（食品科學與工程專業(yè)論文）豬通脊肉水分遷移動力學及臘肉烘烤工藝優(yōu)化試驗研究.pdf

中文摘要 目前 臘肉生產(chǎn)存在很多問題 阻礙了臘肉進一步發(fā)展 作為臘肉生產(chǎn)中非常關鍵的工序 烘烤中存在的問題也最為嚴重 如表皮結痂 水分不易通過表皮蒸發(fā)出去 產(chǎn)品外硬內(nèi)軟 影響 產(chǎn)品質(zhì)量 烘烤效率低下 浪費能源等 為解決臘肉烘烤中存在的問題 本文首先研究了豬通脊肉脫水動力學 吸附等溫線特性以及 脫水后體積變化規(guī)律 應用前人研究其他物料總結出來的模型 擬臺了豬通脊肉的干燥曲線和吸 附等溫線 在此理論基礎之上 根據(jù)豬通脊肉脫水特征 對臘肉烘烤工序進行了改進 不僅達到 了烘烤的要求 而且產(chǎn)品色澤 質(zhì)地和口感都有明顯提高 研究表明 豬通脊肉脫水為單一降率干燥過程 完全受內(nèi)部水分遷移控制 溫度是影響干燥 速率的主要因素 擴散系數(shù)是溫度的函數(shù) 風速是影響體積收縮的主要因素 體積收縮系數(shù)與水 分含量線性相關 改良h c n d c r s o n p a b i s 模型m r a e x p k t b e x p g t c e x p h t 為干燥曲線的 最優(yōu)模型 而h e n d e r s o n 模型a w 1 e x p a 1 m b 對等溫線的擬合程度晟高 最后提出了三段式 臘肉烘烤工藝 1 預熱 溫度4 0 相對濕度i 9 0 2 h 2 高溫低濕 溫度7 0 c 相對 濕度4 0 3 0 m i n 3 低溫高濕 溫度4 0 相對濕度6 0 1 7 h 所獲得的臘肉終產(chǎn)品微生 物安全水分含量為2 5 3 5 關鑰 試i 臘肉 烘烤 豬通脊 脫水動力學 吸附等溫線 脫水模型 a b s tr a o t t h e r ea l ep r e s e n t l ym a n yp r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o no fc h i n e s eb a c o n s l o w e r i n gi t sf u r t h e r d e v e l o p m e n t t o a s t i n g a st h em o s ti m p o r t a n tp r o c e d u r eo ft h ep r o d u c t i o n e n c o u n s t e r e dw i t ht h em o s t s e r i o u sp r o b l e m i n c l u d i n gt h ec o a ts c a b b e dw i t ht h em o i s t u r ed i f f i c u l tt oe v a p o r a t e t h eh a r do u t e ro f p r o d u c ta n dt h es o ri n s i d e a n dt h el o we f f i c i e n c yo f t o a s t i n ge n e r g y t os o l v et h o s ep r o b l e m s d e h y d r a t i o nk i n e t i c s m o i s t u r e s o r p t i o ni s o t h e r m sa n dt h ev o l u m e t r i c s h r i n k a g eo fp o r kt e n d e r l o i nw e r er e s e a r c h e di nt h i ss t u d y a p p l y i n gt h em o d e l s c o n c l u d e db yt h e f o r m e rs c h o l a r s a f t e rt h e i re x p e r i m e n t i n gw i mo t h e rm a t e r i a l s t h ed r y i n gc n r v e sa n dt h es o r p t i o n i s o t h e r m so fp o r kt e n d e r l o i nw a ss i m u l a t e d t h e n t h et o a s t i n gp r o c e d u r eo fc h i n e s eb a c o np r o d u c t i o n w a si m p r o v e do nt h eb a s eo ft h i st h e o r e t i c s a c c o r d i n gt ot h ed e h y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h e s a t i s f i e dr e s u l t s i tw a sf o u n dt h a tt h e r ei sn op e r i o do fc o n s t a n td r y i n gr a t ei nt h ed e h y d r a t i o np r o c e s so fp o r k t e n d e r l o i nw i t ht h ed e h y d r a t i o nc o m p l e t e l ye o n t r o l l o db yi n t e r n a lm a s st r a n s f e r a i rt e m p e r a t u r ew a st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t