南京农业大学黄继超 LWT丨当石墨烯遇上鸡肉干:一场高效又美味的“光波桑拿”革命

石墨烯具有优异的红外发射率与电热转换效率，使其成为红外加热元件的理想材料。本研究以石墨烯加热板作为红外发射源构建远红外干燥系统，探究了石墨烯远红外干燥（GFD）、热风干燥（HAD）及红外干燥（IRD）对鸡肉干的干燥特性、能耗、干燥动力学及理化性质的影响。结果表明，石墨烯红外辐射促进了样品内部水分向自由水的转化，使得GFD处理样品具有最高的水分扩散效率。相较于HAD和IRD，GFD显著缩短了干燥时间并降低了能耗。核磁共振成像结果显示，GFD处理样品内部水分分布最为均匀，因而鸡肉干保持了最小的剪切力与硬度。综上所述，GFD在干燥效率、能耗控制及肉质保持方面展现出显著优势，在肉干工业化生产中具有可观的应用潜力。

今天，我们来聊聊一篇最近发表在《LWT-食品科学与技术》期刊上的有趣研究，看看科学家们如何用石墨烯给鸡肉干制作带来了翻天覆地的变化。

一、 灵感来源：为什么鸡肉干需要“升级”？

鸡肉干因其高蛋白、易储存的特点，成为了许多人的零食首选。但传统的制作工艺，尤其是核心的干燥环节，却存在不少痛点。

想象一下，如果用热风干燥，就像用一台大功率吹风机对着肉猛吹。这种方法简单粗暴，但热量从外向内传递，常常导致表面水分迅速蒸发，形成一层坚硬的“外壳”，把内部的水分牢牢锁住。结果呢？往往是外焦里不“干”，耗时漫长（长达9小时！），而且能耗极高，肉质容易变得干硬难嚼。

另一种红外干燥技术，好比给肉做“光波理疗”。它利用特定波长的红外线直接使肉内部的分子振动产热，实现内外同时加热，效率比热风高。但传统的红外发热管（如石英管）本身比较脆弱，电热转换效率也有上限，好比一个灯泡，很大一部分电能变成了自身的热量而非有用的光（红外线），能量浪费不小。

那么，有没有一种方法，既能像红外线那样高效深入，又能极致节能，还能更好地保持肉质呢？科学家们把目光投向了纳米材料界的明星——石墨烯。

二、 神奇的材料：石墨烯是何方神圣？

石墨烯可以看作是单层碳原子紧密排列成的二维蜂窝状薄片，是目前已知最薄、最坚硬、导热性最好的材料。当电流通过时，石墨烯能几乎毫无损耗地将电能转化为热能，并高效地发射出远红外射线，其电热转换效率可超过99%！这意味着，它几乎能把所有的电都用在“刀刃”上，发出柔和且穿透力强的远红外光波。

这就像给干燥设备换上了一个“超级心脏”。研究人员于是自己动手，搭建了一套石墨烯远红外干燥系统：核心就是用石墨烯加热板作为发射器，给鸡肉片进行一场精准的“光波桑拿”。

三、 实验对决：三大干燥法，谁才是王者？

为了公平检验石墨烯远红外干燥的威力，研究团队设置了一场“三国演义”式的比拼：石墨烯远红外干燥、传统红外干燥和热风干燥。所有实验都在60°C下进行，直到鸡肉干的含水量降至20%。

1. 效率与能耗之战：天下武功，唯快不破

结果令人惊叹！石墨烯远红外干燥仅用了330分钟（5.5小时）就完成了任务，比传统红外干燥的420分钟和热风干燥的540分钟快了一大截！这意味着生产效率大幅提升。

更关键的是能耗。计算单位能耗（每烘干一公斤鸡肉消耗的能量）后，石墨烯远红外干燥的能耗低至1.224兆焦/公斤，传统红外干燥为2.016，而热风干燥则高达2.728。石墨烯的节能优势一目了然，这得益于它极高的电热转换效率，几乎不浪费一度电。

2. 水分迁移的奥秘：给水分子“拍个MRI”

