南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型.pdf

第 51 卷第 2 期渔 业 现 代 化Vol.51 No.22024 年 4 月FISHERY MODERNIZATIONApr.2024DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2024.02.013收稿日期:2023-11-29基金项目:青岛海洋科技中心山东省专项经费(2022QNLM03002-3)作者简介:马靖松(1998),男,硕士研究生,研究方向:水产品加工。E-mail:m210310987 通信作者:欧阳杰(1983),男,硕士,副研究员,研究方向:水产品加工技术与装备。E-mail:ouyangjie 南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型马靖松1,2,欧阳杰2,马田田2,黄 天2,沈 建2(1 上海海洋大学食品学院,上海 201306;2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092)摘要:为掌握南极磷虾(Euphausia superba)在螺旋轴套加热条件下的干燥特性,建立干燥模型以准确模拟干燥过程中的水分迁移规律。通过研究不同干燥温度(90、110、130)、堆料厚度(10 cm、20 cm、30 cm)和搅拌速度(4 r/min、6 r/min、8 r/min)下南极磷虾的水分含量、干燥速率、水分有效扩散系数和干燥活化能的变化趋势,分析其干燥曲线特征,选用 8 种经典干燥模型对试验数据进行拟合,以决定系数 R2、卡方检验值 X2、均方根误差 RMSE为模型拟合效果评价指标,确定最佳干燥模型,并对模型参数进行回归分析,得到最适干燥模型拟合方程。结果显示:南极磷虾螺旋轴套加热干燥过程属于降速干燥;在干燥开始 10 min 内干燥速率达到最大值,整个干燥过程以降速干燥为主,恒速干燥阶段较少;对南极磷虾的有效水分扩散系数影响关系为干燥温度堆料厚度搅拌速度;试验条件范围内水分有效扩散系数为 1.920 910-9 3.971 710-9,干燥活化能为 15.64 kJ/mol,易于干燥;Logarithmic 模型为南极磷虾螺旋轴套加热干燥的最佳模型,该模型拟合方程能较好地预测南极磷虾干燥过程中水分比变化情况。研究结果可为南极磷虾粉加工提供新的干燥模式,为螺旋轴套加热干燥工艺研发、装备研制提供理论依据和技术支撑。关键词:南极磷虾;螺旋轴套加热;干燥特性;干燥动力学中图分类号:TS254.4 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)02-0102-011 南极磷虾(Euphausia superba)是南极地区特有的一种甲壳类动物,其体型小,生物资源量大,约为 6.5 亿 t10 亿 t,是世界上已知的最广泛的后生动物种群1-3。南极磷虾营养成分丰富,含有超过 65%的干基蛋白4和 34%的不饱和脂肪酸以及多种生物活性物质5。近年来南极磷虾由于其具有抗氧化6、抗炎7等生理功能而备受关注。南极磷虾粉是南极磷虾最主要的加工产品之一,通常由磷虾经预处理、蒸煮、分离、干燥、粉碎等加工工序而制成8。南极磷虾水分含量高达76%80%,其干燥工序耗时最长,对虾粉品质影响最大,有研究报道南极磷虾在干燥过程中主要造成蛋白质的流失和虾青素等热敏性物质的破坏9-10。因此选用合适的干燥工艺和设备对南极磷虾粉加工尤为重要。目前虾粉加工常采用圆盘干燥设备,其具有传热面大,结构紧凑的特点,但干燥过程中圆盘不具备刮料和输送的功能,需要焊接多个刮料斗进行刮料和输送,筒壁和刮料斗之间的间隙比较大,易造成堆料和干燥不均匀等问题11。螺旋轴套式加热干燥的原理和圆盘干燥类似,兼具圆盘干燥的优点,轴套加热可实现内外同时加热,双螺旋结构可同时起到输送和搅拌的作用,其螺旋与筒壁间的缝隙小,可以减少物料堆积,因此理论上螺旋轴套加热干燥效率更高、更均匀,适合南极磷虾的干燥。干燥过程中常用干燥动力学模型来描述农产品的水分变化,主要包括理论方程、半理论方程、半经验方程和经验方程等12。理论方程又称扩散方程,是基于 Fick 方程推导而来,由于方程比较复杂,较难以运用。半理论方程式基于理论方程简化而来13。半经验方程最早是 Lewis14提出的一种对流传热 Newton 冷却速率方程,精度较高应用广泛。