e dd r y i n gr a t e t h ee f f e c t i v ed i f f u s i v i t yc o e f f i c i e n t sw a saf u n c t i o no fa i r t e m p e r a t u r e t h ev o l u m e t r i cs h r i n k a g eo ft h es a m p l ew a sa f f e c t e dm a i n l yb ya i rv e l o c i t y w h i l s te f f e c t o f a i rt e m p e r a t u r ew a sn e g l i g i b l e m o r e o v e r t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es h r i n k a g ef a c t o ra n dm o i s t u r e c o n t e n t a p p e a r e d l i n e a r m o d i f i e dh e n d e r s o na n dp a b i s m o d e l e x p r e s s e d a sm r a e x p k t b e x p g t e e x p h 1 b e s td e s c r i b e dt h ed e h y d r a t i o nb e h a v i o u r t h eh e n d e r s o nm o d e lw a s t h eb e s tf i tt om o i s t u r es o r p t i o ni s o t h e r m s a n dt h eh e n d e r s o ne q u a t i o n sa l es u i t a b l ef o rr e p r e s e n t i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e ra e t i v i t ya n de q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n t a tl a s t 3 s t a g e st o a s t i n g p m c e d u r ew a sp r o p o s e d e m b o d i e d 鵲f o l l o w s 1 p r e h e a t i n g 4 0 3 i 9 0 r h 2 h 2 h i 曲 t e m p e r a t u r ea n dl o wh u m i d i t y 7 0 c 4 0 r h 3 0 r a i n 3 l o wt e m p e r a t u r ea n dh i g hh u m i d i t y 4 0 c 6 0 r h 1 5 h t h em i c r o b i a ls a f e t ym o i s t u r ec o n t e n to f c h i n e s eb a c o nc o u l db er e c o m m e n d e dt h er a n g e o f 2 5 3 5 k e yw o r d s c h i n e s eb a e o n t o a s t i n g p o r kt e n d e r l o i n d e h y d r a t i o nk i n e t i c s m o i s t u r es o r p t l o n i s o t h e r m s d e h y d r a t i o nm o d e l h i a b c g h n a k k 0 k 基本符號 干燥模型的常量 水分活度 干燥模型系數(shù) 擴散系數(shù) m 2 h 擴散頻率 一 1 1 活化能 k g m 0 1 水分含量 k g 水 k g 干物質(zhì) 平衡水分 起始水分含量 水分含量比 試驗觀測次數(shù) 氣體常數(shù) k j t 0 0 1 k 體積收縮系數(shù) 空氣溫度 干燥時間 h 空氣風速 m s 干基水分含量 常量數(shù) v i 阢風歷m尬 脅 r s 丁 v x 獨創(chuàng)t 眭聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學或其它教育機構的學位或證書 而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示了謝意 研究生簽名 笳厚享 時間 o 己一參 年占月 日 關于論文使用授權的說明 本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 即 學校有權保留 送交論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 可以采用影印 縮印或掃描等復 制手段保存 匯編學位論文 同意中國農(nóng)業(yè)大學可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表 傳播學位論文的全部或部分內(nèi)容 保密的學位論文在解密后應遵守此協(xié)議 研究生簽名 旅忍孝 帆跏占年二月爭 日 導師簽名 賠圊 如妊6 鼬舊 飛 1 1 研究目的和意義 第一章引言 脫水過程在制備臘肉 臘腸以及火腿等中國傳統(tǒng)肉制品中都有廣泛的應用 目前 由于缺乏 具體的理論指導 我國傳統(tǒng)肉制品實際生產(chǎn)過程的脫水工序 尤其是臘肉制品的烘烤程序 不符 合傳質(zhì)原理 表面常常結痂 