第30卷第14期农业工程学报V ol.30 No.14 322 2014年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2014 牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律
谢小雷1，李侠1，张春晖1※，王金枝1，王春青1，王兆进2，穆国锋3（1. 中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193；
2. 泰州圣泰科红外科技有限公司，泰州 225300；
3. 内蒙蒙都羊业食品有限公司，赤峰 024000）
摘 要：为研究牛肉干中红外-热风组合（combined mid-infrared and hot air，CMIHA）干燥过程中水分迁移的规律，进而阐明这种干燥工艺的合理性，在干燥温度70℃，辐射强度0.48 W/cm2，辐射距离8 cm，风速1 m/s的条件下，通过对比牛肉干CMIHA干燥和热风（hot air，HA）干燥的干燥曲线、热收缩率及测定水分扩散率、内外温差等指标，研究了牛肉干CMIHA干燥过程中水分迁移变化；借助水分低场核磁共振波谱（low field magnetic resonance spectroscopy，MRS）及氢质子成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术分析牛肉干CMIHA干燥和HA干燥过程中水分的状态变化及分布，比较2种干燥方法对牛肉干内部3种状态水的横向弛豫时间、含量、信号幅度及H质子密度的影响，揭示CMIHA干燥牛肉干水分迁移规律。结果表明，与HA干燥相比，CMIHA 干燥能够显著提高（p＜0.05）干燥过程中牛肉干的内、外部温度及其温差，显著降低牛肉干收缩率（p＜0.05），从而提高CMIHA干燥的水分扩散率（p＜0.05），加快水分的迁移，提高干燥效率（p＜0.05）；这是由于干燥初期CMIHA干燥能够显著提高牛肉干不易流动水和自由水的横向弛豫时间（p＜0.05），加快内部不易流动水向自由水的转变，不易流动水的含量、信号幅度显著降低（p＜0.05），自由水的含量、信号幅度显著提高（p＜0.05），促进自由水扩散至物料表面而散失；此外，2种干燥方法对牛肉干干燥过程中结合水的影响差异不显著（p＞0.05）。
研究结果为CMIHA干燥在牛肉干生产上的应用提供了理论依据。
关键词：核磁共振波谱；核磁共振成像；干燥；中红外干燥；水分迁移；牛肉干
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.14.040
中图分类号：TS251.5+2 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-14-0322-09
谢小雷，李 侠，张春晖，等. 牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律[J].农业工程学报，2014，30(14)：322－330.
Xie Xiaolei, Li Xia, Zhang Chunhui, et al. Moisture mobility mechanism of beef jerky during combined mid-infrared and hot air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 322－330. (in Chinese with English abstract)
0 引 言
牛肉中的水分以结合水、不易流动水和自由水形式存在，干燥能脱去大部分的自由水和不易流动水，而结合水因其与大分子物质结合，束缚力较强，一般不能通过干燥去除[1]。目前，牛肉干生产常用的烘房/热风（hot air，HA）干燥，主要依靠周围热空气传热，热流密度低，传热效率低，同时牛肉干表面易结痂，内部水分散失较慢，干燥效率较低[2]。中红外-热风组合（combined mid-infrared and hot air，CMIHA）干燥是一种新型的干燥方法，它是基于红外匹配吸收原理和热风对流传热原理，通过物
收稿日期：2014-03-03 修订日期：2014-06-09
基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201303082）
作者简介：谢小雷（1989－），男，山东菏泽人，研究方向为肉品科学。北京中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工综合性重点实验室，100193。Email：xiexiaolei123@https://www.doczj.com/doc/9c2079384.html,.
