之一,感官评定通过人的感官来评价食品特性,再通过数据分析获得客观的评价结果,直接反映了人们对该食品的可接受程度[24]。表5为真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾的感官评定结果。

表5 真空冷冻干燥和热风干燥对南美白对虾感官评定的影响Table 5 Effect of vacuum freeze drying and hot-air drying on the sensory evaluation of pacific white shrimp

由表5可见,真空冷冻干燥南美白对虾的感官评分值明显高于热风干燥产品感官评分值。热风干燥温度高,产品虾皮失去光泽且有剥离现象,出现皱缩和黑变,其口感偏硬;而真空冷冻干燥产品色泽较好,个体完整,未出现皱缩脱落现象,只有虾头有轻微黑变,其弹性和咀嚼性好,口感更佳。真空冷冻干燥与热风干燥相比,温度较低且条件温和,其干制品外观色泽、口感风味更优。刘达[27]以中华管鞭虾为研究对象,得出真空冷冻干燥虾干感官评分最优,显著高于微波干燥、热风干燥和微波-热风干燥产品。

3 结论

本文探讨了真空冷冻干燥南美白对虾的干燥规律,其中干燥温度和装载量是影响干燥速率的关键因素。随着干燥温度的增加和装载量的减少,干燥时间缩短;干燥速率随着干基含水率的下降呈现下降趋势。优化三种干燥模型发现Page模型能更好的拟合真空冷冻干燥对虾的干燥规律。此外,通过对比传统热风干燥,本文对比分析了真空冷冻干燥对南美白对虾干制品的收缩率、复水率、质构、色泽和感官评定方面的品质特性。研究发现,相同干燥温度和载物量条件下,真空冷冻干燥对虾干制品具有低收缩率和高复水率,硬度、粘性和咀嚼性更低,并且色泽和感官上均优于热风干燥对虾干制品。综上所述,通过真空冷冻干燥技术可以获得品质较好的南美白对虾干制品,并且Page干燥模型可以很好的描述真空冷冻干燥对虾的干燥规律。