阻礙了產(chǎn)品內(nèi)部水分擴散至表面 這樣 一方面導致表皮干裂 降 低于制產(chǎn)品質(zhì)量 另一方面烘烤效率低 操作時間長 增加了產(chǎn)品的成本 食品脫水是一個復雜 的傳熱傳質(zhì)過程 在干燥過程中 食品的物理性質(zhì) 化學性質(zhì)和營養(yǎng)成分等變化都與溫度 水分 和時間有關 因此如果能夠準確地預測脫水過程中食品內(nèi)部的水分分布以及溫度變化 就可以根 據(jù)物料的特殊性質(zhì)合理選擇較佳工藝 根據(jù)所提出最優(yōu)脫水模型 預測不同條件下的脫水過程 過去三十年 國內(nèi)外關于脫水干燥的研究主要集中于糧食 水果和蔬菜 在干燥理論方面取 得了巨大進展 同時也已經(jīng)形成了一套比較成熟的研究方法 但是 關于肉品干燥脫水時的水分 遷移的研究則鮮有報道 因此 系統(tǒng)地研究肉制品干燥動力學 吸附等溫線以及脫水后體積收縮具有十分重要的意義 能夠為改善脫水工藝提供理論依據(jù) 1 2 基礎理論 1 2 1 肉中水分的相關概述 水分在肉中占有絕大部分 可以把肉看做是一個復雜的膠體分散體系 水為溶媒 其他成分 為溶質(zhì)以不同形式分散在溶媒中 水在肉體內(nèi)分布是不均勻的 其中肌肉含水量為7 0 8 0 皮膚為6 0 7 0 骨骼為1 2 1 5 肉中水分含量多少及存在狀態(tài)影響肉的加工質(zhì)量及貯藏 性 水分含量與肉品儲藏特性呈函數(shù)關系 水分多易遭致細菌 霉菌繁殖 引起肉的腐敗變質(zhì) 肉的脫水千縮不僅使肉品失重而且影響肉的顏色 風味和組織狀態(tài) 并引起脂肪氧化 1 2 11 肉中水分的存在形式 核磁共振的研究表明 肉中的水分并非像純水那樣以游離的狀態(tài)存在 其存在的形式大致可 以分為三種 1 結合水是指與蛋白質(zhì)分子表面借助極性基團的靜電引力緊密接合的水分子層 它的 冰點很低 4 0 c 無溶劑特性 不易受肌肉蛋白質(zhì)結構和電荷變化的影響 甚至在施加嚴重 外力條件下 也不能改變其與蛋白質(zhì)分子緊密結合的狀態(tài) 結合水約占肌肉總水分的5 2 不易流動水肌肉中大部分水分 8 0 是以不易流動水狀態(tài)存在于纖絲 肌原纖維 及肌膜之間 它能溶解鹽及其他物質(zhì) 并在0 c 或稍低時結冰 這部分水的量取決于肌原纖維蛋 白質(zhì)凝膠的網(wǎng)狀結構變化 通常我們度量的肌肉系水力及其變化主要指這部分水 l 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章引言 3 自由水指存在于細胞外間隙中能自由流動的水 約占總水分的1 5 干燥脫水只能脫去自由水以及部分不易流動水 1 21 2 水分活度 水分是微生物生長活動所必須的物質(zhì) 一般來說 食品的水分含量越高 越易腐敗 但是 嚴格地說微生物生長并不取決于食品的水分總含量 而是它的有效水分 即微生物能利用的水分 多少 通常用水分活度來衡量 所謂水分活度 a 是指食品在密閉容器內(nèi)測得的水蒸氣壓力 p 與同溫下測得的純水 蒸氣壓力 p o 之比 即 a p p o 1 1 根據(jù)拉烏耳定律 在一定溫度下 稀溶液的蒸汽壓等于純?nèi)軇┑恼羝麎撼艘栽撊軇┰谌芤褐?的摩爾分數(shù) 即 式中膩 溶質(zhì)的摩爾數(shù) 竹2 溶劑的摩爾數(shù) 由式 1 1 1 2 得 p 2 風x 燾 1 2 a 土 1 3 1 1 刀2 純水的a 1 在完全不含水時a o 所以a 的范圍在0 1 水分活度反映了水分與肉 品結合的強弱及被微生物利用的有效性 各種食品都有一定的a 值 新鮮肉為o 9 7 o 9 8 魚 為o 9 8 0 9 9 紅腸為0 9 6 左右 干腸為o 6 5 0 8 5 各種微生物的生長發(fā)育有最適的a 值 一般而言 細菌生長的a 下限為0 9 4 酵母菌為o 8 8 霉菌為0 8 a 下降至o 7 以下 大多數(shù) 微生物不能生長發(fā)育 但嗜鹽菌在0 7 耐干燥霉菌在o 6 5 耐滲透壓的酵母菌在o 6 1 時仍能發(fā) 育 近年來被稱為 中間水分食品 i n t e r m e d i a t em o i s t u r ef o o d 的一類制品其a 在0 6 5 o8 5 在這一領域內(nèi) 細菌相對來說不易繁殖 但是霉菌仍能生長且脂肪易發(fā)生自動氧化 口 1 2 2 千燥動力學 當濕物料受熱干燥時 雖然開始時水分均勻分布于物料中 但是由于物料水分的汽化是在表 面進行 教會逐漸形成從物料內(nèi)部到表面的濕度梯度 從而物料內(nèi)部的水分就以此濕度梯度為推 動力 逐漸向表面轉移 但是 物料內(nèi)部水分的擴散推動力不只是濕度梯度 溫度梯度也可以使 物料內(nèi)部發(fā)生傳遞 稱為熱濕導 水分分布均勻的物料 當溫度分布不均時 水分將從溫度高處 向低處轉移 所以熱濕導的方向是由高溫向低溫進行 對于熱風干燥和一般輻射干燥 物料內(nèi)部 的溫度梯度與濕度梯度方向相反 對于接觸干燥和采用微波加熱的干燥 兩種梯度方向一致 2 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章引言 水分從肉品表面擴散到環(huán)境中去的能力取決于肉品的水分含量以及組成成分 同時 環(huán)境溫 度 相對濕度 邊界層性質(zhì)對擴散的影響也很重要 水分由物料內(nèi)部擴散至表面以后 便在表面 汽化 并向氣相中傳遞 可以認為 在表面附近存在一層氣膜 此層內(nèi)的水蒸氣分壓等于物料中 水分的蒸氣壓 顯然 此蒸汽壓的大小主要取決于物料中水分的結合方式 水分在外部氣相中傳 遞的推動力即為此膜內(nèi)的蒸汽分壓與氣相主體中蒸汽分壓之差 造成這種蒸汽分壓差 推動力 的原因 對熱風干燥來說是干燥介質(zhì)的流動不斷帶走汽化的蒸汽 