水产百科

二、对虾真空热风干燥

2023-02-19

真空热风干燥时物料中的水分在低温下就能汽化,适合南美白对虾等热敏 性物料的干燥,同时能提高干燥速率,缩短干燥时间,降低设备运转费用。此 外,南美白对虾水分含量高、营养丰富、味道鲜美、易腐败,真空干燥介质的 含氧量低,能有效地杀灭嗜氧性细菌和某些有害微生物,并减少氧化作用,从 而能有效保证南美白对虾干制品的品质。目前,真空干燥技术在对虾的加工方 面应用较少,因此加强对对虾的真空干燥研究尤为重要。

江南大学过世东教授采用VACUCELL55型真空干燥箱研究了南美白对虾 的真空热风干燥特性,建立了真空热风干燥模型,并对其干制品品质进行了 分析。

(一) 南美白对虾真空热风干燥工艺流程

(二) 南美白对虾真空热风干燥特性

1. 南美白对虾真空热风干燥曲线和干燥速率曲线及其干燥特性分析

设定干燥终点含水率为30%。从图2-2-3 (1)、图2-2-4 (1) 和图 2-2-5 (1) 的干燥曲线可以看出,随着时间的延长,样品含水率逐渐下降。 在真空干燥初期,当内部温度与湿度均匀的白对虾进入干燥室时,内外形成了 很大的压力梯度,在此压力梯度推动下,对虾样品表面层的水分开始蒸发,并 以蒸汽的形式扩散进入介质中,物料的含水量及其表面温度均随时间而变化, 温度由初始温度升高至与空气的湿球温度相等的温度。从图2-2-3 (2)、图 2-2-4 (2) 和图2-2-5 (2) 的干燥速率曲线可以看出,初始干燥阶段表 现出短暂的预热过程,干燥速率几乎均呈线性快速增长,差不多都在1h内进 入恒速干燥阶段。

由图2-2-3、图2-2-4和图2-2-5可知,白对虾干燥具有典型的恒 速干燥阶段。当干燥速率由零迅速增至最高值后,干燥速率基本保持不变,即 物料表面水分蒸发速度基本等于内部水分扩散速度,白对虾肌肉表面水分被热 空气带走后,浅表层和内部细胞之间的非结合水快速传递到表面,加入的热量 作为汽化潜热和各项热损失。与初始干燥阶段相比,恒速干燥速率要略高,并 随着温度的升高,这种趋势更明显。随着真空干燥温度和真空度的提高,恒温干燥阶段时间缩短。这主要是因为处于恒速干燥阶段的白对虾,物料表面保持 湿润,干燥的快慢取决于表面水分的汽化速率,而表面汽化速率又与温度、外 界压强有关,温度越高,干燥越快; 压强越低,水分的汽化速率越高。汽化的 蒸汽由真空系统不断地排出,保持蒸发表面与空气的压力差,使干燥持续进行 到终点。

图2-2-3 40℃时干燥曲线 (1) 和干燥速率曲线 (2)

图2-2-4 50℃时干燥曲线 (1) 和干燥速率曲线 (2)

图2-2-5 60℃时干燥曲线 (1) 和干燥速率曲线 (2)

南美白对虾的含水率随着干燥时间的延长,接近直线下降。温度和真空度 两个因素的改变,导致不同的干燥速率。

2. 温度对南美白对虾真空热风干燥特性的影响

从图2-2-3、图2-2-4和图2-2-5可看出,温度对南美白对虾干燥 速度的影响很大,温度越高,干燥越快。从干燥速率上来看,当白对虾干燥处 于恒速干燥阶段时,在40℃、50℃、60℃干燥条件下,干燥速率分别为 11.67%/h、7.86%/h和7.20%/h,50℃、60℃干燥速率相差相对较小。

3. 真空度对南美白对虾真空热风干燥特性的影响

对干燥曲线和干燥速率曲线进行比较,可以发现图2-2-3、图2-2-4 和图2-2-5中不同曲线的斜率明显不同。当比较相同时间段所对应干燥曲线 的切线斜率时,很容易发现0.09MPa的曲线斜率最大,恒速干燥阶段干燥速 率最大,随着真空度的降低,干燥曲线斜率和干燥速率都会下降。这说明在干 燥温度一定时,白对虾的干燥速度明显受干燥真空度的影响,真空度越高,干 燥越快; 相反,真空度越低,干燥越慢。

(三) 南美白对虾真空热风干燥数学模型的建立

干燥数学模型对干燥过程的优化和控制具有重要的意义,人们一直希望通 过干燥理论的研究建立干燥的模型,以期更好地控制生产过程。表2-2-3为 常见的用于描述农产品物料薄层干燥的数学模型。Lewis模型是描述农产品物 料薄层干燥的最简单的模型,这种模型考虑了物料表面边界层对水分运动的阻 力。Page模型用了两个常数来描述物料的薄层干燥,可以用于描述多种物料 的薄层干燥特性。Henderson-Pabis模型也用了两个常数来反映物料的薄层干 燥。为了确定能够较好地描述白对虾真空干燥动力学的数学模型,需要对各模 型进行线性化处理,得到线性化处理后的数学模型。

