海带晾晒干燥特性及干燥模型研究

郭赛飞，周 荣，沈 建，欧阳杰,马田田，白 贞

(1上海海洋大学食品学院，上海 201306；2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

海带(Laminariajaponica)是常见的水产品之一，在中国北部沿海及浙闽沿海均有大量养殖，2019年全国海带养殖产量达到162万t[1]。海带含有大量功能活性物质，如多糖、甘露醇、褐藻胶等，具有抗氧化、抗肿瘤、促进骨骼再生、降低神经功能及肾功能损伤等功效[2-6]，在海带深加工领域有着良好的应用前景。海带的收获具有极强的季节性，南方的收获期在4、5月，通常比北方早2～3个月[7-8]。在收获期时，由于收获量很大，同时收获的海带含水率较高(湿基含水率90%左右)，为了防止海带腐败变质，需及时对海带进行干燥处理，将海带水分降至安全储藏水分含量后(湿基含水率18%以下)再入仓储藏。

含水率的高低是衡量海带干燥后品质的重要指标之一[9]，目前海带干燥方式有晾晒干燥、热风干燥、过热蒸汽干燥、真空冷冻干燥等。晾晒干燥作为传统的干燥手段之一，对设备的要求比较低，是最经济的干燥手段，亚洲、非洲、太平洋沿岸的地区多采用此方法来干制水产品[10]。但在晾晒干燥过程中存在着天气变化影响大、干燥不完全、平均干燥效率低的情况[11]。热泵干燥属于热风干燥的一种，相比于传统的燃煤、燃气、燃油设备，其节能40%以上，目前在各个领域研究应用较多，且烘干产品质量较好[12]。将晾晒干燥与热泵干燥相结合，可使海带更快更节能地达到干燥终点。海带的晾晒干燥进程决定了是否要进行热泵干燥，所以需要建立相应的海带晾晒干燥含水率预测模型。国内外已针对坚果、水果等的干燥建立了大量的水分干燥模型。胡自成等[13]通过双蒸发器常闭式热泵对海带结进行干燥，结果发现可用Page模型预测海带结常闭式热泵干燥过程中水分比随时间变化的规律。Mbegbu等[14]研究了不同温度下香料和柠檬罗勒叶的干燥动力学特性，通过拟合发现，Logarithmic模型和Two term模型分别为香料和柠檬罗勒叶的最佳干燥模型。刘英娜等[15]对风干板栗干燥过程中的水分变化进行拟合，发现Page模型为最优模型。

本研究预试验表明，相同条件下，海带越厚，到达干燥终点(湿基含水率18%以下)的时间越长，当海带根部部位到达干燥终点时，海带整体即达到干燥终点，故测定海带根部部位在不同天气情况下湿基含水率、总多糖、甘露醇和褐藻胶含量的变化，并利用现有干燥模型对其干燥过程中水分比随时间的变化进行拟合，计算相应水分干燥模型参数，以确定海带的晾晒干燥进程变化规律和海带部分功能活性物质的变化，为海带热泵干燥工艺研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用山东省荣成市成熟期(6～7月)无病变新鲜海带。试验海带大小一致，长度在140～150 cm之间，宽度在40～45 cm之间，采收后立即运输至上海实验室，于暂存池中暂存。暂存条件：28%盐度的水，24℃外界温度。暂存时间：12 h。

1.2 试验试剂

硫酸、高碘酸、硫代硫酸钠、碘化钾、淀粉、碳酸钠、盐酸、氢氧化钠、95%乙醇均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；总多糖试剂盒，上海酶联生物科技有限公司。

1.3 试验设备

测定装置：BPG-9056A精密鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；SpectraMax i3多功能酶标仪，美国美谷分子仪器公司；VS-15000CFNⅡ高速冷冻离心机，上海民仪电子有限公司；DK-S22电热恒温水浴锅，上海精宏实验设备有限公司；XS-105梅特勒电子天平，梅特勒-托利多国际贸易有限公司。

晾晒装置：130 cm×160 cm的定制铁架，平铺放置于屋顶；记录装置：RS-WS-N01-SMG-4数码管王字壳485型温湿度变送器，RS-GZ-N01-2-20000光照度变送器，RS-FSJT-N01聚碳风速传感器，RS-WIFI-MWIFI型集中器，山东仁科测控技术有限公司。