※通信作者：张春晖（1971－），男，河南固始人，研究员，研究方向为肉品科学。北京中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工综合性重点实验室，100193。Email：189********@https://www.doczj.com/doc/9c2079384.html,. 料内部分子振动产热及表面水分蒸发降温，使得物料在干燥过程中传热传质方向一致，进而提高干燥效率[3-4]。目前，CMIHA干燥技术在高糖物料如谷物和果蔬脱水方面已有广泛应用，例如胡萝卜、土豆、香蕉、水稻等的干燥[4-6]，但CMIHA技术在高蛋白肉类物料脱水方面的应用，则鲜见报道。谢小雷等[7]对牛肉干进行中红外-热风组合干燥研究，发现组合干燥比热风干燥耗时减少60%、耗能减少78%，同时牛肉干品质也得到了改善。不同的干燥方法，具有不同的水分迁移机制，了解物料干燥过程中水分的迁移机制有助于提高干燥效率及改善产品品质[8]。目前关于CMIHA干燥物料内部水分迁移机制还只是停留在理论推测及宏观验证方面，对于其内部水分状态的变化及分布尚不清楚，尤其是肉干的干燥。因此，本文从宏观和微观2个方面研究CMIHA干燥牛肉干内部水分迁移动态。
低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一种有效的无损、无侵入测量技术，从微观的角度解释样品中水分的变化规
第14期谢小雷等：牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律 323
律[9-10]。LF-NMR主要包括低场磁共振弛豫（magnetic resonance spectroscopy，MRS）技术和低场磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，其中，MRS技术是采用射频脉冲激发具有自旋特性的H+，通过将H+在磁场中产生的磁共振信号，经过指数拟合，反演出不同T2弛豫时间；MRI 技术是将样品置于磁场中，通过采集H+磁共振信号，经信号处理获得H+密度图像[11]。目前LF-NMR 技术在研究物料干燥、贮藏、水煮等过程中水分的状态与分布方面得到了广泛的应用。近年来，徐建国等[12]，Hwang等[13]利用MRS和MRI技术分别分析了胡萝卜切片及水稻干燥过程中水分的状态及分布；周然等[14]，Lodi等[15]分别研究了黄花梨和面包贮藏过程中水分的状态及分布；邵小龙等[16]，Lai 等[17]分别研究了玉米和面条在水煮过程中水分的状态及分布。本文基于谢小雷等[7]的前期研究，选择波长为2.8～3.1 μm的中红外，借助LF-NMR技术分析CMIHA干燥高蛋白物料牛肉干水分状态的变化及分布，从宏观与微观2个方面研究牛肉干CMIHA干燥水分迁移机制，以期为CMIHA干燥在牛肉干生产上的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
由内蒙蒙都羊业食品有限公司提供的低温成熟后的新鲜去皮、骨、肥膘、筋腱、肌膜的草原黄牛后腿的精肉部分（约5 kg的肉块），经?26℃冻结，贮藏2周，用于后续干燥试验。
1.2 主要设备与仪器
中红外-热风组合干燥机（中国农业科学院农产品加工研究所与泰州圣泰科红外科技有限公司联合研制），中红外灯管输出功率225～675 W，风机输出功率200 W，物料盘尺寸35 cm×40 cm，最大容量2 kg；DHG系列电热恒温鼓风干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司），输出功率1 600 W，物料盘尺寸35 cm×40 cm，最大容量2 kg；MesoMR 型核磁共振分析与成像系统（上海纽迈电子科技有限公司）；Digital Thermometer TP-3001（天津Cheerman 科技有限公司）。
1.3 试验方法
1.3.1 样品制备
将原料肉于4℃解冻至中心温度为?2～0℃，然后将其修整切割成 6 cm×2 cm×2 cm的肉条，单层平铺于物料盘上，进行牛肉干干燥试验。
1.3.2 干燥试验
将处理好的牛肉样品分别放置于CMIHA干燥和HA干燥设备中，在谢小雷等[7]对CMIHA干燥牛肉干工艺研究的基础上，选择CMIHA干燥的参数为：加热温度70℃、辐射强度0.48 W/cm2、加热距离8 cm、风速1 m/s，传统HA干燥的参数为：加热温度70℃、加热距离8 cm、风速1 m/s。干燥过程中，CMIHA干燥每隔25 min取样，HA干燥按照前者所取样品的含水量取样，使2种干燥方法每次所取样品具有相近含水量，分别进行指标测定。样品由干燥前的含水率78%（湿基）左右降至50%左右，达到牛肉干后续加工要求，干燥结束[7,18]。指标测定重复3次。通过对比分析，研究干燥过程中水分迁移机制。
1.3.3 指标测定
1）水分的测定：恒温干燥法（GB/T9695.15- 2008）。
2）水分比MR的测定[19]：
e
o
e
t
M
M
M
M
?
?
=
MR（1）式中：M t为t时刻物料干基含水率，%；M e为物料干燥平衡时干基含水率，%；M o为物料初始干基含水率，%；由于M e通常很小，且难以确定，为了简化计算，通常用MR=M t/M o代替。
3）收缩率的测定
采用小米置换法[20]，干燥前采用浮力法测量肉条的体积，干燥后采用小米置换法测量牛肉干的体积。收缩率计算公式：
(%)100
o t
s
o
V V
R
V
?
