海鲜菇热风干燥特性及其动力学研究

陈建福1,2,,汪少芸2,*,林梅西

(1.漳州职业技术学院,福建漳州 363000; 2.福州大学,福建福州 350108; 3.福建省闽中有机食品有限公司,福建莆田 351100)

海鲜菇(Hypsizygusmarmoreus(Peck)H.E.Bigelow)又名真姬菇、鸿喜菇、蟹味菇和斑玉蕈等,是一类富含蛋白质的低热量和低脂肪的药食两用珍稀菌[1]。海鲜菇肉厚、质韧、味道鲜美、口感极佳且含有钾、钠、钙、镁、磷等多种人体代谢所需元素及硒、铁、锌、锰、铜等微量元素,还含有氨基酸、多酚和多糖等生物活性成分,具有清除自由基、抗肿瘤、抗氧化、防衰老、调节血糖、改善肠道循环、通便减肥等功效[2-3]。目前,人们对海鲜菇的需求量日益增加,然而新鲜海鲜菇含水量较高,且菇体表面没有明显的保护结构,采收后极易失水、褐变、软化和菇柄空洞化,所以采摘后不能较长时间保存[4]。

干燥是延长农产品保存时间的常用方法,而不同的干燥方法与干燥工艺对农产品营养成分的有效保留有较大的影响[5]。食用菌的干制方法很多,目前大多采用热风干燥方式,其具有设备成熟、操作简便、不受气候条件影响、成本低、适合大规模批量生产等优点。李国鹏等[6]考察了不同条件对鸡腿菇热风干燥的影响,结果表明,Demir模型能准确描述鸡腿菇的热风干燥过程,并预测鸡腿菇干燥过程中的水分比,鸡腿菇热风干燥活化能Ea为14.548 kJ/mol。黄磊[7]为保持杏鲍菇的贮藏性以及口感,通过单因素和正交试验确定杏鲍菇的最佳热风干燥工艺条件为物料切为块状、干燥温度60 ℃和干燥时间2 h,该条件下杏鲍菇水分含量适中,口感脆爽,有良好的咀嚼性。

表1 薄层干燥模型Table 1 Thin layer drying model

注:表中 A,N,k为待定系数。

为保证海鲜菇的食用品质以及海鲜菇产业化的健康发展,需对海鲜菇进行干燥。本文采用热风干燥法对海鲜菇进行干燥,研究不同热风干燥温度下海鲜菇水分变化规律及干燥特性,构建海鲜菇热风干燥的数学模型,为海鲜菇的加工与利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜海鲜菇 购于漳州市北桥市场,挑选色泽均一、形状均匀、饱满度较好的海鲜菇,将原包装袋一起存放于(4±1) ℃冰箱中冷藏。

AR124CN电子分析天平 奥豪斯仪器(上海)有限公司;DHG-9070A电热鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 海鲜菇的热风干燥 为防止干燥温度过高而导致海鲜菇有效成分的破坏,干燥温度选择333、338、343、348和353 K,每个温度取三组水平,风速0.8 m/s,物料厚度为单层0.008 m。称取100～110 g的海鲜菇,平铺于烘箱中,铺之前先将烘箱加热设置预设的温度,后每隔20 min取出海鲜菇测其重量。为防止海鲜菇吸潮,从烘箱中取出后,立即用自封袋封好,并置于干燥器中,待常温后再进行称重,每次称重重复3次,取平均值,当海鲜菇干基含水率低于0.16 g/g为止,干燥结束。

1.2.2 干燥参数的测定

1.2.2.1 水分含量的测定 根据食品安全国家标准 食品中水分的测定(GB 5009.3-2016),进行水分含量的测定,海鲜菇的干基含水率和湿基含水率[8],由下式计算得到。

式(1)

式(2)

式中:mt表示t时刻时海鲜菇的质量,g;ms表示海鲜菇的绝干质量,g。

1.2.2.2 干燥速率(Drying rate,DR) 不同干燥时刻海鲜菇的干燥速率由式(3)计算得到[9]。

式(3)

式中:DR为海鲜菇某一时刻的干燥速率,g/min;Xt1和Xt2分别为t1和t2时刻时海鲜菇的干基含水率,g/g;t2-t1为干燥时间t1到t2的干燥时间差,min。

1.2.2.3 水分比(Moisture Ratio,MR) 在一定干燥条件下,海鲜菇中剩余的水分比例用水分比来表示[10],由于水分比计算公式中,海鲜菇干燥平衡时的干基含水率Xe和t时刻时海鲜菇的干基含水率Xt均较小,方程可以简化为:

式(4)

式中:Xt为t时刻时海鲜菇的干基含水率,g/g;X0为海鲜菇的初始干基含水率,g/g。

1.2.3 薄层干燥数学模型 在Fick第二定律的基础上,常用3种干燥经验方程式来描述的农产品的干燥过程如表1所示。由表1可以看出,指数模型是单项扩散模型中A=1,Page方程中N=1时的特殊形式,因此可以在测定不同热风干燥温度下海鲜菇的干燥曲线后,运用单项扩散模型和Page模型进行拟合回归后,选择拟合系数高的方程,建立海鲜菇的热风干燥动力学模型。

1.2.4 水分有效扩散系数 由物料内部水分扩散控制的降速干燥过程,可以用Fick扩散方程来描述,其中水分有效扩散系数是物料脱水能力的体现,可以用来描述海鲜菇的干燥特性[14]。海鲜菇的水分有效扩散系数可由下式得到。

式(5)

式(6)

式中:Deff是水分有效扩散系数,m2/s;L为海鲜菇层高的一半,m。

1.2.5 干燥活化能 由Arrhenius方程表示干燥过程中水分有效扩散系数Deff和干燥温度T的关系[15],干燥活化能可由下式回归方程斜率求得。

式(7)

式中:D0为水分扩散前置因子,m2/s;Ea为干燥活化能,J/mol;R为摩尔气体常数,8.314 J/(mol·K);T为干燥温度,K。

1.3 数据处理

采用Origin 8.0 pro对试验数据进行制图及拟合。

2 结果与分析

2.1 海鲜菇水分含量

将实验数据分别代入式(1)和(2),计算得到海鲜菇初时刻的干基含水率和湿基含水率分别为11.83 g/g、92.21%。

2.2 不同干燥温度下海鲜菇的干燥曲线

不同干燥温度下海鲜菇的干燥曲线如图1所示。从图1中可以看出,不同干燥温度下的干燥曲线均呈下降的趋势,随着干燥温度的升高,干燥效果提高明显,当干燥温度分别为333、338、343、348、353 K时,海鲜菇的干燥时间分别为300、200、140、140和120 min,这是因为随着干燥温度的升高,降低了热空气的相对湿度,增加了热空气的水蒸气容量,同时温度的升高也提高了海鲜菇与热空气之间的对流强度,强化了物料内部水分的迁移与扩散,提高了海鲜菇中的水分蒸发量,缩短了干燥时间[16]。

图1 海鲜菇的干燥曲线Fig.1 Drying curve of Hypsizygus marmoreu

2.3 不同干燥温度下海鲜菇的干燥速率曲线

不同干燥温度下海鲜菇的干燥速率曲线如图2所示。从图2中可以看出,在海鲜菇的干燥过程中,干燥速率曲线一直在变化。干燥初期,海鲜菇的水分扩散速率急剧增加,在20 min时达到最大,随后干燥速率均又开始急剧下降,最后趋于平稳。可见海鲜菇的干燥过程分为加速、降速和恒速3个阶段,其中降速为主要阶段,且干燥温度越高,干燥时间越短,这是因为干燥温度越高,空气的相对湿度越小,增大了海鲜菇与周边环境的湿度差,加速了水分的迁移,提高了干燥速率,但随着海鲜菇表面水分的蒸发,海鲜菇表面逐渐变硬,内部水分扩散至表面的通道变窄,扩散阻力增大,造成了干燥速率的下降[17]。

图2 海鲜菇的干燥速率曲线Fig.2 Drying rate curve of Hypsizygus marmoreu

2.4 海鲜菇热风干燥动力学模型

根据单项扩散模型和Page模型方程,采用Origin 8.0软件对热风干燥温度下的-ln(MR)-t曲线和ln[-ln(MR)]-lnt曲线进地绘制并进行线性回归,如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出,ln[-ln(MR)]-lnt曲线的线性关系要好于-ln(MR)-t曲线,为更准确地选择干燥模型,对图3和图4的曲线进行回归分析,得到数据如表2所示。从表2中可以看出，ln[-ln(MR)]-lnt拟合的数据中R2均大于0.99,说明Page方程较适用于海鲜菇的热风干燥动力学模型的描述,可选择Page模型作为海鲜菇热风干燥的动力学模型。

