真空冷凍干燥南美白對蝦干燥模型及品質研究

宣曉婷,文麗華,2,崔 燕,尚海濤,林旭東,凌建剛,*

(1.寧波市農業(yè)科學研究院農產品加工研究所,浙江寧波 315000;2.浙江海洋大學食品與醫(yī)藥學院,浙江舟山 316000)

南美白對蝦(Litopenaeusvannamei),又名凡納濱對蝦,具備高產量、快生長、強適應性、易養(yǎng)殖等優(yōu)點,是目前世界上主要的養(yǎng)殖蝦品種之一[1-2]。南美白對蝦營養(yǎng)價值高,富含必需氨基酸、維生素、礦物質元素、蛋白質等,對彌補膳食結構不足和改善人體健康狀況均具有明顯的作用[3-5]。近年來高水分蝦干制品(水分含量>40%)受到消費者的喜愛,不僅具有豐富的營養(yǎng)、獨特的風味,并且具有口感優(yōu)良、攜帶方便等特點,使得市場需求逐年增長,前景廣闊。

目前傳統(tǒng)的干燥方式主要是日光晾曬干燥和熱風干燥,但前者由于不衛(wèi)生的干燥環(huán)境和干燥時間長使得產品的品質難以保證,后者由于能耗高、溫度高、對產品造成熱損傷和過度氧化等問題使得學者們不得不再另辟蹊徑。近些年,多樣化的干燥方式被應用于水產加工過程中,如微波干燥[6-7]、真空干燥、氣流干燥、真空冷凍干燥等[8]。真空冷凍干燥技術可將物料冷凍至共晶點溫度以下,并在真空條件下獲得疏松多孔、復水快、易長期儲藏的干燥產品[9],極大的保留了原有的活性物質、色澤、風味、形態(tài)。目前真空冷凍干燥技術在果蔬[10]、谷物、豆制品[9]、水產等方面均有所研究和應用,在水產干制方面,真空冷凍干燥已在牡蠣[11]、刺參[12]、對蝦[13-14]、海鰻[16]等方面有初步研究。劉達等[17]通過響應面法優(yōu)化蝦仁真空冷凍干燥工藝,確定最佳干燥工藝條件為加熱板溫度為31.25 ℃、真空度為22.81 Pa和漂燙時間1.43 min。而李文盛等[13]從干燥技術對對蝦蝦仁品質的影響方面開展研究,對比了熱風干燥、微波干燥、熱風聯(lián)合微波噴動干燥和真空冷凍干燥對對蝦蝦仁的品質影響,發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥蝦仁品質最佳,但目前關于整蝦真空冷凍干燥研究較少。此外,在優(yōu)化干燥工藝的過程中,基于干燥特性構建的真空冷凍干燥數(shù)學模型對于設計改進干燥設備、降低能耗等方面可提供理論依據(jù),目前已有香菇、沙丁魚、對蝦等[14-15]的熱風干燥數(shù)學模型研究,但關于真空冷凍干燥南美白對蝦干燥模型鮮有報道。

本文對南美白對蝦真空冷凍干燥規(guī)律進行研究,建立干燥數(shù)學模型,同時研究真空冷凍干燥與傳統(tǒng)熱風干燥對南美白對蝦收縮率、復水率、質構、色澤以及感官等方面的影響,以期為真空冷凍干燥技術在南美白對蝦干產業(yè)的應用提供理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南美白對蝦 寧波市東柳菜市場;食鹽 寧波市三江超市。

SCIENTZ-30ND真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;低溫冰箱 海爾集團;FA2004分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司;CR-5色差儀 日本柯尼卡美能達公司。

1.2 預處理

選擇體型大小均勻一致、無機械損傷的新鮮南美白對蝦1000 g,自來水清洗干凈后,用6%的鹽水煮制1 min后,撈出瀝干。

1.3 真空冷凍干燥

1.3.1 真空冷凍干燥溫度對對蝦干燥特性的影響 取預煮后對蝦(1000 g)于-18 ℃冰箱中預凍過夜,將預凍后的蝦置于真空冷凍干燥機中進行干燥,干燥溫度分別為10、30、50 ℃,每隔2 h測定樣品水分含量(干基),干燥22 h,結束干燥。其中干燥溫度為50 ℃時，干基含水率達50%以下，直接測22 h指標。

