刺参远红外干燥实验研究

赵海波，戴家傲，乔玲敏，张玲玲，吴坤

（1.烟台大学海洋学院，山东烟台 264005）（2.烟台大学土木学院，山东烟台 264005）（3.烟台顿汉布什工业有限公司，山东烟台 264003）

刺参具有非常高的营养价值和药用价值[1]，然而刺参极易自溶，采捕后需尽快加工。干制是目前采用的主要加工方法[2]。干制加工有盐干[3]、冻干[4,5]、微波真空[6~8]、微波冻干[9]、热泵干燥[10]和电流体动力学干燥[11]等多种方式，但不同干燥方式又各有不足，如盐干营养成分损失大、冻干能耗大、微波干燥不均匀和热泵干燥耗时过长等[12,13]。因此，开发新型刺参干燥技术是近年来刺参加工领域一个主要研究趋势。

远红外干燥是基于红外线的热作用和物质对辐射的选择性吸收原理[14]，红外线发射到物体表面时，物质会吸收特定波长的辐射光谱，加速内部微观粒子振动碰撞，引起温度升高，驱动内部水分向外扩散转移，实现快速干燥。远红外干燥具有干燥成本低、速度快、品质好和耗能少等特点[15]，是一种比较理想的干燥方式。已在果蔬[16]、水产品[17]和草药[18]等物料干燥中获得了成功的应用，但在刺参干燥中的应用尚未见有报道。

研究刺参的干燥动力学特性，分析刺参含水率的动态变化规律，是设计远红外干燥装置、确定最优干燥工艺的重要依据。干燥动力学特性可用薄层干燥模型来描述。研究人员采用了不同的模型来研究分析不同物料的远红外干燥特性。汤尚文等[19]研究了南瓜红外干燥半经验模型，发现Page模型可以作为南瓜片红外干燥的基础模型。周冰[20]、郑霞[21]和曾目成等[22]研究认为 Weibull分布函数模型能够描述白芷药材、红枣泥片、猕猴桃切片的红外干燥特性。考虑到不同物料的结构、热物性参数的差异，上述模型是否适合刺参的远红外干燥也有待进一步的研究。为此，本文将通过实验方法研究刺参的远红外干燥特性，为刺参干燥技术和干燥工艺的发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

刺参，采购于烟台一市场，体重（18±4.5）g。

1.2 仪器与设备

电子天平，游标卡尺，远红外线干燥箱（功率 2 kW）。

1.3 试验方法

试验前，将鲜活刺参去除内脏后，迅速放入锅内煮沸，15 min后取出去除参嘴石灰质，用滤纸吸干表面水分，将整只刺参作为试验样品。取3个试验样品置于干燥箱支架上，设定实验温度后，开始干燥实验。每隔20 min将刺参取出称重，测量尺寸，烘干至前后两次质量差不超过0.01 g。干燥温度设定40 ℃、60 ℃和80 ℃三个温度。

复水试验参照文献[7]的方法，将干刺参浸泡于蒸馏水中，置于冰箱内，实验72 h，每隔24 h取出称重，测定其质量增大倍数作为复水率。

干基含水量的测定采用GB/T 5009.3-2016食品安全国家标准-食品中水分的测定中规定的常压干燥法[23]。将刺参置于远红外线干燥箱内，设定温度为105 ℃，持续加热，使海参完全干燥，作为全干质量，再由测得的质量计算每个测量时刻的干基含水率。

试验时，每组设三个平行样本，测量上述参数后分别取平均值。

1.4 试验指标

(1)干基含水率X：

式中，mt为干燥进行到t时刻时的刺参质量，kg；mg为全干刺参质量，kg。

(2)相对含水率M：

式中，X0为刺参初始含水率；Xe为刺参平衡含水率。相对比干基含水率，该指标更有利于比较刺参载不同初始含水率和干燥条件下的干燥特性。

(3)干燥速率

式中，Mt为t时刻刺参相对含水率，Mt+dt为t+dt时刻刺参相对含水率。

(4)收缩率 ɛ

采用游标卡尺测量干燥前后刺参的体长，按下式计算收缩率[7]：

式中，L0为刺参的初始长度，Lt为刺参在每一时刻的长度。

(5)复水率 β

式中，m1为刺参复水后的质量，m2为刺参烘干后的质量。

2 干燥模型

为了获得适合不同干燥温度的薄层干燥模型，本文结合实验数据，采用 Matlab软件的非线性拟合方法，将常用薄层干燥模型[24~26]中的系数表示为温度的函数，从而获得了适用于不同干燥温度的薄层干燥模型，如表1。

