南美白对虾虾仁微波真空干燥规律的研究*

赵伟，杨瑞金，谢乐生，张文斌，华霄，朱振乐

1(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品学院，江苏无锡，214122)

3(江苏省赣榆县海洋与渔业局，江苏赣榆，222100)

南美白对虾虾仁微波真空干燥规律的研究*

赵伟1，2，杨瑞金1，2，谢乐生1，张文斌2，华霄2，朱振乐3

1(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品学院，江苏无锡，214122)

3(江苏省赣榆县海洋与渔业局，江苏赣榆，222100)

对南美白对虾虾仁进行了微波真空干燥试验，获得了微波真空干燥虾仁的干燥规律，并建立了对虾虾仁微波真空干燥模型。微波功率、装载量是影响虾仁干燥特性的主要因素，而真空度对其影响不明显。随着微波功率的增大和装载量的减小，脱水速率增大，虾仁干燥时间减小;随虾仁水分含量的减小，干燥速率先急剧增大，后缓慢减小，并且随水分含量的继续减小，干燥速率下降速度加快。通过对实验数据的回归分析，发现Page模型能较好地描述虾仁微波真空干燥规律，通过数据拟合建立的模型方程的预测值与实测值一致性较好。

微波真空，对虾，干燥，脱水速率，数学模型

凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)俗称南美白对虾，其蛋白质含量为20%左右、脂肪含量为1%左右，另外还含有丰富的矿物质[1］。

干燥虾仁一直是深受消费者喜爱的重要海产珍品之一。传统的对虾虾仁干燥方法主要是日光晾晒干燥或日光与热风联合干燥[2］。虽然日光干燥不需要特殊设备和技术，干燥成本比较低，但由于干燥时间长、干燥条件不能人为控制，产品的品质和卫生难以保证[2-4］。另外，尽管热风干燥设备投资比较少，操作控制相对容易，但因热风干燥温度高、时间比较长，而且与O2接触，在干燥过程中容易造成热损伤和过度氧化，降低了产品品质[2-5］。

微波真空干燥利用微波快速均匀加热，并在真空条件下使水分蒸发，是综合了微波干燥和真空干燥各自优点的一项新技术。微波真空干燥过程是一个复杂的热量和质量传递过程，研究微波真空干燥过程的干燥规律，建立干燥基础理论模型，对掌握微波真空干燥过程变化，优化和控制干燥过程参数具有重要作用。目前，利用微波真空干燥技术进行果蔬和谷物干燥方面的研究和应用比较多，崔政伟等[6］对微波真空干燥胡萝卜动力学进行了研究，介绍了一个基于能量与质量平衡的理论干燥模型，通过实验数据检测了这个模型并且使用非线性回归对其进行了修正。Giri等[7］利用微波真空干燥蘑菇，发现与对流干燥相比，微波真空干燥时间缩短了70%～90%，建立了Page薄层干燥模型，并且发现影响干燥速率主要为微波功率，其次是样品厚度，而真空度对其影响不明显。伍玉洁等[8］研究了微波真空脱水干制虾仁的水分活度对虾仁货架寿命和质构的影响，发现水分活度控制在0.86～0.9时，虾仁干制产品在口感及微生物指标等方面可取得平衡。

本文对虾仁微波真空干燥规律进行研究，建立干燥数学模型，并进行实验验证。

1 材料与方法

1.1 试验材料及预处理方法

试验所用对虾为鲜活的南美白对虾，购于当地水产市场。挑选对虾时尽量挑选个体适中、无伤、体表光滑、无烂眼、烂尾、体长8～12 cm、每尾7～13 g，60尾/500 g的对虾。

将鲜活南美白对虾洗净，去头挑肠腺，沸水热烫40 s后去壳，洗净沥干。所得虾仁的初始湿基含水率为74%～76%。

1.2 微波真空干燥

谐振腔型微波真空干燥装置(2450 Hz)由实验室自行研制，腔体容量(3.18×104)cm3(长36 cm、宽34 cm、高26 cm)，内有转盘以5.3 r/min速度旋转，保证转盘各部分均匀接受微波。盛放虾仁的单层Telflon浅盘(直径22 cm)摆放在转盘的中心位置，腔体中不再有其他可以加快虾仁干燥速度的物件，微波真空干燥过程中也没有干空气流通过腔体内部。磁控管配备风扇以提供冷却，控制面板可以控制微波输出功率和微波发生时间。样品放入后达到预期的真空度后即开始微波处理，其间样品质量变化由电子天平(PL2002，Mettler-Toledo仪器有限公司)测得。