=×（2）式中：R s为收缩率，%；V o为干燥前牛肉干的体积，cm3；V t为干燥后牛肉干的体积，cm3。
4）内外温度的测定
随机选取待测样品，在其中心和距离其表面0.1～0.2 cm处分别插入数字化温度仪，测定牛肉干干燥过程中内部和外部的温度。
5）水分扩散率的测定
参照Shi等[21]基于圆形水分扩散面的扩散率公式，本文将牛肉干干燥过程中水分扩散面设定为正方形，推导出水分扩散率计算公式为：
23
222
1
π
61
MR exp(
ππ
e
n
n D t
d
∞
=
?
=∑（3）式中：MR为水分比；D e为水分扩散率，m2/s；d 为牛肉干截面正方形的边长，m；t为干燥时间，s。
由于干燥时间较长，可将水分扩散率计算公式通过两边取对数整理后简化为：
2
0.032ln MR0.016
(/)
e
D
t d
??
=（4）平均水分扩散率计算公式为：
农业工程学报 2014年
324
,1
,avg n
e i
i e D D n
==
∑ （5） 式中：D e,avg 为平均水分扩散率，m 2/s ；n 为取样次数。
6）牛肉干水分组成的测定（MRS ）
参照Li 等[22]的方法适当修改，采用核磁共振分析软件中的CPMG （Carr-Purcell-Meiboom-Gill ）
脉冲序列测定样品中的横向弛豫时间T 2。
将精确称量样品放入永磁场中心位置的射频线圈中心，进行T 2采集，然后将得到的信号值通过核磁共振T 2反演
软件进行反演得到T 2反演谱。
CPMG 脉冲序列参数为：主频23 MHz ，偏移频率286.7813 kHz ，90°脉
冲时间17 μs ，
180°脉冲时间35 μs ，采样点数54 996，重复时间3 000 ms ，累加次数4次，回波数2 000。
7）牛肉干质子密度成像的测定（MRI ） 参照徐建国等[12]
的方法适当修改，采用核磁共振成像系统自旋回波成像序列对样品进行H 质子密度成像。将牛肉干放入永磁场中心位置的射频线圈中心，进行成像试验。主要参数为：重复时间 2 000 ms ，重复次数4次，纵向弛豫时间20 ms ，根据CPMG 序列测得的T 2值，选择自旋回波时间 20 ms 。
1.4 数据分析
本试验中采用SAS 9.2
（statistic analysis system, SAS ）软件对结果进行t 齐方差检验分析，使用最
小显著差异法（least significant difference, LSD ）进
行显著性分析（p ＜0.05）；所有分析图均采用Origin8.0软件绘制。
2 结果与分析
2.1 干燥方式对干燥耗时与热收缩率的影响
图1为CMIHA 与HA 2种干燥方法对牛肉干
干燥耗时与热收缩率的作用效果。由图1a 可知，
经t 齐方差检验分析，CMIHA 干燥耗时显著低于
（p ＜0.05）HA ，其将牛肉干干至水分含量50%左
右仅需150 min ，而HA 干燥则需320 min 左右；同
时，CMIHA 平均干燥速率（0.017 g/(mi n ·g)）显著
高于HA （0.007 g/(min·g)）
，干燥效率显著提高 （p ＜0.05）；另外，由图1b 可知，在相近含水量下，
采用CMIHA 干燥的牛肉干收缩率均显著低于 （p ＜0.05）HA 干燥，表明牛肉干在CMIHA 干燥过程中热收缩程度较小，品质较好。Banout 等[23]
报道牛肉干在HA 干燥过程中，由于热量通过空气传递，样品表层水分比内部水分更易散失，导致表层快速失水，热收缩较大；而在CMIHA 干燥过程中，由于热效应与分子振动效应的共同作用，热流密度较高，实现样品的内外同时干燥，干燥较为均匀，热收缩较小[24]，这与文献[7]报道的CMIHA 干燥牛肉干降低耗时提高品质结果一致。
a .干燥耗时
a. Time-consumption of drying
b .收缩率
b. Shrinkage rate
图1 不同干燥方法中牛肉干干燥耗时与热收缩率的比较 Fig.1 Comparison of time consumption and thermal shrinkage rate with different drying methods on beef jerky
2.2 干燥方式对水分扩散率的影响 水分扩散率是反应物料干燥过程中内部水分迁移变化的重要指标，其值越大表明内部水分扩散越快，干燥速率越高[21]。CMIHA 与HA 2种干燥方法对牛肉干干燥过程中水分扩散率的影响结果如图2所示。Hebbar 等[4]报道，物料经红外照射后，内部的水分子会发生振动而产热，使其由有序状态变为无序，分子扩散加快。由图2可以得出，随着水分比的降低，牛肉干在2种干燥过程中的水分扩散率均呈下降趋势；同时，相近水分比下，CMIHA 干燥的水分扩散率均显著高于（p ＜0.05）HA 干燥，其