经验方程是根据实验数据水分比与第 2 期马靖松等:南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型干燥时间之间关系的表达式。建立干燥过程的数学模型,可以为优化干燥工艺参数,设备改进,节能降耗奠定基础。张建友等15使用 Page 等 8 种模型对中国毛虾热风耦合热泵干燥进行模拟,研究发现 Two-term 模型能较好描述毛虾干燥过程。张孙现等16使用 Page 模型对鲍鱼微波真空干燥试验进行模拟,结果表明 Page 模型能很好描述鲍鱼干燥过程。本研究以南极磷虾为研究对象,采用螺旋轴套加热干燥模式,研究干燥温度、堆料量、搅拌速度对南极磷虾干燥特性的影响,分析不同条件下的干燥活化能及有效水分扩散系数,掌握南极磷虾在螺旋轴套加热条件下的干燥特性,并筛选出最适宜的南极磷虾干燥动力学模型,为后续南极磷虾螺旋轴套加热干燥工艺的研究及装备研发提供理论依据与数据支撑。1 材料与方法1.1 材料南极磷虾样品由中国水产有限公司“龙腾”号捕捞加工船于 2022 年 4 月在南极海域(FAO 048 区)捕捞,2023 年 8 月购买并冷链运输至实验室-18 冷库中冷冻保存备用,解冻后磷虾体长4565 mm,选取个体完整无损伤南极磷虾用于后续试验。1.2 仪器与试剂螺旋轴套加热干燥机 40 L(图 1),常州广博干燥设备有限公司;电热鼓风干燥箱(DHG-9140A),上海齐欣科学仪器有限公司;电子分析天平(XS105),梅特勒-托利多国际贸易有限公司;三足式离心机(SS752),张家港市乐余通沙轻工机械厂;智能蒸饭柜(HH-2),常州朗越仪器制造有限公司。/D#D&!EEE*&图 1 螺旋轴套加热干燥机结构示意图Fig.1 Schematic structure of spiral sleeve heating dryer1.3 试验方法1.3.1 南极磷虾前处理冷冻南极磷虾使用常温流水解冻,水温 1520,完全解冻后沥干表面水分。解冻后磷虾使用智能蒸饭柜在 100 下蒸汽蒸煮 10 min,冷却至常温,使用三足式离心机(转速 1 500 r/min,脱水时间 3 min)离心脱除部分水分后取出备用。1.3.2 南极磷虾干燥试验设计取一定量预处理后的南极磷虾置于螺旋轴套加热干燥机中干燥。经预试验验证,当干燥温度140 时,南极磷虾物料温度过高,对品质影响较大;干燥温度 80 时,干燥时间过长,因此选择90 130 为干燥温度范围。设定干燥温度、堆料厚度、搅拌速度(表 1),每隔 10 min 取样测量水分含量,直至南极磷虾水分含量降至 10%,判定为干燥终点。表 1 南极磷虾干燥试验方案Tab.1 Antarctic krill drying test protocol序号干燥温度/堆料厚度/cm搅拌速度/(r/min)113020621102063902064130106513030661302047130208301渔 业 现 代 化2024 年1.4 相关指标测定1.4.1 水分含量的测定参考 GB 5009.32016食品安全国家标准食品中水分的测定17采用直接干燥法测定南极磷虾的水分含量,计算公式为:Xt=m0-m2m0-m1 100%(1)式中:Xt表示干燥过程中 t 时刻南极磷虾水分含量,%;m0为干燥皿质量和初始磷虾的质量之和,g;m1为干燥皿质量,g;m2为干燥皿质量和干燥完成后磷虾的质量之和,g。1.4.2 干基含水率干基含水率表示南极磷虾干燥过程剩余水分含量与南极磷虾干基质量之比18,计算公式为:Mt=mt-mama 100%(2)式中:Mt表示南极磷虾在 t 时刻的干基含水率,g/g;mt为 t 时刻南极磷虾样品的质量,g;ma为干燥到恒重时南极磷虾样品的质量,g。1.4.3 水分比水分比反应不同时刻南极磷虾的剩余含水量19,计算公式为:MR=Mt-MeM0-Me(3)式中:MR表示水分比;M0表示南极磷虾的初始干基含水率,g/g;Mt表示干燥至 t 时的南极磷虾干基含水率,g/g;Me表示南极磷虾干燥平衡时的干基含水率,g/g;。因南极磷虾水分含量较高,相比与初始含水率其平衡含水率较小,可将方程简化为20:MR=MtM0(4)1.4.4 干燥速率南极磷虾水分散失的快慢程度用干燥速率表示21,计算公式为:Vt=M1-M2t1-t2(5)式中:Vt表示干燥速率,g/(gmin);M1表示南极磷虾 t1时刻的干基含水率,g/g;M2表示南极磷虾在 t2时刻的干基含水率,g/g;t1、t2分别为干燥时间,min。