脫鹽海參氣體射流沖擊干燥特性及復水品質

譚卓弘，李艾靑，陳田璽，王松林，謝永康，李英美，劉迎，勵建榮，李學鵬，林雅文*

（1.渤海大學 食品科學與工程學院/海洋研究院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001；3.河南省農業科學院 農產品加工研究中心，河南 鄭州 450002；4.凌海市達蓮海珍品養殖有限責任公司，遼寧 錦州 121209；5.遼寧凌特食品有限公司，遼寧 錦州 121200）

海參是一種海洋無脊椎動物，屬于棘皮動物門海參綱，是海珍品的一種。近年來，我國的海水養殖業發展迅速，海參養殖產量連續15 年位居世界第一。2021年全國海參養殖產量達到22.27 萬t[1]，比2020 年（19.65 萬t）增長了13.3%。海參含有多種生物活性物質，不含膽固醇，營養價值高，而且味道鮮美，具有抗氧化、抗癌、抗炎、抗血栓、抗糖尿病、抗肥胖等作用，并有助于提高記憶力[2-5]，被譽為“稀珍佳肴”，因而深受消費者喜愛。隨著人們健康意識的不斷提高，海參需求量快速上升。但是海參在受到環境和外界因素的影響時，會吐出腸內成分，發生自溶現象。這可能導致海參在加工和貯藏過程中質量嚴重惡化，從而造成重大經濟損失。鹽漬常用于海參的保鮮處理，可以快速降低海參水分、殺滅微生物，延長貨架期。鹽漬海參常作為干制海參原料，但因含鹽量過高在干制前需進行脫鹽處理。脫鹽后的海參水分含量較高，常通過干燥降低水分含量，延長貯藏期。如今，超過80% 的新鮮海參被加工成脫水產品，以延長其儲存時間[6]。

目前，海參干燥常用的干燥方法包括熱風干燥（hot air drying，HAD）、微波干燥和真空冷凍干燥等[7]。熱風干燥設備結構簡單、熱效率高、生產能力強、操作簡便、易產業化，是目前使用最廣泛的一種干燥方法。但是熱風干燥容易造成產品感官品質劣變、溶質失散、表皮硬化和活性成分損失等不利結果[7]。?ztürk 等[8]采用不同的干燥方式（熱風干燥、微波干燥、冷凍干燥）對海參進行干燥處理。3 種方式干燥的海參在復水率和感官特性方面無顯著差異，但微波干燥時間最短，且干燥后的海參氨基酸和脂肪酸等保留率更高，形狀更均勻完整。但是微波易導致干燥過程中物料溫度過高，破壞熱敏性物質且容易出現邊緣或尖角部分焦化現象。同時，微波干燥時干燥終點不易判別，容易產生干燥過度現象[9]。冷凍干燥可以最大限度保留海參的營養成分和生理活性物質，但是該技術存在能耗大、成本高、干燥時間較長等不足[10]。氣體射流沖擊干燥（air impingement drying，AID）是將加熱加壓氣體通過熱導管直接沖擊物料表面進行加熱干燥的一種新型干燥方法。由于高速熱氣流直接沖擊物料表面，降低了熱邊界層和熱質轉換阻力，從而提升熱交換速率，縮短干燥時間。同時熱管導熱效率和余熱回收率高，對減少能耗意義重大[11]。相比傳統的熱風干燥，在保證品質的基礎上具有更高的對流換熱系數和干燥速度，以及更低的能耗[12]。因此，AID 對提高干制品品質、縮短干燥時間和降低能耗具有重要意義。干燥數學模型的建立可為優化干燥工藝參數、設計改進干燥設備、降低干燥能耗提供理論依據。目前，已有關于扇貝[13]、鮑魚[14]、羅非魚[15]等水產品干燥特性及動力學模型的研究。AID 在水產品干燥加工中的研究較少，Bórquez[16]研究發現，AID 與傳統干燥相比，能更好地防止魚子中的脂肪酸氧化，得到較高品質的干魚子。但關于脫鹽海參AID 干燥過程中干燥特性、干燥模型及復水特性的研究鮮見。

因此，本文以熱風干燥（HAD）為對比，研究AID干燥溫度（50、60、70 ℃）和風速（4、6、8 m/s）對脫鹽海參的干燥特性和干海參復水比的影響，并采用6 種干燥模型對干燥過程進行擬合，優化最適干燥動力學模型，以期為提高海參干制品品質、預測和控制干燥過程提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鹽漬海參：市售；氮氣（純度99.9%）、鹽酸、苯酚、檸檬酸鈉、氫氧化鈉（均為優級純）：天津福晨化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

JSM-IT200 真空脈動脫鹽設備、2100620 氣體射流沖擊干燥設備：河南省農科院農產品加工所自制；zztp001 精密電子天平：永康市戎睿商貿有限公司；L-8900 全自動氨基酸分析儀：日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