平均水分扩散率（1.99±0.043）为HA 干燥（0.97±0.045）的2倍左右，此结果与Shi 等[21]报道的红外干燥蓝莓的水分扩散率显著高于（p ＜0.05）HA 干燥结果相似。由此可以得出，CMIHA 干燥能够加快牛肉干内部水分子的扩散，提高干燥效率。
第14期谢小雷等：牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律 325
图2 不同干燥过程中牛肉干水分扩散率的变化
Fig.2 Moisture diffusivity changes of beef jerky during
different drying methods
2.3 干燥方式对传热的影响
CMIHA与HA 2种干燥方法对牛肉干干燥过程
中内外温度的影响结果如表1所示。红外辐射是基
于分子振动使物料内部温度升高，其提供的热流密
度为热风的70余倍，且物料对红外能量的利用率
比对传统HA高许多倍[25]。由表1可以得出，在相
近水分比下（除水分比1.00外），CMIHA干燥的物
料内外温度均显著高于（p＜0.05）HA干燥，其最
高分别可达68和66℃，而HA干燥的物料内外温
度最高仅为58和56℃；另外，在干燥初期，CMIHA
干燥的内外温差显著高于（p＜0.05）HA干燥，其
平均值为5℃左右，而HA干燥仅为2℃左右。
Kathiravan等[26]报道，红外线的穿透性能够使物料
内部积累大量的热量，温度升高，而表面由于水分
不断蒸发吸热，温度降低。由此可以得出，CMIHA
干燥在提高牛肉干内外温度的同时，增大其内外温
差，使水分传热方向由内往外，内外同时干燥，此
结果与CMIHA干燥牛肉干过程中收缩率和水分扩
散率显著优于（p＜0.05）HA干燥结果一致。
表1 不同干燥过程中牛肉干内外温度的比较
Table 1 Comparison of inside and outside temperature with
different drying methods on jerky
中红外-热风组合干燥Combined mid-infrared and hot air drying
热风干燥Hot air drying
水分比
Moisture ratio
内部温度
Inside
temperature/
℃
外部温度
Outside
temperature/
℃
内部温度
Inside
temperature/
℃
外部温度
Outside
temperature/
℃
1.00 21.33±0.49a21.43±0.49a21.33±0.50a21.43±0.49a
0.73 54.60±0.95a49.10±0.82a38.80±0.20b37.13±0.12b
0.57 58.53±1.25a51.20±0.17a48.87±2.31b46.80±2.21b
0.43 62.93±1.25a57.20±0.96a50.23±1.66b48.63±1.81b
0.36 68.37±1.26a64.90±1.06a54.53±0.47b53.27±0.31b
0.34 68.33±0.81a66.13±0.32a55.97±0.91b54.17±1.01b
0.28 64.67±0.49a63.13±0.55a58.10±0.98b56.20±0.87b
注：同一行同一指标不同字母表示2种干燥方法差异显著（p＜0.05）。Note: Different letters in the same row indicate significant differences between two drying methods (p＜0.05). 2.4 干燥方式对水分状态的影响
2.4.1 干燥方式对牛肉干干燥过程中横向弛豫时
间T2反演谱的影响
从低场核磁共振T2反演谱（图3）可知，牛肉
干在HA干燥和CMIHA干燥过程中T2在1～ 1 000 ms的弛豫时间内分布有3个峰，这与Li等[22]
用低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）研究牛肉粒的结果一致。T2
值对应的3个峰分别对应牛肉干中3种状态的水：
结合水1～10 ms（T21）、不易流动水＞10～100 ms
（T22）、自由水＞100～1000 ms（T23），其与横坐标
的峰积分面积分别代表3中状态水的含量[11]，各峰
积分面积的结果如表2所示。
a.热风
a. Hot air (HA)
b.中红外-热风组合
b. Combined mid-infrared and hot air (CMIHA)
注：1～10 ms，＞10～100 ms，＞100～1 000 ms分别对应牛肉干中结
合水T21、不易流动水T22及自由水T23的弛豫时间。
Note: 1-10 ms, ＞10-100 ms, ＞100-1 000 ms represent relaxation time of bound water T21, immobile water T22 and free water T23 of beef jerky.
