草魚魚片的微波干燥特性

齊力娜，彭榮艷，程裕東，金銀哲

(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海,201306)

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草魚魚片的微波干燥特性

齊力娜1，彭榮艷，程裕東*，金銀哲

(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海,201306)

為完善草魚等淡水魚的深度加工工藝和干燥工藝，對草魚魚片的微波干燥和熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行了研究，并確定最佳干燥模型。結(jié)果表明：當(dāng)微波功率從200 W上升到800 W時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從0.995 4×10-9m2/s上升到2.344 3×10-9m2/s；當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度由60 ℃上升到80 ℃時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從4.001 4×10-10m2/s上升到7.291 2×10-10m2/s，但值仍低于微波干燥時(shí)的水分?jǐn)U散系數(shù)值。采用常見的食品薄層干燥模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過比較相關(guān)系數(shù)R2、殘基平方和RSS和卡方χ2得出，Page模型對草魚魚片的微波干燥擬合度最高，Two term模型對草魚魚片的熱風(fēng)干燥過程擬合度最高。

草魚；微波干燥；熱風(fēng)干燥；動(dòng)力模型

我國淡水魚產(chǎn)量豐富，其中低值淡水魚如草魚、鳙魚、鰱魚等占淡水魚產(chǎn)量的60%，新鮮魚肉含水量超過80%，微生物易繁殖，且自身的生化反應(yīng)比肉類，所以容易腐敗變質(zhì)，不易貯藏，使淡水魚的消費(fèi)受到了限制。草魚(grass carp)，是我國重要的淡水經(jīng)濟(jì)魚類之一，易于養(yǎng)殖。草魚食性簡單，餌料來源廣泛，草魚體型較大、肉質(zhì)嫩，含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，而且生長速度快、產(chǎn)量高、價(jià)格較低，受到了廣大消費(fèi)者的青睞。干燥被認(rèn)為是農(nóng)、海產(chǎn)品保藏加工的常用技術(shù)[1-3]，不僅如此，有學(xué)者經(jīng)研究證實(shí)預(yù)干燥操作可以降低食品在油炸過程中的吸油量[4-5]。傳統(tǒng)的干燥方法主要為日光干燥和熱風(fēng)干燥，熱風(fēng)干燥所用設(shè)備投資少，操作過程簡單，但熱風(fēng)干燥能耗大，操作時(shí)間長，容易對物料產(chǎn)生熱損傷及過度氧化的不良影響[6]，2種方法在操作衛(wèi)生、加工效率、食品品質(zhì)控制等方面均存在不足。微波干燥作為一種新型干燥技術(shù)，因其干燥速率快、干凈衛(wèi)生、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來在谷類、果蔬、油料等物料中的應(yīng)用及研究得到快速發(fā)展[7-10]，但在水產(chǎn)品方面的應(yīng)用研究較少。微波干燥與傳統(tǒng)干燥方式有明顯不同，傳統(tǒng)干燥通過熱傳導(dǎo)，熱量從物料外部進(jìn)入內(nèi)部，而微波干燥則是由內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱能，傳熱速率快，效率高。段振華[11-12]等對鳙魚和羅非魚微波干燥后發(fā)現(xiàn)，較低的微波功率有助于保持魚片的優(yōu)良品質(zhì)。以淡水魚魚肉為原料，通過腌制，煮制，烘制等工藝，已經(jīng)研制了各種口味的魚片[13-14]，而利用微波干燥方法對草魚魚片進(jìn)行干燥的研究少見報(bào)道。本文通過研究草魚魚片的微波干燥規(guī)律，并與熱風(fēng)干燥過程作對比，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，擬合，最終確定最佳的干燥模型。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

試驗(yàn)采用的草魚1.5～2.0 kg，購于上海市古棕路菜市場，經(jīng)三去(去頭、去內(nèi)臟和去皮)后，清洗，采肉切片。

DHG-9245A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海慧泰儀器制造有限公司；BS224S賽多利斯分析天平，德國Sartorious公司；FISO微波工作站，加拿大FISO技術(shù)公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品制備

從草魚脊背處開始采肉，魚片大小為5 cm×3 cm×1 cm，在(4±0.5) ℃冰箱中放置4 h使內(nèi)部水分分布均勻，貯藏備用。

1.2.2微波干燥

將魚片置于培養(yǎng)皿上，放在微波爐中心位置，分別采用200，400，600和800 W 的微波功率對魚片進(jìn)行干燥處理。干燥過程中每隔1 min稱量魚片的質(zhì)量，每次測量時(shí)間控制在25 s之內(nèi)，干燥魚片至恒重時(shí)為止，每次平行測定3組樣品。

1.2.3熱風(fēng)干燥

將魚片置于培養(yǎng)皿上，放入干燥箱中，控制干燥溫度分別為60 , 70, 80 ℃進(jìn)行干燥。干燥過程中每隔1 h稱量魚片的質(zhì)量，每次稱量時(shí)間控制在25 s內(nèi)，干燥魚片至恒重時(shí)為止，每次平行測定3組樣品。

1.2.4水分比(MR)與有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)