1.4 试验方法

试验于6～7月在实验室进行，前期试验表明当光照度在30 000 Lx以下或湿度在70%以上时，干燥速率较低。故选择初始光照强度大于30 000 Lx且湿度小于70%的天气，将海带展平平铺于屋顶定制的铁架上，并使用传感器每隔1 min记录一次温度、湿度、光照度、风速，试验期间每隔1 h剪取80 mm×5 mm海带根部部位，测定其湿基含水率，同时将海带翻晒，直至海带达到干燥终点或光照度小于30 000 Lx或湿度大于70%时停止晾晒。分别在试验开始前和晾晒结束后测定其总多糖、甘露醇和褐藻胶含量。海带编号、晾晒期间平均温度、平均湿度、平均光照度、平均风速和海带根部初始厚度如表1。

表1 海带编号及晾晒期间天气条件

1.5 相关指标测定方法

1.5.1 含水率

参照方法GB 5009.3—2016[16]计算海带干基含水率和湿基含水率，干基含水率计算公式为：

(1)

式中：Wt为干燥时间t时海带干基含水率/%；Mt为干燥时间t时海带的质量/g；MG为海带干物质质量/g。

湿基含水率计算公式为：

(2)

式中：Xt为干燥时间t时海带湿基含水率/%，如无特殊说明，下文中含水率均指湿基含水率。

1.5.2 水分比

水分比MR计算公式[17]为：

(3)

式中：W0为海带的初始干基含水率；We为物料干燥平衡干基含水率，由于平衡干基含水量We远小于Wt和W0，因此上述公式可简化[18]为：

(4)

1.5.3 干燥速率

干燥速率Vi计算公式[19]为：

(5)

式中：Vi为干燥时间i时刻海带干燥速率，%/h；ωi为i时刻海带水分质量分数，%；ωt为t时刻海带水分质量分数，%。在本研究中以海带开始晾晒的时间作为初始时间，计算每晾晒1 h干燥速率的数值，即t-i=1 h。

1.5.4 部分功能活性物质的测定

总多糖采用苯酚-硫酸法[20]，甘露醇采用过碘酸盐氧化法[21]，褐藻胶采用重量法[22]。

1.6 干燥数学模型的选择与建立

为了准确地描述海带自然晾晒下水分散失情况，选择6种常见的干燥数学模型对海带晾晒干燥进行数据拟合[23-26]，如表2,并引用决定系数R2，均方根误差RMSE来评价预测值与实验值的拟合程度，R2越大，RMSE越小，模型的拟合程度越好，数据采用Spss26，Excel2016进行处理。决定系数R2，均方根误差RMSE公式如下：

表2 常用薄层干燥模型

(6)

(7)

2 结果与讨论

2.1 海带晾晒干燥特性分析

结合图1、表1，不同的新鲜海带根部厚度不同，但初始含水率相近，均在88%～92%之间。由图1可知，样品1A、2A、3A、4A、6A、7A经晾晒干燥后海带含水率能够达到干燥终点，最快为6 h，而样品5A在晾晒干燥的末期，由于光照强度下降到30 000 Lx以下，停止晾晒，未达到干燥终点。根据图3、图4，样品1A～7A的晾晒期间的温度变化和风速变化相对较小，光照度和湿度变化相对较大。对比样品3A和7A，样品3A根部厚度大于样品7A厚度，在平均温度、平均风速变化不大的情况下，晾晒期间样品3A平均光照度高、平均湿度小，达到干燥终点的时间短，降低干燥期间的平均湿度可提高干燥效率[27-28]。

图1 不同天气条件下海带含水率随晾晒时间的变化

图2 不同天气条件下海带干燥速率随晾晒时间的变化

图3 海带晾晒期间每隔1 h平均温度、平均湿度的变化

图4 海带晾晒期间每隔1 h平均风速、平均光照度的变化

晾晒干燥过程主要分为调整阶段、快速降水阶段和慢速降水阶段。由图2可知，海带晾晒干燥过程先为升速阶段，再为降速阶段，不同的外界天气条件下干燥速率达到最高值的时间不同。在晾晒干燥的前期，海带的含水率下降较慢，这可能是由于海带本身温度较低，水分子吸收不到充足的热量蒸发，随着太阳晾晒时间的增加，海带自身温度提高，海带表面水分逐渐蒸发，海带内部压力梯度增大，内部水分更快地向外部迁移[29]，干燥速率变大。在干燥末期，海带内外部水分梯度逐渐趋于平衡，故干燥速率变小。