1.3.2 載物量對對蝦干燥特性的影響 取預煮后對蝦于-18 ℃冰箱中預凍過夜,將預凍后的蝦置于干燥溫度50 ℃的真空冷凍干燥機中進行干燥,處理量分別為1000、1500、2000 g。每隔2 h測定樣品水分含量(干基),干燥22 h(干基含水率約為20%),結束干燥。由于干燥12 h后含水量變化不明顯，因此直接測干燥終點22 h即可。

1.4 熱風干燥

取預煮后對蝦(1000 g)于熱風干燥箱中進行干燥,熱風溫度為50 ℃,每隔2 h測定樣品水分含量(干基)至樣品干燥6 h后與真空冷凍含水量相同時即為干燥終點。

1.5 指標測定方法

1.5.1 干基含水率和干燥速率測定

1.5.1.1 初始干基含水率測定 采用GB 5009.3-2016直接法進行測定,重復3次。

式(1)

式中:W干α為初始干基含水率(%);m濕α為初始樣品重量(g);m干為樣品干物質重(g)。

1.5.1.2 干燥過程中干基含水率測定 采用重量差法測得,隨機選擇10尾南美白對蝦取出稱重,再根據(jù)公式計算得出干燥過程中干基含水量,重復3次。

式(2)

式中:W干t為干燥t時刻干基含水率(%);m濕t為t時刻樣品重量(g);m干為樣品干物質重(g)。

1.5.1.3 干燥速率測定 根據(jù)干燥過程中干基含水率計算得出干燥過程中干燥速率,計算公式如下,重復3次。

式(3)

式中:Vt為干燥t時刻的干燥速率(%·h-1);W干t為t時刻干基含水率(%);W干t-2為t-2時刻干基含水率(%);n為干基含水率測定時間間隔(h),本試驗時間間隔為2 h。

1.5.2 干燥數(shù)學模型 基于不同干燥溫度、載物量與干燥時間的相互關系,參照Djendoubi等[15],通過干燥模型分別對真空冷凍干燥特性曲線進行擬合,干燥模型如下:

指數(shù)模型(Exponential model) MR=e(-Kt)

式(4)

單項擴散模型(Fick model) MR=Ae(-Kt)

式(5)

Page模型(Page model) MR=e(-Ktn)

式(6)

MR=(M-Me)/(M0-Me)

式(7)

式中：MR為水分比,表示一定干燥條件物料未被干燥除去的水分;M為t時刻干基含水率;M0為初始干基含水率;Me為平衡干基含水率;t為干燥時間(h);K、A、n為待定系數(shù)。

1.5.3 真空冷凍干燥與熱風干燥的品質對比研究 探究兩種干燥方式在相同干燥溫度(50 ℃)和裝載量(1000 g)干燥至相近含水量(真空冷凍22 h,熱風干燥16 h)條件下南美白對蝦的品質。

1.5.3.1 收縮率測定 收縮率采用體積置換法[18],即容器中先裝滿水,物體浸沒水中,測量出溢出的水的質量,算出溢出水的體積,就等于物體體積,重復3次,計算公式如下:

式(8)

式中:r為收縮率(%),V為干燥前南美白對蝦的體積(cm3),V0為干燥終止后南美白對蝦的體積(cm3)。

1.5.3.2 復水率測定 復水率用復原率表征[18],通過南美白對蝦干在100 ℃的沸水中復水5 min,瀝干水分測得的樣品重與干燥前樣品重量的比值計算,計算公式如下:

式(9)

式中:Rf為復原率(%),mf為復水后瀝干水分測得的樣品重(g);mg為南美白對蝦干燥前樣品重量,即經預煮后,冷卻瀝干水分后測得的樣品重(g),重復3次。

1.5.4 質構測定 隨機選取干燥結束和復水后南美白對蝦各5尾,選取P/5柱形探頭,探頭下行速度5 mm/s,下壓速度0.5 mm/s,回升速度0.5 mm/s,測試形變量50%,觸發(fā)力5 g,下壓深度5 mm,做3個平行樣,每個平行樣測定3次,以未干燥的南美白對蝦為空白組,記錄數(shù)據(jù)。由質地特征曲線得到表征對蝦質構狀況的評價參數(shù):硬度(Hardness)、彈性(Springiness)、黏性(Adhesiveness)、咀嚼性(Chewiness)。