(1)决定系数

(2)均方根误差

(3)平均相对偏差百分比

(4)卡方误差

式中，y为拟合值，yˆ为对应的实验值，m为数据个数，i为第i组实验，j为常数的个数。

4个统计指标中，R2越接近于1，EMD、χ2和ERMS越接近于0的模型拟合精度越高。计算时，先由实验数据拟合确定各模型中的所有系数，再用实验数据和模型计算结果计算得上述4个检验指标，最终根据指标值选择精度最高的模型。

生物保鲜剂是指从动植物、微生物中提取的天然的或利用生物工程技术改造而获得的对人体安全的保鲜剂。主要分为四大类，一是微生物代谢产物，包括乳酸链球菌素、ε-聚赖氨酸和枯草杆菌素等；二是生物酶，包括溶菌酶、葡萄糖氧化酶和谷氨酰胺转氨酶等；三是生物天然提取物，包括茶多酚、壳聚糖和鱼精蛋白等；四是以上述物质为主要成分的复合生物保鲜剂。

表1 常用薄层干燥模型Table 1 Thin layer drying models commonly used

3 结果与分析

3.1 干燥特性

图1 刺参相对含水率随干燥时间的变化情况Fig.1 Variation of relative moisture content of sea cucumber with the drying time

图2 刺参干燥速率随干燥时间的变化情况Fig.2 Variation of drying rates of sea cucumber with the drying time

图3 刺参收缩率随干燥时间的变化情况Fig.3 Variation of shrinkage ratio of sea cucumber with the drying time

图1为远红外干燥过程中，刺参相对含水率的动态变化情况。可以看出，刺参在干燥中含水率逐渐降低，且干燥温度越高，所需干燥时间越短，40 ℃时，干燥时间最长为24 h，60 ℃时为14 h，到80 ℃时，干燥时间最短为10.1 h。说明温度对刺参干燥进程具有重要作用。本实验中所需的远红外干燥时间也远小于热风干燥。文献[28]研究结果表明，75 ℃热风干燥下，刺参干燥时间均超过20 h，60 ℃条件下甚至超过40 h，如图1所示。这说明刺参在远红外干燥条件下效率更高。

图2为远红外干燥过程中，刺参干燥速率变化情况。可以看出，刺参的干燥速率在干燥初期比较大，在三种干燥条件下分别为 0.65%/min，0.9%/min和1.65%/min，接着迅速下降，在干燥中后期基本低于0.2%/min。整个干燥过程中不存在恒速干燥，说明刺参与青豆等[25,26]物料干燥一样，其干燥均属于降速干燥。从图中还可以看出，在不同的干燥阶段，温度对干燥速率的影响不一样。在干燥初期，干燥速率与温度呈正相关，干燥温度越高，干燥速率越大，而到了干燥中后期，温度与干燥速率就不是正相关，计算三种干燥条件下50%~100%干燥进程的干燥速率均值，分别为0.0353%/min、0.032%/min和0.0167%/min，表明温度低的干燥速率反而更高，进一步地，计算得35 ℃与 40 ℃和 45 ℃条件下的显著性 P值分别为0.584和0.192，均大于0.05，说明其干燥速率差别不显著。分析其原因，在刺参的远红外干燥过程中，主要驱动力应为水分的内部扩散，刺参内部水分子（尤其是自由水）在干燥初期受到温度越高，运动速度越快，更容易向外扩散，而到了干燥中后期，刺参内部含水率已处于较低水平，且大部分为结合水，且较低温度干燥条件下的刺参内部含水率相对较高，其含水率梯度更大，在此驱动下水分扩散反而能更快。

