酸辣豬肉干熱風干燥動力學及其品質研究

劉田子，熊漢國

(華中農業大學 食品科技學院，武漢 430070)

豬肉干是我國目前常見的豬肉加工制品，其耐貯藏、咀嚼性強及方便易食的特點深受消費者的喜愛。干燥作為生產豬肉干的關鍵環節，對產品的品質，風味及耐藏性有著直接的影響。目前，熱風干燥產能大、操作方便、成本低且熱效率高，被食品工業廣泛應用于實際工業生產中，然而熱風干燥參數設置不當會使肉干品質變差[1]。因此，在豬肉干干燥過程中，選擇合適的干燥工藝參數對提升產品的生產效率及品質影響尤為關鍵。

食品生產工業中對干燥過程的把控大多以從業者經驗為主，對干燥過程中的傳質擴散規律不明確。然而，通過建立干燥動力學模型可有效預測干燥過程中水分的變化規律和精確干燥結束節點，以達到提高產品質量的同時滿足工業化生產[2]。目前已有很多學者對不同物料的熱風干燥特性進行了研究，并使用Page函數、Logarithmic函數及Wang and Singh函數等幾種常用的數學模型來描述食品的干燥過程[3-5]，但大多數研究報道偏向于水產品、果蔬、面條等物料，有關豬肉干熱風干燥動力學研究鮮有報道，且基本僅限簡略研究干燥過程中水分變化規律。

本實驗以豬肉為原料，研究不同干燥溫度和風速對酸辣豬肉干熱風干燥特性的影響，使用3種干燥數學模型對干燥過程中水分比與干燥時間的關系進行模型擬合，構建適用于不同熱風干燥溫度及風速的動力學模型，并對比分析不同溫度和風速干燥產品的品質特性，用以優化熱風干燥工藝，提升產品品質，為其工業化生產提供一定的理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮豬后腿肉、花椒、辣椒、生姜、桂皮、八角、香葉、食鹽、白砂糖、味精等：購于武漢中百超市；檸檬酸、乳酸、蘋果酸等(均為食品級)：購于山東優索化工科技有限公司。

1.2 設備與儀器

AL204型電子分析天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；XMT-A電熱恒溫鼓風干燥箱 江蘇吳江閔鑫干燥設備有限公司；CR-400色彩色度計 日本柯尼卡美能達公司；C22-IH69E5電磁爐 浙江紹興蘇泊爾家電制造有限公司；MJ33快速水分測定儀 南京曉曉儀器設備有限公司；DR-300全自動切片機 北京德爾特電器有限公司；LDZX-30FBS立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠；DZQ400/500-2D真空充氮包裝機 浙江興業機械有限公司；XHF-DY均質機 寧波新芝生物技術有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 酸辣豬肉干工藝流程及操作要點

冷凍切片：將購入的新鮮豬后腿肉洗凈修整好，放入-18 ℃凍藏室內冷凍24 h，解凍完成時進行切片，切成具有一定厚度且厚薄均勻的肉片。

鹵制：在1000 mL水中加入辣椒2%、花椒2%、生姜1%、桂皮0.5%、八角0.5%、香葉0.5%、食鹽4%(按原料肉重)，沸水煮制5 min，再向其中加入600 g豬肉，煮制10 min，停止加熱。

腌制：向鹵制好的鹵水中加入3%復合有機酸、3%白砂糖及3%味精(按原料肉重)配成腌制液，復合有機酸的比例為乳酸∶檸檬酸∶蘋果酸為3∶1∶1，將煮制好的豬肉在腌制液中浸泡5 h。

熱風干燥：將腌制完成的豬肉按實驗設計，調好熱風參數，放入電熱恒溫鼓風干燥箱內進行干燥實驗。

真空包裝與高壓滅菌：將干燥好的酸辣豬肉干裝袋(30 g/袋)，進行抽真空包裝(抽真空20 s，熱封7 s，熱封2.5檔)，置于高壓滅菌鍋內121 ℃滅菌10 min。

1.3.2 干燥實驗

酸辣豬肉經腌制完成后進行熱風干燥實驗，以干燥溫度、干燥風速作為熱風干燥工藝的兩個因素，安排了單因素多水平實驗方案，見表1。熱風干燥開始后，每隔20 min取出肉干并稱重，測定完成后迅速放回繼續干燥，記錄不同時刻酸辣豬肉干的重量，直至樣品干燥至目標含水量(35%)時停止干燥。最后，對不同熱風條件下干燥結束的樣品進行總酸含量、感官評分及色澤的測定。每個干燥工藝平行實驗3次，每次檢測的數據取3次數值的平均值。

