基于滲透預(yù)處理的羅非魚片微波干燥動(dòng)力學(xué)

胡冰洋

摘 要：采用滲透-微波聯(lián)合干燥技術(shù)對(duì)羅非魚片進(jìn)行干燥，研究滲透后羅非魚片微波干燥過程的失水特性及其動(dòng)力學(xué)，探討滲透預(yù)處理、微波功率和裝載量對(duì)羅非魚片微波干燥過程的影響。結(jié)果表明：羅非魚片微波干燥過程中，按失水速率大小，可分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3 個(gè)階段；經(jīng)過滲透預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組其失水速率明顯高于對(duì)照組；物料的失水速率隨微波功率和裝載量的增大而增大。此外，研究羅非魚片微波干燥動(dòng)力學(xué)，建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)Midilli模型擬合良好，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了羅非魚片微波干燥過程中的水分變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：羅非魚片；滲透-微波聯(lián)合干燥；干燥特性；干燥動(dòng)力學(xué)

Abstract： Tilapia fillets were processed by a hybrid drying method， namely osmotic dehydration combined with microwave drying. The microwave drying characteristics and kinetics of tilapia were investigated. The effects of osmosis dehydration， microwave power and loading on the microwave drying process were studied. The results indicated that the microwave drying process involved three stages： accelerated drying， constant-rate drying and falling-rate. The group pretreated by osmotic dehydration showed higher dehydration rate than control. Besides， with the increase of microwave power and loading， the dehydration rate of tilapia fillets was increased. Furthermore， a drying kinetics model was established. The Midilli model showed the best fit to the experimental data.

Key words： tilapia fillets； osmosis-microwave drying； drying characteristics； drying kinetics

DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.08.001

中圖分類號(hào)：S985.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8123（2016）08-0001-05

羅非魚是世界第三大淡水魚養(yǎng)殖品種，廣泛養(yǎng)殖于熱帶、亞熱帶地區(qū)[1-2]；其魚肉出肉率高、細(xì)嫩少刺、味道鮮美；且含有豐富的蛋白質(zhì)，受到世界各地消費(fèi)者的喜愛，出口加工及產(chǎn)業(yè)化前景廣闊[3-4]。然而，目前我國(guó)羅非魚產(chǎn)品仍以鮮銷、凍全魚和凍魚片為主[5]，且在加工環(huán)節(jié)普遍存在規(guī)模小、水平低、產(chǎn)品單一、附加值低等問題[6-7]。近年來，隨著羅非魚產(chǎn)量不斷增加，提高羅非魚的加工水平和綜合利用能力已成為水產(chǎn)品加工業(yè)亟待解決的問題。

微波干燥是一種新型干燥技術(shù)，因其加熱速率快、熱效率高、生產(chǎn)過程清潔環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被應(yīng)用于食品加工行業(yè)[8-9]。然而，單純的微波干燥不僅能耗較高，且易出現(xiàn)過度干燥[10]、終點(diǎn)難以判別[11]等現(xiàn)象，導(dǎo)致物料營(yíng)養(yǎng)成分，特別是熱敏性成分損失。滲透脫水是利用細(xì)胞膜的半滲透性除去物料中水分的一種方法，一般作為一種預(yù)處理手段[12-13]。該過程在溫和條件下進(jìn)行，很好地保持了食品原料的色澤、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)等品質(zhì)[14]。若能將滲透脫水與微波干燥2 種手段有效結(jié)合起來，則有望融合二者的優(yōu)點(diǎn)，得到干燥速率快、產(chǎn)品品質(zhì)好的新型聯(lián)合干燥方式。目前，對(duì)于這種聯(lián)合干燥方式，只在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域有很少量的報(bào)道，在水產(chǎn)品加工，特別是羅非魚加工領(lǐng)域暫未見到相關(guān)的研究報(bào)道。

因此，本實(shí)驗(yàn)以羅非魚為研究對(duì)象，研究基于滲透預(yù)處理的羅非魚片微波干燥特性及其動(dòng)力學(xué)。以期為羅非魚片滲透-微波干燥的研究提供理論基礎(chǔ)，促進(jìn)新型羅非魚加工技術(shù)的開發(fā)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮羅非魚 ?？谑修r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；食鹽 海口市南國(guó)超市。