图3为刺参收缩率在远红外干燥过程中的变化情况。从图中可以看出，在三个干燥温度下，刺参收缩率均随干燥的进行而逐渐增加，且干燥温度越高，收缩的更快。证明远红外干燥温度对刺参干燥中的收缩具有决定性的影响。其原因应归于干燥温度对刺参体壁组织结构和胶原纤维结构的影响[29]。随着干燥温度的升高，刺参肌肉组织中的纤维会发生聚集交联，且胶原蛋白出现热变性，使得胶原纤维结构收缩，排列更紧密，刺参整体逐渐收缩。

图4为刺参复水率随复水时间的变化情况。从图中可以看出，随着复水时间的增加，复水率逐渐增加，如60 ℃干燥条件下得到的干刺参，复水时间从24 h增加到72 h后，复水率从4.0增加到5.0。80 ℃条件下从7.0增加到7.9。干燥温度越高，复水率越大。该结论与文献30中红枣的复水结果相反，但与文献31中对流干燥海参的复水率结论一致。原因应是高温干燥条件下得到的海参其内部的亲水性基团更多，使得复水率不断升高。

图4 刺参复水率随复水时间的变化情况Fig.4 Variation of rehydration ratio of sea cucumber with the rehydration time

3.2 干制品品质

为了进一步比较不同干燥条件的干燥效果，我们建立了5人小组对干刺参的外观、硬度、弹性进行了评定。结果如表2。由表2可知，60 ℃条件下得到的干刺参，质量较好，表现为表面完整，富有光泽，按压有较好弹性；40 ℃时，干刺参有弹性，表面有皱褶，硬度一般；80 ℃时，干刺参表面焦黑、变形严重，硬度过大，弹性变差。

表2 刺参干制品品质随远红外干燥温度的变化情况Table 2 Variation of dried sea cucumber quality with the far infrared drying temperature

3.3 干燥动力学模型

表3列出了不同干燥模型的检验指标值。可以看出，Two-term模型具有最高的R2，最低的EMD、χ2、ERMS，模拟精度最高，这与文献28得出的结论一致。图5是该模型计算得到的三个远红外干燥温度下刺参相对含水率随干燥时间的变化情况，可以看出计算值与试验值吻合很好，可以用来预测刺参在远红外干燥过程中的动力学特性。

从图1~5中还可看出，各参数的测量误差绝对值均随干燥的进行而减小，相对误差绝大部分在10%以内，少数时刻相对误差较大，在后续研究中可采用更高精度的测量仪器、增加平行样本数量以及实验测试次数等方法改善。

图5 不同温度下，相对含水率的模拟值和试验值随干燥时间的变化情况Fig.5 Variation of simulated and experimental relative moisture content with the drying time under different drying temperatures

表3 各干燥模型检验指标值Table 3 Test index values of thin layer drying models

4 结论

为了探究远红外干燥技术在刺参加工中的应用，本文通过实验方法研究了刺参的远红外干燥特性，比较分析了不同的薄层干燥模型，得到的主要结论如下：

4.1 刺参的远红外干燥属于降速干燥，含水率随干燥的进行逐渐降低，且温度对刺参干燥进程具有决定作用，温度越高，降低速度越快。与热风干燥相比，刺参在远红外干燥条件下耗时更短，干燥效率更高。

4.2 在干燥初期，刺参的干燥速率与温度呈正相关，干燥温度越高，干燥速率越大，而到了干燥中后期，温度对干燥速率的正相关影响不太明显，甚至温度低的干燥速率反而更高。

4.3 刺参收缩率随干燥温度的升高逐渐增加，且温度越高，收缩越严重。复水率随着复水时间的增加逐渐增加，且干燥温度越高，复水率越大。

4.4 比较干刺参的外观、硬度和弹性等因素发现，相对于其余两个温度，60 ℃条件下得到的干刺参，表面完整，富有光泽，按压有较好弹性，质量更好。

4.5 在干燥动力学模型方面，在研究的13种薄层模型中，Two-term模型能更好地预测刺参相对含水率随干燥时间的变化情况，应优先用于预测刺参在远红外干燥过程中的动力学特性变化。

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