1.5.5 色差的測定 使用色差計測定干燥后樣品的L*,a*,b*值,在Hunter表色系統(tǒng)中L*值表示明度,值越大表示亮度越大;a*值正數(shù)代表紅色,負數(shù)代表綠色;b*值正數(shù)代表黃色,負數(shù)代表藍色[18]。以對蝦第二腹節(jié)為測定點,在其表面附一層保鮮膜,相同自然燈光條件下每組測定3尾蝦干,每尾重復測定3次,并以鹽水煮制后的對蝦作為空白組,同時利用白度(WI)及總色差(ΔE)計算對蝦色澤的變化程度。

WI=100-[(100-L*)2+(a*)2+(b*)2]1/2

式(10)

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

式(11)

式中:ΔL*-干燥組與未干燥處理的L*平均值之差;Δa*-干燥組與未干燥處理的a*平均值之差;Δb*-干燥組與空白組b*平均值之差。

1.5.6 感官評價 將外觀均一的南美白對蝦進行真空冷凍干燥和熱風干燥處理,選擇10名經過訓練的評價員組成感官評價小組,采用現(xiàn)場打分方式,對相同干燥溫度(50 ℃)和裝載量(1000 g)下兩種干燥方式所得產品進行色澤、外觀、肌肉、氣味、口感五方面評定[18],以未干燥的南美白對蝦為空白組,評分標準如表1。

表1 南美白對蝦感官評定標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of dried pacific white shrimp

1.6 數(shù)據(jù)處理

測定所得數(shù)據(jù)均以平均值±標準差的形式表示,數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0和Excel 2010軟件處理,用Original 8.2軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同干燥參數(shù)對干燥特性的影響

2.1.1 真空冷凍干燥溫度對干燥特性的影響 裝載量相同條件下(1000 g),不同真空冷凍干燥溫度對南美白對蝦干基含水率和干燥速率的影響如圖1和圖2所示,其中初始干基含水率為250%±5%。圖1顯示當干燥溫度分別為10、30、50 ℃時,干燥22 h后對蝦干基含水率分別為57.3%、38.0%、12.2%,可以看出相同干燥時間(22 h)下,隨著干燥溫度的上升,干燥終點的對蝦干基含水率明顯減少。由圖2可知,隨著干基含水率的下降,干燥速率呈現(xiàn)下降趨勢;在干燥前期(干基含水率在104%以上)時，隨著干燥溫度的上升,對蝦干燥速率增大,這是由于干燥溫度的提高會推動傳熱進程,并且在相對濕度較低的干燥室內,物料的傳質推動力也增大,因此,干燥溫度是影響食品干燥速率的重要因素[19-20]。

圖1 不同真空冷凍干燥溫度對南美白對蝦水分含量的影響

圖2 不同真空冷凍干燥溫度對南極白對蝦干燥速率的影響

2.1.2 裝載量對干燥特性的影響 相同干燥溫度條件下(50 ℃),不同真空冷凍干燥載物量對南美白對蝦干基含水率和干燥速率的影響如圖3和圖4所示。由圖3數(shù)據(jù)可以看出,當裝載量分別為1000、1500、2000 g時,干燥22 h后對蝦干基含水率分別為13.3%、25.4%、64.7%;即隨著裝載量的不斷增加,干燥終點的對蝦干基含水率增大。由圖4可知,隨著載物量的上升,對蝦干燥速率降低。隨著干基含水率的下降,干燥速率呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于相同面積上裝載量與物料厚度成正比,而物料厚度與干燥過程中傳熱傳質速率成反比,隨著裝載量的增加,物料傳熱傳質速率下降,導致干燥時間延長。

圖3 不同真空冷凍干燥載物量對南極白對蝦水分含量的影響

圖4 不同真空冷凍干燥載物量對南極白對蝦干燥速率的影響

2.2 模型擬合及驗證性試驗

對三種干燥模型進行對數(shù)處理,得到線性化干燥模型方程,如下:

指數(shù)模型ln(MR)=-Kt

式(12)

單項擴散模型ln(MR)=lnA-Kt

式(13)

Page模型ln[-ln(MR)]=lnK+nlnt

式(14)

表2 不同干燥條件對模型參數(shù)的影響Table 2 Effects of different drying conditions on model parameters

綜合考慮干燥溫度和裝載量兩個參數(shù)對干燥曲線的影響,設立一個新參數(shù)P,即為單位質量所受溫度,并采用二次方程來求系數(shù),令:

lnK=a+bP+cP2

n=d+eP+fP2

其中,a、b、c、d、e、f為待定系數(shù)。

將上述兩個二次方程帶入Page模型公式中,通過線性回歸求得真空冷凍干燥對蝦模型線性擬合的待定系數(shù):

a=-3.1408;b=11.5683;c=35.0252;d=1.4653;e=-12.9712;f=11.4161

將上述系數(shù)帶入lnK和n方程中,再將lnK和n代入Page模型公式中,得到擬合方程為:

ln[-ln(MR)]=-3.1408+11.5683P+35.0252P2+(1.4653-12.9712P+11.4161P2)/lnt

為了驗證模型的可行性,將南美白對蝦干燥溫度(50 ℃)和裝載量(1000 g)條件下的冷凍干燥測量值同模型預測值進行比較,結果見圖5,Page模型實測值同預測值擬合度較高,說明該模型可以用來預測南美白對蝦真空冷凍干燥過程中的含水率。

圖5 Page模型對試驗點的擬合性

2.3 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦品質的影響

2.3.1 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦收縮率和復水率的影響 圖6數(shù)據(jù)顯示真空冷凍干燥對蝦收縮率為30.11%±0.04%,低于熱風干燥對蝦收縮率44.19%±0.05%;而真空冷凍干燥對蝦的復水率為74.98%±0.01%,明顯高于熱風干燥對蝦復水率55.84%±0.06%。較之傳統(tǒng)干燥方式熱風干燥,真空冷凍干燥對蝦具有低收縮率和高復水率特性,由于熱風干燥使得對蝦蛋白發(fā)生了較大變化,酶活性和持水性都相應降低,因此產品肉質致密、堅硬,收縮率高,而復水后只能吸收干燥時失去的約60%的水分[22-23]。相比較之下,冷凍干燥對蝦樣口溫度較低,保持了對蝦的外觀結構,收縮率低,肉質松脆,復水性更佳。

圖6 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦收縮率和復水率的影響

2.3.2 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦質構的影響 食品質構參數(shù)是用來表示食品的組織、結構和觸感等特性,并將咀嚼、吞咽時與人感官評價相對應的彈性、硬度等參數(shù)利用力學測試原理進行數(shù)據(jù)化。測定食品質構特性能很好反映食品質量優(yōu)劣、解釋其物性變化,是評價食品品質的重要指標[24]。

真空冷凍干燥與熱風干燥對南美白對蝦復水前后質構的影響如表3所示。相同干燥溫度和載物量的條件下,干燥結束后,真空冷凍干燥對蝦的硬度、黏性、咀嚼性顯著低于熱風干燥組(p<0.05),這是由于熱風干燥溫度高，水分蒸發(fā)快,纖維蛋白收縮加劇,酪蛋白網絡結構形成迅速,肌球蛋白變性聚合,導致硬度增加、彈性變大,其干制品咀嚼性差[24-25];而真空冷凍干燥是在較低溫度下將物料凍結為固態(tài)并直接升華成氣態(tài)得以脫水[26],經真空冷凍干燥的蝦仁其硬度、黏性、咀嚼性均小于熱風干燥。復水后,兩種干燥方式所得對蝦的硬度、黏性和咀嚼性均有所下降,彈性上升。與熱風干燥組相比,真空冷凍干燥對蝦復水后彈性更高,同時復水前后硬度、彈性、黏性和咀嚼性變化最小,產品適口性更強。

表3 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦復水前后質構的影響Table 3 Effects of vacuum freeze drying and hot-air drying on the texture of pacific white shrimp

