中紅外-熱風組合干燥牛肉干水分預測模型研究

謝小雷，張春暉,*，李 俠，王春青，王兆進，穆國鋒

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193；2.泰州圣泰科紅外科技 有限公司，江蘇 泰州 225300；3.內蒙古蒙都羊業食品有限公 司，內蒙古 赤峰 024000）

中紅外-熱風組合干燥牛肉干水分預測模型研究

謝小雷1，張春暉1,*，李 俠1，王春青1，王兆進2，穆國鋒3

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193；2.泰州圣泰科紅外科技 有限公司，江蘇 泰州 225300；3.內蒙古蒙都羊業食品有限公 司，內蒙古 赤峰 024000）

根據牛肉紅外吸收光譜圖，選擇牛肉干中紅外-熱風組合（combined mid-infrared and hot air，CMIHA）干燥的紅外波長條件下進行干燥，并與傳統熱風（hot air，HA）干燥比較，研究CMIHA與HA的干燥特性；通過優化加熱距離分別為8、12、16 cm的最佳干燥模型及基于Visual Basic（VB）軟件對模型進行編程，建立CMIHA干燥牛肉干水分快速預測模型。結果表明：與HA干燥相比，CMIHA干燥能夠顯著提高牛肉干干燥過程中內部溫度、外部溫度以及內外溫差（P＜0.05），進而顯著降低耗時、耗能（P＜0.05）；此外，Modified Henderson and Pabis模型為CMIHA干燥牛肉干最優模型（R2＞0.999），同時CMIHA干燥牛肉干水分預測模型能夠很好地預測牛肉干干燥過程中的水分含量，其預測值和實測值間R2均大于0.997。

中紅外；熱風；組合；干燥；模型

牛肉干是一種傳統的風干肉制品，因其水分含量較低，而可以抑制一些生物化學反應的發生，延長貨架期[1]。目前，牛肉干干燥多采用傳統的自然干燥和熱風（hot air，HA）干燥[2]，不僅性能效益較低，而且還難以實現智能化預測。中紅外-熱風組合（combined mid-infrare d and hot air，CMIHA）干燥是一種新的干燥方法，它是將紅外與熱風結合起來，基于紅外加熱高效、節能、熱慣性小、易實現智能化控制等特點及熱風對流傳熱原理[3-4]，在物料內部溫度升高的同時，適當降低物料表面溫度，迫使水分在內外溫差和水分梯度同時作用下，從物料內部快速地擴散出來，提高干燥性能效益和實現智能化控制。目前，CMIHA干燥技術在果蔬干燥與谷物脫水方面已有著廣泛的應用，例如胡蘿卜、土豆片和稻谷的干燥等[3-4]，但是在牛肉干燥及其模型建立方面則未見報道。

水分預測模型是一種能夠快速預測物料干燥過程中水分含量的預測系統，它是基于一些編程軟件，如Visual Basic（VB），通過對建立的模型進行編程，來實現物料干燥過程的智能化水分快速預測。目前，利用VB對模型進行編程來實現智能化預測方面已在機械設備開發和電力仿真模型建立等方面得到廣泛應用，如蔬菜移栽裝置[5]和繼電保護仿真模型建立[6]等。為此，本實驗以牛肉為原料，根據其特征紅外吸收光譜圖，選擇對應波長的紅外，進行中紅外-熱風組合CMIHA干燥研究。利用高斯牛頓-算法，對傳統干燥模型進行非線性最小二乘數據擬合求解，建立牛肉干CMIHA干燥模型，并基于Visual Basic（VB）軟件對模型進行編程，以期建立能夠模擬和預測牛肉干CMIHA干燥的水分快速預測模型，為開發牛肉干CMIHA干燥智能化控制系統提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

原料肉為內蒙古蒙都羊業食品有限公司提供的新鮮去皮、骨、肥膘、筋腱、肌膜的草原黃牛后腿的精肉部分，屠宰分割后經－26 ℃速凍庫凍結完成后，備用。

1.2 儀器與設備

中紅外-熱風組合干燥機（輸出功率425～2 225 W，物料盤尺寸35 cm×40 cm，最大容量2 kg） 中國農業科學院農產品加工研究所與泰州圣泰科紅外科技有限公司聯合研制；DHG系列電熱恒溫鼓風干燥箱（輸出功率1 600 W，物料盤尺寸 35 cm×40 cm，最大容量2 kg）上海新苗醫療器械制造有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker光譜儀器公司；Digital Thermometer TP-3001 天津Cheerman科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗設計