图3 干燥方式对牛肉干干燥过程中弛豫时间T2的影响
Fig.3 Effects of drying methods on transverse relaxation time
T2 of beef jerky during drying
由表2可以得出，随着水分比的减少，2种干
燥方法对应的牛肉干总峰积分面积A、不易流动水
峰积分面积A22均呈下降趋势，结合水峰积分面积
农业工程学报 2014年326
A21变化不显著（p＞0.05）；在相近水分比下，2种干燥方法的A值和A21值无显著性差异（p＞0.05），表明2种干燥方法每次所取样品具有相近的含水量及干燥对结合水影响不大；牛肉干在HA干燥过程中，自由水峰积分面积A23呈下降趋势，而CMIHA 干燥则呈先升高后下降趋势，且在干燥初期，相近水分比下，CMIHA干燥的A22值显著低于（p＜0.05）HA干燥，A23值显著高于（p＜0.05）HA干燥，表明，干燥初期CMIHA干燥能够加快不易流动水向自由水转变，进而降低干燥时间，牛肉干在CMIHA 干燥过程中，水分比从 1.00降为0.36耗时仅100 min，而HA则耗时230 min。CMIHA干燥牛肉干的A23值在水分比0.73时显著增大（p＜0.05），可能是因为此时CMIHA干燥牛肉干的内部温度为55℃左右（表1），肌球蛋白尾部和肌浆蛋白头部发生变性，持水力降低，同时，水分子经红外照射后产生振动，降低了不易流动水的束缚力，促使不易流动水转变成自由水，造成A22值下降，A23值增大。李银等[27]报道52℃左右可使牛肉肌球蛋白尾部和肌浆蛋白头部发生变性，使其持水力降低。由此可以得出，牛肉干在CMIHA干燥初期，内部不易流动水不断转变成自由水，使内部自由水梯度高于外部，促使内部水分自由扩散至外部，通过蒸发散失，进而缩短干燥时间。
表2 不同干燥过程中牛肉干3种状态水峰积分面积的变化
Table 2 Changes of peak integral areas for three kinds of water during different drying methods on jerky
中红外-热风组合干燥CMIHA Combined mid-infrared and hot air drying 热风干燥HA Hot air drying
水分比Moisture
ratio 干燥时间
Drying
time/min A A21A22A23
干燥时间
Drying
time/min
A A21A22A23
1.00 0 1480.32±7.03a
28.57±1.82Aa
1413.74±13.63a38.01±5.84Da0 1480.32±7.03a28.57±1.82Aa
1413.74±13.63a
38.01±5.84Aa
0.73 25
1107.74±26.57a
29.77±1.66Aa
952.16±16.43b125.81±10.21Aa35 1094.94±8.10a28.61±1.19Aa
1029.74±7.60a
36.59±1.29Ab
0.57 50 951.35±3.02a
29.64±1.94Aa
853.19±10.00b68.52±7.21Ba90 949.81±7.72a29.97±2.56Aa
885.86±5.72a
33.97±4.84ABb
0.43 75 775.36±10.36a
29.22±1.22Aa
696.06±10.82b50.07±4.11Ca 160
788.90±11.86a28.54±0.65Aa
734.26±9.89a
26.11±3.68Bb
0.36 100 711.64±3.64a 28.83±1.77Aa 645.58±3.23b37.23±2.26Da 230 715.96±3.05a28.61±0.68Aa 667.93±2.02a 19.42±1.22Cb
0.34 125 648.34±7.38a
28.99±3.49Aa
592.25±10.89a27.10±1.75Ea290 643.68±9.31a29.55±2.95Aa
597.68±9.95a
16.45±1.26Db
0.28 150 544.74±20.48a
28.82±1.00Aa
502.09±15.06a13.83±5.65Fa320 534.24±19.78a28.45±2.92Aa
495.38±14.73a
10.41±4.35Ea 注：同一行同一指标不同小写字母表示2种干燥方法差异显著（p＜0.05），A 21和A 23列不同大写字母表示不同水分比差异显著（p＜0.05），A、A 21、A 22、A 23分别为峰总积分面积、结合水峰积分面积、不易流动水峰积分面、自由水峰积分面积。
Note: Different lower letters in the same row indicate significant differences between two drying methods (p﹤0.05). Different capital letters in A 21 and A 23 line indicate significant differences between different moisture ratio (p﹤0.05). A, A 21, A 22, A 23 are the peak integral area of bound water, immobile water, free water, respectively.