選擇體型完整，大小均勻一致的鹽漬海參，每只質量為（7.90±0.83）g，長度為（6.65±0.44）cm。樣品于試驗前取出在室溫下解凍1 h，根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》，在105 ℃烘箱中干燥至恒重后測定樣品的水分含量，初始濕基含水率為（59.10±1.00）%，鹽漬海參干燥前需進行脫鹽預處理。根據前期預試驗，解凍后的鹽漬海參進行真空脈動浸漬脫鹽，鹽漬海參與純水質量比1∶100，脈動比為45∶3 循環2 次。浸漬完成后紙巾吸去脫鹽海參表面水分，濕基含水率為（69.31±1.52）%。

1.3.2 氣體射流沖擊干燥

試驗過程中，首先將儀器預熱至所需溫度50、60、70 ℃，風速分別設置為4、6、8 m/s，將脫鹽海參平鋪于托盤上進行干燥。干燥過程前2 h 每半小時進行稱重，之后每隔1 h 稱重，直至海參干基含水率降到10%[17]。氣體射流沖擊干燥設備如圖1 所示。

圖1 氣體射流沖擊干燥設備Fig.1 Air impingement drying equipment diagram

1.3.3 水分比測定

水分比（M）計算如公式（1）所示。

式中：ω0為脫鹽海參的初始干基含水率，g/g；ωt為脫鹽海參t時刻的水分含量，g/g。

1.3.4 干燥模型

薄層干燥模型是一種在農產品、水產品等干燥過程中應用較為廣泛的模型。選擇6 種常用薄層干燥模型對脫鹽海參干燥曲線進行擬合，如表1 所示。

表1 6 種常用薄層干燥模型Table 1 Six common mathematical thin-layer drying models

選用決定系數（R2）、卡方值（χ2）和均方根誤差（σ）來確定模型擬合程度。R2越大，χ2和σ越小，模型擬合程度越高[19]。R2、χ2和σ計算公式如（2）～（4）所示。

1.3.5 有效水分擴散系數及干燥活化能

有效水分擴散系數（Deff）[10]描述了水分在不同傳輸機制（如液體擴散、蒸汽擴散、克努森擴散和靜水壓差等）下的運動速率。菲克第二定律可用于描述降速干燥過程中水分的擴散，Deff可以根據公式（5）計算。

式中：t為干燥時間，s；Deff為有效水分擴散系數，m2/s；L為1/2 切片厚度，m。

將公式（5）兩邊取對數得公式（6）。

從lnM與t的關系圖中，獲得斜率為k的直線，通過公式（7）計算得到Deff。

Deff和溫度（T）的關系可用阿倫尼烏斯公式（8）來表示。

式中：D0為阿倫尼烏斯方程的預指數因子，為定值，m2/s；Ea為活化能，kJ/mol；R為通用氣體常數，8.314×10-3kJ/（mol·K）；T為干燥溫度，℃。

將公式（8）兩邊取對數得公式（9）。

將Deff的自然對數與絕對溫度的倒數作圖計算得Ea。

1.3.6 復水比測定

根據汪子涵等[1]的方法稍作修改。首先將干海參用自來水浸泡48 h，每隔12 h 換一次水；然后用不銹鋼鍋把水燒開（以沒過干海參8 cm 左右為宜），將干海參放入鍋中，再次開鍋后一直保持小火沸騰狀態60 min，然后關火，靜置45 min 后用水清洗；最后將處理后的海參放入冰箱4 ℃保鮮室用純凈水復水48 h，每隔12 h 換一次水。

復水比計算如公式（10）所示。

式中：R為復水比；mb為復水后的質量，g；m0為干制品的質量，g。

1.3.7 氨基酸含量測定

脫鹽海參和干海參的氨基酸含量按照GB5009.124—2016《食品安全國家標準食品中氨基酸的測定》測定。樣品用0.22 μm 的過濾器過濾。隨后，將測試溶液放入全自動氨基酸分析儀測定氨基酸含量。

1.4 數據分析

采用統計軟件SPSS16.0 分析數據，利用單因素方差分析，基于Duncan 檢驗進行顯著性比較（p<0.05），采用Origin 2021 作圖，所有試驗平行3 次，試驗結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件對脫鹽海參干燥特性的影響

干燥特性曲線反映了干燥過程中水分比隨干燥時間的變化趨勢，根據試驗數據繪制AID 海參干燥特性曲線，不同溫度與風速下的干燥特性曲線如圖2 所示。

圖2 不同干燥條件下脫鹽海參的干燥特性曲線Fig.2 Drying characteristic curves of desalted sea cucumber under different drying conditions