表2-2-3 描述干燥曲线的常见数学模型

模型编号 模型名称 模型* 线性化处理后的数学模型
A

B

C

D

Lewis

Page

Henderson-Pabis

Modified-Page

MR=exp(-kt)

MR=exp(-ktn)

MR=a exp(-kt)

MR=exp[(-kt)n]

-lnMR=kt

-ln[-ln(MR)]=lnk+nlnt

-lnMR=-lna+kt

-ln[-ln(MR)]=nlnk+nlnt

注:*模型中,t——时间: a、k、n——待定系数。

南美白对虾真空热风干燥条件下MR-t、[-ln (MR)]-t和ln[-ln (MR)]-lnt关系图分别见图2-2-6、图2-2-7和图2-2-8。

图2-2-6 真空热风干操条件下MR-t关系图

图2-2-7 真空热风干操条件下 [-ln(MR)] -t关系图

图2-2-8 真空热风干操条件下ln[-ln (MR)] -lnt关系图

为了建立白对虾的最佳真空干燥模型,分别建立MR-t、lnMR-t和 ln [-ln(MR)]-lnt之间的关系。比较图2-2-6、图2-2-7和图2-2-8 中的曲线,发现图2-2-8中的曲线更呈线性关系,这说明模型A和C (即 Lewis模型、Henderson-Pabis模型) 均不适合作为本实验条件下的目标模型, 而模型B (Page) 和D (Modified-Page) 则适合用来描述白对虾真空干燥动 力学规律。为了进一步探明模型对白对虾真空干燥的适用性,确定在40~ 60℃的温度下的模型系数,采用SAS回归软件对图2-2-8中的数据进行回归 分析和模型拟合的方差分析,可以得出各种条件下模型B和D的待定系数、R 和F值,结果见表2-2-4。

表2-2-4 真空干燥数学模型的待定系数和评价指标

参数和评价

指标

模型B 模型D
40℃ 50℃ 60℃ 40℃ 50℃ 60℃
k

n

R

F

0.0758

1.42

0.99

1339.37

0.102

1.35

0.99

814.20

0.246

1. 16

0.97

332.86

0. 162

1.42

0.99

1339.37

0. 185

1.35

0.99

814.20

0.297

1.16

0.97

332.86

如表2-2-4所示,随着温度的变化,系数k相差较大而系数n相对波动 较小,且各曲线几乎平行,即斜率变化较小,但截距 (lnk) 随干燥温度的变 化而变化。根据图形的特点,可以设定:lnk=m+jT。对表中的数据进行回归 分析,可以分别计算出模型B的系数m和系数j为: -5.029和0.0588; 模型 D的系数m和系数j为: -3.099和0.0305; 模型系数n为1.306; 模型B和 模型D的复相关系数均较高,方差分析结果均达极显著水平,说明变量之间 的线性关系密切,所得到的回归模型的拟合程度高,回归效果显著。因此白对 虾的真空干燥模型为:

MR=exp[-exp (-5.029+0.0588T) ·t1.306]

式中 T——热力学温度 (K);

t——干燥时间 (h)。

为了验证模型的可行性,以 白对虾在真空干燥温度40℃和真 空度0.08MPa下干燥为例,将实 验值同根据模型进行预测的数据进 行比较,结果见图2-2-9。研究 发现,实验值同预测值拟合良好, 说明该模型可以用来预测白对虾的 真空干燥条件下的动力学变化 规律。

图2-2-9 实验值与预测值的比较

(四) 温度和真空度对南美白对虾质构和复原率的影响

如图2-2-10、图2-2-11和图2-2-12所示,在相同真空度下,50℃ 干燥的肌肉硬度绝对差最低,弹性和复原性相对较好。干燥过程是气、固两相 的热、质同时传递过程,尤其对于水产类的干燥,选择合适的温度对于水产品 的干燥至关重要。干燥温度较低时,则干燥所需的时间较长,而当温度提高 后,相应干燥时间会随之缩短。在白对虾干燥过程中,因含水量高,虾肉肌纤 维比较细,组织柔软且蛋白质含量又高,进行长时间或高温干燥都会使得肌纤 维逐渐收缩和紧密连接,阻碍了水分的蒸发,造成组织结构变差; 如果温度过 高时,还会造成物料内部发生不可逆转的轻微破坏和错位,导致部分细胞完整 性丧失,从而降低亲水性能,使得肌肉过硬、弹性和复水性下降。

如图2-2-13、图2-2-14和图2-2-15所示,在50℃下,随着真空 度的增加,硬度绝对差呈下降趋势,而弹性和复原率呈相反趋势。当真空度增 加时,水分蒸发速度明显加快,使得白对虾在相对较短的时间内到达干燥终 点,即缩短了白对虾与热接触时间,减少对肌肉的热损伤,从而保持相对较好 的组织结构; 真空度较低时,水分蒸发速率较慢,所需的干燥时间较长,造成 肌肉组织紧缩,组织状态变硬,复原率、弹性变差。

图2-2-10 温度对硬度绝对差的影响

图2-2-11 温度对复原率的影响

图2-2-12 温度对弹性的影响

图2-2-13 真空度对硬度绝对差的影响

图2-2-14 真空度对复原率的影响

图2-2-15 真空度对弹性的影响

注: 真空干燥温度为50℃,产品干燥终点含水率为30%。