1.4.5 水分有效扩散系数Fick 扩散方程可以用来描述受内部水分扩散控制的降速干燥过程22。当物料具有相同初始含水率时,Fick 扩散方程可简化为:lnMR=ln82-2Deff4L2t(6)式中:Deff表示有效水分扩散系数,m2/s;L 为物料厚度的一半,m;t 为干燥时间,s。1.4.6 干燥活化能干燥活化能 Ea表示干燥过程中南极磷虾脱去单位物质的量水分所需的能量23。南极磷虾干燥 过 程 中 的 Deff可 通 过 阿 伦 尼 乌 斯 公 式(Arrheniusequation)与 干 燥 温 度(T)建 立 关系,即:Deff=D0exp-EaR(T+273.15)(7)同取自然对数,可得:lnDeff=lnD0-EaR(T+273.15)(8)式中:D0表示物料中扩散基数定值,m2/s;Ea为活化能,J/mol;R 为摩尔气体常数,8.314 J/(molK);T 为干燥温度,。以此可求得 Ea。1.5 南极磷虾干燥动力学模型的建立选用国内外常用的8 种干燥动力学模型24-26(表 2),利用 Origin 2018 对南极磷虾干燥数据进行拟合。表 2 干燥动力学数学模型Tab.2 Mathematical model of drying kinetics序号模型名称模型表达式模型参数1Henderson and PabisMR=aexp(-ktn)a,k2PageMR=exp(-ktn)k,n3LewisMR=exp(-kt)k4LogarithmicMR=aexp(-kt)+ba,k,b5MidilliMR=aexp(-ktn)+bta,k,b6Wang&SinghMR=1+at+bt2a,b7ParabolicMR=a+bt+ct2a,b,c8Two-termexponentialMR=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kat)a,k 根据式(9)(11)获得 3 个指标来评价数学模型的拟合程度,即决定系 R2、卡方 x2和均方根误差 RMSE,其中 R2越大,卡方 x2和均方根误差RMSE越小,表示模型的拟合程度越好,对于干燥过程中水分含量变化的预测也更准确。401第 2 期马靖松等:南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型R2=1-Ni=1(MRexp,i-MRpre,i)2Ni=1(MRexp,i-MRexp,i)2(9)X2=ni=1(MRexp,i-MRpre,i)2N-n(10)RMSE=1Nni=1(MRexp,i-MRpre,i)2(11)1.6 数据处理每组试验重复 3 次,用 Excel 2016 整理数据,用 Origin 2018 软件对数据进行分析、模型回归拟合分析及作图。2 结果与分析2.1 不同干燥温度下的南极磷虾干燥特性2.1.1 不同干燥温度下南极磷虾的干燥曲线不同干燥温度对南极磷虾干燥特性的影响如图 2、3 所示。05010015020001020304050607080!FKNJO 130 110 90 图 2 不同干燥温度下南极磷虾水分含量变化曲线Fig.2 Moisture content curves of Antarctic krill on wet basis at different temperatures由图 2 可知,在堆料厚度 20 cm,搅拌速度6 r/min、不同干燥温度下,南极磷虾的水分含量均随着干燥时间的增加而呈现指数下降的趋势,干燥温度越高,水分含量下降越快。干燥温度130时,干燥用时最短(100 min),相比于 110、90 下分别缩短了 27.7%、44.4%;干燥过程中每降低 10%水分含量分别耗时 8 min、10 min、12 min、18 min、22 min、30 min,水分含量至 40%后所耗时间大幅增加,这与贾文婷等27的研究相似,在干燥初期,物料内的水分含量更高,水分容易流失。水分含量由 70%至 40%时所需时间分别为 30 min(130)、40 min(110)、60 min(90);干燥后期下降减缓,由 40%至 10%时所需时间 70 min(130)、90 min(110)、120 min(90),随着干燥温度的降低,干燥时间越长,相比于干燥前期,干燥后期时间增长更为明显,这与Nanan 等28使用流化床干燥对虾的结果相似。