牡蠣微波干燥特性及動力學研究

余 煉，顏棟美*，侯金東

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

牡蠣微波干燥特性及動力學研究

余 煉，顏棟美*，侯金東

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

測定不同微波強度下牡蠣干燥水分曲線及失水速率曲線，考察不同微波強度對牡蠣干制品的復水增重率、收縮率、色差等品質方面的影響。結果表明：增大微波干燥強度可提高干燥速率，縮短干燥時間。在實驗條件下，采用中等強度的微波干燥(如5、8W/g)，牡蠣微波干燥時間在3.5～30min范圍內。牡蠣品質較好。用Page方程建立的牡蠣微波干燥模型，與實驗測定值的擬合度較高。

牡蠣；微波干燥；動力學

牡蠣營養豐富、滋味鮮美。有關牡蠣的研究目前主要集中在牡蠣的養殖、牡蠣殼的利用、牡蠣入藥、牡蠣生鮮加工及營養成分的分析等方面，對牡蠣干制工藝的研究較少，目前未見有采用微波干燥牡蠣的相關文獻報道。

近年來，對各種食品的微波干燥特性研究均取得較好的效果。研究顯示，微波干燥強度越高，失水速率越大，干燥時間越短。林向陽等[1]對茶葉微波干燥的研究表明干燥時間隨著微波干燥功率的增大而明顯縮短。段振華等[2]的研究表明，提高微波功率會大大加快羅非魚片的脫水速率。胡慶國等[3]對真空微波干燥金針菇進行了研究，得出隨著微波功率的增大，脫水速率隨之增大的結論。余文勝等[4]對茭白微波干燥特性進行了研究，結論是微波發射功率及裝載量對微波特性影響顯著。任廣躍等[5]對懷山藥的微波實驗研究顯示，單位質量微波功率越高，進入恒速干燥階段越快。Heredia等[6]對櫻桃番茄干燥方法的研究表明，傳統熱風干燥會嚴重破壞產品風味、色澤和營養，降低干制品的復水性，尤其對番茄紅素的影響更大，而微波干燥對干制品色澤影響不大。

傳統的牡蠣干燥一般采用自然風干或氣流干燥的方式，干燥時間長、制品收縮嚴重、色澤較深。相對傳統的氣流干燥而言，在生產量相同的前提下，微波干燥所需投資額相對較高，但干燥時間大幅度縮短，且其能量消耗比氣流干燥要低，與冷凍干燥相比，微波干燥所消耗能量及所需投資相對較低。

本實驗考察不同微波強度的干燥特性及對牡蠣干制品的復水增重率、收縮率、色差等品質方面的影響，并利用Page方程建立不同微波強度下的牡蠣微波干燥模型，旨在為牡蠣的微波干燥工藝控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

牡蠣購于南寧市農貿市場，去殼、清洗干凈后瀝干水分待用。選取外形大小相似的鮮樣做實驗。

1.2 儀器與設備

EM-3010EB1型微波爐 合肥榮事達三洋電器股份有限公司；CM-3600d分光光度計 日本Minolta公司。

1.3 方法

1.3.1 牡蠣鮮樣初始含水率的測定

取處理好的牡蠣鮮樣按GB 5009.3—2010《食品安全國家標準 食品中水分的測定》的直接干燥法進行操作，實驗重復3次，取其平均值。經測定，牡蠣鮮樣平均初始含水率為82.41%。

1.3.2 微波干燥曲線的測定

通過調節微波功率和控制干燥進料量的大小，可得到微波強度，亦稱單位質量發射功率[8]。將處理好的牡蠣均勻平鋪在玻璃皿上，放入微波爐中，分別按不同的微波強度2、3、4、5、6、8、10W/g，及變功率干燥模式一(6W/g(3min)→4W/g(3min)→2W/g(7min))和變功率干燥模式二(5W/g(4min)→3W/g(5min)→2W/g(7.5min))進行干燥，直至其干基含水率達17%時停止干燥。干燥過程中定時測量牡蠣的質量變化，每個微波強度及變功率干燥模式實驗均重復3次，取其平均值，計算干基含水率及失水速率，作出牡蠣微波干燥曲線及失水速率曲線。干基含水率和失水速率可通過式(1)及式(2)計算。

