基于渗透预处理的罗非鱼片微波干燥动力学
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摘 要：采用渗透-微波联合干燥技术对罗非鱼片进行干燥，研究渗透后罗非鱼片微波干燥过程的失水特性及其动力学，探讨渗透预处理、微波功率和装载量对罗非鱼片微波干燥过程的影响。结果表明：罗非鱼片微波干燥过程中，按失水速率大小，可分为升速干燥、恒速干燥和降速干燥3 个阶段；经过渗透预处理的实验组其失水速率明显高于对照组；物料的失水速率随微波功率和装载量的增大而增大。此外，研究罗非鱼片微波干燥动力学，建立数学模型，发现Midilli模型拟合良好，较准确地预测了罗非鱼片微波干燥过程中的水分变化规律。
关键词：罗非鱼片；渗透-微波联合干燥；干燥特性；干燥动力学
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/ki.rlyj.2016.08.001
中图分类号：S985.1 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2016）08-0001-05
罗非鱼是世界第三大淡水鱼养殖品种，广泛养殖于热带、亚热带地区[1-2]；其鱼肉出肉率高、细嫩少刺、味道鲜美；且含有丰富的蛋白质，受到世界各地消费者的喜爱，出口加工及产业化前景广阔[3-4]。然而，目前我国罗非鱼产品仍以鲜销、冻全鱼和冻鱼片为主[5]，且在加工环节普遍存在规模小、水平低、产品单一、附加值低等问题[6-7]。近年来，随着罗非鱼产量不断增加，提高罗非鱼的加工水平和综合利用能力已成为水产品加工业亟待解决的问题。
微波干燥是一种新型干燥技术，因其加热速率快、热效率高、生产过程清洁环保等一系列优点，越来越多地被应用于食品加工行业[8-9]。然而，单纯的微波干燥不仅能耗较高，且易出现过度干燥[10]、终点难以判别[11]等现象，导致物料营养成分，特别是热敏性成分损失。渗透脱水是利用细胞膜的半渗透性除去物料中水分的一种方法，一般作为一种预处理手段[12-13]。该过程在温和条件下进行，很好地保持了食品原料的色泽、风味、营养等品质[14]。若能将渗透脱水与微波干燥2 种手段有效结合起来，则有望融合二者的优点，得到干燥速率快、产品品质好的新型联合干燥方式。目前，对于这种联合干燥方式，只在农产品加工领域有很少量的报道，在水产品加工，特别是罗非鱼加工领域暂未见到相关的研究报道。
因此，本实验以罗非鱼为研究对象，研究基于渗透预处理的罗非鱼片微波干燥特性及其动力学。以期为罗非鱼片渗透-微波干燥的研究提供理论基础，促进新型罗非鱼加工技术的开发。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新鲜罗非鱼 海口市农贸市场；食盐 海口市南国超市。
1.2 仪器与设备
NN-C781JFS型微波炉 日本Panasonic公司；HH-S26s型恒温水浴锅 中国江苏金坛中大仪器厂；EL204型电子天平、HB43-S型快速水分测定仪 瑞士Mettler-Toledo公司。
1.3 方法
1.3.1 样品准备
选取新鲜罗非鱼（质量0.5～1.0 kg，长度30～35 cm），经“三去”处理后（去头、内脏和鳞皮），从鱼背部处采肉，切至大小为25 mm×20 mm×3 mm左右的鱼片[15]，清水冲洗，置于不锈钢浅盘中待实验。
1.3.2 渗透脱水
将鱼片投入事先配制好的质量分数为20%、固液比为1∶20（m/V）的食盐溶液中，在30 ℃条件下浸渍2 h。待渗透结束，取出鱼片并吸去表面水分[16]。
1.3.3 微波干燥
先设定微波功率为400 W，装载量为15 g，分别将渗透后的鱼片与对照组（不进行渗透脱水处理）放入微波干燥设备中进行渗透预处理的影响比较实验；再设定装载量为15 g，将渗透后的鱼片分别在100、200、300、400 W的功率下进行微波干燥；再设定微波功率为400 W，分别用5、15、25 g的装载量对渗透后的鱼片进行微波干燥。
实验中每隔15 s记录样品质量，含水率按
GB 5009.3―2010《食品中水分的测定》进行测定[17]。每个实验重复5 次，结果取其算术平均值。
1.3.4 干基含水率测定
1.3.7 常用模型及拟合
1.4 数据处理
应用Excel软件绘制罗非鱼片的微波干燥曲线和失水速率曲线；应用SAS 8.0软件对数据进行拟合和回归分析。
2 结果与分析
2.1 渗透预处理对罗非鱼片失水特性的影响
由图1可知，经过渗透预处理的实验组，罗非鱼片微波干燥的初始含水率明显低于对照组，且干燥所需时间也比对照组更短。这主要是由于渗透预处理过程利用高浓度溶液的渗透作用，预先脱去了鱼片中的部分水分，使得鱼片在进入微波干燥环节之前的含水率降低，从而有效缩短了干燥时间。
