羅非魚片滲透-真空微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

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(1.海南大學(xué)食品學(xué)院,海南?？?570228;2.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院,廣西賀州 542899)

羅非魚片滲透-真空微波干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

劉兵1,李川1,*,段振華1,2,*,劉艷2,于群1,茹世麟1

(1.海南大學(xué)食品學(xué)院,海南?？?70228;2.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院,廣西賀州542899)

為了解滲透后羅非魚片在真空微波干燥過(guò)程中的干燥特性,以干基含水率和干燥速率為指標(biāo),研究了不同微波間歇比(R)、功率密度和真空度條件對(duì)魚片干燥特性的影響,并建立滲透-真空微波干燥動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明,微波間歇比、功率密度和真空度對(duì)羅非魚片干燥特性均有較大影響,隨著功率密度和真空度的升高,干燥速率增加,在一定范圍內(nèi)(R小于3),適當(dāng)提高間歇比可加快干燥過(guò)程。不同條件下的干燥過(guò)程均分為升速和降速兩個(gè)階段,但升速期很短,主要以降速為主。根據(jù)數(shù)據(jù)建立動(dòng)力學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)Midilli方程擬合效果良好(R2=0.9873),適合于描述羅非魚片滲透-真空微波干燥過(guò)程。該研究結(jié)果為羅非魚的加工與生產(chǎn)提供新依據(jù)和新思路。

羅非魚片,滲透-真空微波干燥,干燥特性,動(dòng)力學(xué)

Abstract:In order to obtain the characteristics of tilapia fillets under osmosis dehydration vacuum-microwave drying conditions,the moisture content and drying rate of fish fillet were carried out during drying process.The effect of different microwave gap ratio,power density and vacuum degree on drying characteristic of fish fillet were determined and the drying kinetics model of osmosis dehydration vacuum-microwave drying was set up. The results showed that the microwave gap ratio,power density and vacuum degree had greater influences on dry characteristics of tilapia fillets. The drying rate was increased with increasing of power density and vacuum degree,and improved the microwave gap ratio appropriately was conductive to speed up the drying process. In addition,the whole drying process was divided into two stages with different conditions,including the accelerated drying and falling rate drying. The time of accelerated drying was short and the main process was falling rate drying. The drying kinetics met Midilli model and it was suitable for describing osmosis dehydration vacuum-microwave drying process of tilapia fillet(R2=0.9873). The results provide a new theory and technical guidance for tilapia processing and production.

Keywords:tilapia fillets;osmotic-vacuum microwave drying;drying characteristics;kinetics

羅非魚,俗稱“非洲鯽魚”,因其具有食性雜,耐低氧和生長(zhǎng)繁殖快等特點(diǎn)而成為世界性的養(yǎng)殖魚類[1],同時(shí)它也是我國(guó)重要的淡水魚養(yǎng)殖品種,在福建、廣東和海南等熱帶或亞熱帶地區(qū)被廣泛養(yǎng)殖[2]。羅非魚肉質(zhì)潔白少刺,味道鮮美,魚肉中不僅含有豐富的蛋白質(zhì)和必需氨基酸、不飽和脂肪酸等[3-4],還富含鈣、磷、鉀、鋅、鐵等礦物質(zhì)[5],營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。由于羅非魚肉中含水高達(dá)80%,且酶系豐富,極易腐敗變質(zhì)造成資源的浪費(fèi)與環(huán)境污染。干燥是魚類等水產(chǎn)品加工保藏的方法之一[6],對(duì)羅非魚進(jìn)行干燥處理,可有效延長(zhǎng)保藏期和提高產(chǎn)品附加值。傳統(tǒng)的單一干燥方法,如太陽(yáng)能干燥、熱風(fēng)干燥以及冷凍干燥等,均存在產(chǎn)品品質(zhì)差或高能耗等問(wèn)題而不能滿足人們的需求[7]。

滲透-真空微波干燥是一種結(jié)合滲透脫水預(yù)處理和真空微波干燥兩種技術(shù)的新型干燥方法[8]。滲透處理可利用細(xì)胞膜半透性脫除原料部分水分,條件溫和、能耗低,可有效縮短后期干燥時(shí)間,較好地保持了產(chǎn)品的色、香、味等品質(zhì)[9-10]。真空微波干燥結(jié)合了微波加熱和真空干燥兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),具有脫水快速、節(jié)能高效、安全易控制、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域[11]。