式中：mt為干燥t時刻牡蠣質量/g；mo為牡蠣絕干質量/g。

式中：Δm為相鄰兩次測量的牡蠣失水質量之差/g；Δto為相鄰兩次測量的時間間隔/min。

1.3.3 微波干燥牡蠣復水增重率的測定

分別稱取不同功率牡蠣微波干燥牡蠣，放入100℃水浴鍋中復水。樣品每隔4min取出瀝干，測定質量，直至40min結束復水。計算復水增重率，每個微波強度及變功率干燥模式所得樣品實驗均重復3次，取其平均值，繪制牡蠣復水增重率曲線。復水增重率可通過式(3)計算。

式中：m1為t時刻時測得的牡蠣復水后瀝干質量/g；m2為牡蠣干制品質量/g。

1.3.4 微波干燥牡蠣收縮率的測定

由于牡蠣干制品容易吸水，因此不能采用浮力法進行體積測定。本實驗采用置換法進行牡蠣干燥前后體積的測定，置換介質是海砂。每個微波強度及變功率干燥模式重復3次，取其平均值計算收縮率。收縮率按式(4)計算。

式中 ：Vi為干燥后的牡蠣體積/mL；Vo是干燥前的牡蠣體積/mL。

1.3.5 顏色測定

使用CM-3600d分光光度計測定新鮮牡蠣及經微波干燥后牡蠣樣品的顏色。顏色測定結果用L*、a*、b* 3個參數表示，每一個微波干燥功率取3個樣品，對每個樣品不同部位進行3次平行測定，取其平均值。

1.4 數據分析

采用Excel軟件進行數據處理，微波干燥動力學模型采用Page方程及Matlab軟件進行統計分析及擬合。

2 結果與分析

2.1 微波強度對牡蠣干燥特性的影響

牡蠣分別在2、3、4、5、6、8、1 0 W/g的微波強度條件下干燥，至干燥結束使其干基含水率為17%。測定其干燥過程中的水分變化，計算干基含水率及失水速率的變化情況，繪制牡蠣干燥曲線及失水速率曲線，如圖1、2所示。

圖1 不同微波強度下牡蠣的干燥曲線Fig.1 Water content curves of oyster during the drying process at various microwave intensities

由圖1牡蠣干燥曲線變化可知，隨著干燥時間的延長，牡蠣水分含量逐漸降低，干燥曲線基本上呈現“S”型。微波強度的高低對牡蠣干燥有顯著的影響：微波強度越大，牡蠣內部水分子吸收的能量越多，導致水分迅速汽化，水分降低加快，干燥時間縮短，其干燥曲線的斜率變大。微波強度為2W/g時所需干燥時間約為30min，而微波強度為10W/g時所需干燥時間僅為3.5min，增大干燥強度可縮短干燥時間。謝國山等[7]采用冷凍干燥牡蠣的工藝表明，牡蠣凍干時間達5h以上，由此可見，微波干燥可大幅度縮短干燥時間。

圖2 不同微波強度下牡蠣的失水速率曲線Fig.2 Dehydration rate curves of oyster under various microwave intensities

由圖2牡蠣失水速率變化可知，牡蠣微波干燥速率與傳統干燥速率相似，可分為初始段、恒速段、降速段。初始段干燥速率逐漸上升，微波強度越大，干燥速率上升越快，到達恒速段所需的時間也迅速縮短。干燥速率上升到最高點，進入恒速段，微波強度的上升導致失水速率的大幅度提高，微波強度為10W/g的失水速率比2W/g提高了將近7倍；另外，微波強度越大，牡蠣內部水分子吸收的微波能越多，升溫越快，內部水分汽化速度加快[8]，內部水分擴散速率超過表面水分蒸發速率，導致恒速段時間縮短，快速進入降速段；恒速段去除的水分約占總去除水分的70%左右。進入到降速段，由于大量水分在恒速段被去除，物料水分含量大大降低，牡蠣對微波吸收能力下降，失水速率也隨之降低，微波強度越小，降速段所需干燥時間越長。