0501001502000.0000.0050.0100.0150.020(L/min 130 110 90 E(图 3 不同干燥温度下南极磷虾的干燥速率曲线Fig.3 Drying rate curve of Antarctic krill at different temperatures由图 3 可知,不同干燥温度下,南极磷虾的干燥过程基本处于降速干燥阶段,在干燥前 10 min时干燥速率迅速升高。在干燥初期,相比于其他干燥温度,130 条件下磷虾表面的水分蒸发速率更快,内部温度梯度更大,磷虾内部水分向表面扩散的速度更快,最大干燥速率也最大,这与王安娜等29对栘依的研究相似。与 90 时相比,在110、130 下南极磷虾干燥速率在 1050 min 中下降更为明显,在干燥后期,磷虾表面水分的蒸发速度大于内部水分的扩散速度,导致磷虾的表面脱水速度大于内部水分迁移速度,高温使得干燥初期脱水较快,导致磷虾表面皱缩和结壳的现象更为严重,随着时间的增加,磷虾内部水分向表面的扩散阻力增加,干燥速率下降的趋势更大,造成这种现象的可能原因是高温会使得物料表面产生干结现象,导致物料干燥速率降低。这与马兴灶501渔 业 现 代 化2024 年等30的研究结果相似。2.1.2 不同干燥温度下南极磷虾的水分有效扩散系数干燥过程是一个湿热传递的过程,物料由介质加热后热量由表面向内部传递,物料中的水分则由内部转移至表面经由蒸发去除,有效水分扩散系数 Deff可以用来评价干燥过程中水分迁移的平均速度,食品的干燥过程中 Deff一般在 10-12 10-8 m/s 之间31。以不同温度下南极磷虾干燥过程中的水分比对数值为因变量与干燥时间 t 为自变量进行线性拟合,由公式(6)计算可得南极磷虾水分有效扩散系数 Deff。由表3 数据可知,在固定堆料厚度 30 cm,搅拌速度 6 r/min 时,干燥温度在 90 130 范围内,有效水分扩散系数在 1.920 910-93.214 110-9之间,随着温度的升高,有效水分扩散系数增加,温度在 130 时有效水分扩散系数最大,是 110、90 下的 1.29、1.67 倍。这与付冬雪等32研究结果相似,干燥温度越高,水分蒸发越快,导致南极磷虾内部水分迁移越快,Deff值越大。表 3 不同干燥温度下南极磷虾的水分有效扩散系数Tab.3 Effective moisture diffusivity of Antarctic krill under different drying temperatures序号线性拟合方程R2Deff/(m2/s)1lnMR=-3.16910-4t+0.018 90.995 63.214 110-92lnMR=-2.45010-4t+0.057 60.992 12.484 410-93lnMR=-1.89410-4t+0.126 10.980 71.920 910-92.2 不同堆料厚度下的南极磷虾干燥特性2.2.1 不同堆料厚度下南极磷虾的干燥曲线不同堆料厚度下对南极磷虾干燥特性的影响如图 4、5 所示。0204060801001200.00.10.20.30.40.50.60.70.8GKNJO 30 cm 20 cm 10 cm图 4 不同堆料厚度下南极磷虾水分含量变化曲线Fig.4 Moisture content curves of Antarctic krill at different drying quantities由图 4 可知,在干燥温度 130、搅拌速度6 r/min、不同堆料厚度下,南极磷虾的水分含量均随干燥时间增加而减少,堆料厚度越小,水分含量下降越快,干燥用时越短。其中堆料厚度10 cm 下干燥用时最短(80 min),相比于 20、30 cm 条件下分别缩短了 16.6%、33.3%。堆料厚度 10 cm 时,水分含量下降较快、而堆料厚度为30 cm 时,水分含量下降较慢,这与孟国栋等33的研究结果相似。在干燥过程中南极磷虾由夹套、空心轴及叶片加热,随着堆料厚度的增大,磷虾单位物料平均吸收的热能越少,磷虾水分蒸发及水分迁移速度降低,干燥耗时随之增加。南极磷虾堆料厚度越少,干燥耗时越少效率更优,但相应的单次处理量也就越少,在选择合适的南极磷虾螺旋轴套加热干燥最适堆料厚度时应综合考虑处理量与干燥效率。