石墨烯远红外干燥对鸡肉干制品干燥动力学、能耗及理化性质的影响

《LWT》：Effects of graphene far-infrared drying on drying kinetics, energy consumption and physicochemical properties of chicken jerky

　　鸡肉干用石墨烯远红外干燥技术研究：GFD较HAD和IRD显著降低能耗并改善质地。

　　本研究探讨了在鸡脖肉干燥过程中，采用石墨烯远红外干燥技术（GFD）与传统热风干燥（HAD）及普通红外干燥（IRD）对干燥特性、能耗、干燥动力学及肉质物理化学性质的影响。鸡脖肉作为一种广受欢迎的食品，其高蛋白含量和易于消化的特性使其在食品行业中占据重要地位。然而，干燥过程是鸡脖肉生产中的关键步骤，选择合适的干燥方法不仅影响生产效率，还直接关系到最终产品的质量。传统干燥方法如自然风干虽然能耗较低，但其较长的干燥时间使得产品容易受到氧化、虫害和微生物污染的影响，从而影响消费者的健康。相比之下，热风干燥因其操作简便和相对较低的设备投资而被广泛应用，但其依赖于对流热传递机制，导致显著的能量损耗，并且由于表面结壳现象，阻碍了内部水分的扩散，降低了整体干燥效率。而红外干燥则因其对高水分材料的靶向加热特性，在提高干燥效率和降低能耗方面表现出明显优势，尤其是在远红外波段，其波长与分子吸收特性相匹配，能够直接穿透材料，引发内部分子振动，实现体积加热，确保内外均匀加热。然而，传统红外加热元件如石英管存在易碎性和较低的电热转换效率，限制了其在工业应用中的潜力。因此，研究和开发先进的红外干燥技术成为当前的重要课题。

近年来，纳米材料技术的发展为解决上述问题提供了新的可能性。其中，石墨烯作为一种单层碳原子构成的二维六边形蜂窝状晶格结构，因其独特的原子结构而展现出优异的热导率、机械强度和弹性模量，成为食品干燥领域极具前景的材料。当石墨烯受到低密度电流作用时，能够迅速产生热能，并有效发出远红外辐射。其出色的电热转换效率，使得某些产品的转换率甚至达到99%以上。因此，石墨烯在食品干燥应用中展现出巨大潜力。已有研究表明，石墨烯远红外干燥技术能够显著减少干燥过程中热量的损失，提高能源效率，并改善产品质量。然而，目前尚未有相关研究报道其在肉类干燥中的应用情况。

为了评估不同干燥方法对鸡脖肉干燥特性的影响，本研究设计了一套实验方案。首先，从南京本地肉类加工厂获取新鲜鸡胸肉，并按照冷链运输要求将其运送到实验室。在实验室中，去除鸡胸肉表面的筋膜，并将其在-20°C下保存。随后，将冷冻鸡胸肉切割成40mm × 20mm × 6mm的薄片，并在实验开始前，将其在4°C下解冻12小时。解冻完成后，使用吸水纸去除表面水分，并记录每块鸡胸肉的重量约为4.6克。所有样品均被干燥至20%的湿基含水量，并且所有干燥过程均在60°C下进行。

在实验设备方面，GFD方法的实验在自行组装的干燥装置中进行，该装置的加热板由中伟纳米材料技术（浙江）有限公司提供，后续的薄膜涂覆、导电性增强和封装工作则与该公司合作完成。加热板的具体规格为长度200mm、宽度160mm，其实际电压和功率由外部电压稳定器（STG-2000V，惠正电子技术有限公司，中国）进行调节。初步实验表明，当加热板在80V恒定电压下运行时，最终样品温度稳定在60°C，输出功率为176W。干燥装置中的空调单元配备了一种可变速除湿轴流风扇（E-6025D24-FP，Misumi精密机械贸易有限公司，中国）。

IRD实验使用的是石英管远红外干燥箱（YHG-300-S，上海精密仪器有限公司，中国），其尺寸为30 × 30 × 35 cm，额定功率为1400 W。HAD实验则采用热风干燥箱（DHG-9076A，上海精宏实验设备有限公司，中国）。所有干燥过程均在80V电压下进行，其中IRD和HAD的功率均为185W。实验过程中，使用功率监测仪（DL333501，Deli集团有限公司，中国）记录功率、电流和电压等参数。

在干燥过程中，所有设备均配备PT100温度传感器（直径4 mm），用于持续监测材料上表面附近的温度。这些传感器连接至干燥控制系统，以确保干燥温度在整个系统中保持恒定，控制精度为±0.1°C。初始鸡脖肉样品的含水率通过湿基含水率分析仪（HB43-S，Mettler Toledo，瑞士）测定为73.5 ± 0.83%。在实验过程中，每30分钟记录一次鸡脖肉的重量，以计算其实时含水率。

