酸辣猪肉干热风干燥动力学及其品质研究

刘田子，熊汉国

(华中农业大学 食品科技学院，武汉 430070)

猪肉干是我国目前常见的猪肉加工制品，其耐贮藏、咀嚼性强及方便易食的特点深受消费者的喜爱。干燥作为生产猪肉干的关键环节，对产品的品质，风味及耐藏性有着直接的影响。目前，热风干燥产能大、操作方便、成本低且热效率高，被食品工业广泛应用于实际工业生产中，然而热风干燥参数设置不当会使肉干品质变差[1]。因此，在猪肉干干燥过程中，选择合适的干燥工艺参数对提升产品的生产效率及品质影响尤为关键。

食品生产工业中对干燥过程的把控大多以从业者经验为主，对干燥过程中的传质扩散规律不明确。然而，通过建立干燥动力学模型可有效预测干燥过程中水分的变化规律和精确干燥结束节点，以达到提高产品质量的同时满足工业化生产[2]。目前已有很多学者对不同物料的热风干燥特性进行了研究，并使用Page函数、Logarithmic函数及Wang and Singh函数等几种常用的数学模型来描述食品的干燥过程[3-5]，但大多数研究报道偏向于水产品、果蔬、面条等物料，有关猪肉干热风干燥动力学研究鲜有报道，且基本仅限简略研究干燥过程中水分变化规律。

本实验以猪肉为原料，研究不同干燥温度和风速对酸辣猪肉干热风干燥特性的影响，使用3种干燥数学模型对干燥过程中水分比与干燥时间的关系进行模型拟合，构建适用于不同热风干燥温度及风速的动力学模型，并对比分析不同温度和风速干燥产品的品质特性，用以优化热风干燥工艺，提升产品品质，为其工业化生产提供一定的理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜猪后腿肉、花椒、辣椒、生姜、桂皮、八角、香叶、食盐、白砂糖、味精等：购于武汉中百超市；柠檬酸、乳酸、苹果酸等(均为食品级)：购于山东优索化工科技有限公司。

1.2 设备与仪器

AL204型电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；XMT-A电热恒温鼓风干燥箱 江苏吴江闵鑫干燥设备有限公司；CR-400色彩色度计 日本柯尼卡美能达公司；C22-IH69E5电磁炉 浙江绍兴苏泊尔家电制造有限公司；MJ33快速水分测定仪 南京晓晓仪器设备有限公司；DR-300全自动切片机 北京德尔特电器有限公司；LDZX-30FBS立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂；DZQ400/500-2D真空充氮包装机 浙江兴业机械有限公司；XHF-DY均质机 宁波新芝生物技术有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 酸辣猪肉干工艺流程及操作要点

冷冻切片：将购入的新鲜猪后腿肉洗净修整好，放入-18 ℃冻藏室内冷冻24 h，解冻完成时进行切片，切成具有一定厚度且厚薄均匀的肉片。

卤制：在1000 mL水中加入辣椒2%、花椒2%、生姜1%、桂皮0.5%、八角0.5%、香叶0.5%、食盐4%(按原料肉重)，沸水煮制5 min，再向其中加入600 g猪肉，煮制10 min，停止加热。

腌制：向卤制好的卤水中加入3%复合有机酸、3%白砂糖及3%味精(按原料肉重)配成腌制液，复合有机酸的比例为乳酸∶柠檬酸∶苹果酸为3∶1∶1，将煮制好的猪肉在腌制液中浸泡5 h。

热风干燥：将腌制完成的猪肉按实验设计，调好热风参数，放入电热恒温鼓风干燥箱内进行干燥实验。

真空包装与高压灭菌：将干燥好的酸辣猪肉干装袋(30 g/袋)，进行抽真空包装(抽真空20 s，热封7 s，热封2.5档)，置于高压灭菌锅内121 ℃灭菌10 min。

1.3.2 干燥实验

酸辣猪肉经腌制完成后进行热风干燥实验，以干燥温度、干燥风速作为热风干燥工艺的两个因素，安排了单因素多水平实验方案，见表1。热风干燥开始后，每隔20 min取出肉干并称重，测定完成后迅速放回继续干燥，记录不同时刻酸辣猪肉干的重量，直至样品干燥至目标含水量(35%)时停止干燥。最后，对不同热风条件下干燥结束的样品进行总酸含量、感官评分及色泽的测定。每个干燥工艺平行实验3次，每次检测的数据取3次数值的平均值。