目前,對(duì)于滲透-真空微波干燥技術(shù),只運(yùn)用于柑橘[12]、草莓[13]、木瓜[14]等水果干燥加工中,而對(duì)魚類等水產(chǎn)品的加工則未見報(bào)道。為此,本實(shí)驗(yàn)以羅非魚片為對(duì)象,研究微波間歇比、功率密度和真空度對(duì)滲透脫水后魚片干燥特性的影響并以此建立干燥動(dòng)力學(xué)模型,為滲透-真空微波干燥在羅非魚加工中的應(yīng)用提供新依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮的羅非魚 購(gòu)于?？谀祥T農(nóng)貿(mào)市場(chǎng),0.75～1 kg/條,30～35 cm/條;食鹽(食用級(jí))、白砂糖(食用級(jí)) 購(gòu)于南國(guó)超市。

NJL07-3型實(shí)驗(yàn)專用微波爐 南京杰全微波設(shè)備有限公司;EL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HH-S26S電熱恒溫水浴鍋 金壇市大地自動(dòng)化儀器廠;VP50真空泵 北京萊伯泰科儀器股份有限公司;HB43-S型紅外快速水分測(cè)定儀 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;真空微波設(shè)備 自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 前處理 新鮮羅非魚經(jīng)三去處理后,清洗并從魚脊背上方采肉切片,為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性,魚片統(tǒng)一切成大小約500 mm2,厚度3 mm、單片質(zhì)量(1.86±0.21) g的薄片,清水沖洗后,用濾紙吸去表面水分,放入不銹鋼盤中并用保鮮膜封口。

圖1 真空微波裝置圖Fig.1 The schematic of microwave-vacuum devices

1.2.2 干燥方法 根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將切好的魚片浸入20%鹽+15%糖溶液中30 ℃水浴下進(jìn)行2 h滲透處理[8]。滲透后稱取質(zhì)量約15 g魚片放入自制的真空微波裝置中,如圖1所示,以氣體緩沖瓶連接干燥器與真空泵,真空泵調(diào)節(jié)干燥環(huán)境真空度,樣品放入干燥器并置于微波爐中,調(diào)節(jié)微波功率與時(shí)間來(lái)進(jìn)行干燥處理。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定功率密度20 W/g,真空度0.08 MPa,分別在微波間歇比(即微波開關(guān)時(shí)間之和與微波開啟時(shí)間之比)為1、2、3的條件下真空微波干燥;設(shè)定微波間歇比為2,真空度0.08 MPa,分別在功率密度15、20、25 W/g下進(jìn)行真空微波干燥;設(shè)定微波間歇比為2,功率密度20 W/g,真空度0.04、0.06、0.08 MPa下進(jìn)行真空微波干燥。

在每組實(shí)驗(yàn)中,每隔1 min記錄樣品質(zhì)量(操作不計(jì)入干燥時(shí)間),干燥總時(shí)間為16 min,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,結(jié)果取算術(shù)平均值。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定方法 含水率測(cè)定:參照GB/T5009.3-2010《食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定[15]。

干基含水率計(jì)算:

式中,m0表示濕物料中絕對(duì)干料的質(zhì)量(g);mt表示t時(shí)刻濕物料的質(zhì)量(g);X表示干基含水率(%)。

干燥速率[16]計(jì)算:

式中,η為干燥速率;Δm是物料相鄰兩次測(cè)量的重量差(g);Δt是測(cè)定的時(shí)間差(min)。

水分比(MR)計(jì)算[17]:水分比可以表示物料干燥速率的快慢。

式中,MR為水分比;Me為物料平衡含水率;與Mt和M0相比很小,設(shè)定為零;M0為初始含水率;Mt為干燥中某時(shí)刻的含水率。

1.3 常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型

選取常用的6種薄層干燥模型來(lái)描述羅非魚片滲透-真空微波干燥過(guò)程,模型名稱及表達(dá)式如表1所示。

表1 常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematical thin layer drying models

注:上式中t為干燥時(shí)間,k、n、a、b、c均為待定系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,SPSS與Origin軟件進(jìn)行擬合回歸分析及圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波間歇比對(duì)羅非魚片滲透-真空微波干燥特性的影響