2.4.2 干燥方式对不同状态水横向弛豫时间（T21、T22、T23）的影响
CMIHA与HA 2种干燥方法对牛肉干干燥过程中横向弛豫时间T21、T22、T23的影响结果如图4所示。T2横向弛豫时间是指H质子自旋核在外加磁场收到射频脉冲的激发后，系统内部达到横向热平衡所需要的时间，其值越大反映水分子的流动性越强[11,16]。由图4可得出，牛肉干在2种干燥过程中，随着含水量的减少，结合水横向弛豫时间T21变化不大，且在相近水分比下，2种干燥方法的T21值无显著性差异（p＞0.05）；不易流动水横向弛豫时间T22和自由水横向弛豫时间T23随着含水量的降低均呈下降趋势，这与Li等[22]报道的牛肉粒干燥过程中及何承云等[28]报道的馒头储藏过程中横向弛豫时间变化趋势一致，但与HA干燥相比，在相近水分比下（除水分比0.28外），CMIHA干燥的T22值和T23值均较高，表明CMIHA干燥能够提高牛肉干内部不易流动水和自由水的流动性。Kathiravan 等[26]报道物料经红外照射后，较高的热流密度和内部水分子的振动，能够降低周围物质对水分子的束缚力，使其流动性增强。由此可以得出，与HA干燥相比，CMIHA干燥能够增强牛肉干内部水分子的流动性，加快其自由扩散，这与牛肉干在CMIHA 干燥过程中具有较高的水分扩散率结果一致。
2.4.3 干燥方式对不同状态水信号幅度（M22、M23）的影响
牛肉干在CMIHA与HA 2种干燥方法中不易流动水、自由水信号幅度M22、M23随水分含量的变化曲线如图5所示。不易流动水和自由水是存在于牛肉干中性质稳定性较差，一般易被干燥去除的水分。由图5可知，随着水分含量的降低，物料在HA干燥过程中M22、M23值均呈下降趋势，这与Thybo等[29]报道的土豆HA干燥过程中M22、M23值变化趋势一致，张绪坤等[1]报道，干燥过程中不易流动水和自由水的散失能够导致M22、M23值减少；物料在CMIHA干燥过程中M22值的变化趋势与HA干燥一致，但在相近水分比下，其值均显著低于（p＜0.05）HA干燥，M23值呈先升高后下
第14期 谢小雷等：牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律 327
降的趋势，且在相近水分比下，其值均显著高于（p ＜0.05）HA 干燥，此结果与表2中不易流动水和自由水峰积分面积变化结果一致。由此可以得
出，CMIHA 干燥能够使牛肉干内部的不易流动水不断转变成自由水而散失，造成其M 22值低于HA 干燥，M 23值高于HA 干燥。
a .结合水横向弛豫时间
a. Relaxation time of bound water (T 21)
b .不易流动水横向弛豫时间
b. Relaxation time of immobile water (T 22)
c .自由水横向弛豫时间
c. Relaxation time of free water (T 23)
图4 干燥方式对牛肉干干燥过程中横向弛豫时间T 21、T 22、T 23的影响 Fig.4 Effects of drying methods on T 21, T 22 and T 23 of beef jerky during drying
a .不易流动水的信号幅度
a. Signal amplitude of immobile water (M 22)
b .自由水的信号幅度
b. Signal amplitude of free water (M 23)
图5 干燥方式对牛肉干干燥过程中信号幅度M 22、M 23的影响 Fig.5 Effects of drying methods on M 22 and M 23 of beef jerky during drying
2.5 干燥方式对H 质子密度的影响
图6为牛肉干在CMIHA 与HA 2种干燥过程中的
二维H 质子密度图像。
核磁共振成像技术MRI 能够在不破坏样品的情况下，将H 质子磁共振产生的信号通过空间编码技术转变成图像，进而研究水分分布情况，其中图像越亮，表明H 质子密度越高[11]。由图6可以得出，随着干燥时间的延长，牛肉干在2种干燥过程中的H 质子密度图像的亮度均呈下降趋势，表明其内部水分含量逐渐减少，这同Borompichaichartkul 等[30]报道的用MRI 技术研究玉米干燥过程中的H 质子密度图像变化趋势一致；但是与HA 干燥相比，在相近含水量下，CMIHA 干燥的H 质子密度图像变化比较均匀，且收缩程度均小于HA 干燥，这与CMIHA 干燥的牛肉干具有较小的收缩率结果一致。
a .水分比1.00（t = 0， 中红外-热风干燥） a. Moisture ratio 1.00 (t = 0, CMIHA)
b .水分比0.43 （t = 75 min ， 中红外-热风干燥） b. Moisture ratio 0.43 (t = 75 min, CMIHA)
c .水分比0.28 （t = 150 min ， 中红外-热风干燥） c. Moisture ratio 0.28(t = 150 min, CMIHA)
d .水分比1.00 （t = 0，热风干燥） d. Moistur
e ratio 1.00
(t = 0, HA)
e .水分比0.43 （t = 160 min ，热风干燥）
e. Moisture ratio 0.43 (t = 160 min, HA) f .水分比0.28
（t = 320 min ， 热风干燥） f. Moisture ratio 0.28
(t = 320 min, HA)
注：CMIHA 为中红外-热风组合干燥，HA 为热风干燥，t 为干燥时间。图像越亮，表明H 质子密度越高。
Note: CMIHA: Combined mid-infrared and hot air; HA: Hot air, t is drying time. Brighter image shown higher H proton density of beef jerky.
图6 不同干燥过程中牛肉干的二维H 质子密度图像
Fig.6 Proton density images of beef jerky during different drying methods
农业工程学报 2014年328
2.6 牛肉干中红外-热风组合干燥水分迁移规律