0204060801001200.0000.0050.0100.0150.0200.025KNJO 30 cm 20 cm 10 cmE(H 图 5 不同堆料厚度下南极磷虾的干燥速率曲线Fig.5 Drying rate curve of Antarctic krill at different drying quantities601第 2 期马靖松等:南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型由图 5 可知,在不同的堆料厚度下,南极磷虾的干燥过程是典型的降速干燥,随着堆料厚度的增加,最大干燥速率逐渐减小。在堆料厚度为 10 cm 时,其干燥速率显著高于 20 cm、30 cm。由谢永康等34的研究可知,磷虾在干燥过程中所吸收的热能,部分用于加热自身,其他部分用于水分的蒸发,当堆料厚度增加时,磷虾用于加热的热能增加,可供蒸发的热能越少,导致干燥速率降低。堆料厚度为 30 cm 时,在 6090 min 出现一段近似匀速干燥期,在干燥过程中南极磷虾的水分散失主要发生在上层与空气接触的部分南极磷虾中,参考张鹏飞等35的研究,因为随着堆料厚度的增加,南极磷虾在干燥过程中干燥均匀性变差,在干燥中期,下层含水率较高的南极磷虾在搅拌作用下运送至上层,其干燥速率提高,在干燥中期出现一段近似匀速干燥期。2.2.2 不同堆料厚度下南极磷虾的水分有效扩散系数以不同堆料厚度下南极磷虾干燥过程中的 MR对数值为因变量,以干燥时间 t 为自变量进行线性拟合分析,由公式(6)计算得南极磷虾水分有效扩散系数 Deff。由表 4 数据可知,在固定干燥温度130,搅拌速度 6 r/min 时,堆料厚度在 1030 cm 范围内,有效水分扩散系数在 2.828 710-93.971 710-9之间,随着堆料厚度的增加,有效水分扩散系数减少,堆料厚度为 10 cm 时有效水分扩散系数最大,是 20 cm、30 cm 下的 1.23、1.40 倍。这与 Ojediran 等36的研究相似,随着堆料厚度的增加,单位时间内物料所获能量和水分迁移距离均受影响,从而导致有效水分扩散系数降低。表 4 不同堆料厚度下南极磷虾的水分有效扩散系数Tab.4 Effective moisture diffusivity of Antarctic krill under different drying quantities序号线性拟合方程R2Deff(m2/s)1lnMR=-3.16910-4t+0.018 90.995 63.214 110-94lnMR=-3.91610-4t-0.051 10.995 33.971 710-95lnMR=-2.78910-4t+0.105 10.984 42.828 710-92.3 不同搅拌速度下的南极磷虾干燥特性2.3.1 不同搅拌速度下南极磷虾的干燥曲线不同搅拌速度对南极磷虾干燥特性的影响如图 6、7 所示。02040608010012001020304050607080!FKNJO 8 r/min 6 r/min 4 r/min图 6 不同搅拌速度下南极磷虾水分含量变化曲线Fig.6 Moisture content curves of Antarctic krill at different Stirring speeds0.0000.0050.0100.0150.0200.025E(H KNJO 8 r/min 6 r/min 4 r/min图 7 不同搅拌速度下南极磷虾的干燥速率曲线Fig.7 Drying rate curve of Antarctic krill at different Stirring speeds由图 6 可知,在干燥温度 130、堆料厚度30 cm、不同搅拌速度下,南极磷虾的水分含量随着干燥时间的增加而下降,搅拌速度越大,水分含量下 降 越 快,干 燥 用 时 越 短。搅 拌 速 度 为701渔 业 现 代 化2024 年4 r/min、6 r/min、8 r/min 时,南极磷虾干燥至水分含量 10%所用的时间分别为 110 min、100 min、90 min,相比于4 r/min 条件下6 r/min、8 r/min 干燥用时分别缩短了 9%、18.1%。提高搅拌速度,可使物料在干燥过程中均匀性有所提高,有利于物质在干燥过程与未饱和空气接触,提高表面水分蒸发速率,同时搅拌在一定程度上可以破除由于高温形成结壳现象,有利于缩短干燥时间。相比于干燥温度和堆料厚度两个因素,搅拌速度对南极磷虾干燥耗时影响较小。但较低的搅拌速度会导致南极磷虾在干燥过程中出现干燥不均匀的现象,因此在干燥过程中搅拌速度不应过低。由图 7 可知,在不同的搅拌速度下,南极磷虾的干燥过程是典型的降速干燥,随着搅拌速度的增加,其最大干燥速率逐渐增大,干燥速率在干燥初期差异较大,但在干燥后期和干燥中期,干燥速率的差异较小。