表1 酸辣猪肉干热风干燥实验参数值Table 1 The hot air drying experimental parameters of hot and sour pork jerky

1.4 实验结果测定方法

1.4.1 含水率的测定方法

式中：Xt为t时刻样品的干基含水率，%；mt为t时刻样品的重量，kg；m0为样品的恒重干基重量，kg。

式中：Wt为干燥过程中t时刻湿基含水率；Xt为t时刻样品的干基含水率，%。

1.4.2 水分比(MR)的测定

水分比是指一定干燥条件下物料的剩余水分率，其计算方法如下：

式中：MR为水分比；Xt为干燥过程中某一时刻样品的含水率，%；X0为猪肉的初始含水率，%；Xe为平衡干基含水率，%；由于Xe的值相对于Xt和X0来说比较小，可以忽略不计，因此公式可以简化为:

1.4.3 干燥速率的测定

干燥速率可用下式计算：

式中：DR为干燥速率，kg/(kg·min)；Mt+dt为样品在t+dt时刻的含水率，%；Mt为样品在t时刻的含水率，%。

1.4.4 实验参考数学模型

本实验所采用的数学模型见表2，通过使用如下模型对数据进行拟合，并对比模型决定系数R2(coefficient of determination)、残差平方和(residual sum of squares，RSS)和加权卡方检验系数(reduced Chi-square)[6]，以期找出最适合的模型。

表2 薄层干燥常用的数学模型Table 2 The mathematical models commonly used in thin-layer drying

1.4.5 总酸含量的测定

参照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》，采用酸碱滴定法测定。

1.4.6 感官评价

选取 10 名从事食品研究的专业人员组成评价小组，将待评价的样品统一盛入相同大小的白色瓷盘中并以随机出现的方式对猪肉干产品的风味、色泽、组织形态和口感进行评定。感官评价标准见表3。

表3 酸辣猪肉干感官评分表Table 3 The sensory scoring table of hot and sour pork jerky

1.4.7 色泽

采用色差计对样品进行测定，测定结果用L*(亮度)、a*(红绿)、b*(黄蓝)值表示，每个样品平行测定3次，结果取平均值。

1.5 实验数据处理

2 结果与分析

2.1 酸辣猪肉干薄层热风干燥特性分析

2.1.1 热风温度对酸辣猪肉干热风干燥特性影响

酸辣猪肉干在不同热风温度下(50，65，80，95 ℃)湿基含水率及干燥速率随干燥时间变化的关系曲线见图1。

a.不同热风温度对含水率的影响

b.不同热风温度对干燥速率的影响

由图1中a可知，随着干燥温度的增加，肉干达到目标含水率所需要的干燥时间越短。在热风风速为2 m/s、干燥温度为65 ℃的条件下达到干燥终点所需时间为121 min，比50 ℃的干燥时间显著缩短了80 min。进一步来说，温度越高，干燥时间的差异减小。这是因为干燥温度升高会使肉干的表面水分迅速蒸发，加快内部水分向表面迁移的速度，使得物料能快速达到目标含水率[10]。此外，高温会使肉干中肌原纤维蛋白对水的束缚能力减小，使其持水能力下降，水分容易被蒸发掉，显著缩短干燥时间[11]。

由图1中b可知，酸辣猪肉干的干燥过程存在降速和恒速两阶段。在干燥前期，热风温度显著影响酸辣猪肉干的热风干燥效果，温度越高，肉干的干燥速率越快，同时干燥速率下降也越快，表现为降速阶段。到干燥后期，由于肉干水分含量偏低，水分蒸发速率变慢，肉干内部水分扩散速率一旦大于或等于表面蒸发速率，会出现恒速干燥阶段，并且干燥时间越长，水分表面及内部的传质效率越低，恒速干燥阶段显著延长[12]。

2.1.2 热风风速对酸辣猪肉干干燥特性的影响

当热风温度为65 ℃时，不同风速条件下酸辣猪肉干的干燥特性曲线见图2。

a.不同热风风速对含水率的影响

b.不同热风风速对干燥速率的影响

由图2中a可知，肉干水分含量下降速度随着热风风速的提高而加快，干燥时间变短，说明风速对干燥特性有显著影响。风速较高时，肉干表面空气流速增强，对流传质效率提高，表层水分得以快速蒸发，干燥到终点所需的时间缩短。而当风速降低时，肉干表面蒸发速率降低，表面产生的水汽形成一层饱和湿空气膜，阻碍了肉干内部水分扩散，使得干燥进行缓慢，干燥时间延长[13]。不同风速下干燥速率随干基含水率及干燥时间的变化曲线图见图2中b。由图2中b可知，酸辣猪肉干干燥速率先下降再恒定。因为前期肉干含水量大，热风去除大量水分，风速越高，水分去除越多，随着水分不断减少，肉干的水分扩散进程受到抑制，使得干燥速率不断降低；后期由于物料中水分多以结合水的形式存在，所以干燥速率趋于稳定[14]。