牛肉干CMIHA干燥过程中水分的迁移规律如图7所示。当红外线照射物料时，能够穿透表面进入内部[26]，使内部水分子发生振动，内能增加，温度升高，此过程无需介质传热[24]，热效率较高，温度升高较快；内部较高的温度及水分子的振动使不易流动水和自由水的流动性增强，横向弛豫时间T22、T23值大于HA干燥对应值（图4），其在干燥初期能加快内部不易流动水向自由水转变，不易流动水的含量降低，自由水的含量升高（表2，图5），造成内部自由水梯度高于外部，内部自由水通过自由扩散迁移至外部；热风能够加快外部水分蒸发，降低外部水分梯度，同时，通过蒸发吸热使表层温度降低，增大内外温差（表1）；内部较高的水分梯度与温度促使水分传热传质方向一致，水分内外同时干燥，干燥较为均匀，干燥速率较高，热收缩较小（图1、图6），进而提高干燥效率及牛肉干的品质。
图7 中红外-热风组合干燥牛肉干的水分迁移规律Fig.7 Moisture migration mechanism of beef jerky during combined mid-infrared and hot air drying
3 结 论
本试验分别从宏观和微观2个方面阐释了中红外-热风组合（combined mid-infrared and hot air，CMIHA）干燥牛肉干内部水分迁移机制。
1）中红外-热风组合干燥借助红外分子振动原理和热风对流传热原理加热牛肉干，能够快速升高内部温度，降低表面温度，增大内外平均温差（5℃左右），提高内部水分扩散率，降低干燥耗时与牛肉干热收缩率。
2）中红外-热风组合干燥牛肉干初期，由于中红外自身的热效应及分子振动效应，能够促进样品中不易流动水向自由水转变，降低不易流动水含量，提高自由水含量，增加样品内外水分梯度，加快内部水分由内往外迁移。
3）牛肉干中红外-热风组合干燥过程中，内部水分的快速迁移及表面水分的快速蒸发，使得牛肉干H质子密度图像变化比较均匀，且收缩程度较小。
综上所述，CMIHA干燥牛肉干过程中，通过
加快物料中自由水的生成与扩散迁移，借助热风蒸
发散失，实现牛肉干内外同时干燥。
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Moisture mobility mechanism of beef jerky during combined
mid-infrared and hot air drying
Xie Xiaolei1, Li Xia1, Zhang Chunhui1※, Wang Jinzhi1, Wang Chunqing1, Wang Zhaojin2, Mu Guofeng3
(1. Comprehensive Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing
Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China;
2. Tai Zhou Sheng Tai-ke Infrared Technology Co., Ltd, Taizhou 225300, China;
3. Inner Mongolia Meng Du Sheep Food Co., Ltd, Chifeng 024000, China)
Abstract: One of the most important processes in food drying is moisture mobility, and different drying methods have different moisture mobility mechanisms. Combined mid-infrared and hot air (CMIHA) drying is a new drying method used in beef jerky that has more thermal efficiency than the hot air (HA) drying often used in Chinese factories. To investigate the reason why CMIHA drying could reduce more time consumption than HA drying, the moisture mobility mechanism of CMIHA drying was studied in this paper. Based on early research, mid-infrared wavelength 2.8-3.1 μm, drying temperature 70℃, radiation distance 8 cm, radiation intensity 0.48 W/cm2 and wind velocity 1m/s were selected to study the moisture mobility mechanism of CMIHA drying by comparing to those of HA drying (temperature 70℃, radiation distance 8 cm, wind velocity 1 m/s). The Shrinkage rate, moisture diffusivities, and heat transfer characteristic were determined to research the moisture mobility of CMIHA drying from a macro-perspective. Based on the low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) that included magnetic resonance spectroscopy (MRS) and magnetic resonance imaging (MRI), the transverse relaxation time of bound water (T21)，immobile water (T22) and free water (T23), Peak integral area of different moisture ( A21, A22, A23), signal amplitude of immobile water (M22) and free water (M23), and Proton density image