表1 酸辣豬肉干熱風干燥實驗參數值Table 1 The hot air drying experimental parameters of hot and sour pork jerky

1.4 實驗結果測定方法

1.4.1 含水率的測定方法

式中：Xt為t時刻樣品的干基含水率，%；mt為t時刻樣品的重量，kg；m0為樣品的恒重干基重量，kg。

式中：Wt為干燥過程中t時刻濕基含水率；Xt為t時刻樣品的干基含水率，%。

1.4.2 水分比(MR)的測定

水分比是指一定干燥條件下物料的剩余水分率，其計算方法如下：

式中：MR為水分比；Xt為干燥過程中某一時刻樣品的含水率，%；X0為豬肉的初始含水率，%；Xe為平衡干基含水率，%；由于Xe的值相對于Xt和X0來說比較小，可以忽略不計，因此公式可以簡化為:

1.4.3 干燥速率的測定

干燥速率可用下式計算：

式中：DR為干燥速率，kg/(kg·min)；Mt+dt為樣品在t+dt時刻的含水率，%；Mt為樣品在t時刻的含水率，%。

1.4.4 實驗參考數學模型

本實驗所采用的數學模型見表2，通過使用如下模型對數據進行擬合，并對比模型決定系數R2(coefficient of determination)、殘差平方和(residual sum of squares，RSS)和加權卡方檢驗系數(reduced Chi-square)[6]，以期找出最適合的模型。

表2 薄層干燥常用的數學模型Table 2 The mathematical models commonly used in thin-layer drying

1.4.5 總酸含量的測定

參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》，采用酸堿滴定法測定。

1.4.6 感官評價

選取 10 名從事食品研究的專業人員組成評價小組，將待評價的樣品統一盛入相同大小的白色瓷盤中并以隨機出現的方式對豬肉干產品的風味、色澤、組織形態和口感進行評定。感官評價標準見表3。

表3 酸辣豬肉干感官評分表Table 3 The sensory scoring table of hot and sour pork jerky

1.4.7 色澤

采用色差計對樣品進行測定，測定結果用L*(亮度)、a*(紅綠)、b*(黃藍)值表示，每個樣品平行測定3次，結果取平均值。

1.5 實驗數據處理

2 結果與分析

2.1 酸辣豬肉干薄層熱風干燥特性分析

2.1.1 熱風溫度對酸辣豬肉干熱風干燥特性影響

酸辣豬肉干在不同熱風溫度下(50，65，80，95 ℃)濕基含水率及干燥速率隨干燥時間變化的關系曲線見圖1。

a.不同熱風溫度對含水率的影響

b.不同熱風溫度對干燥速率的影響

由圖1中a可知，隨著干燥溫度的增加，肉干達到目標含水率所需要的干燥時間越短。在熱風風速為2 m/s、干燥溫度為65 ℃的條件下達到干燥終點所需時間為121 min，比50 ℃的干燥時間顯著縮短了80 min。進一步來說，溫度越高，干燥時間的差異減小。這是因為干燥溫度升高會使肉干的表面水分迅速蒸發，加快內部水分向表面遷移的速度，使得物料能快速達到目標含水率[10]。此外，高溫會使肉干中肌原纖維蛋白對水的束縛能力減小，使其持水能力下降，水分容易被蒸發掉，顯著縮短干燥時間[11]。

由圖1中b可知，酸辣豬肉干的干燥過程存在降速和恒速兩階段。在干燥前期，熱風溫度顯著影響酸辣豬肉干的熱風干燥效果，溫度越高，肉干的干燥速率越快，同時干燥速率下降也越快，表現為降速階段。到干燥后期，由于肉干水分含量偏低，水分蒸發速率變慢，肉干內部水分擴散速率一旦大于或等于表面蒸發速率，會出現恒速干燥階段，并且干燥時間越長，水分表面及內部的傳質效率越低，恒速干燥階段顯著延長[12]。

2.1.2 熱風風速對酸辣豬肉干干燥特性的影響

當熱風溫度為65 ℃時，不同風速條件下酸辣豬肉干的干燥特性曲線見圖2。

a.不同熱風風速對含水率的影響

b.不同熱風風速對干燥速率的影響

由圖2中a可知，肉干水分含量下降速度隨著熱風風速的提高而加快，干燥時間變短，說明風速對干燥特性有顯著影響。風速較高時，肉干表面空氣流速增強，對流傳質效率提高，表層水分得以快速蒸發，干燥到終點所需的時間縮短。而當風速降低時，肉干表面蒸發速率降低，表面產生的水汽形成一層飽和濕空氣膜，阻礙了肉干內部水分擴散，使得干燥進行緩慢，干燥時間延長[13]。不同風速下干燥速率隨干基含水率及干燥時間的變化曲線圖見圖2中b。由圖2中b可知，酸辣豬肉干干燥速率先下降再恒定。因為前期肉干含水量大，熱風去除大量水分，風速越高，水分去除越多，隨著水分不斷減少，肉干的水分擴散進程受到抑制，使得干燥速率不斷降低；后期由于物料中水分多以結合水的形式存在，所以干燥速率趨于穩定[14]。