这与 Michaud 等37的研究结果相似,提高搅拌速度,使得南极磷虾的干燥更充分、更均匀,南极磷虾内部水分迁移距离减小,水分含量下降更快,干燥时间越短。2.3.2 不同搅拌速度下南极磷虾的水分有效扩散系数以不同搅拌速度下南极磷虾干燥过程中的MR对数值为因变量,以干燥时间 t 为自变量进行线性拟合分析,由公式(6)计算得南极磷虾水分有效扩散系数 Deff。由表5 数据可知,在固定干燥温度 130,堆料厚度 30 cm 时,搅拌速度在 48 r/min 范围内,有效水分扩散系数在 3.123 810-93.584 310-9之间,随着搅拌速度的增加,有效水分扩散系数逐渐增加,搅拌速度为 8 r/min 时有效水分扩散系数最大,是 6 r/min、4 r/min 下的1.11、1.14 倍。表 5 不同搅拌速度下南极磷虾的水分有效扩散系数Tab.5 Effective moisture diffusivity of Antarctic krill under different Stirring speeds序号线性拟合方程R2Deff/(m2/s)1lnMR=-3.16910-4t+0.018 90.995 63.214 110-96lnMR=-3.08010-4t+0.061 70.992 13.123 810-97lnMR=-3.53410-4t-0.020 10.996 23.584 310-9干燥温度由 90 增至 130,堆料厚度在10 cm 增至 30 cm,搅拌速度在 4 r/min 增至8 r/min,对应的 Deff分别增加了 1.67 倍、1.40倍、1.14 倍,由此可知,不同干燥条件对南极磷虾水分扩散系数的影响由大到小依次为干燥温度、堆料厚度、搅拌速度。干燥温度为 130、堆料厚度为 10 cm、搅拌速度为 6 r/min 时,南极磷虾螺旋轴套加热干燥过程中有效水分扩散系数最高,为 3.971 710-9。这与刘永富等38的研究结果相似,物料干燥温度越高,堆料厚度越少,搅拌速度越快,水分蒸发越快,有效水分扩散系数越大。2.4 南极磷虾干燥活化能干燥活化能是表示食品在干燥过程中脱去1 mol 水所耗费的能量,可用来衡量食品干燥的难易程度。由公式(8)做 lnDeff关于 1/(T+273.15)线性关系图,水分有效扩散系数与干燥温度的关系曲线如图 8 所示。方程 lnDeff=-1 905.51/(T+273.15)-14.833,斜率-Ea/R=-1 905.5,R 为摩尔气体常数 8.314 J/(molK),由此计算得南极磷虾螺旋轴套加热干燥 Ea=15.64 kJ/mol。lnDeff=-1 905.51/(T+273.15)-14.833R=0.999 5lnDeff1/(T+273.15-19.5-19.6-19.7-19.8-19.9-20.0-20.10.00245 0.00250 0.00255 0.00260 0.00265 0.00270 0.00275 0.00280f图 8 水分有效扩散系数与干燥温度的关系曲线Fig.8 Effective moisture diffusivity coefficient versus drying temperature curve食品的活化能一般在 12.7 110 kJ/mol 之间,与干燥物料自身特性及干燥方式相关31,本研究所得活化能与其他文献相比,例如毛虾(热风红外耦合干燥)38为 34.24 kJ/mol,南美白对801第 2 期马靖松等:南极磷虾螺旋轴套加热干燥特性及干燥动力学模型虾(红外干燥)16.57 kJ/mol,南美白对虾(热风干燥)39为 14.78 kJ/mol,鲐鱼(热风干燥)40为33.58 kJ/mol,螺旋轴套加热干燥南极磷虾干燥活化能较低,有利于干燥。2.5 南极磷虾干燥动力学模型拟合与验证2.5.1 干燥动力学模型拟合通过建立干燥过程中南极磷虾含水量的方程,可以准确地反映出其在干燥过程中的变化情况,为预测和控制干燥过程提供理论依据。使用常用 8 个干燥动力学模型预测南极磷虾水分比随干燥时间的变化,结果如表 6 所示。8 个模型的 R2平均值在 0.991 90.998 7 之间,对比不同干燥条件下的 8 种干燥模型,Logarithmic模型 R2最大值可达 0.999 5,x2在 4.0110-53.5510-4之间,RMSE在 0.007 4 0.113 1 之间,且 模 型 平 均 值 R2(0.998 7)、x2(0.000 132 5)、RMSE(0.010 8)均优于其他模型,Logarithmic 模型的拟合程度最佳。