豬肉的微波干燥與能耗分析

陳鵬飛

凌 菁

袁曉紅

胡甜甜

萬江華

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

水分含量是影響豬肉品質的關鍵因素之一[1]，水分過多和久置會導致豬肉腐敗變質。干制后不僅能夠抑制微生物生長繁殖、延長貯藏時間，還能保存豬肉的營養物質、增加口感。

微波具有穿透力強、波長較短、干燥速度快且節能環保等優點[2-3]，被廣泛應用于干燥生產中。張樂等[4]研究發現，微波功率和真空度對微波干燥時間有顯著影響。劉田子等[5]研究表明，Page模型為豬肉干熱風干燥的最優模型。汪磊等[6]發現，微波干燥可在改善產品品質的同時縮短干燥時間。田龍等[7]研究表明，豬肉脯的最佳加工方式為微波法聯合傳統工藝加工。

文章擬結合微波干燥的優點，對豬肉進行不同功率的微波干燥，通過建立微波干燥數學模型，分析豬肉干燥過程中的水分變化、微波能耗以及干燥效率等，探討豬肉微波干燥特性，為肉類微波干燥過程優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬肉：選擇剔除脂肪、筋、腱的肌肉作為試樣，市售。

1.2 試驗設備

微波爐：G90F23MN3XLVN-A7型，廣東格蘭仕集團有限公司；

電子分析天平：LQ-W50002型，優科維特電子科技有限公司；

微波干燥系統試驗平臺：自制。

1.3 試驗方法

1.3.1 干燥條件設計 豬肉用水果刀切割成厚度相當、質量分別為20，25，30 g的薄片。將微波功率分別固定在70，140，210，280，350，420 W，選取20，25，30 g豬肉試樣，研究質量及微波功率對豬肉微波干燥特性的影響。利用計算機每隔1 s自動記錄豬肉干燥過程中含水率的變化。

1.3.2 數據處理與分析 使用Excel 2019軟件整理數據，采用Levenberg-Marquardt優化算法進行非線性模型擬合，采用Origin 2018 64bit分析處理并進行圖表繪制。

1.3.3 干燥曲線的數學模型 選用5個較為常用的經典薄層干燥模型進行擬合對比分析，建立豬肉微波干燥數學模型。干燥模型如表1所示。

1.3.4 干燥含水率及水分比 按式(1)計算豬肉干基含水率[13]。

Mt=(Wt-G)/G，

(1)

式中：

Mt——豬肉干基含水率，g/g；

Wt——任意時刻的總重，g；

G——干重，g。

微波干燥過程中，豬肉的水分含量用水分比(MR)[14]表示：

MR=(Mt-Me)/(Mo-Me)。

(2)

由于微波干燥能量較大，對于Mt和Mo而言，Me又非常小，因此假定豬肉在微波干燥下的Me為0，即水分比可簡化為：

MR=Mt/Mo，

(3)

式中：

MR——水分比；

Mo——豬肉初始的干基含水率，g/g；

Mt——豬肉在t時刻的干基含水率，g/g；

Me——豬肉的平衡含水率，g/g。

1.3.5 干燥速率 按式(4)計算干燥速率[15]。

DR=(M2-M1)/(t2-t1)，

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·s)；

M1——干燥過程中t1時刻所對應的水分比，%；

M2——干燥過程中t2時刻所對應的水分比，%。

1.3.6 微波干燥能效測定 采用平均單位能耗和微波干燥效率[16]來表示微波干燥能效。按式(5)計算微波干燥效率。

(5)

式中：

μ——微波干燥效率，%；

mω——蒸發的水蒸氣質量，kg；

γω——水的汽化潛熱，MJ/kg；

p——微波輸出功率，W；

t′——間隔時間，s。

當豬肉內部水分溫度達到100 ℃時，水分開始蒸發，水蒸發的汽化潛能為2 257 MJ/kg。水分蒸發所需要的能耗為[16]：

(6)

式中：

Es——單位能耗，MJ/kg。

1.3.7 決定系數及誤差分析 選取決定系數(R2)和均方根誤差(RMSE)作為擬合評價指標，其中R2值越大、RMSE值越小，此模型擬合程度越好[17]。

(7)

(8)

式中：

MRexp,i——干燥試驗實測的第i個水分比；

MRpre,i——模型預測的第i個水分比；

n——試驗采集點個數。

2 結果與分析

2.1 豬肉微波干燥特性分析

2.1.1 干燥質量和微波功率 由圖1可知，微波功率越高，干燥時間越短，干燥曲線斜率越大；當微波功率為70 W時，20，25，30 g豬肉干燥所需時間分別為2 250，2 695，2 987 s。不同干燥質量下的豬肉水分比變化關系為干燥時間隨干燥質量的增大而增加。干燥質量越大，豬肉干燥時間越長，水分比干燥曲線就越平緩。