2.2 酸辣豬肉干熱風干燥數學模型的建立

2.2.1 酸辣豬肉干熱風干燥最佳模型的建立

采用表2中3種模型對不同干燥條件下酸辣豬肉干的MR隨時間t變化的實驗數據進行非線性回歸擬合，得到各個模型的擬合度，見表4。

此外，核聚變領域的自主創新發展還能帶動多領域深度軍民融合、裝備技術及相關產業群跨越發展，可能在超導材料、等離子體等領域催生出一系列具有自主產權的顛覆性、前沿性高新軍民技術。

表4 酸辣豬肉干熱風干燥模型擬合度Table 4 The fitting parameter values of hot air drying model for hot and sour pork jerky

由表4可知，Page模型的R2在0.99135～0.99807之間，Henderson and Pabis模型R2在0.84806～0.97546之間，Logarithmic模型R2在0.98918～0.99864之間，3種模型中，只有Page模型的R2值均在0.99以上，且其x2在1.01×10-4～1.07×10-3范圍內變化，RSS介于0.00162～0.00908，說明Page模型的擬合精度明顯高于其余兩個模型，適合用來描述酸辣豬肉干熱風干燥過程中物料水分比隨干燥時間的變化情況。

Page模型的k和n值是與干燥介質有關的經驗常數。由表4可知，k值受溫度及風速的影響較為明顯，隨著溫度、風速的升高，k值呈現增強的趨勢；n值則無明顯規律，且隨實驗條件變化改變極小，因此，可以認為 n 值是一個常數，取不同條件下所得的 n值的平均值，n=0.74902。

對k和熱風溫度T及風速W按式(1)進行多項式擬合[15-16]。

k=x+ylnT+zlnW。

(1)

式中：x，y，z為待求多項式系數。

利用Origin 8.5軟件求解Page方程中參數k的回歸方程，得出:k=0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892。

由此可得到酸辣豬肉干熱風干燥的Page模型方程為：

MR=exp[-(0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892)t0.74902]。

(2)

方程(2)中：T為熱風溫度，℃；W為熱風風速，m/s；t為干燥時間，min。

2.2.2 酸辣豬肉干熱風干燥動力學模型的驗證

為檢驗所建立的Page模型的準確性，追加建模條件以外的干燥實驗進行驗證，干燥實驗條件為熱風溫度55 ℃、風速1.5 m/s，擬合結果見圖3。

圖3 Page模型預測值與實測值水分比MR對比 Fig.3 Comparison of moisture ratio MR between the predicted value and measured value of Page model

由圖3可知，追加實驗組水分比的實驗值和模型預測值之間存在極高的相關性，實測值與預測值之間能夠基本吻合，無明顯差異，說明該Page模型可準確描述和預測不同熱風干燥條件下酸辣豬肉干水分變化規律，為后期優化干燥參數、提高肉干品質提供了科學依據。

2.3 不同熱風干燥條件對酸辣豬肉干品質的影響

2.3.1 不同熱風溫度對酸辣豬肉干總酸含量、感官評價及色澤的影響

不同熱風溫度對酸辣豬肉干總酸和感官的影響見圖4。

圖4 熱風溫度對酸辣豬肉干總酸含量和感官評分的影響Fig.4 Effect of hot air temperature on total acid content and sensory evaluation score of hot and sour pork jerky

由圖4可知，肉干的總酸含量隨著熱風溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，在65 ℃時總酸含量最高，為3.94 g/kg，與85 ℃的總酸含量差異不顯著(p>0.05)，50 ℃和95 ℃的總酸含量相對較低，均在3.75 g/kg以下，說明總酸在65 ℃和80 ℃時保留得最好。溫度過低或過高都會導致總酸的快速流失。總酸含量的變化對感官評分具有一定影響。50 ℃下的肉干感官得分最低，可以推測是因為長時間低溫干燥使總酸含量損失較多，肉干酸辣風味不足。當溫度升至65 ℃時，感官評分最高，表明65 ℃下肉干的綜合品質最佳，且酸辣風味保留最多，口感最好。