對真空干燥來說是真空泵的抽 吸帶走汽化的蒸汽 水分的內(nèi)部擴散和外部擴散是同時進行的 雖然如此 但在不同干燥過程的不同時期 控制 于燥速率機理不一定相同 這是由于物料的結構 性質(zhì) 溫度及氣相的情況的影響所致 因此干 燥機理是非常復雜的 水分的內(nèi)部擴散速率與表面汽化速率近于相等的場合是少見的 實際上 在干燥過程中 某些物料水分表頑汽化的速率小于內(nèi)部擴散速率 而另一些物料 則水分表面汽 化速率大于內(nèi)部擴散速率 顯然 速率較慢的是控制過程的關鍵 前一種情形稱為表面汽化控制 后一種稱為內(nèi)部擴散控制 1 2 2 1 干燥曲線m 由間歇操作實驗所得數(shù)據(jù) 以時間t 對干基含水量x 作圖 得到如圖1 1 所示的物料濕含量x 隨時間的變化曲線 稱為干燥曲線 吣 l 呻 lx ll l t 矗疊飄 圖卜l 干燥曲線 f i g l id r y i n gc u r v e s a b 或a b 段 a 點代表時間為零時的情況 a b 為濕物料不穩(wěn)定的加熱過程 一般該過 程的時間很短 在分析干燥過程中?？珊雎?將其作為恒速干燥的一部分 b c 段 在b c 段內(nèi)干燥速率保持恒定 稱為恒速干燥階段 在該階段 濕物料表面溫度為空氣的濕球溫度t w 物料表面氣膜的空氣濕度為k 下的飽和濕度h 干燥速 度主要決定于干燥介質(zhì)的性質(zhì)和空氣與濕物料的接觸方式 c 點 由恒速階段轉為降速階段的點稱為臨界點 所對應濕物料的含水量稱為臨界含水量 用x c 表示 臨界含水量與濕物料的性質(zhì)及干燥條件有關 c d e 段 隨著物料含水量的減少 干燥速率下降 c d e 段稱為降速干燥階段 干燥速率主 要取決于水分在物料內(nèi)部的遷移速率 不同類型物料結構不同 降速階段速率曲線的形狀也不同 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章引言 e 點 e 點的干燥速率為零 x 即為操作條件下的平衡含水量 需要指出的是 干燥曲線或干燥速率曲線是在恒定的空氣條件下獲得的 對指定的物料 空 氣的溫度 濕度不同 速率曲線的位置也不同 1 2 2 2 干燥速率曲線 干燥速率表達了脫水的快慢程度 將干燥速率對物料含水最作圖得到的曲線 稱為干燥速率 曲線 橫座標為干基含水量x 縱座標為干燥速率r 即單位時間內(nèi)在單位表面積上汽化的水分 質(zhì)量 其表達式為 r 一絲些 4 出 由于影響干燥的因素很多 所以物料干燥速度與含水量的關系必須通過具體的實驗來測定 干燥速度實驗的原始數(shù)據(jù) 首先反映物料含水量與干燥時間的關系 對于熱風干燥 影響干燥速 度的因素很多 1 濕物料的性質(zhì)與形狀 包括物理結構 化學組成 形狀大小和水分結合方式 2 物料的含水量 物料中水分活度與含水量有關 因而影響干燥速度 3 物料的溫度 物料溫度與物料中水分的蒸汽壓有關 并且也與水分的擴散系數(shù)有關 一般溫度愈高 則干燥速度愈大 4 干燥介質(zhì)的溫度 干燥介質(zhì)的溫度直接影響干燥過程的傳熱推動力 介質(zhì)溫度愈高 干燥速度愈大 以不損壞被干燥物料的品質(zhì)為原則 5 干燥介質(zhì)的濕度 相對濕度愈低 水分汽化愈快 在干燥初期 影響尤為顯著 6 干燥介質(zhì)的流速 介質(zhì)的流動速度影響干燥過程的對流傳熱和對流傳質(zhì) 一般介質(zhì)速 度愈大 干燥速度愈大 特別是在干燥初期 7 介質(zhì)與物料的接觸狀況 主要是指流動方向 流動方向與物料汽化表面垂直時 干燥 速度最快 平行時最差 凡是對介質(zhì)流動造成較強烈的湍動 因而使氣一固邊界層變薄的因素 均可提高干燥速度 1 2 3 吸附等溫線腳 在恒溫條件下 以食品的含水量 用每單位干物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量表示 對水活性繪圖形成 的曲線 稱為水分吸附等溫線 m o i s t u r es o r p t i o n i s o t h e r m m s i 水分吸附等溫線對于了解以下信 息是十分有意義的 在濃縮和干燥過程中樣品脫水的難易程度與相對蒸汽壓的關系 配制混 合食品必須避免水分在配料之間的轉移 測定包裝材料的阻濕性 測定什么樣的水分含量能 夠抑制微生物的生長 預測食品的化學和物理穩(wěn)定性與水分的關系 等溫線形狀和位置與試樣的組成 物理結構 如結晶或無定形 預處理 溫度和制作方法 等因素相關 雖然等溫線劃分為3 個區(qū)間 但還不能確定區(qū)間的分界線 而且除結合水外 等溫線每一個 區(qū)間內(nèi)和區(qū)間與區(qū)間之間的水都能發(fā)生轉換 另外 向干燥物質(zhì)中增加水雖然能夠稍微改變原來 所含水的性質(zhì) 即基質(zhì)的溶脹和溶解過程 但是當?shù)葴鼐€的區(qū)間i i 增加水時 區(qū)間i 水的性質(zhì)幾 乎保持不變 同樣 在區(qū)間i i i 內(nèi)增加水 區(qū)間i i 的性質(zhì)也幾乎保持不變 從而可以說明 食品 4 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章引言 中結合得最不牢固的那部分水對食品的穩(wěn)定性起著重要作用 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 3 1 干燥動力學研究 干燥是工業(yè)上貯藏糧食 水果和蔬菜的常用方法 因此一直以來對谷物 水果和蔬菜的干燥 動力學研究較多 也形成了一套比較成熟的理論 生鮮肉從古至今多以鹽漬或低溫等控制微生物 的活動來達到貯藏的目的 肉制品的干燥動力學理論幾乎一片空白 干燥食品 全干或半干食品 因其運輸方便 不易腐敗變質(zhì) 所需貯存空間小 