水分比( MR)用于表示一定干燥條件下,t時(shí)刻樣品的水分含量與初始樣品水分含量的比值，可以用來反映物料干燥速率的快慢[15]。計(jì)算方程如下：

(1)

其中：Mt；t時(shí)刻樣品的水分含量(g/g d. b.)；M0,初始水分含量 (g/g d. b.)；Me,平衡水分含量 (g/g d. b.)。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)，反映物料在一定干燥條件下的脫水能力，對深入分析物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過程及優(yōu)化干燥工藝具有重要意義[12]。

(2)

式中：Deff，有效水分?jǐn)U散系數(shù)(m2/s)；L，魚片厚度(m)；t，干燥時(shí)間(s)。

當(dāng)物料進(jìn)行長時(shí)間干燥時(shí)，Eq.(2)可簡化為：

(3)

1.2.5單位能耗的測定

單位能耗[16]是指去物料中掉1 kg水所需要的熱量(kJ/kg H2O)，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：Qs，單位能耗(kJ/kg H2O)；t，總干燥時(shí)間(s)；P，微波功率(W)；mw，蒸發(fā)水的質(zhì)量(kg)。

當(dāng)使用熱風(fēng)干燥時(shí)，P為功率2 450 W。

1.2.6干燥模型

物料干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，本試驗(yàn)采用6種薄層干燥模型對草魚魚片的干燥過程進(jìn)行描述，其表達(dá)式如表1所示。

表1　六種薄層干燥模型

注：上述模型中，t為時(shí)間；n、k、k0、k1、A、B為待定系數(shù)。

用軟件origin 8.0進(jìn)行數(shù)值分析。通過比較調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Adj.R2(Adjusted R-Square)卡方χ2(reduced chi-square)和殘基平方和RSS (residual sum of squares)用來衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的相關(guān)程度。

2　結(jié)果與分析

2.1微波干燥與熱風(fēng)干燥對草魚片干燥速率的影響

A-微波干燥;B-熱風(fēng)干燥圖1　微波干燥與熱風(fēng)干燥條件下MR-t關(guān)系圖Fig.1　Relationship curves between MR and t under microwave drying and hot-air drying condition

圖1-A、圖1-B分別為草魚魚片在不同微波功率和熱風(fēng)溫度下的干燥曲線，從圖1中可以看出，隨著微波功率的升高，干燥時(shí)間縮短；熱風(fēng)溫度越高，所需干燥時(shí)間也越短。在相同的微波功率和熱風(fēng)溫度下，干燥前期干燥速率較快，MR值下降明顯，在干燥后期MR值下降緩慢，干燥速率降低。這是因?yàn)樵谖⒉ǜ稍锴捌冢~片內(nèi)自由水含量較多，微波作用強(qiáng)烈，水分大量蒸發(fā)，隨著干燥的繼續(xù)進(jìn)行，魚片內(nèi)部自由水大量減少，干燥速率因此減慢；熱風(fēng)干燥時(shí)表面的水分大量蒸發(fā)干燥速率較快，與周圍的空氣形成了較大的水分梯度，隨著魚片內(nèi)部水分向表面逐漸擴(kuò)散，干燥速率降低[15]。當(dāng)魚片含水率干燥至0.100 0 g/g d.b.時(shí)，微波干燥所需時(shí)間分別為14 min(200 W)，11 min(400 W)，9 min(600 W)，熱風(fēng)干燥所需時(shí)間分別為26 h(60℃)，23 h(70℃)，14.5 h(80℃)，微波干燥所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于熱風(fēng)干燥所需的時(shí)間。在進(jìn)行魚片烘干時(shí)，要注意微波干燥時(shí)間不宜過長，防止魚片邊緣出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象或由于魚片內(nèi)部水分過度損耗而導(dǎo)致的口感下降；熱風(fēng)干燥的溫度不宜過高，防止魚片表面的肌肉收縮硬化，形成硬殼，降低產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2草魚魚片的薄層干燥數(shù)學(xué)模型的建立

為得到適于微波干燥草魚魚片和熱風(fēng)干燥草魚魚片的數(shù)學(xué)模型，將MR-t關(guān)系圖中各曲線分別帶入模型中，處理數(shù)據(jù)得到不同干燥條件下數(shù)據(jù)的R2值。一般來說R2越高，χ2值和RSS值越小，說明擬合度越高，準(zhǔn)確性也越高。如表2所示，在不同的微波功率下，Page方程擬合得到的R2均大于0.999 6，χ2小于5.93×10-5，RSS小于8.73×10-4，說明Page方程最適于描述微波干燥草魚魚片。劉娟娟在研究金絲小棗粉微波干燥動(dòng)力學(xué)中也發(fā)現(xiàn)干燥模型符合Page方程[15]。從表3可以看出，在不同的熱風(fēng)溫度下，Two term模型擬合得到的R2均大于0.996 5，χ2小于2.55×10-4，RSS小于5.87×10-3，說明Two term模型能較準(zhǔn)確地描述草魚魚片的熱風(fēng)干燥過程。