图3 不同热风温度下-ln(MR)-t关系曲线Fig.3 -ln(MR)-t curve at different hot air temperatures

图4 不同热风温度下ln[-ln(MR)]-lnt关系曲线Fig.4 ln[-ln(MR)]-lnt curves at different hot air temperatures

表2 不同热风温度下的回归方程参数Table 2 Regression equation parameters at different hot air temperatures

为了解热风温度对Page模型方程中的干燥参数k、N的影响,采用Origin 8.0 pro软件分别对模型中待定的参数k、N与干燥温度T进行一元线性分段回归,得出k、N与T的关系式:

当T≤343K时,k=-7.88×10-4T+0.27886(R2=0.99993);

当T>343K时,k=5.53×10-4T-0.18111(R2=0.99991);

当T≤343K时,N=0.02869T-8.58783(R2=0.99869);

当T>343K时,N=-0.00597T+3.30412(R2=0.99925)。

k、N与干燥温度T 分段进行回归分析的相关系数R>0.99,说明k、N可以用干燥温度T的函数关系式来表示,因此可以用下式来表示海鲜菇薄层热风干燥动力学。

当T≤343K时,MR=exp[-(-7.88×10-4T+0.27886)t-0.02869T-8.58783],

当T>343K时,MR=exp[-(5.53×10-4T-0.18111)t-0.00597T+3.30412]。

表3 海鲜菇的水分有效扩散系数Table 3 Moisture diffusion coefficient of Hypsizygus marmoreu

2.5 海鲜菇热风干燥动力学模型的验证

为进一步验证海鲜菇热风干燥动力学模型的准确性,对不同热风干燥温度下的实验数据进行验证,并与模型的预测值进行比较如图5所示。从图5中可以看出,海鲜菇热风干燥动力学模型预测曲线与实际值的吻合度较高,进一步说明Page模型适用于海鲜菇的热风干燥动力学模型的描述,可以用来控制与预测海鲜菇的热风干燥过程[18]。

图5 热风干燥试验值与预测值的比较Fig.5 Comparison of hot air drying test values and predicted values

2.6 海鲜菇热风干燥的水分有效扩散系数

由干燥速率曲线可知,海鲜菇的干燥过程主要为降速阶段,说明海鲜菇内部水分扩散控制着海鲜菇的干燥过程,可以用Fick第二定律来描述[19]。根据式(5),绘图并回归得到斜率,后根据式(6)计算得水分有效扩散系数见表3。从表3可以看出,海鲜菇在所考察5个不同热风干燥温度下,其水分有效扩散系数随着热风干燥温度的升高而增大,当热风干燥温度从333 K增加到353 K时,其水分有效扩散系数从1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,说明在试验的干燥温度范围内提高干燥温度能有效提高海鲜菇热风干燥过程中的水分有效扩散系数,从而提高干燥效率。

2.7 海鲜菇热风干燥活化能

干燥活化能表示所考察的物料,每脱除1 mol的水分所需要的热量,是评价干燥能耗和干燥设备选型的重要依据[20]。干燥活化能与物料的种类、成分、组织状态及干燥方式、方法等相关。根据Arrhenius方程,干燥过程的活化能可由不同温度下的水分有效扩散系数Deff与温度T的关系式得到。图6为ln(Deff)-1/T的关系曲线,从图6中可得回归方程为y=-5793.99x-2.70112,R2=0.94154,计算得到海鲜菇的干燥活化能Ea=48.17 kJ/mol。

图6 海鲜菇有效扩散系数与干燥温度关系图Fig.6 Curve of moisture diffusion coefficient and drying temperature

3 结论

在恒定风速为0.8 m/s的条件下,研究了海鲜菇在333、338、343、348和353 K温度下的热风干燥曲线及干燥速率曲线,结果表明干燥温度对海鲜菇干燥的特性影响较大,随着干燥温度的升高,干燥效果提高明显。海鲜菇的干燥过程分为加速、降速和恒速3个阶段,其中降速为主要阶段。海鲜菇水分有效扩散系数随着热风温度的升高而增大,当热风温度从333 K增加到353 K时,其水分有效扩散系数从1.62448×10-9m2/s增加到4.32343×10-9m2/s,海鲜菇热风干燥的活化能为48.17 kJ/mol。Page模型方程较适用于海鲜菇的热风干燥动力学模型的描述,在实际生产中,可选择Page模型来预测并控制海鲜菇热风干燥过程的水分变化规律,为海鲜菇干燥过程的设备选型、节能降耗及干品品质提升提供技术支持。