在全球范圍 內(nèi)越來越受重視 食品的干燥是失水和升溫過程 在干燥過程中 食品內(nèi)傳熱和傳質(zhì)過程同時進 行 在實際生產(chǎn)過程中 常優(yōu)化干燥工藝以防止食品收縮過快而產(chǎn)生撓曲變形 提高干后品質(zhì) 至今有許多學者認為 食品內(nèi)部的水分運動是受擴散機理控制的 但究竟是以液態(tài)形式擴散 還是以汽態(tài)形式擴散 則還未確定 干燥過程中可能兩種形式并存 或某一種形式為主 w h i t a k e 曾經(jīng)指出 僅有水分擴散方程不能充分描述谷物內(nèi)部的水分擴散過程 這是因為水分的吸收和蒸 發(fā)引起了熱量的變化 熱量擴散通過物料時又引起了溫度的變化 從而影響了物料吸收和蒸發(fā)水 分的能力 4 1 自然干燥雖然簡單 節(jié)能 但是往往需要龐大面積 而且易受到蟲害及微生物的污染 不利 于工業(yè)標準化生產(chǎn) 為了更好地利用干燥脫水貯藏水果 蔬菜等高水分含量農(nóng)產(chǎn)品 學者們針對 大量水果 蔬菜的干燥過程進行了深入系統(tǒng)的研究 而且還總結出了各自的干燥模型 葡萄 5j 杏1 6 1 海棗t t l 1 青椒 綠豆和南瓜1 9 1 藍桉樹l l o h 1 薄荷 馬鞭草和紅根草 梨 和梨皮 i j 獼猴桃 4 1 水分在基質(zhì)內(nèi)的遷移本身就是一個非常復雜的過程 包括水分和水汽在固體基質(zhì)中的擴散 固體食品中的擴散機制包括 分子擴散 毛細管流動 努森分子流動 水壓力流動以及固體表面 擴散 1 薦加上農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部結構各向異性 非均一 產(chǎn)品形狀不規(guī)則 而且干燥過程中體積收縮 形狀發(fā)生變化 16 1 使得水分擴散更復雜 而肉中的水分擴散比一般農(nóng)產(chǎn)品還要復雜 因此 分析 模擬肉中的水分擴散現(xiàn)象是建立在一系列的假設基礎之上的 假設條件雖然因模型需要而 有所不同 但是在模擬時都是從費克第二定律一非穩(wěn)態(tài)擴散出發(fā)的 所以不管模型如何 費克 第二定律所作的假設都是前提條件 干燥開始階段 固體基質(zhì)的水分均勻分布 干燥過程中 擴散系數(shù)保持不變 擴散在一個面上進行 即一維擴散 表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)阻力忽略不計 洪新華和李保國將稻谷顆粒視為圓柱體 利用費克第二定律 建立了稻谷干燥過程中水分擴 散模型 分析了稻谷干燥特性和介質(zhì)溫度與含水率對擴散系數(shù)的影響 并進行了薄層干燥試驗 他們的研究表明 稻谷干燥過程中水分比呈指數(shù)曲線變化 風溫越高 曲線越陡 稻谷在干燥的 初始和最后階段 水分比對水分擴散系數(shù)影響較大 1 1 9 1 w a m m c m i 肌和t r a m a g e e 1 9 9 6 t l 研究了圓柱體馬鈴薯水分遷移動力學 他們應用費克 非穩(wěn)態(tài)擴散模型發(fā)現(xiàn) 干燥過程是內(nèi)部擴散控制的單一降率干燥階段 溫度為干燥速率主要影響 因素 風速影響不大 風速對體積收縮的影響較大 相對于風速 溫度的影響可忽略不計 1 3 2 吸附等溫線的相關研究 吸附等溫線的試驗數(shù)據(jù)一般都符合某些現(xiàn)有公式 這些公式稱為吸濕模型 所用模型都建 立在一定的理論基礎之上 例如 動力學 毛細管收縮 水勢以及極化作用等理論 如果僅僅依 靠一種理論而建立的模型很難預測整個水分活度范圍內(nèi)的吸附等溫線 如l a n g m u f i b e t h a s e y 和b r a d l e y 等 所以 有些人結合考慮上述理論提出了下列模型 h a i l w o o d h o r r o b i n 和s m i t h 模 型 半經(jīng)驗模型h e n d e r s s o n 經(jīng)驗模型o s w i n m u j i c a m u j i c a 等 j c o m 8 p o s a d a c t a l 2 0 0 0 m o t a r j e m i 1 9 8 8 2 u 提出b r a d l e y 公式適合于描述肌球蛋白 卵蛋白等蛋白質(zhì)的吸濕等溫 線 建立在單分子層吸收理論基礎之上的b e t 公式常用于描述吸附等溫線 而g a b 模型被認為 是擬合許多食品原料吸附等溫線鼴好的公式之一 水分活度高達o 9 4 時 g a b 模型仍能很好地 進行預測 h e n d e m o n 公式能較好地描述球狀蛋白吸附等溫線1 2 l f e r r of o n t a n 等 1 9 8 2 研究了 膠原蛋白和魚肉蛋白濃縮物的吸附等溫線 并用h a i l w o o d h o r r o b i n 對此進行了模擬 m k o u h i l a 等 2 0 0 2 卅研究了摩洛哥藍桉樹的吸附等溫線 他們指出 試驗數(shù)據(jù)與g a b 模型吻合得非常好 n w a n g 和j g b r e n r l a r l 1 9 9 1 研究了馬鈴薯四個溫度下的吸附等溫線性質(zhì) 指出g a b 和o s w i n 公式適合表達水分活度在o 一8 8 內(nèi)的馬鈴薯平衡水分含量與水分活度間的關系 l o m a u r o 等1 2 6 j 以1 6 3 種食品原料為研究對象 分別對3 個兩參數(shù)模型和1 個三參數(shù)模型進 行了評測 g a b 模型被認為是最通用的模型 適用用許多種原料 印 2 e t 模型因其熱動力學 基礎而成為了最通俗的模型 d i n e a n 和e s i n f 卅對b e t 模型修正后描述通心面的吸附等溫線 o