因此,Logarithmic 模型是所用 8 种模型中最能准确预测研究条件下南极磷虾螺旋干燥过程的模型。Logarithmic 模型在描述鲐鱼热风干燥40与南美白对虾过热蒸汽干燥41过程中也有应用。2.5.2 干燥动力学模型参数回归分析南极磷虾螺旋轴套加热干燥 Logarithmic 模型拟合结如表 7 所示。表 6 南极磷虾螺旋轴套加热干燥动力学模型拟合结果Tab.6 Results of model fitting for spiral bushing heated drying kinetics of Antarctic krill模型决定系数 R2卡方 X2均方根误差 RMSEHenderson andPabis0.988 80.998 50.000 131 30.001 160 00.011 50.034 1平均值0.99460.000 461 60.020 0Page0.995 10.998 60.000 056 10.000 435 00.007 50.020 9 平均值0.997 60.000 202 10.013 6Lewis0.985 10.998 40.000 125 50.001 220 00.011 20.034 9平均值0.99190.000 632 10.021 2Logarithmic0.996 50.999 50.000 040 10.000 355 80.006 30.018 9平均值0.998 70.000 132 50.010 8Midilli0.996 50.999 50.000 043 70.000 357 50.006 60.018 9平均值0.998 70.000 133 70.010 8Wang&Singh0.987 10.999 30.000 052 10.001 140 00.007 20.033 8平均值0.995 30.000 411 20.018 3Parabolic0.991 90.999 50.000 039 60.000 823 70.006 30.028 7平均值0.996 80.000 324 90.016 4Two-termexponential0.995 20.999 30.000 059 70.000 426 50.007 70.020 7平均值0.997 50.000 211 80.013 8表 7 南极磷虾螺旋轴套加热干燥 Logarithmic 模型拟合结果Tab.7 Results of logarithmic model fitting for spiral bushing heated drying of antarctic krill模型序号模型参数R2X2RMSELogarithmicakb11.029 30.016 8-0.042 70.998 80.000 110 70.010 521.125 40.010 8-0.130 80.999 40.000 054 40.007 431.386 40.005 6-0.390 40.999 50.000 040 10.006 340.935 40.028 80.061 10.998 70.000 138 50.011 851.372 90.008 6-0.380 90.998 20.000 172 70.013 161.117 30.013 4-0.109 40.999 40.000 055 10.007 470.969 30.022 20.008 50.996 50.000 355 80.018 9平均值0.998 70.000 132 50.010 8901渔 业 现 代 化2024 年 Logarithmic 模型参数 a、k、b 会随着干燥温度、堆料厚度和搅拌速度的变化而改变。