1.2 儀器與設(shè)備

NN-C781JFS型微波爐 日本Panasonic公司；HH-S26s型恒溫水浴鍋 中國(guó)江蘇金壇中大儀器廠；EL204型電子天平、HB43-S型快速水分測(cè)定儀 瑞士Mettler-Toledo公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

選取新鮮羅非魚（質(zhì)量0.5～1.0 kg，長(zhǎng)度30～35 cm），經(jīng)“三去”處理后（去頭、內(nèi)臟和鱗皮），從魚背部處采肉，切至大小為25 mm×20 mm×3 mm左右的魚片[15]，清水沖洗，置于不銹鋼淺盤中待實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 滲透脫水

將魚片投入事先配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、固液比為1∶20（m/V）的食鹽溶液中，在30 ℃條件下浸漬2 h。待滲透結(jié)束，取出魚片并吸去表面水分[16]。

1.3.3 微波干燥

先設(shè)定微波功率為400 W，裝載量為15 g，分別將滲透后的魚片與對(duì)照組（不進(jìn)行滲透脫水處理）放入微波干燥設(shè)備中進(jìn)行滲透預(yù)處理的影響比較實(shí)驗(yàn)；再設(shè)定裝載量為15 g，將滲透后的魚片分別在100、200、300、400 W的功率下進(jìn)行微波干燥；再設(shè)定微波功率為400 W，分別用5、15、25 g的裝載量對(duì)滲透后的魚片進(jìn)行微波干燥。

實(shí)驗(yàn)中每隔15 s記錄樣品質(zhì)量，含水率按

GB 5009.3—2010《食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定[17]。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次，結(jié)果取其算術(shù)平均值。

1.3.4 干基含水率測(cè)定

1.3.7 常用模型及擬合

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件繪制羅非魚片的微波干燥曲線和失水速率曲線；應(yīng)用SAS 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透預(yù)處理對(duì)羅非魚片失水特性的影響

由圖1可知，經(jīng)過滲透預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，羅非魚片微波干燥的初始含水率明顯低于對(duì)照組，且干燥所需時(shí)間也比對(duì)照組更短。這主要是由于滲透預(yù)處理過程利用高濃度溶液的滲透作用，預(yù)先脫去了魚片中的部分水分，使得魚片在進(jìn)入微波干燥環(huán)節(jié)之前的含水率降低，從而有效縮短了干燥時(shí)間。

由圖2可知，無(wú)論是否經(jīng)歷預(yù)處理過程，羅非魚片的微波干燥過程都基本分為3 個(gè)階段：升速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段，符合干燥速率曲線變化的一般規(guī)律[25-26]。此外，經(jīng)過滲透預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，在微波干燥過程中的失水速率明顯高于對(duì)照組，這就是其干燥時(shí)間縮短的另一個(gè)重要原因。在滲透脫水的過程中，物料細(xì)胞中的水分滲透到細(xì)胞外，少量滲透液中的溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部及細(xì)胞間隙。這個(gè)傳質(zhì)過程導(dǎo)致物料細(xì)胞間的排列由十分緊密變得稍稍疏松。因此，在微波干燥過程中，經(jīng)過滲透預(yù)處理的物料內(nèi)部水分比對(duì)照組更加快速被汽化，失水速率提高，干燥時(shí)間縮短。

2.2 微波功率對(duì)羅非魚片失水特性的影響

由圖3可知，在裝載量一定的情況下，隨著微波功率的增大，羅非魚片的干燥時(shí)間明顯縮短。且當(dāng)微波功率較低時(shí)（100～200 W），干燥時(shí)間縮短的幅度較大；當(dāng)功率達(dá)到300～400 W時(shí)，功率升高帶來的干燥時(shí)間縮短的幅度變小。這可能是由于功率較高時(shí)，物料表面水分蒸發(fā)速率大于物料內(nèi)部水分向外遷移的速率，從而導(dǎo)致微波能利用率下降[27]。

由圖4可知，微波功率越大，物料失水速率也越快。這主要是由于微波功率越高，單位質(zhì)量的羅非魚片在單位時(shí)間內(nèi)吸收的微波能就越多，熱能轉(zhuǎn)化速率越快，從而加快水分蒸發(fā)，失水速率增大。