2.2 酸辣猪肉干热风干燥数学模型的建立

2.2.1 酸辣猪肉干热风干燥最佳模型的建立

采用表2中3种模型对不同干燥条件下酸辣猪肉干的MR随时间t变化的实验数据进行非线性回归拟合，得到各个模型的拟合度，见表4。

此外，核聚变领域的自主创新发展还能带动多领域深度军民融合、装备技术及相关产业群跨越发展，可能在超导材料、等离子体等领域催生出一系列具有自主产权的颠覆性、前沿性高新军民技术。

表4 酸辣猪肉干热风干燥模型拟合度Table 4 The fitting parameter values of hot air drying model for hot and sour pork jerky

由表4可知，Page模型的R2在0.99135～0.99807之间，Henderson and Pabis模型R2在0.84806～0.97546之间，Logarithmic模型R2在0.98918～0.99864之间，3种模型中，只有Page模型的R2值均在0.99以上，且其x2在1.01×10-4～1.07×10-3范围内变化，RSS介于0.00162～0.00908，说明Page模型的拟合精度明显高于其余两个模型，适合用来描述酸辣猪肉干热风干燥过程中物料水分比随干燥时间的变化情况。

Page模型的k和n值是与干燥介质有关的经验常数。由表4可知，k值受温度及风速的影响较为明显，随着温度、风速的升高，k值呈现增强的趋势；n值则无明显规律，且随实验条件变化改变极小，因此，可以认为 n 值是一个常数，取不同条件下所得的 n值的平均值，n=0.74902。

对k和热风温度T及风速W按式(1)进行多项式拟合[15-16]。

k=x+ylnT+zlnW。

(1)

式中：x，y，z为待求多项式系数。

利用Origin 8.5软件求解Page方程中参数k的回归方程，得出:k=0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892。

由此可得到酸辣猪肉干热风干燥的Page模型方程为：

MR=exp[-(0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892)t0.74902]。

(2)

方程(2)中：T为热风温度，℃；W为热风风速，m/s；t为干燥时间，min。

2.2.2 酸辣猪肉干热风干燥动力学模型的验证

为检验所建立的Page模型的准确性，追加建模条件以外的干燥实验进行验证，干燥实验条件为热风温度55 ℃、风速1.5 m/s，拟合结果见图3。

图3 Page模型预测值与实测值水分比MR对比 Fig.3 Comparison of moisture ratio MR between the predicted value and measured value of Page model

由图3可知，追加实验组水分比的实验值和模型预测值之间存在极高的相关性，实测值与预测值之间能够基本吻合，无明显差异，说明该Page模型可准确描述和预测不同热风干燥条件下酸辣猪肉干水分变化规律，为后期优化干燥参数、提高肉干品质提供了科学依据。

2.3 不同热风干燥条件对酸辣猪肉干品质的影响

2.3.1 不同热风温度对酸辣猪肉干总酸含量、感官评价及色泽的影响

不同热风温度对酸辣猪肉干总酸和感官的影响见图4。

图4 热风温度对酸辣猪肉干总酸含量和感官评分的影响Fig.4 Effect of hot air temperature on total acid content and sensory evaluation score of hot and sour pork jerky

由图4可知，肉干的总酸含量随着热风温度的升高呈先上升后下降的趋势，在65 ℃时总酸含量最高，为3.94 g/kg，与85 ℃的总酸含量差异不显著(p>0.05)，50 ℃和95 ℃的总酸含量相对较低，均在3.75 g/kg以下，说明总酸在65 ℃和80 ℃时保留得最好。温度过低或过高都会导致总酸的快速流失。总酸含量的变化对感官评分具有一定影响。50 ℃下的肉干感官得分最低，可以推测是因为长时间低温干燥使总酸含量损失较多，肉干酸辣风味不足。当温度升至65 ℃时，感官评分最高，表明65 ℃下肉干的综合品质最佳，且酸辣风味保留最多，口感最好。