中紅外-熱風組合干燥：根據牛肉紅外光譜圖，選擇對應波長的紅外燈管，來控制加熱的紅外波長；為了提高CMIHA干燥牛肉干在不同干燥距離下的工業化應用，在謝小雷等[7]對CMIHA干燥牛肉干工藝研究的基礎上，選擇加熱溫度為70 ℃、輻射功率為675 W、風速為1 m/s，研究輻射距離分別為8、12、16 cm的CMIHA牛肉干薄層干燥模型，物料加載量為2 kg。根據市場與企業調研結果，選取解凍后的牛后腿肉為原料，修整切割成 2 cm×2 cm×6 cm的肉條（濕基含水率為（76±1）%），干燥至濕基含水量為 50%左右[2,7]。將3 種輻射距離的數據作為實測值樣本，對傳統干燥模型（表1）進行非線性最小二乘數據擬合求解，確定干燥常數。通過VB軟件對模型進行編程，建立CMIHA干燥牛肉干水分快速預測模型。實驗重復3 次，取平均值，進行數據處理與分析。

傳統熱風干燥[2]：將處理好的牛肉切成2 cm× 2 cm×6 cm尺寸的肉條，放置于鼓風干燥箱內，控制溫度70 ℃，風速1 m/s，加熱距離8 cm，干燥至濕基含水率50%左右。

表1 干燥數學模型Table1 Mathematical models of drying

1.3.2 耗時的測定

干燥前測定原料肉初始含水量，實驗中每隔10 min測定牛肉干質量，直至濕基含水量為50%左右時，干燥結束。

1.3.3 耗能的測定

耗能按公式（1）計算。

式中：W為耗能/（kW·h/kg）；P為額定功率/kW；t為干燥消耗時間/h；m為物料干燥前質量/kg。

1.3.4 水分含量的測定

參照用GB/T 9695.15—2008《肉與肉制品 水分含量測定》。

1.3.5 水分比的測定

水分比按公式（2）[16]計算。

式中：MR為水分比；Mt為t時刻物料干基含水率/%；Me為物料干燥平衡時干基含水率/%；M0為物料初始干基含水率/%。由于Me難以確定，為了簡化計算，通常用公式（3）代替。

1.3.6 牛肉紅外光譜分析

參照Gangidi等[17]的方法并略作修改，采用多次衰減全反射技術（attenuated total reflection，ATR）進行測量，取適量解凍后的肉樣放于ATR附件上掃描，紅外譜圖記錄采用OMNIC軟件，測定范圍4 000～400 cm－1，掃描次數100 次，掃描速率0.63 cm/s，分辨率32 cm－1。

1.3.7 溫度的測定

實驗中每隔25 min測定一次中紅外-熱風組合干燥的牛肉干表面及內部溫度，同時按照相同水分比情況下測定熱風干燥的牛肉干表面及內部溫度。

2 結果與分析

2.1 中紅外-熱風組合干燥牛肉干紅外波長確定

圖1 牛肉紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of beef

牛肉中多肽N—H基團和水分O—H基團的伸縮振動使其具有典型的紅外吸收光譜。由圖1可知，牛肉在 3 200～3 500 cm－1（2.8～3.1 μm波長）和1 500～1 600 cm－1（6.25～6.67 μm波長）具有較高的紅外吸收。其中，在 2.8～3.1 μm波長處，具有典型的吸收峰，吸光度最高，達到0.47左右，此結果與Gangidi等[17]對絞碎牛肉紅外光譜圖的報道一致。因此，本實驗選擇波長為2.8～3.1 μm的中紅外燈管來控制輻射到腔內的紅外波長。

2.2 中紅外-熱風組合干燥與傳統熱風干燥牛肉干性能效益比較

表2 不同干燥方式對牛肉干干燥性能效益的比較Table2 Comparison of performance and benefit of different drying methods for beef jerky

將不同加熱距離下的中紅外-熱風組合干燥與傳統熱風干燥進行性能效益比較實驗，結果見表2。中紅外-熱風組合干燥利用中紅外加熱技術和熱風強制對流技術，由紅外線不通過介質直接對物料加熱，同時熱風及時帶走物料表面水分，進而提高干燥效率[4]。由表2可知，與熱風干燥相比，中紅外-熱風組合干燥耗時、耗能均顯著降低（P＜0.05）。中紅外-熱風組合干燥在加熱距離8、12、16 cm時的干燥耗時分別僅為熱風干燥耗時的46%、52%和69%，耗能分別僅為熱風干燥耗能的23%、27%和35%。

2.3 中紅外-熱風組合干燥與傳統熱風干燥傳熱特性比較

圖2 不同干燥方式對牛肉干傳熱的比較Fig.2 Comparison of heat transfe r with different drying methods for beef jerky