1.3 微波功率的测定[9］

准确称取1 kg去离子水，冷却至8℃，在微波真空干燥器中分别以100%、80%和50%的功率加热至18℃。去离子水经充分搅匀，温度由热电偶测定。每一功率条件下测3组平行样品。经测定，微波真空干燥器100%、80%和50%负荷时的输出功率分别为(488.48±1.5)、(348.92±1.5)、(244.24±2.1)W。

1.4 干燥数学模型

以下几种干燥模型常被用来描述微波和微波真空干燥[7］。

上3式中:水分比MR=(M-Me)/(M0-Me);M为t时刻物料干基含水率;M0为物料原始干基含水率;Me为物料平衡干基含水率;t为干燥时间(min);K、A、n为待定系数。干基含水率=水(kg)/干物质(kg)。

2 结果与讨论

2.1 干燥特性

2.1.1 微波功率对干燥特性的影响

图1、图2显示的是原始水分含量(M0)为306%(对干基，以下同)的虾仁在真空度为-60 kPa、装载量为100 g时，微波输出功率对干燥时间和干燥速率的影响。从图1可知，随着微波功率的增大，干燥时间减小，当功率为244.24、348.92、488.48 W时，虾仁的干燥时间分别为24、16、13 min，干基水分含量降至11%。从图2知，随微波功率的增大，干燥速率增大;随着虾仁水分含量的减小，干燥速率先迅速增大，后缓慢下降;在干燥的最后阶段，即低水分含量时，干燥速率迅速下降。在微波功率较小的244.24 W时，干燥速率呈现出较明显的加速、恒速和降速3个阶段。而在较大微波功率时，这3个干燥阶段并不明显，其原因可能是物料较少，在较大微波功率时加热太快，导致干燥速率未出现恒速阶段，从而也可以知道水分含量越高，微波功率对干燥速率的影响越大。这与Giri等对微波真空干燥蘑菇的研究结果相一致[7］。

2.1.2 装载量对干燥特性的影响

图1 不同功率下水分含量与干燥时间的关系(-60 kPa、100 g)

图2 不同微波功率对干燥速率的影响

图3 和图4显示的是原始干基水分含量(M0)为283%的虾仁在微波功率为348.92 W、真空度为-60 kPa时，不同干燥装载量对干燥时间和干燥速率的影响。由图3看出，随着装载量的减小，干燥速度明显提高，所需干燥时间明显下降。当装载量分别为150、100、50 g时，虾仁干基水分含量降至11%所需的干燥时间分别为24、18、14 min左右。从图4可知，随装载量减小，干燥速率增大;随水分含量的减小，干燥速率先急剧增大后迅速下降，且装载量越小速率下降速度越快，同样这也可能加热太快所致。

图3 不同样品重量下水分含量与干燥时间的关系(-60 kPa、348.92 W)

2.1.3 真空度对干燥特性的影响

图5 、图6显示的是原始干基水分含量(M0)为306%的虾仁在微波功率为348.92 W、装载量为100 g时，不同真空度对干燥时间和干燥速率的影响。结果表明，真空度对干燥时间和干燥速率的影响都不大，随真空度的减小，干燥速率略有减小;同样，随水分含量的减小，干燥速率先急剧增大，后缓慢下降，干燥后期下降越快。

图4 不同装载量对干燥速率的影响

图5 不同真空度下水分含量与干燥时间的关系(348.92W、100g)

图6 不同真空度对干燥速率的影响

2.2 模型拟合

对模型方程(1)、(2)、(3)线性化处理，得式(4)、(5)、(6)