在分析干燥动力学时，本研究采用了湿基含水率（w.b.）作为衡量材料含水率的指标。含水率和水分比（MR）的计算公式如下：
其中，m_dry和m_total分别表示在时间t时鸡脖肉的干物质质量与总质量，m_initial和m_dry分别表示初始含水率和干燥至时间t时的含水率。
干燥速率（DR）则通过以下公式计算：
其中，m_t表示在时间t时的样品含水率，m_{t-1}表示前一时间点的含水率，t表示干燥时间。该公式用于计算鸡脖肉在不同干燥方法下的干燥速率。

为了更准确地描述干燥过程中的水分变化，本研究采用了一系列理论模型和经验模型。这些模型能够描述材料在特定条件下的干燥曲线，并提供预测水分含量的理论依据。表1列出了三种干燥方法对应的理论模型及其相关参数，包括均方根误差（RMSE）、误差平方和（SSE）和决定系数（R2）。其中，Page模型和改良Page模型表现出更高的准确性，其RMSE值较低，且R2值接近于1。这些模型更有效地描述了干燥过程中的动态变化，并能够准确量化生物材料干燥过程中的扩散特性。这表明，Page模型所体现的指数衰减形式能够很好地捕捉到干燥过程中由内部水分扩散阻力主导的非线性行为。

在能量消耗方面，本研究采用了单位能量消耗（SEC）作为衡量不同干燥方法能耗的指标。SEC的计算公式如下：
其中，SEC表示单位重量鸡脖肉干燥所需的能量消耗，Q为干燥过程中所有电气部件的总能耗，M为干燥的鸡脖肉总质量。根据表2中的数据，GFD方法的SEC最低，为1.224 MJ/kg。相比之下，IRD方法的SEC为2.016 MJ/kg，而HAD方法的SEC最高，为2.7288 MJ/kg。这主要是由于HAD方法依赖于对流热传递，导致较长的干燥时间和表面结壳现象，从而增加了克服内部水分扩散阻力所需的额外能量。相比之下，GFD和IRD方法由于其远红外辐射的穿透能力，能够实现更均匀的热量分布，从而显著提高干燥效率并降低能耗。

为了进一步分析鸡脖肉在不同干燥方法下的水分状态和分布情况，本研究采用了低场核磁共振（NMR）弛豫技术。NMR弛豫技术能够准确分析鸡脖肉中的水分状态及其迁移过程，其非破坏性和快速检测特性使其成为鸡脖肉工业生产中不可或缺的分析工具。在NMR技术中，三种不同的弛豫时间（T??、T??、T??）分别代表了与大分子结构（如蛋白质、碳水化合物）紧密结合的水分、松散结合的水分或被困在小孔隙或细胞内空间中的水分，以及具有高度移动性的自由水。根据图4，所有干燥方法的T??信号在初始阶段均显著下降，表明水分快速流失。随着干燥过程的推进，信号幅度逐渐减少，这可能与肌原纤维蛋白质的变性以及蛋白质结构的重组有关，从而减少了肌原纤维蛋白质网络空间，并形成了不同大小的水分通道。此外，峰形的变化和弛豫时间的偏移表明，干燥过程显著影响了肌肉基质中水分的分子运动性和空间分布，随着水分逐渐变得不移动，其自由度和移动性也逐渐降低。值得注意的是，在GFD组中，P??比值下降速度更快，而P??比值上升速度更快，这表明GFD方法能够更有效地促进结合水向自由水的转化，从而提高水分扩散效率。

为了进一步评估不同干燥方法对鸡脖肉内部水分迁移的影响，本研究还采用了磁共振成像（MRI）技术。MRI技术能够提供鸡脖肉内部氢质子密度的图像，从而直观展示水分的分布情况。根据图5，HAD组的氢质子分布最为不均匀，氢质子主要集中在鸡脖肉的内部，这可能是由于热风对鸡脖肉内部的穿透能力有限所致。这种不均匀的内部和外部温度分布阻碍了有效的水分迁移，导致显著的水分梯度，并最终形成表面硬壳。相比之下，GFD组的氢质子分布最为均匀，表明GFD方法能够实现鸡脖肉表面和深层组织的均匀加热，从而促进水分的均匀迁移。