紅外輻射是通過分子間的振動而使物料內部溫度升高，其提供的熱流密度為熱風的70余倍，并且物料對紅外能量的利用率比傳統加熱高許多倍[18]，從而達到快速升高物料溫度。由圖2可知，在相同水分比下，中紅外-熱風組合干燥牛肉干內部與外部溫度均顯著高于熱風干燥（P＜0.05），其內部、外部溫度最高可達68、64 ℃，而熱風干燥內部、外部溫度最高僅為55、54 ℃；另外，組合干燥內外溫差在干燥初期顯著高于熱風干燥（P＜0.05），其平均溫差為5 ℃左右，而熱風干燥平均溫差僅為2 ℃左右。夏朝勇等[19]也曾報道，由于紅外線具有一定的穿透性，在物料內部形成熱量積累，而表面水分不斷蒸發吸熱，使物料表面溫度降低，造成物料內部比外部溫度高。

2.4 牛肉干中紅外-熱風組合干燥模型優選

2.4.1 傳統模型的選擇

圖3 中紅外-熱風組合干燥牛肉干模型擬合曲線Fig.3 Fitting curves for moisture ratio of beef jerky as a function of combined mid-infrared and hot air drying time

表3 中紅外-熱風組合干燥牛肉干模型擬合結果Table3 Fitting results for beef jerky dried by combined mid-infrared and hot air drying

表4 中紅外-熱風組合干燥牛肉干不同加熱距離干燥模型擬合結果Table4 Fitting results for beef jerky dried by combined mid-infrared and hot air drying with different drying distances

95%置信區間是預測值有95%的概率落在可信任范圍內的區間，區間越小，表明曲線擬合的越好。選擇加熱距離為12 cm時的牛肉干中紅外-熱風組合干燥實驗作為實測值樣本，采用高斯牛頓-算法對表1中9 種傳統干燥模型進行非線性最小二乘數據擬合，擬合結果如圖3所示。牛肉干中紅外-熱風組合干燥模型同其他物料薄層干燥類似，均為簡單的單個或多個指數模型[3,14-15]，其干燥時間與水分比呈指數關系，除Thompson和Tow-term exponential兩個復雜指數模型外，其余7 個模型均能較好地模擬加熱距離為12 cm時的干燥曲線。

2.4.2 干燥距離為12 cm的最佳干燥模型

決定系數R2、殘差平方和（residual sum of squares，RSS）、卡方檢驗（χ2）3 個值為方程擬合常用的評價指標，其中R2越接近1，RSS和χ2值越小，表明擬合效果越好[20]。基于Origin軟件對除Thompson和Tow-term exponential模型外的其余7 個模型進行最小二乘數據擬合求解，求解結果見表3。Henderson and Pabis、Page、Yagcioglu et al和Modified Henderson and Pabis 4 種模型擬合效果較好，其R2均在0.99以上，且RSS和χ2值在7 個模型中相對較小。其中，Modified Henderson and Pabis模型擬合最好，R2、RSS和χ2值分別為0.999 74、1.22×10－4和1.11×10－5。

2.4.3 不同加熱距離的最佳干燥模型

選擇表3中R2值在0.99以上的4 個模型，采用高斯-牛頓算法對輻射距離為8 cm和16 cm的干燥實驗實測值分別進行非線性最小二乘數據擬合，求出對應的最佳干燥模型，結果如表4所示。通過對比可以得出，Modified Henderson and Pabis模型為加熱距離分別為8 cm和16 cm的最優干燥模型，其R2在4 個模型中均為最大，分別為0.999 53和0.999 72，且RSS和χ2值在4 個模型中均為最小。

綜上所述，Modified Henderson and Pabis模型為中紅外-熱風組合干燥牛肉干在加熱距離分別為8、12、16 cm時的最優干燥模型，其R2值均大于0.999，RSS和χ2值與其他模型相比均為最小，模型方程整理后分別為：

2.5 基于VB編程軟件建立水分快速預測模型

根據所建立的不同加熱距離下的中紅外-熱風組合干燥模型，借助VB.NET編寫程序設計水分快速預測模型，如圖4所示，輸入加熱時間，點擊對應的加熱距離即可預測出目前牛肉干的水分含量，同時界面還會顯示當前的參數，便于觀察與數據記錄。該模型為拓展性軟件，目前適用于加熱溫度為70 ℃，輻射功率為675 W，風速為1 m/s，切片厚度為2 cm，初始含水量為（76±1）%的牛肉干干燥。通過該計算器可以實現在線實時預測水分含量，簡單、快捷、便于操作，同時為智能化控制系統的開發提供了支撐。