表2　不同微波功率下薄層干燥模型的數(shù)值分析

表3　不同熱風(fēng)溫度下薄層干燥模型的數(shù)值分析

續(xù)表3

熱風(fēng)溫度/℃模型名稱參數(shù)k(A)n(B)k0k1RSSχ2R2607080HendersionandPabis0.9662-0.1558-5.87×10-32.35×10-40.99680.9791-0.2568-3.31×10-32.07×10-40.99740.9561-0.1324-7.41×10-32.97×10-40.9959607080ModifiedPage0.17970.8979--8.31×10-33.32×10-40.99550.22941.1454--3.98×10-32.49×10-40.99690.16650.8325--1.19×10-34.78×10-40.9934607080WangandSingh-0.10450.0027--1.06×10-14.24×10-30.9425-0.16420.0066--9.69×10-26.06×10-30.9240-0.09680.0024--8.49×10-23.40×10-30.9528

2.3干燥條件對有效擴(kuò)散系數(shù)的影響

對lnMR與t進(jìn)行線性擬合，根據(jù)前述公式計(jì)算出有效水分?jǐn)U散系數(shù)，魚片在微波功率為200、400、600、800 W和熱風(fēng)溫度為60、70、80 ℃的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表4和表5所示。從表4和表5可以看出，在微波干燥過程中，隨著微波功率的增大，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從9.954 0×10-10m2/s增加到2.344 3×10-9m2/s。在熱風(fēng)干燥過程中，隨著干燥溫度的升高，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從4.001 4×10-10m2/s增加到7.291 2×10-10m2/s。水分有效擴(kuò)散系數(shù)的升高反映了水分蒸發(fā)速率的加快。較高的擬合系數(shù)R2說明，lnMR與t的擬合度較好。試驗(yàn)可以看出，微波干燥魚片時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)比熱風(fēng)干燥魚片大一個(gè)數(shù)量級，因此微波干燥的速率大于熱風(fēng)干燥的速率，微波干燥可以縮短干燥時(shí)間，提高干燥效率。

表4　微波干燥lnMR與時(shí)間t的線性關(guān)系及有效水分?jǐn)U散系數(shù)

表5　熱風(fēng)干燥lnMR與時(shí)間t的線性關(guān)系及有效水分?jǐn)U散系數(shù)

2種干燥方法所需能耗如表6和表7所示。干燥過程耗能較高，在發(fā)達(dá)國家里，干燥耗能在國家總耗能中占了較大比例，為13%～20%[23]，因此節(jié)能為綜合評判加工方法的不可或缺的考慮因素。從表6和表7可以看出，熱風(fēng)干燥耗能與微波干燥耗能相比，約大2～3個(gè)數(shù)量級，是因?yàn)樵跓犸L(fēng)干燥過程中有較長時(shí)間的排風(fēng)和加熱，導(dǎo)致高耗能，增加了成本。

表6　微波干燥能耗

表7　熱風(fēng)干燥能耗

綜合考慮2種干燥方式的干燥速率、有效水分?jǐn)U散系數(shù)及能耗指標(biāo)，微波干燥的干燥速率高，能耗低，減少了干燥時(shí)間與成本，微波干燥為較好的魚片干燥及預(yù)處理方法。

3　結(jié)論

以草魚片為原料，研究了樣品經(jīng)過不同微波干燥及熱風(fēng)干燥過程的動(dòng)力學(xué)變化，為微波干燥技術(shù)在草魚魚片的加工應(yīng)用技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。通過考察草魚片在不同微波功率和不同熱風(fēng)溫度條件下的干燥特性，分別建立了微波干燥和熱風(fēng)干燥的水分含量比與干燥時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，得出以下結(jié)論：

(1)微波干燥過程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)較大，干燥所需時(shí)間短，單位能耗低，較適宜作為草魚片的干燥方式及油炸草魚片的預(yù)處理方式。

(2)Page模型最適于描述草魚片的微波干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律；Two term模型最適于描述草魚片的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律，且模型的擬合效果良好。

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Characteristics of microwave drying of grass carp fillets

QI Li-na1, PENG Rong-yan, CHENG Yu-dong*, JIN Yin-zhe

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to improve the technology of deep processing and drying processing of the freshwater fish, characteristics on microwave drying and hot air drying of grass carp fillets were investigated, and the model of drying was established. Results showed that the value of diffusion efficiency (Deff) increased progressively from 0.995 4×10-9m2/s to 2.344 3×10-9m2/s as the power increased from 200 W to 800 W; it increased progressively from 4.001 4×10-10m2/s to 7.291 2×10-10m2/s as hot air temperature increased from 60°C to 80°C, but were still lower than theDeffof microwave drying. Several different dynamic models were adopted to fit experimental data. The results of comparing the values of the correlation coefficient (R2), residual sum of squares (RSS) and reduced chi-square (χ2) showed the Page model was the best one to describe the relationship of moisture content and drying time during microwave drying. For hot air drying, “two term” model fit better for the experiment data.

grass carp; microwave drying; hot air drying; dynamic model

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201601022

碩士研究生(程裕東教授為通訊作者)。

上海市科委部分地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(12290502200)；上海高校知識服務(wù)平臺-上海海洋大學(xué)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心(ZF1206)

2015-07-22，改回日期：2015-08-24