由圖2 可知，水分比隨著干燥時間的延長呈逐漸下降趨勢，并且干燥溫度越高，海參的水分比下降越快，干燥時間越短。由圖2A 可知，將風速固定為6 m/s，在AID 溫度為50、60、70 ℃時，脫鹽海參干燥至干基含水率10% 所用時間分別為14、13、10 h。這是因為更高的干燥溫度導致更高的溫度梯度，從而促進了熱量的快速傳遞，繼而強化了物料內部的水分遷移和表面水分蒸發[23]，縮短了干燥時間。60 ℃條件下，AID 達到最終含水率的干燥時間比HAD 縮短了13.33%，表明AID 可有效提高海參干燥速率。由圖2B 可知，當溫度為60 ℃，風速分別為4、6、8 m/s 時，AID 海參的干燥時間分別為12、13、13 h。表明風速對干燥時間的影響不明顯。在紫薯的AID 研究中也發現了相似的規律[23]，這可能是因為風速增大時，干海參表面發生了結殼現象，導致風速增加，干燥時間不變[24]。

2.2 不同干燥條件對脫鹽海參有效水分擴散系數的影響

表2 為不同干燥條件下脫鹽海參AID 和HAD 的Deff計算值。

表2 不同干燥條件對脫鹽海參有效水分擴散系數的影響Table 2 Effects of different drying conditions on effective moisture diffusion coefficient（Deff）of desalted sea cucumber

由表2 可知，溫度對脫鹽海參Deff影響明顯。當固定風速為6 m/s 時，AID 溫度為50、60、70 ℃時，Deff分別為1.492 7×10-9、1.602 0×10-9、2.134 4×10-9m2/s，60、70 ℃的Deff都高于HAD-60 ℃的Deff值，這也可以佐證AID-60 ℃和AID-70 ℃的水分比下降明顯快于HAD-60 ℃的結論。Deff值隨溫度的升高而增大，AID-70 ℃的Deff值比AID-50 ℃和AID-60 ℃的分別增大了42.99%和33.23%。這是因為較高的溫度可以加快水分子的蒸發，從而使Deff增大[23]。Tan 等[25]在番茄AID 干燥特性及動力學模型中發現，Deff隨著溫度的升高而增大，當干燥溫度從50 ℃升高到80 ℃時，Deff從4.349×10-8m2/s升高到1.509×10-7m2/s。

2.3 干燥活化能

干燥活化能表示干燥過程中物料分子脫去單位摩爾的水分所需的最小能量，反映了物料的干燥難易程度[26]。通過繪制Deff的自然對數lnDeff與溫度的倒數1/（T+273.15）來計算活化能。海參AID 過程所需的活化能如圖3 所示。

圖3 不同干燥條件下的活化能Fig.3 Activation energy under different drying conditions

由圖3 可知，脫鹽海參的干燥活化能Ea為16.38 kJ/mol，說明在AID 干燥過程中從脫鹽海參中去除1 mol 的水分，需要的最低能量為16.38 kJ。不同干燥過程樣品的Ea值不同，可能是由于樣品的成分、組織結構的比表面積對樣品的Ea值有顯著影響[26]。Moon 等[7]在海參的遠紅外和熱風干燥研究中得出，遠紅外和熱風干燥海參的Ea值分別為19.02 kJ/mol 和21.72 kJ/mol。姜鵬飛[27]對刺參的熱風干燥研究得出Ea值為14.23 kJ/mol。

2.4 干燥模型的擬合

為了進一步描述和預測脫鹽海參的AID 過程，本研究采用6 個常用干燥數學模型對已經獲得的脫鹽海參干燥曲線進行擬合，并從中篩選出最適干燥數學模型。通過非線性回歸分析擬合脫鹽海參的干燥特性得出不同干燥方式和條件下的模型參數R2（決定系數）、σ（均方根誤差）和χ2（卡方值）的統計結果，如表3 所示。

表3 不同干燥條件下數學模型參數值Table 3 Mathematical model parameter values under different drying conditions

由表3 可知，Page 模型和Two-term exponential 模型的R2值均大于0.990 0，但是，Page 模型的σ和R2值更低。此外，Lewis 和Loganrithmic 模型的R2也在可接受的0.980 0 以上。但是，這兩種模型的σ和R2值較高。為進一步驗證Page 模型的準確性，選取AID 溫度為65 ℃，風速為6 m/s 的試驗值與該模型計算的預測值進行比較，擬合結果如圖4 所示。

圖4 Page 模型試驗值和預測值的比較Fig.4 Comparison of experimental values and predicted values of the Page model

由圖4 可知，Page 模型的預測值與試驗值較為一致，最大擬合誤差為2.01%。因此，Page 模型是描述和預測海參AID 過程的最佳模型。

2.5 干燥條件對干海參復水比的影響

干制海參需要經過復水后才能食用，復水就是使干品的化學組成和質地盡可能恢復到原有狀態的過程，復水比是衡量干海參品質的重要指標之一。不同干燥方式和條件對干海參復水比的影響如圖5 所示。