由圖2干燥曲線可知,在功率密度和真空度不變的條件下,魚片干基含水率隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)降低。在相同干燥時(shí)間內(nèi),微波間歇比R為2和3的魚片干基含水率要低于微波間歇比R為1的魚片。這可能是因?yàn)殚g歇干燥對(duì)微波能的利用率要高于連續(xù)干燥(R=1),當(dāng)微波間歇比R為2或3時(shí),微波對(duì)魚片進(jìn)行間歇加熱,間歇時(shí)間內(nèi)魚片中的水分從內(nèi)部遷移到表面進(jìn)而重新分布,微波開啟時(shí)水分吸熱而被脫除,從而脫水量高于微波間歇比R為1的連續(xù)干燥。當(dāng)微波間歇比R為3時(shí),魚片在較長(zhǎng)的間歇時(shí)間下冷卻,相同時(shí)間內(nèi),在微波作用下升至相同溫度所需時(shí)間延長(zhǎng),加熱時(shí)間相對(duì)縮短,脫水量降低;此外,真空罐內(nèi)水汽遇冷附著于魚片上,使其干基含水率比微波間歇比為2的高。在間歇微波真空干燥方式上,李維新等[24]對(duì)糖漿原料也作了研究并得到相似的結(jié)果。

圖2 不同微波間歇比下魚片干燥曲線Fig.2 Drying curves of tilapia fillets at different microwave gap ratio

由圖3干燥速率曲線可知,魚片的滲透-真空微波干燥速率先快速上升,這一時(shí)期水分被大量脫除從而達(dá)到最大干燥速率,隨后進(jìn)入降速干燥階段,整個(gè)干燥過(guò)程無(wú)明顯恒速階段,在干燥后期,物料中的水分主要為較難去除的結(jié)合水,自由水含量的減少致使物料內(nèi)部水分?jǐn)U散速率小于表面水分汽化速度,因此失水速率逐漸下降[25],段振華等[26]在研究羅非魚片微波干燥階段時(shí)得到相同趨勢(shì)的干燥速率曲線。另外,魚片的干燥速率隨間歇比呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)微波間歇比為3時(shí),微波間歇時(shí)間較長(zhǎng),魚片能較快冷卻,真空罐中部分水汽遇冷而附著在魚片上,使得單位時(shí)間內(nèi)魚片的脫水量降低,干燥速率低于微波間歇比R為2的條件。

圖3 不同微波間歇比下魚片干燥速率曲線Fig.3 Drying rate curves of tilapia fillets at different microwave gap ratio

2.2 功率密度對(duì)羅非魚片滲透-真空微波干燥特性的影響

由圖4可知,在間歇比和真空度固定條件下,魚片干基含水率降至平衡時(shí)所需的干燥時(shí)間隨功率密度的增大而縮短。當(dāng)功率密度為15、20、25 W/g時(shí),魚片干基含水率降至平衡所需時(shí)間分別為21、15、12 min。這是由于功率密度增大,單位質(zhì)量的魚片所受的微波能增加,使脫水量加大導(dǎo)致干燥時(shí)間的縮短。當(dāng)功率密度達(dá)到20～25 W/g時(shí),干燥時(shí)間縮短的幅度降低,這可能是因?yàn)楫?dāng)功率密度達(dá)到較高水平時(shí),魚片表面水分蒸發(fā)的速率要高于內(nèi)部水分向外遷移的速率,致使微波能的利用率降低[27]。

圖4 不同功率密度下魚片干燥曲線Fig.4 Drying curves of tilapia fillets at different power density

圖5可以得到,隨著功率密度增大,魚片干燥速率呈先增后降的趨勢(shì)。當(dāng)功率密度為15 W/g時(shí),干燥速率較低;而在20 W/g和25 W/g處,干燥速率高且二者相差不大。這主要是由于功率密度越大,單位質(zhì)量的物料在相同時(shí)間內(nèi)吸收的微波能量越多,轉(zhuǎn)化成熱能的速率加快,失水率增大使干燥速率增加。此外,功率密度較高也會(huì)造成微波利用率和魚片品質(zhì)的下降,在水分變化相差不大的情況下,功率密度不宜太高,可選擇20 W/g應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