圖4 中紅外-熱風組合干燥牛肉干水分預測模型Fig.4 Moisture prediction model of beef jerky obtained by combined mid-infrared and hot air drying

2.6 中紅外-熱風組合干燥牛肉干水分快速預測模型驗證實驗

在固定加熱溫度、風速、物料厚度和輻射功率情況下，不同加熱距離下的干燥曲線實測值和通過水分快速預測模型預測的計算值對比結果如圖5所示。隨著加熱距離減少，干燥時間減少，干燥速率增大，無論是實測值還是計算值，均能很好地表現水分比的變化，且二者擬合較好。經計算，所有擬合的R2均在0.997以上，且t齊方差檢驗的結果顯示，各組中的實測值和計算值差異均不顯著。為進一步驗證實測值和計算值的擬合效果，本實驗將實測水分比和計算水分比進行了比較，如圖6所示，3 種加熱距離的實測水分比均分布在對角線（計算水分比等于實測水分比）附近，擬合效果較好。

圖5 模型實測值和計算值的對比曲線Fig.5 Comparison of experimental and calculated values

圖6 6 實測水分比和計算水分比擬合效果Fig.6 Good agreement between experimental and calculated moisture ratio

3 結 論

與傳統熱風干燥相比，中紅外-熱風組合干燥于8、12、16 cm下干燥牛肉干均能顯著縮短干燥時間，降低能耗，其干燥耗時分別僅為熱風干燥耗時的46%、52%和69%，耗能分別僅為熱風干燥耗能的23%、27%和35%，為牛肉干單層或多層式干燥提供新的干燥技術。

運用非線性回歸分析的方法分別對傳統干燥模型進行擬合、求解和分析，得出Modified Henderson and Pabis模型為中紅外-熱風組合干燥牛肉干最優干燥模型，其R2為0.999以上，適用條件為加熱溫度為70 ℃，風速為1 m/s，輻射功率為675 W，物料厚度為2 cm，初始含水量為（76±1）%。其中，物料厚度2 cm，初始含水量（76±1）%為牛肉干生產上常用的參數，該模型可以為牛肉干中紅外-熱風組合干燥提供理論依據。

借助于VB編程軟件，通過對最佳干燥模型進行編程，建立了水分快速預測模型，并設計驗證實驗得出所有實驗值和計算值間的R2均在0.997以上，且t齊方差檢驗的結果顯示，各組中的實測值和計算值差異均不顯著。該預測模型可以為中紅外-熱風組合干燥牛肉干在線監測智能化控制系統的開發提供支撐。

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Moisture Prediction Model of Beef Jerky during Combined Mid-Infrared and Hot Air Drying

XIE Xiao-lei1, ZHANG Chun-hui1,*, LI Xia1, WANG Chun-qing1, WANG Zhao-jin2, MU Guo-feng3
(1. Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. Taizhou Senttech Infrared Technology Co. Ltd., Taizhou 225300, China; 3. Inner Mongolia Meng Du Sheep Food Co. Ltd., Chifeng 024000, China)

The infrared wavelength for combined mid-infrared and hot air (CMIHA) drying of beef jerky was chosen based on infrared spectra of beef. The performance, benefit and heat transfer characteristics of CMIHA dr ying were proved by comparing with those of hot air (HA). The optimal drying models (at distances of 8, 12 and 16 cm, respectively) were determined by m eans of nonlinear least square regressionusing the Origin software, and the moisture prediction model of beef jerky during CMIHA drying was established by programming the three optimal drying models using Visual Basic software. The results showed that compared with HA drying, CMIHA drying could significantly reduce the drying time and energy consumption (P ＜ 0.05). Compared with other traditional drying models, the Modified Henderson and Pab is model was optimal for CMIHA drying of beef jerky (R2＞ 0.999). Furthermore, based on comparison with experimental values, the moisture prediction model of beef jerky dried by CMIHA could sufficiently predict the moisture content during the drying process (R2＞ 0.997).

mid-infrared; hot air; combination; drying; model

TS251.5

A

1002-6630（2014）23-0061-06

10.7506/spkx1002-6630-201423013

2014-01-09

公益性行業（農業）科研專項（201303082）；中央級基本科研業務費預算增量項目（2013ZL013）

謝小雷（1989—），男，碩士研究生，研究方向為肉品科學。E-mail：xiexiaolei123@126.com

*通信作者：張春暉（1971—），男，研究員，博士，研究方向為肉品科學。E-mail：18910165989@163.com