为什么石墨烯这么快？科学家们动用了“黑科技”——低场核磁共振技术。这项技术能像给肉做“核磁共振成像”一样，清晰地看到内部水分子的状态和分布。

水在肉里以不同形态存在：紧紧绑在蛋白质上的“结合水”、在微小空间里活动的“不易流动水”，以及最自由的“自由水”。干燥的关键，就是把结合水和不易流动水转化成自由水，然后把它赶走。

研究发现，石墨烯发出的远红外线能量更强、更均匀，能有效促进肉内部的水分子“活化”，让更多不易流动水转变为易于蒸发的自由水。从核磁共振的横向弛豫曲线看，石墨烯处理样品的信号衰减模式最优，表明其水分扩散效率最高。

更直观的证据来自磁共振成像。我们直接来看三组样品在干燥过程中的内部水分分布图：

图中亮度的差异直接反映了水分的多少。热风干燥的样品，内部明显还有一个亮色的“水核”，说明水分被锁在里面，分布极不均匀；传统红外干燥有所改善；而石墨烯远红外干燥的样品，整体亮度均匀一致，表明从内到外的水分被同步、均匀地去除，完美避免了表面结壳现象。

3. 品质大比拼：好吃才是硬道理

干燥不是目的，做出好吃的鸡肉干才是终点。研究人员对成品进行了全面的品质检测：

• 质构（口感）：石墨烯远红外干燥的鸡肉干，硬度和剪切力值都是最低的。这意味着它更软、更容易咀嚼，口感更佳。而热风干燥的样品则最硬。这是因为均匀的干燥避免了局部过度失水导致的肉质硬化。

• 色泽：石墨烯远红外干燥的鸡肉干颜色最接近生鲜鸡肉，色泽均匀亮丽。热风干燥则因表面过度受热和美拉德反应，颜色更深、更暗。

• 氧化程度：有趣的是，红外线处理（包括石墨烯和传统红外）会促进脂肪和蛋白质的氧化，其TBARS值（衡量脂肪氧化）和蛋白质羰基值（衡量蛋白质氧化）高于热风干燥。这听起来是坏事，但实际上，适度的氧化会产生风味物质，可能让肉干更香。不过，由于石墨烯干燥时间大幅缩短，其氧化程度相对传统红外干燥又有所控制，在风味和营养保留间找到了更好的平衡。

四、 总结与展望：一场食品加工的绿色革命

这项研究清晰地勾勒出一条创新路径：发现传统技术痛点 → 引入尖端材料（石墨烯）作为解决方案 → 通过严谨的对照实验验证其优越性（效率、能耗、品质） → 深入机理分析（水分迁移、能效计算）。

关键结论令人振奋：

• 高效节能：石墨烯远红外干燥比传统方法节省超过一半时间，能耗降低超过55%。

• 品质卓越：得益于均匀的体内加热，鸡肉干口感更软嫩，色泽更佳。

• 潜力巨大：为肉类干制品的工业化生产提供了一种高效、节能、优质的全新选择。

想象一下，未来食品工厂采用这种技术，不仅能够大幅降低生产成本，减少碳排放，还能为消费者提供口感更胜一筹的健康零食。这片小小的石墨烯加热板，或许正预示着食品加工业迈向绿色、精准、高效未来的大门已经开启。

下次当你享受一块美味的肉干时，也许可以想想，它是否经历了一场由纳米材料带来的高科技“光波桑拿”呢？科学，就是这样让生活变得既有趣又美好。

作者简介：

黄继超博士  商丘市梁园区人，副教授，硕士研究生导师。2006 年毕业于商丘市第二高级中学，2015 年获南京农业大学工学博士学位。现就职于南京农业大学工学院，主要从事肉品加工与智能装备研究。江苏省农业工程学会青年工作委员会委员兼副秘书长。现任国家禽肉加工技术研发专业中心副主任、农业农业部肉品加工与营养健康重点实验室副主任、江苏省畜禽产品加工工程技术研究中心副主任，主持国家自然科学基金项目、江苏省科学基金项目、十四五国家重点研发计划任务等10余项，在国内外学术刊物上发表论文50余篇，获授权专利10余件，参编著作3部，参与制定国家、地方标准2项，获省部级等科研奖励多项。