3种模型经处理后，由非线性关系转变为线性关系[10］。经长时间微波真空干燥的物料平衡含水量Me可视为0，因此可以把样品的水分比MR简化为。表1是不同干燥条件下对(4)、(5)、(6)式进行线性回归分析(SAS软件)得到的相关决定系数。图7是不同干燥条件下的ln(MR)-t曲线，可以看出试验数据在lnMR-t坐标系内呈曲线，这说明指数模型与单项扩散模型不能很好地描述对虾虾仁的微波真空干燥规律，其R2平均值分别仅为0.9821和0.9626。图8是不同干燥条件下的ln[-ln(MR)］-lnt曲线，可以看出试验数据在ln[-ln(MR)］-lnt坐标系内呈线性关系，表明试验数据用(6)式拟合得比较好，其R2最小为0.9918，最大为0.9995，平均值为0.9968，R2接近1，说明样本资料与回归方程配合紧密，各点接近回归直线，证明Page模型能较好的描述虾仁微波真空干燥的特性。

图7 不同干燥条件下的lnMR-t曲线

图8 不同干燥条件下的ln[-ln(MR)］-lnt曲线

表1 不同干燥条件对模型参数的影响

由于真空度对干燥规律影响不大，故忽略其影响。为进一步简化参数，把装载量与微波功率一起考虑，即用功率与装载量的比值:单位质量发射功率(P)来表示;同时为简化方程，文中采用单位质量发射功率二次方程来求系数。因此，令

式中:P，单位质量发射功率[功率(W)/物料初始质量(g)］;a、b、c、d、e、f，为待定系数。

代入式(3)后，将试验数据处理，利用回归程序(SAS软件)求得微波真空干燥虾仁模型线性拟合各待定系数:

将上述各系数代入lnK、n，再将lnK、n代入式(6)，得拟合方程为:

2.3 模型方程验证

为验证所获得的干燥方程的准确性，进行了两组验证试验。验证试验1的条件为:微波功率348.92 W，装载量85 g，真空度-60 kPa;验证试验2的条件为:微波功率244.24 W，装载量125 g，真空度-60 kPa。试验结果与从拟合方程获得的预测值比较曲线见图9。从图9可以看出，模型预测值和试验值有较好的一致性，二者水分比最大偏差为3.3%，因此本研究所建立的模型可以较好的描述对虾虾仁微波真空干燥规律。

图9 实测值与预测值的比较

3 结论

通过微波真空干燥对虾虾仁试验，获得微波真空干燥虾仁的干燥规律。微波功率、装载量是影响虾仁干燥特性的主要因素，而真空度对其影响不大。随着微波功率的增大和装载量的减小，虾仁干燥时间减小，脱水速率增大;随虾仁水分含量的减小，干燥速率先急剧增大，后缓慢减小，随水分含量的继续减小，干燥速率下降加快。对实验数据进行回归分析发现，Page模型能较好地描述虾仁微波真空干燥规律，通过拟合构建了对虾虾仁微波真空干燥的数学模型，即:MR=exp(-Ktn)，其中K=0.01064 exp(0.54260 P-0.01569 P2)，n=1.23631+0.10131 P-0.01896 P2。该模型可以较好的描述对虾虾仁微波真空干燥规律。

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ABSTRACTThe effect of drying parameters，such as microwave power，vacuum pressure and mass load on the drying kinetics were investigated and the mathematical model of microwave-vacuum drying(MVD)of shrimp was developed.The results showed that the drying characteristics were affected mainly by the microwave power level，followed by mass load.The vacuum pressure had a little effect on the drying rate.With the increase of microwave power and the decrease of mass load，drying rate increased.The drying rate initially increased rapidly and then slowly reduced and finally dropped sharply as the reduction of moisture content during MVD.Page＇s model for MVD of shrimp，developed by regression analysis of the experimental data，was the most close in accordance with the drying characteristic of shrimp.

Key wordsmicrowave-vacuum，Litopenaeus vannamei，drying，drying rate，mathematics model

Study on Drying Characteristics of Microwave-vacuum Drying of Litopenaeus vannamei

Zhao Wei1，2，Yang Rui-jin1，2，Xie Le-sheng1，Zhang Wen-bin2，Hua Xiao1，Zhu Zhen-le3
1(State Key Laboratory of Food Science＆Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
3(Ganyu Ocean＆Fishery Administration，Ganyu 222100，China)

博士，副教授。

*国家科技支撑计划项目(2008BAD94B06);江南大学江南大学自主科研计划项目(JUSRP20910)

2010-03-11，改回日期:2010-05-10