2.3 裝載量對(duì)羅非魚片失水特性的影響

由圖5可知，裝載量分別為5、15、25 g時(shí)，羅非魚片干燥所需的時(shí)間分別為3、4、5 min。也就是說，隨著裝載量增大，干燥時(shí)間不斷延長(zhǎng)。這主要是由于裝載量越大，體系內(nèi)物料的總含水量越高，在微波功率一定的情況下，單位質(zhì)量水分所吸收的微波能減少，水分蒸發(fā)速率相應(yīng)減慢，因此干燥時(shí)間也就延長(zhǎng)。

由圖6可知，物料失水速率隨裝載量的增大而增大。這是因?yàn)殡S著裝載量的增大，物料表面積相應(yīng)增大，微波能吸收效率提高，失水速率隨之增大。各曲線相隔間距較大，說明裝載量對(duì)羅非魚片失水速率影響較大。

2.4 羅非魚片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型

2.4.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

為建立羅非魚片微波干燥動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同微波功率（100、200、300、400 W）、裝載量（5、15、25 g）以及干燥時(shí)間條件下羅非魚片的含水率，再用1.3.7節(jié)中選擇的4 個(gè)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型等式進(jìn)行擬合。

擬合效果用調(diào)整相關(guān)系數(shù)（R2Adj）來量化：R2Adj越接近1，說明模型擬合效果越好[28]。由表1可知，Midilli模型等式的R2Adj值在0.974 1～0.988 4間，大于另外3 個(gè)模型等式。說明Midilli模型等式的擬合效果最好，最適用于滲透后羅非魚片微波干燥過程的分析。這可能是由于該模型等式較好地模擬了微波干燥過程中升速、恒速及降速干燥的過程。

根據(jù)Midilli模型等式繪制不同干燥條件下的動(dòng)力學(xué)曲線，由圖7可知，模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間擬合度良好。

由表2可知，當(dāng)微波功率從100 W增加到400 W時(shí)，參數(shù)a逐漸增大，當(dāng)裝載量從5 g變化到25 g時(shí)，參數(shù)a則逐漸減小。同樣，k值也隨微波功率的增大而增大，隨裝載量的增大而減小。

由干燥特性分析可知，微波干燥羅非魚片時(shí)微波功率和裝載量均會(huì)對(duì)干燥過程產(chǎn)生較大影響，即微波功率和裝載量均會(huì)影響Midilli模型等式的各參數(shù)，于是可進(jìn)一步通過二次多項(xiàng)式函數(shù)建立微波功率（P）、裝載量（L）和各參數(shù)間的關(guān)系等式，3 個(gè)關(guān)系式均有較高的擬合度（R2Adj =0.960 1～0.999 0），關(guān)系式如下：

2.4.2 動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)上述等式的準(zhǔn)確性，在微波功率400 W、裝載量15 g的條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到不同干燥時(shí)間下羅非魚片的水分比。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該動(dòng)力學(xué)模型等式準(zhǔn)確性較高（99.66%～105.41%）。從該組實(shí)驗(yàn)值中隨機(jī)抽取5 個(gè)值與模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，得到實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值之間有極顯著的線性關(guān)系，斜率接近1（y=0.999 11x，R2=0.999 95）。因此，該動(dòng)力學(xué)模型等式具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，可以用于微波干燥羅非魚片時(shí)預(yù)測(cè)不同微波功率、裝載量以及干燥時(shí)間條件下羅非魚片的含水率，也可以用于工藝條件的優(yōu)化、減少干燥成本。

3 結(jié) 論

羅非魚片微波干燥過程按失水速率大小，可分為升速干燥、恒速干燥和降速干燥3 個(gè)階段[25]；滲透預(yù)處理、微波功率和裝載量均會(huì)對(duì)羅非魚片微波失水速率產(chǎn)生較大影響。經(jīng)過滲透預(yù)處理的羅非魚片在微波干燥過程中失水率高于對(duì)照組，且干燥時(shí)間較短；同時(shí)，微波功率越大，羅非魚片干燥所需時(shí)間越短，但當(dāng)功率達(dá)到一定值后，增大功率對(duì)失水速率影響不大[27]；裝載量越大，則干燥時(shí)間越長(zhǎng)[29]。羅非魚片微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型滿足Midilli模型：MR=ae-ktN+bt，利用此動(dòng)力學(xué)模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)羅非魚片微波干燥過程中的水分變化。

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