2.2 變功率微波干燥模式對牡蠣干燥特性的影響

微波進入降速段，水分的減少及組織收縮、內部結構致密，水分向外擴散變得困難。采用高強度微波干燥(如10、8、6W/g)可縮短干燥時間，但當大部分水分被移走時樣品的電介性能發生改變，導致降速期溫度急劇上升，產品易發生碳化現象。采用低功率干燥(如2、3W/g)可避免焦化現象的出現，但耗時較長[6]。因此，根據水分及組織結構的變化適時調整微波功率，前期恒速段采用較高的微波強度，后期降速段微波強度呈兩級下降，可在縮短牡蠣微波干燥時間的同時保護牡蠣干制品的品質。圖3、4為兩種模式的干燥水分曲線圖及失水速率圖。

圖3 牡蠣變功率模式下微波干燥曲線Fig.3 Water content curves of oyster under fluctuant microwave intensity

圖4 牡蠣變功率模式下微波干燥失水速率曲線Fig.4 Dehydration rate curves of oyster under fluctuant microwave intensity

由圖1、3可知，單獨采用4W/g的微波干燥強度需要25min，而采用模式一僅需13min，采用模式二需要16.5min，因此，采用變功率干燥與單純采用較低干燥功率(4、3W/g等)相比，在避免溫度過高的同時，可顯著縮短微波干燥的時間。由圖4可知，降速段降低微波干燥強度，樣品水分子吸收的微波能減少，失水速率降低，可防止高溫對產品的破壞，以達到改善干燥效果，提高產品質量的目的。

2.3 微波干燥對牡蠣性質的影響

2.3.1 復水增重率

圖5 不同微波強度及變功率模式下干燥牡蠣的復水增重率曲線Fig.5 Rehydration rate curves of oyster under various microwave intensities

由圖5可知，微波強度為5W/g的樣品復水增重率最高，達到1.11；其次是8W/g的樣品復水增重率為0.9；3、4、6W/g及變功率模式一的樣品復水增重率在0.74～0.80之間；10W/g及變功率模式二的樣品復水增重率為0.64；2W/g的樣品復水增重率最低，只有0.53。2W/g微波干燥時間較長，約為32min，過長的微波干燥時間有可能使細胞和結構發生較大的變化，導致復水增重率的降低。10W/g微波干燥強度較大，雖然干燥時間較短，但高強度導致過高的溫度有可能使蛋白質變性，從而造成復水增重率的降低。因此，過高的微波強度和過長的微波時間均不利于牡蠣的復水。前期(8min以內)牡蠣復水速度較快，后期牡蠣復水速度較慢，由此可知，復水時間無需太長，以20min為好。

2.3.2 收縮率

圖6 不同微波強度及功率模式下干燥牡蠣的收縮率Fig.6 Shrinkage rate of oyster under various microwave intensities

由圖6可知，微波干燥牡蠣的收縮率在61.47%～67.49%之間，收縮率均較小。微波加熱時，物料內部的濕度梯度和溫度梯度方向一致，內部水分迅速向外擴散，干燥速度較快；干燥后期，牡蠣內部的水分減少，黏稠度增加，且牡蠣屬于高蛋白物質，內部產生的水蒸氣被蛋白質包裹，產生一定的發泡膨化現象，因此微波干燥牡蠣的形變較小，外型飽滿。不同微波干燥強度牡蠣收縮率的差別可能是由于牡蠣個體結構的差異性及加熱時間的長短、加熱溫度的高低等因素共同作用的結果。

2.3.3 顏色

干燥產品的色澤也是品質評價的重要指標之一。由表1可知，牡蠣鮮樣色澤偏白，而微波干燥牡蠣干品色澤偏向紅色和黃色?？傮w來說，各個干燥樣品顏色差別不大，微波強度為8、5、4W/g的干燥牡蠣顏色較明亮，2、10W/g的樣品顏色較黑，尤其是10W/g的樣品呈黃褐色。楊金英等[9]的研究顯示春筍筍干的色澤隨著微波干燥時間的增長和微波干燥功率的上升而下降；Figiel[10]采用微波真空干燥片狀大蒜的結果也顯示，較低的微波干燥強度所得大蒜干品顏色較黑，這表明過長的微波干燥時間和過高的微波干燥強度對干制品顏色都有不利影響。