利用Origin 2018 做模型参数与试验条件的回归拟合分析,Logarithmic 模型参数 a、k、b 的拟合公式如下:a=-0.006 6X1+0.010 9X2-0.037X3+1.840 1(12)k=3.165 10-4X1-5.050 10-4X2+0.002X3-0.021 3(13)b=0.006 5X1-0.011 0X2+0.029 4X3-0.786 3(14)式中:X1为干燥温度,;X2为堆料厚度,cm;X3为搅拌速度,r/min将式(12)(14)带入 Logarithmic 模型方程内得到南极磷虾螺旋轴套干燥模型为:MR=(-0.006 6 X1+0.010 9 X2-0.037 X3+1.840 1)exp-(3.165 10-4 X1-5.050 10-4 X2+0.002 X3-0.021 3)t+(0.006 5 X1-0.0110 X2+0.029 4 X3-0.786 3)(15)2.5.3 干燥动力学模型的验证设计验证试验条件为:干燥温度 120、堆料厚度 20 cm,搅拌速度 7 r/min,对比验证实验数据与 Logarithmic 模型预测数据,结果如图 9 所示,试验结果与 Logarithmic 模型的预测结果拟合良好,R2达 0.995 7,说明该模型可以很好地预测南极磷虾螺旋轴套干燥过程中水分变化情况。y=0.997 9x-0.000 5R2=0.995 7MRMMR0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.80.60.40.20.0图 9 Logarithmic 模型拟合验证结果Fig.9 Logarithmic model fitting validation results3 结论南极磷虾的螺旋轴套加热干燥过程由快速升速期和降速期组成,恒速干燥阶段不明显,干燥过程主要由降速段控制。相比于堆料厚度、搅拌速率,干燥温度对干燥特性的影响更大,干燥温度越低,堆料厚度越大,搅拌速度越慢,干燥所需时间越长。各因素对南极磷虾的有效水分扩散系数影响关系为干燥温度堆料厚度搅拌速度。南极磷虾有效水分扩散系数在 1.920910-9 3.971710-9范围内,干燥活化能为 15.64 kJ/mol,易于干燥。本研究建立的 Logarithmic 模型能很好地预测南极磷虾干燥过程中的水分变化情况。参考文献1 YANG L,GUO J,YU Y,et al.Hydrogen bonds of sodium alginate/Antarctic krill protein composite material J.Carbohydrate Polymers,2016,142:275-281.2 杨柳,王鲁民,周国燕,等.南极磷虾粉的加工工艺、品质特性与应用研究进展J.海洋渔业,2022,44(4):501-512.3 李帅,赵国庆,杨嘉樑,等.南极磷虾捕捞群体集群特征及其对渔业 CPUE 的影响J.海洋渔业,2023,45(6):691-698.4 LIN N,LIU B,LIU Z,et al.Effects of different drying methods on the structures and functional properties of phosphorylated Antarctic krill proteinJ.Journal of Food Science,2020,85(11):3690-3699.5 REN X,ZHANG X,SUN P,et al.Impact of L-arginine on the quality of heat-treated Antarctic krill:Influence of pH and the guanidinium group J.Food Research International,2023,174:113499.6 WANG Y,ZHAO Y,WANG Y,et al.Antioxidant peptides from Antarctic Krill(Euphausia superba)hydrolysate:Preparation,identification and cytoprotection on H2O2-induced oxidative stress J.Journal of Functional Foods,2021,86:104701.7ZHANG M,ZHU J,ZHOU L,et al.Antarctic krill oil high internal phase Pickering emulsion stabilized by bamboo protein gels and the anti-inflammatory effect in vitro and in vivoJ.Journal of Functional Foods,2022,94:105134.8 谈俊晓,赵永强,李来好,等.南极磷虾综合利用研究进展J.广东农业科学,2017,44(3):143-