不同热风温度对猪肉干色泽的影响见表5。

表5 热风温度对酸辣猪肉干色泽的影响Table 5 Effect of hot air temperature on the color of hot and sour pork jerky

由表5可知，热风温度在50～80 ℃之间，L*值差异极其显著(p<0.05)，随着温度的升高，肉干的L*值显著降低，温度超过80 ℃，肉干的L*值无显著性差异(p>0.05)。在4个温度下，肉干的a*值无显著性差异(p>0.05)，表明温度对a*值无明显影响；而b*值随着温度的升高而降低，超过80 ℃时，肉干的b*值显著下降(p<0.05)。说明热风温度升高，会使肉干的亮度变暗，黄度变小，可能是由于温度越高，结缔组织中的还原糖和肌肉蛋白的氨基发生美拉德反应引起的非酶褐变程度越高，使得肉干的颜色加深[17]。

在干燥过程中，不仅要考虑到低温长时间干燥所引发的品质劣变，还要避免过高干燥温度对肉干色泽的影响。因此，合理的干燥温度的选择对提高酸辣猪肉干的风味、口感及综合品质意义重大，通过上述分析，选择65 ℃的干燥温度最适宜。

2.3.2 不同热风风速对酸辣猪肉干总酸含量、感官评价及色泽的影响

由图5可知，热风风速对肉干总酸含量和感官评分具有显著影响(p<0.05)。风速为1 m/s和2 m/s时，肉干的总酸含量及感官评分无显著性差异(p>0.05)，均高于较大风速的肉干。特别是在风速为4 m/s时，肉干的总酸含量及感官评分骤降，可能是因为4 m/s的风速能快速带走肉干的水分及溶质，加速了有机酸的分解和挥发损失，且4 m/s的肉干皱缩严重[18]，影响外观得分。

图5 热风风速对酸辣猪肉干总酸含量和感官评价的影响Fig.5 Effect of hot air speed on total acid content and sensory evaluation score of hot and sour pork jerky

由表6可知，风速升高对肉干色泽的影响显著。在风速1～2 m/s时，肉干的L*值及b*值显著降低，a*值显著升高(p<0.05)，当风速升为3 m/s时，肉干的色泽与2 m/s差异不显著(p>0.05)，在4 m/s时，肉干的L*值与b*值相较于其他组最低，a*值也有所降低，可能是过大的热风强度使肉干易发生美拉德反应，引起非酶褐变，并且过强的热风使肉干水分流失大，表面水分很快被蒸发掉，对光的反射能力变弱[19-20]，即感官上亮度变低，色泽发暗。

表6 热风风速对酸辣猪肉干色泽的影响Table 6 Effect of hot air speed on the color of hot and sour pork jerky

综上所述，热风风速显著影响了肉干的总酸含量、色泽，进而影响了肉干的总体感官评分。虽然风速越大，干燥效率越高，但较大的风速显著降低了肉干的品质特性，使肉干的色泽、口感不佳。因此，风速不宜超过3 m/s。

3 结论

通过分析不同的热风干燥温度 (50，65，80，95 ℃)及不同热风速率(1，2，3，4 m/s) 对酸辣猪肉干的干燥特性和品质的影响，得出结论：不同热风温度、热风风速下，酸辣猪肉干的热风干燥曲线呈现基本相同的变化趋势，温度越高、风速越大，水分含量下降越快，并且整个干燥过程分为降速干燥阶段和恒速干燥阶段。通过对3种不同的干燥模型拟合结果分析比较得出，Page模型在任意干燥条件下R2在0.99135～0.99807之间，x2在1.01×10-4～1.07×10-3范围内，RSS介于0.00162～0.00908，拟合精度在3种模型中表现最好，模型表达式具体为MR=exp[-(0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892)t0.74902]。经过验证，该模型可以很好地描述预测不同干燥条件下任意时刻酸辣猪肉干的含水率，为其工业化生产中降低能耗、工艺优化和保证产品质量提供了理论基础。

不同干燥温度和风速对酸辣猪肉干品质的影响结果表明，热风温度过低和风速过高都不利于肉干总酸含量的保留，总酸流失多，酸辣风味不足，感官评分随之降低。此外，热风条件显著影响肉干的色泽，温度越高、风速越大，肉干色泽越暗。因此，为了得到综合品质较好的酸辣猪肉干，热风温度选择65 ℃为宜，热风风速应控制在1～3 m/s。