2.2 海带晾晒前后部分功能活性物质含量的变化

总多糖、甘露醇、褐藻胶是海带中重要的功能活性物质，以干重计，海带晾晒干燥前后总多糖、甘露醇、褐藻胶含量变化如表3所示。由表3，虽然海带1A～7A来自同一海域，但初始总多糖含量、甘露醇含量、褐藻胶的含量也存在着不同程度的差异[30]，这可能与采摘海带的季节变化以及海带的生长时间有关[31-32]。受环境中的微生物和阳光中的紫外线强度高低等的影响[33]，经过长时间的晾晒会对海带中的功能活性物质造成不同程度的损害，其中总多糖含量下降较为明显，褐藻胶其次，甘露醇变化较小。

表3 海带晾晒前后总多糖、甘露醇、褐藻胶含量的变化(g/100 g)

2.3 海带数学干燥模型的建立与验证

2.3.1 海带数学干燥模型的建立

海带的晾晒干燥外界天气条件一直在变化，为了准确描述随时间的变化在不同的外界条件下模型参数的变化情况，选择从开始晾晒的时间到晾晒4、5、6、7、8 h的平均温度、平均湿度、平均光照强度、平均风速分别作为外界条件，根据4、5、6、7、8 h海带干基含水率的变化分别推出水分比MR随干燥时间t的变化，使用常见的薄层干燥模型对水分比MR和时间t进行数据拟合分别推出在这些外界条件下模型对应的参数值及决定系数R2和均方根误差RMSE，选择拟合度最好的模型，再通过Spss做线性回归推出模型参数与平均温度、平均湿度、平均光照度、平均风速、初始厚度的关系。薄层干燥模型分析统计结果见表4，模型拟合程度见表5。

表4 薄层干燥分析统计结果

(续表)

表5 模型拟合结果

根据表5可得到Page模型的R2是0.990，为6种模型R2的最高值，RMSE是0.022 4，为6种模型RMSE的最低值，说明Page模型最能适合描述海带在自然晾晒过程中水分比MR与时间t的变化关系，由表4可推出Page参数k、n与温度(W)、湿度(S)、光照度(G)、风速(F)和厚度(H)的关系:

k=-1.26+0.024W+0.778S+0.000002576G+0.526F+0.012H(R2=0.974)

n=6.25-0.068W-3.458S-0.00000002373G+0.513F-0.260H(R2=0.935)

2.3.2 海带数学干燥模型的验证

从为了确保模型的适用性，挑选建模外的一组数据进行验证，统计所选日期从开始晾晒到晾晒1、2、3、4、5、6、7 h的平均温度、平均湿度、平均光照强度、平均风速，初始厚度代入上式可推出相应的k和n值，即可得到相应的水分比MR的模拟值，再由海带的初始含水率可分别得到干燥1、2、3、4、5、6、7 h含水率的模拟值。海带含水率随晾晒干燥时间的变化如图3，MR的模拟值与实测值的差异见表6，由图5可见，MR的模拟值和实测值拟合度较高，Person相关系数为0.995，二者显著相关(P<0.05)，说明该预测模型对自然晾晒下海带含水率变化的预测是可信的。

表6 MR的模拟值与实测值比较

图5 MR的模拟值和实测值

3 结论

目前，国内外对海带的干燥研究主要集中在热风干燥和设备方面，对海带晾晒干燥的研究还未见报道，本研究通过晾晒的方式来干燥新鲜海带，不同天气条件下晾晒相同时间含水率变化差异较大，其干燥速率经历加速和降速两个阶段。同一海域的海带初始总多糖、褐藻胶和甘露醇含量有较大差别，经过长时间的晾晒，到达干燥终点时，海带总多糖含量下降最多，褐藻胶其次，甘露醇下降最小。针对不断变化的外界环境，选用6种常用的干燥模型进行拟合，根据决定系数R2，均方根误差RMSE推出Page模型为最优解，对数据进行拟合回归得到Page模型参数关于平均温度、平均湿度、平均光照强度、平均风速及初始厚度的数学表达式，根据表达式验证发现，模拟值和实测值吻合较好，表明Page模型能够较好地描述新鲜海带在自然晾晒过程中的水分变化规律。

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