圖5 不同功率密度下魚片干燥速率曲線Fig.5 Drying rate curves of tilapia fillets at different power density

2.3 真空度對(duì)羅非魚片滲透-真空微波干燥特性的影響

由圖6可以看出,真空度由0.04 MPa升至0.08 MPa時(shí),魚片中水分的飽和蒸氣壓(沸點(diǎn))降低,在吸收相同微波能時(shí)脫除的水分增多,干燥速率加快,魚片的干基含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷減少,達(dá)到平衡含水率時(shí)所需時(shí)間縮短,其值分別為18、16、13 min。

圖6 不同真空度下魚片干燥曲線Fig.6 Drying curves of tilapia fillets at different vacuum degree

由圖7的干燥速率曲線可知,在相同含水率條件下,魚片的干燥速率隨真空度的升高而增大。真空環(huán)境下,真空度的增大會(huì)使物料中的水分可以在較低的溫度下蒸發(fā),提高了水分的擴(kuò)散力,促使干燥速率的加快;在低真空度時(shí),水的沸點(diǎn)較高,易引發(fā)局部干燥過(guò)度,不利于水分的擴(kuò)散與蒸發(fā)[28]。楊毅等[2]研究單一真空微波干燥羅非魚片也得到相同結(jié)論。因此,高真空度下脫水速率快、時(shí)間短,干燥效果好,所以宜選用0.08 MPa來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

表2 不同干燥條件下6個(gè)模型擬合的R2及卡方χ2值Table 2 R2 and chi-square values of six models under different drying conditions

圖7 不同真空度下魚片干燥速率曲線Fig.7 Drying rate curves of tilapia fillets at different vacuum degree

2.4 羅非魚片滲透-真空微波干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

2.4.1 干燥動(dòng)力學(xué)模型的建立 為建立羅非魚片滲透-真空微波干燥動(dòng)力學(xué)模型,將實(shí)驗(yàn)中不同微波間歇比、功率密度和真空度條件下的MR-t圖(圖8所示)分別代入六個(gè)薄層干燥模型中進(jìn)行擬合,得到擬合結(jié)果如表2所示。

圖8 不同干燥條件下羅非魚片水分比-時(shí)間關(guān)系圖Fig.8 Relationship between moisture ratio and time of tilapia fillets under different drying conditions

一般來(lái)說(shuō),模型擬合的效果通過(guò)調(diào)整后的R2和卡方χ2判定,R2越接近于1,卡方χ2越小,說(shuō)明擬合度越高,準(zhǔn)確性越好[29]。楊毅等[2]得到了Page方程最適合描述羅非魚片真空微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型;而本實(shí)驗(yàn)對(duì)羅非魚片進(jìn)行滲透預(yù)處理,魚片初始水分減少和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)改變則會(huì)對(duì)后期真空微波干燥產(chǎn)生影響,所以得到的模型會(huì)有所不同。由表2可知,魚片在不同干燥條件下所擬合的模型中,Midilli模型所得到的調(diào)整的R2最接近于1(均值0.9981),且相關(guān)系數(shù)卡方χ2的均值最小,說(shuō)明Midilli模型相比于其他模型擬合效果更好,最為適合對(duì)羅非魚片的滲透-真空微波干燥過(guò)程的預(yù)測(cè)與分析。這可能是因?yàn)镸idilli模型可較好的描述干燥過(guò)程中的不同階段。

表3 不同干燥條件下Midilli模型中各個(gè)參數(shù)Table 3 Parameters of Midilli model under different drying conditions

圖8為不同干燥條件下魚片水分比與時(shí)間在Midilli模型下動(dòng)力學(xué)曲線擬合圖,從圖8中可以看出,Midilli模型的擬合效果良好。

由魚片干燥特性的分析可知,滲透-真空微波干燥的間歇比、功率密度和真空度均會(huì)對(duì)干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。由表3可知,三個(gè)因素均影響Midilli模型的各參數(shù),參數(shù)a隨微波間歇比和真空度增大而增大,隨功率密度上升而減小;參數(shù)k隨間歇比、功率密度和真空度的上升而增大,而參數(shù)n則相反。因此,上述結(jié)果可進(jìn)一步通過(guò)函數(shù)關(guān)系式建立間歇比(P)、功率密度(Q)、真空度(V)與各參數(shù)之間的等式,如下:

a=6.353×10-2P-1.6097×10-2Q+2.7241V+9.979×10-1(R2=0.9866)

k=1.3237×10-1P+1.3928×10-2Q+2.5160V-4.9675×10-1(R2=0.9699)

n=-8.482×10-2P-5.373×10-3Q-1.7101V+1.3909(R2=0.9708)

b=2.07×10-4P+6.0×10-6Q+3.7844×10-2V-4.670×10-3(R2=0.9638)