圖1 不同干燥質量下豬肉干燥曲線Figure 1 Pork drying curve under different drying quality

由圖2可知，豬肉微波干燥速率分為短時間加速和較長時間減速2個階段，與即食慈姑片[18]微波干燥類似。由于微波加熱有別于傳統加熱，微波加熱能在物料內部形成獨特的內熱源，并且水分的蒸發能夠降低豬肉表面的溫度，使其內部先干燥。在干燥初始預熱階段，豬肉吸收的微波能量主要使其自身溫度不斷上升。物料初始的水分含量比較高，隨著豬肉自身溫度的不斷上升，微波能量主要用于干燥，使豬肉內部的水分被逐步汽化，形成一個壓力梯度，從而推動其內部水分不斷向外遷移，干燥速率也隨之不斷上升；當豬肉含水率逐漸減小時，其吸收的微波能量越來越少，導致壓差減小，因此干燥速率處于減速階段，與李秋庭等[19]的結論一致。此外，降速期間的干燥受物料中水分擴散的影響，不僅增加了對水運動的阻力，還導致干燥速率進一步降低[20]。

圖2 不同干燥質量下豬肉干燥速率曲線Figure 2 Pork drying rate curve under different drying quality

2.1.2 干燥模型曲線擬合 由表2可知，Logarithmic模型對于不同干燥質量下豬肉的微波干燥所得數據的擬合最優，其決定系數為0.993 86～0.996 78，均方根誤差為0.321 72～0.626 78。

表2 不同干燥質量下5種數學模型的數據分析結果Table 2 Data analysis results of 5 mathematical models with different drying quality

由表3可知，Logarithmic模型對于不同微波功率下豬肉的微波干燥所得數據的擬合較優，其決定系數為0.990 50～0.996 01，均方根誤差為0.109 55～0.646 93，綜合分析，Logarithmic模型對于不同干燥質量、不同微波功率豬肉的微波干燥所得數據的擬合較優，說明該數學模型能較好地描述豬肉的微波干燥規律。

表3 不同微波功率下5種數學模型的數據分析結果Table 3 Results of data analysis of 5 mathematical models at different microwave power

2.2 干燥效率與單位能耗

由表4可知，在豬肉的微波干燥過程中，隨著干燥質量增加及干燥功率增大，干燥過程的單位能耗先降低后增加、干燥效率先增大后減小。當豬肉質量為25 g、微波功率為210 W時，單位能耗最低為10.89 MJ/kg，干燥效率最高為20.72%。有研究[21]表明，提高微波功率可以降低干燥時間。但并非微波功率越高，平均單位能耗越低，干燥效率越高[22]。因此,在進行微波干燥時應對微波功率、干燥能耗及干燥效率進行綜合考慮。

表4 不同干燥質量下單位能耗和干燥效率Table 4 Unit energy consumption and drying efficiency under different drying quality

由圖3可知，初始時刻，微波能耗呈快速增加趨勢，微波的能量用于提高待干燥豬肉的溫度，因此能耗較大；隨后豬肉達到相應溫度條件后能耗出現一個階段的減小；最后微波能量用于蒸發豬肉內部的水分，需要的能耗逐漸增大，最終70 W時的單位能耗最高(為14.93 MJ/kg)，210 W時的單位能耗最低(為10.89 MJ/kg)。相同的水分比條件下，微波干燥功率越高，干燥所造成的平均單位能耗越低。

圖3 單位能耗與水分比的關系Figure 3 Specific energy consumption versusmoisture ratio

由圖4可知，干燥開始時，豬肉吸收微波能量使其自身溫度不斷上升，這一過程中蒸發的水分較少。因此，初始時刻的加熱階段導致干燥效率不斷增加，并在很短時間內達到最高值，之后干燥效率逐漸下降，最終維持在20%左右。這主要歸因于干燥后期豬肉含水量的降低。

圖4 干燥效率與水分比的關系Figure 4 Relationship between drying efficiency andmoisture ratio

3 結論

通過對5種常用的干燥數學模型進行比較發現，Logarithmic對數模型可以更好地描述豬肉在微波干燥過程中的水分比變化關系。微波干燥過程中，當干燥質量增加或微波功率增大時，豬肉的平均單位能耗先降低后增加、干燥效率先增加后降低，且當干燥質量為25 g、微波功率為210 W時達到最優，此時平均單位能耗為10.89 MJ/kg，微波干燥效率為20.72%。試驗在研究微波功率和干燥質量對豬肉微波干燥特性的影響時，未考慮豬肉切片厚度這一因素。后續可尋求一種微波正交干燥試驗，采用正交試驗的極差分析和方差分析方法，分析豬肉切片厚度對微波干燥特性及能耗的影響，以更好地為豬肉微波干燥參數的優化及實際干燥工藝提供參考。