s w i n 公式1 3 l 能夠擬合s 形等溫吸附線 s m i t h p 2 1 公式適用于生物原料的吸附等溫線 如淀粉和 纖維 1 3 3 脫水后體積收縮的相關研究 由于食品物料各向異性 非均一 故脫水時收縮不均勻 物料形狀會發(fā)生改變 體積收縮有 雙重重要性 首先 影響產(chǎn)品質(zhì)構和其他質(zhì)量因子 其次 模擬脫水時物料內(nèi)部傳質(zhì)過程需要這 方面資料 a r n o s t i f r e i r e 和s a r t o r i 2 0 0 0 t 1 報道了梨 胡蘿h 馬鈴薯 甜馬鈴薯和大蒜脫水時表觀密 度與水分含量線性相關 r a m a l l o 等 2 0 0 1 報道 y e r b am a t 6 的收縮系數(shù)及表觀密度與水分含量線性相關 與 溫度無關 o t o n i e lc o r z o 等 2 0 0 4 3 5 1 研究了不同含水量的沙丁魚片滲透脫水時體積收縮的情況 發(fā)現(xiàn) 體積收縮因子與水分含量線性相關 收縮體積與失水體積也線性相關 k i l p a t r i e k l o w e 和v a na r s d e l 1 9 7 5 i 捌研究了馬鈴薯和其他一些蔬菜在干燥過程中體積 收縮 c h a r m 1 9 7 8 i 3 r l 研究了肉和馬鈴薯的體積收縮現(xiàn)象 l o z a n o r o t s t e i n 和u r b i e a i n 1 9 8 0 p s i 報道了蘋果組織不同水分含量時的體積收縮以及孔 隙度的變化 6 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章引言 水果滲透脫水時 其體積收縮取決于食品失水和溶質(zhì)的增加 1 1 4 研究內(nèi)容 烘烤是臘肉制備工藝中至關重要的一道工序 烘烤伴隨著傳熱傳質(zhì)過程 即水分遷移和熱量 傳遞 目前 臘肉烘烤工藝存在嚴重弊端 效率低下 產(chǎn)品表皮結痂 外硬內(nèi)軟等 早期臘肉原 料肉為五花肉 隨著人們生活質(zhì)量的提高 后來出現(xiàn)了后腿肉臘肉 甚至純瘦肉臘肉 為了便于 研究脫水動力學理論 我們選擇豬通脊肉為研究對象 因為其內(nèi)部組成接近于后腿肉 而且比一 般瘦肉更均勻 樣品取為近似無限長圓柱體 水分擴散簡化為半徑方向上的一維擴散 這樣所有 半徑方向上擴散情況相同 本試驗將測定恒定相對空氣濕度 不同溫度 不同風速下 樣品水分含量以及體積隨時間的 變化關系 測定不同溫度 不同濕度下肉樣的平衡水分含量 最后 在以上理論基礎上提出一套 完善的烘烤工藝 具體包括以下三個方面的內(nèi)容 1 研究豬通脊肉脫水時水分遷移動力學 2 改進傳統(tǒng)臘肉生產(chǎn)過程中的烘烤工藝 3 研究豬通脊肉吸附等溫線 4 研究豬通脊肉脫水時體積收縮及內(nèi)部水分分布 7 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文第二章豬通脊肉脫水時水分遷移動力學 第二章豬通脊肉脫水時水分遷移動力學 前言 干燥為一種工業(yè)貯藏手段 水果或蔬菜在熱風干燥過程中 其含水量或水分活度降低 從而 減少產(chǎn)品生化 化學和微生物腐敗 1 4 嚴格意義上講 干燥過程主要包括四種傳遞現(xiàn)象 內(nèi)部和 外部傳熱 內(nèi)部和外部傳質(zhì) 農(nóng)產(chǎn)品干燥的主要目的是將水分含量降至一定水平 達到長期貯藏 的目的 而且 干燥極大降低了產(chǎn)品的重量和體積 降低了包裝 貯藏和運輸費用 為了更 好地控制不同條件下的干燥過程 需要建立精確的干燥曲線模型 在肉制品的生產(chǎn)中 成熟過程是很重要的一步 在此階段 通過脫水降低水分活度 增加產(chǎn) 品穩(wěn)定性 產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生一些物理 微生物和生化反應 形成特征外形 特征風味或香味 4 3 q 4 j 這些動力學反應受水分含量影響 反應進程受脫水速率影響 鼓風干燥被普遍認為是一種常規(guī)的食品干燥技術 絕大多數(shù)食品干燥過程都是降率干燥階 段 產(chǎn)品連續(xù)干燥時 表面常常結痂 阻礙食品內(nèi)部水分擴教至表面 從而導致表皮干裂 降低 干制產(chǎn)品質(zhì)量 1 5 州這種不良現(xiàn)象會使水分擴散機制復雜化 水分狀態(tài)改變 水分分布急劇變化 以及產(chǎn)品內(nèi)部形成的小孔結構分布不均 極大地降低了產(chǎn)品質(zhì)量 所以 必須依據(jù)一個完善的數(shù) 學模型來確定最適的干燥程序 使干燥快速高效進行 提高干制品品質(zhì) 本研究以圓柱體通脊肉樣 1 9 m m x 7 0 r a m 為研究對象 測定不同溫度 不同風速下樣品的 干燥曲線以及脫水速率曲線 研究溫度 風速對熱風干燥豬通脊肉的影響 計算水分擴散系數(shù)和 擴散活化能 分析 評價十種模型對干燥曲線的模擬效果 找出最適合豬通脊肉的干燥模型 8 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章豬通脊內(nèi)脫水時水分遷移動力學 2 1 材料與方法 2 1 1 試驗原料 新鮮豬通脊肉 購自北京超市發(fā)超市 圓柱體樣品 m1 9 r a m 7 0 m m 2 1 2 脫水設備 如圖2 1 所示 在不銹鋼圓形風管頂端固定一個s u n o nd p 2 0 0 a 型軸流風機 中1 2 0 m m 3 0 8 m m 將其置于d h g 9 0 7 6 a 型電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi) 樣品用網(wǎng)孔為1 