由图2可知，无论是否经历预处理过程，罗非鱼片的微波干燥过程都基本分为3 个阶段：升速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，符合干燥速率曲线变化的一般规律[25-26]。此外，经过渗透预处理的实验组，在微波干燥过程中的失水速率明显高于对照组，这就是其干燥时间缩短的另一个重要原因。在渗透脱水的过程中，物料细胞中的水分渗透到细胞外，少量渗透液中的溶质进入细胞内部及细胞间隙。这个传质过程导致物料细胞间的排列由十分紧密变得稍稍疏松。因此，在微波干燥过程中，经过渗透预处理的物料内部水分比对照组更加快速被汽化，失水速率提高，干燥时间缩短。
2.2 微波功率对罗非鱼片失水特性的影响
由图3可知，在装载量一定的情况下，随着微波功率的增大，罗非鱼片的干燥时间明显缩短。且当微波功率较低时（100～200 W），干燥时间缩短的幅度较大；当功率达到300～400 W时，功率升高带来的干燥时间缩短的幅度变小。这可能是由于功率较高时，物料表面水分蒸发速率大于物料内部水分向外迁移的速率，从而导致微波能利用率下降[27]。
由图4可知，微波功率越大，物料失水速率也越快。这主要是由于微波功率越高，单位质量的罗非鱼片在单位时间内吸收的微波能就越多，热能转化速率越快，从而加快水分蒸发，失水速率增大。
2.3 装载量对罗非鱼片失水特性的影响
由图5可知，装载量分别为5、15、25 g时，罗非鱼片干燥所需的时间分别为3、4、5 min。也就是说，随着装载量增大，干燥时间不断延长。这主要是由于装载量越大，体系内物料的总含水量越高，在微波功率一定的情况下，单位质量水分所吸收的微波能减少，水分蒸发速率相应减慢，因此干燥时间也就延长。
由图6可知，物料失水速率随装载量的增大而增大。这是因为随着装载量的增大，物料表面积相应增大，微波能吸收效率提高，失水速率随之增大。各曲线相隔间距较大，说明装载量对罗非鱼片失水速率影响较大。
2.4 罗非鱼片微波干燥动力学模型
2.4.1 动力学模型的建立
为建立罗非鱼片微波干燥动力学模型，实验中测量了不同微波功率（100、200、300、400 W）、装载量（5、15、25 g）以及干燥时间条件下罗非鱼片的含水率，再用1.3.7节中选择的4 个经验动力学模型等式进行拟合。
拟合效果用调整相关系数（R2Adj）来量化：R2Adj越接近1，说明模型拟合效果越好[28]。由表1可知，Midilli模型等式的R2Adj值在0.974 1～0.988 4间，大于另外3 个模型等式。说明Midilli模型等式的拟合效果最好，最适用于渗透后罗非鱼片微波干燥过程的分析。这可能是由于该模型等式较好地模拟了微波干燥过程中升速、恒速及降速干燥的过程。
根据Midilli模型等式绘制不同干燥条件下的动力学曲线，由图7可知，模型的预测值和实验值之间拟合度良好。
由表2可知，当微波功率从100 W增加到400 W时，参数a逐渐增大，当装载量从5 g变化到25 g时，参数a则逐渐减小。同样，k值也随微波功率的增大而增大，随装载量的增大而减小。
由干燥特性分析可知，微波干燥罗非鱼片时微波功率和装载量均会对干燥过程产生较大影响，即微波功率和装载量均会影响Midilli模型等式的各参数，于是可进一步通过二次多项式函数建立微波功率（P）、装载量（L）和各参数间的关系等式，3 个关系式均有较高的拟合度（R2Adj =0.960 1～0.999 0），关系式如下：
2.4.2 动力学模型的验证
为进一步检验上述等式的准确性，在微波功率400 W、装载量15 g的条件下进行验证实验，得到不同干燥时间下罗非鱼片的水分比。验证实验表明，该动力学模型等式准确性较高（99.66%～105.41%）。从该组实验值中随机抽取5 个值与模型的预测值进行比较，得到实验值与预测值之间的关系如图8所示。
由图8可知，实验值和预测值之间有极显著的线性关系，斜率接近1（y=0.999 11x，R2=0.999 95）。因此，该动力学模型等式具有较高的预测准确度，可以用于微波干燥罗非鱼片时预测不同微波功率、装载量以及干燥时间条件下罗非鱼片的含水率，也可以用于工艺条件的优化、减少干燥成本。
3 结 论
罗非鱼片微波干燥过程按失水速率大小，可分为升速干燥、恒速干燥和降速干燥3 个阶段[25]；渗透预处理、微波功率和装载量均会对罗非鱼片微波失水速率产生较大影响。经过渗透预处理的罗非鱼片在微波干燥过程中失水率高于对照组，且干燥时间较短；同时，微波功率越大，罗非鱼片干燥所需时间越短，但当功率达到一定值后，增大功率对失水速率影响不大[27]；装载量越大，则干燥时间越长[29]。罗非鱼片微波干燥的动力学模型满足Midilli模型：MR=ae-ktN+bt，利用此动力学模型可以较准确地预测罗非鱼片微波干燥过程中的水分变化。
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