不同熱風溫度對豬肉干色澤的影響見表5。

表5 熱風溫度對酸辣豬肉干色澤的影響Table 5 Effect of hot air temperature on the color of hot and sour pork jerky

由表5可知，熱風溫度在50～80 ℃之間，L*值差異極其顯著(p<0.05)，隨著溫度的升高，肉干的L*值顯著降低，溫度超過80 ℃，肉干的L*值無顯著性差異(p>0.05)。在4個溫度下，肉干的a*值無顯著性差異(p>0.05)，表明溫度對a*值無明顯影響；而b*值隨著溫度的升高而降低，超過80 ℃時，肉干的b*值顯著下降(p<0.05)。說明熱風溫度升高，會使肉干的亮度變暗，黃度變小，可能是由于溫度越高，結締組織中的還原糖和肌肉蛋白的氨基發生美拉德反應引起的非酶褐變程度越高，使得肉干的顏色加深[17]。

在干燥過程中，不僅要考慮到低溫長時間干燥所引發的品質劣變，還要避免過高干燥溫度對肉干色澤的影響。因此，合理的干燥溫度的選擇對提高酸辣豬肉干的風味、口感及綜合品質意義重大，通過上述分析，選擇65 ℃的干燥溫度最適宜。

2.3.2 不同熱風風速對酸辣豬肉干總酸含量、感官評價及色澤的影響

由圖5可知，熱風風速對肉干總酸含量和感官評分具有顯著影響(p<0.05)。風速為1 m/s和2 m/s時，肉干的總酸含量及感官評分無顯著性差異(p>0.05)，均高于較大風速的肉干。特別是在風速為4 m/s時，肉干的總酸含量及感官評分驟降，可能是因為4 m/s的風速能快速帶走肉干的水分及溶質，加速了有機酸的分解和揮發損失，且4 m/s的肉干皺縮嚴重[18]，影響外觀得分。

圖5 熱風風速對酸辣豬肉干總酸含量和感官評價的影響Fig.5 Effect of hot air speed on total acid content and sensory evaluation score of hot and sour pork jerky

由表6可知，風速升高對肉干色澤的影響顯著。在風速1～2 m/s時，肉干的L*值及b*值顯著降低，a*值顯著升高(p<0.05)，當風速升為3 m/s時，肉干的色澤與2 m/s差異不顯著(p>0.05)，在4 m/s時，肉干的L*值與b*值相較于其他組最低，a*值也有所降低，可能是過大的熱風強度使肉干易發生美拉德反應，引起非酶褐變，并且過強的熱風使肉干水分流失大，表面水分很快被蒸發掉，對光的反射能力變弱[19-20]，即感官上亮度變低，色澤發暗。

表6 熱風風速對酸辣豬肉干色澤的影響Table 6 Effect of hot air speed on the color of hot and sour pork jerky

綜上所述，熱風風速顯著影響了肉干的總酸含量、色澤，進而影響了肉干的總體感官評分。雖然風速越大，干燥效率越高，但較大的風速顯著降低了肉干的品質特性，使肉干的色澤、口感不佳。因此，風速不宜超過3 m/s。

3 結論

通過分析不同的熱風干燥溫度 (50，65，80，95 ℃)及不同熱風速率(1，2，3，4 m/s) 對酸辣豬肉干的干燥特性和品質的影響，得出結論：不同熱風溫度、熱風風速下，酸辣豬肉干的熱風干燥曲線呈現基本相同的變化趨勢，溫度越高、風速越大，水分含量下降越快，并且整個干燥過程分為降速干燥階段和恒速干燥階段。通過對3種不同的干燥模型擬合結果分析比較得出，Page模型在任意干燥條件下R2在0.99135～0.99807之間，x2在1.01×10-4～1.07×10-3范圍內，RSS介于0.00162～0.00908，擬合精度在3種模型中表現最好，模型表達式具體為MR=exp[-(0.1177lnT+0.02557lnW-0.45892)t0.74902]。經過驗證，該模型可以很好地描述預測不同干燥條件下任意時刻酸辣豬肉干的含水率，為其工業化生產中降低能耗、工藝優化和保證產品質量提供了理論基礎。

不同干燥溫度和風速對酸辣豬肉干品質的影響結果表明，熱風溫度過低和風速過高都不利于肉干總酸含量的保留，總酸流失多，酸辣風味不足，感官評分隨之降低。此外，熱風條件顯著影響肉干的色澤，溫度越高、風速越大，肉干色澤越暗。因此，為了得到綜合品質較好的酸辣豬肉干，熱風溫度選擇65 ℃為宜，熱風風速應控制在1～3 m/s。