0 r a m 1 0 r a m 不銹鋼 絲網(wǎng)固定于風管內(nèi) 風速用調(diào)速器和q d f 一5 d 型熱球式電風速計進行調(diào)節(jié)和控制 1234 圈2 l 干燥試驗裝置圖 f i e 2 is c h e m a t i cd r a w i n go f t h ea p p a r a t u su s e df o rt h ed r y i n gt e s t 軸流風機2 風管 3 電熱恒溫鼓風干燥箱4 調(diào)速器5 樣品6 樣品固定架 7 熱球式電風速計 2 1 3 試驗儀器 d h g 9 0 7 6 a 型電熱恒溫鼓風干燥箱 s u n o nd p 2 0 0 a 型風扇 d 6 0 2 f 型電動攪拌機調(diào)速器 q d f 5 d 型熱球式電風速計 m p 5 0 2 b 型電子天平 2 1 4 試驗方法 上海精密實驗設備有限公司 北京神通電器廠 杭州儀表電機廠 北京環(huán)境保護儀器廠 上海精密實驗設備有限公司 用氰基丙烯酸乙酯在樣品兩端面粘上鋁箔 以避免水分從端面擴散到環(huán)境中去 從而保證在 脫水過程中水分只在半徑方向上發(fā)生遷移 即一維擴散 脫水時汽化表面為圓柱體側面 為了確 保肉樣表面擴散的氣流環(huán)境相同 試驗過程中保持樣品的軸線始終與風向平行 試驗過程中 每隔l h 取出樣品快速稱重 立即放回干燥箱繼續(xù)脫水 直到連續(xù)兩次重量差 9 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章豬通脊肉脫水時水分遷移動力學 小于0 1 9 時 認為樣品水分含量在此干燥條停下達到平衡 眨 按g b 9 6 9 5 1 5 8 8 方法測定平 衡水分含量 每次試驗做三次平行 目前 大多數(shù)肉制晶都屬于低溫肉南4 品 加工溫度一般在8 0 c 以下 而一般臘肉制作時 烘 烤溫度為5 0 c 6 0 c 風速為l m s 2 5 n d s 所以 在本章中 試驗因子 水平設計如下表 襄2 1 試驗因子 水平袁 t a b l e 2 1f a c t o e r sa n dl e v e l so f t h ee x p e r i m e n t s 2 1 5 數(shù)據(jù)分析 試驗號溫度 風速 m s 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用s p s s l 2 0 完成 圖形 圖像處理采用o r i g i n 6 0 e x e e l l 2 0 0 0 完成 2 2 結果與分析 2 2 1 干燥曲線 水分含量比值 擯 與時間的關系隨溫度 風速的變化如圖2 1 圖2 2 所示 001 口 i 耐同 圖2 2 風速為2 m s 溫度分別為4 0 5 0 1 2 的千燥曲線 f i 9 2 2v a r i a t i o no fm o i s t u r er a t i ow i t h d r y i n g t i m e a t 2 r o t s o l d r y i n g a i r i 一 口 z o4 uj 時間 h 圉2 3 溫度為4 0 c 風速分別為1o m s 1 s a s 的干燥曲線 f i 9 2 3v a r i a t i o no f m o i s t u r er a t i ow i t hd r y i n gl i m e a t4 0 co f d r y i n ga i r 從圖2 2 圖2 3 可知 溫度越高 水分含量比值m r 下降越快 風速越大m r 下降越快 而 且 水分含量隨溫度的變化明顯大于隨風速的變化 這表明 在試驗所選擇的溫度 風速范圍內(nèi) 溫度是干燥的主要影響因素 風速影響不大 h e n d e r s o n 和p a b i s 1 9 6 1 1 4 7 1 i 道 當空氣湍流流 1 0 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文第二章豬通脊肉脫水時水分遷移動力學 動時 氣流速度對干燥速率沒有影響 風速對干燥速率沒有明顯影響說明表面擴散阻力相對于內(nèi) 部傳質(zhì)阻力可以忽略不計 符合牛頓第二定律的假設條件 y u s h e n g 和p o u l s e n 1 9 8 8 1 4 w a n g 和b r c n n a n 1 9 9 2 1 4 塒也得出風速對于干燥速率的影響很 小 此外 m u l e t 等 1 9 8 7 5 0 j 和r o s s e l l o 等 1 9 9 2 t j 提出風速對于干燥速率的影響存在一個臨界 值 當風速大于此臨界值時 表面阻力可以忽略不計 而i n c it o r k t o g r u l 和d u r s u n p e h l i v a n 2 0 0 3 i l 以杏為研究對象時 發(fā)現(xiàn)溫度為5 0 c 8 0 風速為o 2 m s1 5 m s 時 水分含量隨風速變化比隨溫度的變化明顯 風速對水分含量影響 大小取決于物料表面水分向空氣中擴散的能力以及氣流與物料表面邊界層的厚度 因為增加空氣 流速 會降低物料表面水蒸氣薄膜的厚度 從而增加傳熱傳質(zhì)速率 p 2 j 2 2 2 干燥曲線模擬 表2 2 是一些學者在研究糧食 水果和蔬菜干燥動力學時建立的數(shù)學模型 分別用這十種模 型模擬豬通脊肉干燥曲線 采用最小二乘法作非線性回歸 s p s s 統(tǒng)計軟件 比較模擬結果 選擇最優(yōu)模型 回歸系數(shù)的平方 站 作為評價模型擬臺程度的最基本指標 r 2 越太說明模型能 更好解釋變量的變異性 此外 c h i s q u a r e x2 平均偏差 m b e 均方差 r m s e 也可以作 為擬舍指標 