of beef jerky were determined to research the moisture mobility of CMIHA drying from the microcosmic aspect. The results showed that, compared to HA drying, CMIHA drying could significantly improve (p<0.05) the inside and outside temperature, reduce (p<0.05) Shrinkage rate, and improve (p<0.05) moisture diffusivities of beef jerky during the drying process, so as to accelerate the moisture mobility. Besides, compared to HA drying, CMIHA drying could significantly improve the transverse relaxation time of immobile water (T22) and free water (T23) and accelerate the process in which immobile water shifts to free water. The peak integral area and signal amplitude of immobile water (A22, M22) were significantly decreased (p<0.05) and the values of A23, M23 were significantly increased (p<0.05); the inside immobile water could change into free water and migrated to the surface by free diffusion. However, all drying methods had no significant (p>0.05) difference in bound water. In conclusion, based on the macro-indexes and microcosmic indexes, CMIHA drying can accelerate the process that immobile water changes into free water. This may be caused by high temperature (55℃) that can make the head
of myoglobulin and the tail of myosinogen degenerate and the vibration of moisture molecules by absorbing infrared energy, both of which can decrease the binding force of immobile water. The higher moisture content of inside temperature rather than outside temperature makes free water migrate to the surface through free diffusion.
At the same time, HA can accelerate the loss of outside water through the evaporation process and decrease the outside temperature. So, a higher inside moisture content and temperature make moisture have the same direction
of heat and mass transfer, which of course can improve drying efficiency and decrease the Shrinkage rate of beef jerky during drying to improve its quality. This study could help provide evidence for the use of CMIHA drying
on beef jerky.
Key words: magnetic resonance spectroscopy; magnetic resonance imaging; drying; mid-infrared drying; moisture mobility; beef jerky
牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律
作者：谢小雷， 李侠， 张春晖， 王金枝， 王春青， 王兆进， 穆国锋， Xie Xiaolei， Li Xia， Zhang
Chunhui， Wang Jinzhi， Wang Chunqing， Wang Zhaojin， Mu Guofeng
作者单位：谢小雷,李侠,张春晖,王金枝,王春青,Xie Xiaolei,Li Xia,Zhang Chunhui,Wang Jinzhi,Wang Chunqing(中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工综合性重点实验室,北京,100193)， 王兆进,Wang
Zhaojin(泰州圣泰科红外科技有限公司,泰州,225300)， 穆国锋,Mu Guofeng(内蒙蒙都羊业食品有限公司,赤
峰,024000)
刊名：
农业工程学报
英文刊名：Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
年，卷(期)：2014(14)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/9c2079384.html,/Periodical_nygcxb201414040.aspx