表1 牡蠣干制品的色澤參數Table 1 Color parameters of dried oyster

2.4 牡蠣微波干燥的動力學模型

許多學者對農業物料的微波干燥數學模型進行了研究，如黃艷等[11]采用Page方程擬合銀耳微波真空干燥模型，得到的預測曲線與實際值基本符合； Li Zhenfeng等[12]建立了蘋果片微波功率與水分含量的高斯模型；楊毅等[13]采用Lewis、Page、Henderson和Wang等4種方程擬合羅非魚片真空微波干燥模型，結論是Page方程較為合適；焦愛權等[14]建立了微波熱風干燥方便米飯的脫水Page模型；Ozkan等[15]同樣也采用Page方程對菠菜微波干燥模型進行了擬合； Dadali等[16]采用Lewis、Page、Henderson & Dabis、Logarithmic等方程擬合秋葵微波干燥模型，他們均認為Page模型與實測值最匹配。這些研究表明，Page模型較適合描述薄層干燥過程，因此，本實驗采用Page方程進行牡蠣微波干燥動力學的初步研究。

式中：MR為水分比；ct是t時刻物料干基含水量/%；ce是物料平衡干基含水量/%；c0是物料初始干基含水量/%；t是物料干燥時間/min；k、n是待定系數。

對方程(5)取對數化成線性：

分別計算牡蠣不同微波干燥強度的MR值，利用Matlab統計軟件進行一元線性回歸，得到k、n及相關系數R2如表2所示。

表2 不同微波干燥強度Page模型預測指標Table 2 Page model parameters at various microwave intensity levels

由表2可知，干燥常數k隨微波強度的增加而增加，這意味著隨著功率的增加，干燥曲線變得陡峭，干燥速度隨之加快。從表2、圖7可知，對于不同微波強度，Page模型擬合度均較好，其中10、8、2W/g模型的模型擬合度較高，相關系數R2均達到0.99以上，因此，實驗認為Page模型較適合用于預測牡蠣微波干燥過程中的水分變化，對深入研究牡蠣微波干燥動力學有一定的參考作用。

圖7 不同微波強度干燥牡蠣擬合曲線與實測值比較Fig.7 Comparison between predicted values and experimental values of water content during oyster drying under various microwave intensities

3 結 論

通過對牡蠣的微波干燥實驗，結果表明：提高微波功率，增大微波干燥強度可提高干燥速率，縮短干燥時間。隨微波強度的不同，牡蠣微波干燥時間在3.5～30min之間。過高的微波干燥強度可能導致蛋白質變性，而較低的微波干燥強度使物料經受微波時間較長，也可能影響組織結構，因此，采用中等強度的微波干燥效果較好。采用變功率干燥模式，可防止微波干燥后期牡蠣溫度過高引起的品質劣變。牡蠣微波干制品具有較高的復水率、較低的收縮率，且外形飽滿、色澤較淺。用Page方程建立了不同微波強度的牡蠣微波干燥模型，模型的擬合度較高，為實現牡蠣微波干燥工業化控制提供了一定的理論依據。

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Characteristics and Kinetics of Microwave Drying for Oyster

YU Lian，YAN Dong-mei*，HOU Jin-dong
(College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Water content and dehydration rate of oyster subjected to microwave drying at various microwave intensities were determined. The effect of microwave intensity on rehydration rate, shrinkage rate and surface color of dried oyster were explored. The results showed that dehydration rate was improved and drying time was shortened with increasing microwave intensity. The time required for microwave drying of oyster was in the range of 3.5-30 min. Microwave dried oyster at middle intensity level such as 5 W/g or 8 W/g revealed better quality. A microwave drying kinetic model was established by the Page equation with excellent fitting degree.

oyster；microwave drying；kinetics

TS205.9

A

1002-6630(2012)11-0111-05

2011-06-08

廣西自然科學基金項目(桂科自0991033)

余煉(1971—)，女，講師，碩士，研究方向為食品加工。E-mail：susan628@126.com

*通信作者：顏棟美(1963—)，女，副教授，學士，研究方向為農產品加工技術。E-mail：ydm0202@163.com