在评估鸡脖肉的质地时，本研究使用了物理性质分析仪（TA. XT PlusC，Stable Micro Systems，英国），采用剪切模式的A/MORS探头，并设置了预测试速度为5 mm/s，测试速度为1 mm/s，后测试速度为5 mm/s，应变值为75%，触发力为5 g，共进行20次测试。结果显示，经过不同干燥方法处理的鸡脖肉样品在硬度和剪切力方面存在显著差异（P < 0.05）。值得注意的是，GFD处理的鸡脖肉表现出最低的硬度（3823.91 N）和剪切力（82.25 N），这可能是由于GFD方法的快速干燥效应降低了鸡脖肉的硬度，同时促进了蛋白质的水解，从而削弱了肌肉纤维的密度和结构完整性。此外，GFD处理的鸡脖肉在胶质度（2097.70 N）和咀嚼性（2186.85 J）方面也表现出最低的数值，这进一步表明GFD方法在改善鸡脖肉质地方面具有显著优势。

在评估鸡脖肉的颜色变化时，本研究使用了便携式色度计（TS-7830，深圳三恩科技有限公司，中国），通过校准0-CAL板和标准白板，测量了样品的亮度值（L*）、红度值（a*）和黄度值（b*）。根据图6，GFD组和IRD组的L*值较高，接近原始值，表明其水分分布更均匀，能量传递更高效。相比之下，HAD组的L*值最低，这可能是由于表面结壳和美拉德褐变反应导致的。此外，a*值在所有样品中均显著增加（P < 0.05），其中HAD组的a*值最高，这与空气干燥过程中肌红蛋白的氧化还原反应有关。延长的空气暴露促进了肌红蛋白向高铁肌红蛋白的转化，从而增加了红度。而b*值在IRD和GFD组中显著升高，这与非酶促褐变和脂质氧化有关，尤其是在长时间干燥和较高表面温度条件下。结合图7中的TBARS值，可以看出脂质氧化是影响鸡脖肉黄度（b*）的主要因素。HAD组的TBARS值最低，表明其脂质氧化程度较低，而IRD和GFD组的TBARS值显著高于HAD组，这可能是由于远红外辐射导致样品内部温度升高，促进了鸡脖肉脂质的水解，从而增加了游离脂肪酸的含量，进一步加速了氧化反应。

在评估蛋白质氧化时，本研究采用的是羰基含量法。羰基含量是衡量蛋白质氧化的重要指标，能够反映蛋白质在干燥过程中的氧化程度。实验结果显示，不同干燥方法处理的鸡脖肉样品在羰基含量方面存在显著差异（P < 0.05）。IRD和GFD组的羰基含量显著高于HAD组，这可能是由于远红外辐射促进了不饱和脂肪酸的氧化产物形成，从而间接推动了蛋白质氧化。此外，肌红蛋白可能形成反应性复合物，同时驱动蛋白质和脂质氧化，进一步加剧脂质氧化的程度。然而，实验结果还表明，GFD方法在一定程度上能够缓解蛋白质的降解，这可能与其相对较短的干燥时间有关。较短的干燥时间意味着鸡脖肉样品整体受到的氧化暴露较少，而GFD过程中样品内部的均匀加热有助于保留其营养成分和功能特性。

为了进一步验证上述结果的可靠性，本研究采用了统计分析方法。所有分析均在六个重复样本中进行，并利用MATLAB（R2022b，MathWorks，美国）对干燥模型的参数进行分析和拟合。通过单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重范围检验，比较了不同干燥方法对鸡脖肉样品各项指标的影响。不同字母（a-c）表示统计显著性（P < 0.05）。此外，本研究还采用了Tukey检验，以95%置信水平评估不同干燥方法对鸡脖肉样品颜色差异、TBARS值和蛋白质羰基含量的影响。

综上所述，本研究通过实验分析和统计验证，系统地评估了石墨烯远红外干燥技术（GFD）与传统热风干燥（HAD）及普通红外干燥（IRD）在鸡脖肉干燥过程中的应用效果。研究结果表明，GFD方法在干燥效率、能耗和肉质方面均表现出显著优势。GFD能够有效促进鸡脖肉内部水分的扩散，减少干燥时间，并降低能量消耗。此外，GFD方法能够实现鸡脖肉表面和深层组织的均匀加热，从而改善其质地和颜色特性。然而，GFD方法在脂质氧化和蛋白质羰基含量方面表现出较高的值，这可能与其较高的内部温度和较长的干燥时间有关。因此，在实际应用中，需要在干燥效率和氧化控制之间找到平衡点。尽管如此，GFD方法在提高鸡脖肉干燥效率和降低能耗方面展现出巨大潜力，尤其适合大规模工业生产。未来的研究可以进一步优化GFD技术，以减少氧化反应，同时保持其高效率和低能耗的优势。