將上述關(guān)系等式代入Midilli模型方程中可以得到如下關(guān)系式:

MR=(6.353×10-2P-1.6097×10-2Q+2.7241V+9.979×10-1)exp[-(1.3237×10-1P+1.3928×10-2Q+2.5160V-4.9675×10-1)t-0.08482P-0.005373Q-1.7101V+1.3909]+(2.07×10-4P+6.0×10-6Q+3.7844×10-2V-4.670×10-3)t

上式即為滲透-真空微波干燥魚片水分比關(guān)于微波間歇比(P)、功率密度(Q)、真空度(V)和干燥時(shí)間t之間的模型關(guān)系式。

2.4.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證 為檢驗(yàn)Midilli模型對(duì)羅非魚片滲透-真空微波干燥過(guò)程預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,在微波間歇比為1、功率密度20 W/g、真空度0.06 MPa條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到水分比(MR)和干燥時(shí)間(t)的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 相同條件下水分比實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.9 Comparison between experimental and predicted of MR values under same conditions

由圖9可知,實(shí)驗(yàn)值與Midilli模型等式中的預(yù)測(cè)值能基本擬合(R2=0.9873),說(shuō)明Midilli方程能夠較準(zhǔn)確地描述此干燥過(guò)程中的水分變化情況,對(duì)羅非魚片干燥過(guò)程起到很好的預(yù)測(cè)作用。

3 結(jié)論

真空微波干燥時(shí),微波間歇比(R)、功率密度和真空度對(duì)滲透后羅非魚片干燥特性影響較大,滲透-真空微波干燥速率隨功率密度和真空度的增大而加快;在一定范圍內(nèi)(R小于3),增加間歇比可加快干燥的過(guò)程。滲透-真空微波干燥過(guò)程只有開始的升速及其后的降速階段,沒(méi)有明顯的恒速階段,其中升速期很短,過(guò)程以降速干燥為主,這可能與實(shí)驗(yàn)所用方法和設(shè)備有關(guān)。羅非魚片在間歇比為2、功率密度20 W/g和0.08 MPa真空度下速率快、干燥效果好。

在動(dòng)力學(xué)方面,滲透處理使魚片水分和結(jié)構(gòu)改變;且以間歇式真空微波干燥魚片,從而影響魚片干燥特性,所以Midilli模型比Page模型更能準(zhǔn)確地表達(dá)和預(yù)測(cè)羅非魚片滲透-真空微波干燥過(guò)程中不同條件下各個(gè)時(shí)間的水分比。在實(shí)際生產(chǎn)中,可以利用該模型預(yù)測(cè)并控制羅非魚片滲透-真空微波干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律,為降低能耗、優(yōu)化工藝和提高干制品質(zhì)量提供技術(shù)依據(jù)。

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Characteristicsofosmotic-vacuummicrowavedryingoftilapiafilletsanditsdryingkinetics

LIUBing1,LIChuan1,*,DUANZhen-hua1,2,*,LIUYan2,YUQun1,RUShi-lin1

(1.College of Food Science and Technology,Hainan University,Haikou 570228,China;2.Institue of Food Research,Hezhou University,Hezhou 542899,China)

TS254.4

A

1002-0306(2017)18-0030-06

2017-02-28

劉兵(1992-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)品加工技術(shù)，E-mail：liubing920901@163.com。

*通訊作者:李川(1986-)，男，博士，研究方向：熱帶水產(chǎn)品精深加工與貯藏，E-mail：lichuanbest@126.com。 段振華(1965-)，男，博士，教授，研究方向：水產(chǎn)品加工技術(shù)，E-mail：dzh65@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360395；31601531)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.006