這三項越小說明擬合越好 越能反映實際情況 用十種干燥模型分別模擬試驗數(shù)據(jù) s p s s 軟件運行得到的各模型特征參數(shù)見表2 3 表2 4 列出了模型對5 次試驗模擬后所得的回歸系數(shù)的平方r z c h i s q u a r e x2 平均偏差m b e 均方差 r m s e 的平均值 表2 2 千爆雎縫模型 t a b l e 2 2 m a t h e m a t i c a l m o d e l s g i v e n b y v a r i o u s m 坩m r s f o r t h ed r y i n gc u i w e s 舞嘟精 一1 t 一氍 表2 3 不同溫度 風速下干燥模型的參數(shù)值 t a b l c 2 3p a r a o r e t c rv a l u e sf o ra l lm o d e l so f d r y i n gc t l l e sa td i f f e r e n tt e m p c t a t u r ee n dv e l o c i t y l 模型參數(shù) 溫度 風速 m s n c w t o nko 1 2 4 1 0 1 4 3 8o2 0 3 801 1 4 70 1 1 6 5 01 2 4 1 m o d i f i e dp a g e k n k n l o g a r i t h m i c t w o t e r m a k a c 1 o a k 1 b w e n g s i n g h a b a p p r o x i m a t i o no f d i f m s i o n 改良h e n d e r s o n p a b i s t w o t e r m e x p o n e n t i a l a b k a b c k g h a k 0 1 8 0 0 0 8 4 1 8 0 1 3 0 4 0 8 4 1 8 0 1 1 2 8 0 9 1 2 3 o 0 7 9 o 9 1 8 4 0 0 1 3 1 2 4 7 8 4 0 1 4 2 2 0 1 0 6 1 0 8 5 7 9 0 1 9 2 1 0 8 6 9 2 0 1 4 9 8 0 8 6 9 2 0 1 3 3 5 0 9 3 0 5 n 1 3 0 6 0 9 3 2 8 o 0 0 6 l 2 1 0 8 1 0 1 2 6 0 0 1 2 5 6 0 8 7 4 2 0 2 7 5 7 0 8 3 6 4 0 2 1 4 3 0 8 3 6 4 o 1 9 0 l o 9 3 6 8 0 2 0 2 2 o 9 3 3 0 0 0 1 5 1 1 4 7 3 0 0 0 1 6 5 0 0 1 7 0 0 n s 3 4 3 0 1 4 4 9 o 9 0 2 9 0 1 1 7 7 o 9 0 2 9 0 1 0 8 3 o 9 4 5 6 o 1 0 0 4 0 9 5 7 7 o 0 2 4 l 1 3 7 5 6 o 0 9 7 8 0 1 0 3 5 n 9 o 0 1 6 4 8 0 8 5 5 8 0 1 2 1 6 0 8 5 5 8 0 1 0 6 9 o 蛆0 9 0 1 0 1 2 0 9 2 8 6 0 0 1 6 5 1 4 7 5 0 o 1 3 7 8 0 1 0 0 3 0 8 6 3 l 0 1 8 0 0 08 4 1 8 0 1 3 0 4 0 8 4 1 8 0 1 1 2 8 0 9 2 3 0 1 0 7 9 0 9 1 8 4 0 0 1 3 l 2 4 7 8 8 0 1 4 2 2 0 1 0 6 1 0 8 5 7 9 i 0 0 8 2 9 0 0 8 9 7 0 a 0 6 9 0 0 7 9 3 0 0 7 8 9 0 0 8 2 9 0 0 0 1 70 0 0 2 0 0 0 0 2 70 0 0 1 60 0 0 1 60 0 0 1 7 1 8 7 4 0 6 1 9 9 3 6 80 8 3 4 5 1 4 4 7 3 9 9 9 3 4 3 1 46 1 4 2 1 0 0 0 01 0 0 0 08 7 1 2 51 0 0 0 0 1 0 0 0 010 0 0 0 0 1 2 4 l 0 1 4 3 80 1 7 0 l0 t 1 4 70 1 1 6 501 2 4 1 0 0 1 8 4 0 8 1 8 5 o 1 9 9 5 0 0 3 3 4 00 8 9 3 i 2 2 6 1 n 1 3 0 8 0 0 8 0 4 9 5 802 9 8 303 2 9 80 1 3 7 7 0 1 4 2 2 0 3 7 8 4 0 6 0 2 203 2 9 80 2 3 t 502 6 5 6 0 1 1 2 6 00 0 9 9 40 2 8 6 006 3 1 605 9 2 4 0 1 2 5 60 3 0 3 70 1 0 8 31 4 7 5 2 24 7 8 9 0 1 2 5 60 1 4 8 40 1 0 8 301 0 0 301 0 6 l 2 1 0 8 2i 9 2 7 5 8n 1 0 8 3n 1 0 0 301 0 6 i o 1 2 4 7 1 0 1 5 4 o 1 8 6 9 0 9 0 0 6 0 0 9 8 6 1 0 5 0 4 0 1 3 2 5 0 7 6 6 9 0 1 3 5 0 08 0 0 8 毯 呔l 二竺竺 n 一2 2 1 一 專善 腳 一m 沼z 一 雌陋 一 2 l 2 沼 式中 艘 為第i 個試驗值計算得到的水分比 肘r j 為第i 個理論值計算得到的水分比 由表2 3 知 模型9 回歸所得的彭值晟大 x2 r m s e 以及m b e 值最小 擬合程度最高 最逼近實際情況 即 改良h e n d e r s o n p a b i s 模型比其他模型能夠更好地預測和描述豬通脊肉的 干