圖5 不同干燥條件下干海參的復水比Fig.5 Rehydration ratio of dried sea cucumber under different drying conditions

由圖5A 可知，AID 不同干燥溫度對干海參的復水比影響不顯著（p>0.05）。AID 溫度為50、60、70 ℃干燥的海參復水比分別為6.12±0.18、6.58±0.13 和7.15±0.13，HAD 溫度為60 ℃的海參復水比為6.65±0.29。隨著溫度的升高，AID 干燥海參的復水比逐漸增大。可能是因為溫度升高，水分擴散速度較快，對海參結構破壞較大，多孔結構為水的吸附提供了更多的結合位點[29]。相同溫度下，兩種干燥方式對干海參的復水比影響不顯著（p>0.05）。由圖5B 可知，風速為4、6、8 m/s 時，干海參的復水比分別為6.59±0.38、6.58±0.33 和6.57±0.33，風速對干海參復水比的影響也不顯著（p>0.05）。

2.6 干燥條件對脫鹽海參氨基酸含量的影響

海參中的氨基酸可分為鮮味、甜味和苦味氨基酸，反映了海參具有不同風味[30]。氨基酸的協同調味作用可改善海參的口感。不同干燥條件下干海參的氨基酸組成和含量如表4 和表5 所示。

表4 不同溫度下（風速6 m/s）干海參的氨基酸含量Table 4 Amino acid contents of dried sea cucumber at different temperatures（wind speed at 6 m/s） g/100 g

表5 不同風速下（溫度60 ℃）干海參的氨基酸含量Table 5 Amino acid contents of dried sea cucumber under different wind speed（temperature at 60 ℃） g/100 g

由表4、表5 可知，在干海參樣品中共發現16 種氨基酸。其中，干燥前海參中含量較高的氨基酸是谷氨酸（6.33±0.35）g/100 g、甘氨酸（5.73±0.32）g/100 g 和天冬氨酸（3.98±0.13）g/100 g，含量較低的氨基酸是蛋氨酸（0.48±0.00）g/100 g、酪氨酸（0.75±0.00）g/100 g和組氨酸（0.41±0.06）g/100 g。經干燥處理后干海參的氨基酸含量顯著高于脫鹽后海參（p<0.05），且干燥后海參中氨基酸含量隨著AID 溫度的升高而增加，但溫度對氨基酸含量的影響不明顯。這可能是因為加熱處理使膠原蛋白中的肽鏈發生降解，且隨著溫度的升高膠原蛋白逐步由大肽水解成小肽，再由小肽水解成氨基酸[29]。Wang 等[31]在海參的熱處理中也證明了熱處理會導致海參中的蛋白降解成氨基酸這一結論。與干燥前海參氨基酸總含量（38.78±1.25）g/100 g 相比，AID 溫度為50、60 ℃和70 ℃干燥后海參氨基酸含量分別增加了18.39%、20.84% 和22.59%，HAD 溫度為60 ℃干燥后海參氨基酸含量增加了15.68%，表明AID的海參氨基酸的含量更高。文獻表明，AID 海參的結構破壞更嚴重，膠原蛋白降解更多從而生成了更多的氨基酸[32]。AID 在風速為4、6、8 m/s 時干燥海參的氨基酸含量分別為（46.93±0.52）、（46.86±0.30）g/100 g 和（46.94±0.08）g/100 g，不同的風速對海參氨基酸含量變化的影響不顯著（p>0.05）。

3 結論

結果表明，隨著干燥時間的延長水分比呈下降趨勢，溫度越高水分比下降越快。在相同溫度（60 ℃）和風速（6 m/s）下，AID 條件下脫鹽海參的干燥時間比HAD 縮短了13.33%。AID 風速對干燥時間的影響不顯著。脫鹽海參AID 的Deff隨溫度的升高而增大，相同條件下，AID 海參的Deff大于HAD 海參。比較模型評價指標得出，Page 模型擬合程度最高，此模型的平均R2值為0.9892、χ2和均方根差的最小值分別為9.965 1×10-4和9.024 2×10-3，Page 模型可較真實、準確地描述AID 海參的干燥過程。AID 不同干燥溫度和風速對脫鹽海參的復水比影響不顯著。相同條件下，AID 脫鹽海參的氨基酸[（46.86±0.30）g/100 g]總含量高于HAD[（44.86±0.82）g/100 g]海參。AID 在提高干制海參品質、縮短干制時間等方面具有一定的優勢，本研究可為AID 在脫鹽海參中的應用以及預測AID 干制過程提供理論參考。