2.3.3 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦色差的影響 色澤是評價水產品品質的主要指標之一,能反映產品的新鮮度,色澤改變會影響產品的感官質量,產品色澤會影響消費者的選購意愿[24,26]。表4是不同干燥方法對南美白對蝦色澤的影響。

表4 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦色差的影響Table 4 Effects of vacuum freeze drying and hot-air drying on the color difference of pacific white shrimp

由表4可知,與空白組相比,真空冷凍干燥和熱風干燥南美白對蝦L*、a*、b*值以及白度(WI)和總色差(ΔE)值均呈上升趨勢,其中L*、b*和ΔE差異顯著(p<0.05),a*無顯著變化(p<0.05),熱風干燥WI與空白組差異顯著(p<0.05),而真空冷凍干燥組WI與空白組差異不顯著。對比兩種干燥方法,熱風干燥南美白對蝦L*、a*最高,色澤紅亮,其白度(WI)高為44.0;真空冷凍干燥a*、b*、ΔE值均低于熱風干燥組,但差異不顯著(p>0.05),L*和WI均顯著低于熱風干燥(p<0.05),表明真空冷凍干燥制得的對蝦色變程度較低。熱風干燥由于較高的溫度導致色澤變化更大,從色澤判斷真空冷凍干燥南美白對蝦色澤微黃,雖然沒有熱風干燥得到的產品色澤紅亮,但依然屬于令人愉悅可被接受范圍。張高靜[24]對比了日光晾曬干燥、熱風干燥、太陽能干燥和真空冷凍干燥四種干燥方法對南美白對蝦色澤的影響,結果表明真空冷凍干燥蝦干的ΔE值最小,且與其他三種方法差異顯著(p<0.01)。

2.3.4 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦感官評分的影響 感官評定是食品品質的重要評價指標之一,感官評定通過人的感官來評價食品特性,再通過數(shù)據(jù)分析獲得客觀的評價結果,直接反映了人們對該食品的可接受程度[24]。表5為真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦的感官評定結果。

表5 真空冷凍干燥和熱風干燥對南美白對蝦感官評定的影響Table 5 Effect of vacuum freeze drying and hot-air drying on the sensory evaluation of pacific white shrimp

由表5可見,真空冷凍干燥南美白對蝦的感官評分值明顯高于熱風干燥產品感官評分值。熱風干燥溫度高,產品蝦皮失去光澤且有剝離現(xiàn)象,出現(xiàn)皺縮和黑變,其口感偏硬;而真空冷凍干燥產品色澤較好,個體完整,未出現(xiàn)皺縮脫落現(xiàn)象,只有蝦頭有輕微黑變,其彈性和咀嚼性好,口感更佳。真空冷凍干燥與熱風干燥相比,溫度較低且條件溫和,其干制品外觀色澤、口感風味更優(yōu)。劉達[27]以中華管鞭蝦為研究對象,得出真空冷凍干燥蝦干感官評分最優(yōu),顯著高于微波干燥、熱風干燥和微波-熱風干燥產品。

3 結論

本文探討了真空冷凍干燥南美白對蝦的干燥規(guī)律,其中干燥溫度和裝載量是影響干燥速率的關鍵因素。隨著干燥溫度的增加和裝載量的減少,干燥時間縮短;干燥速率隨著干基含水率的下降呈現(xiàn)下降趨勢。優(yōu)化三種干燥模型發(fā)現(xiàn)Page模型能更好的擬合真空冷凍干燥對蝦的干燥規(guī)律。此外,通過對比傳統(tǒng)熱風干燥,本文對比分析了真空冷凍干燥對南美白對蝦干制品的收縮率、復水率、質構、色澤和感官評定方面的品質特性。研究發(fā)現(xiàn),相同干燥溫度和載物量條件下,真空冷凍干燥對蝦干制品具有低收縮率和高復水率,硬度、粘性和咀嚼性更低,并且色澤和感官上均優(yōu)于熱風干燥對蝦干制品。綜上所述,通過真空冷凍干燥技術可以獲得品質較好的南美白對蝦干制品,并且Page干燥模型可以很好的描述真空冷凍干燥對蝦的干燥規(guī)律。