基于滲透預處理的羅非魚片微波干燥動力學

胡冰洋

摘 要：采用滲透-微波聯合干燥技術對羅非魚片進行干燥，研究滲透后羅非魚片微波干燥過程的失水特性及其動力學，探討滲透預處理、微波功率和裝載量對羅非魚片微波干燥過程的影響。結果表明：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 個階段；經過滲透預處理的實驗組其失水速率明顯高于對照組；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力學，建立數學模型，發現Midilli模型擬合良好，較準確地預測了羅非魚片微波干燥過程中的水分變化規律。

關鍵詞：羅非魚片；滲透-微波聯合干燥；干燥特性；干燥動力學

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：S985.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2016）08-0001-05

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

微波干燥是一種新型干燥技術，因其加熱速率快、熱效率高、生產過程清潔環保等一系列優點，越來越多地被應用于食品加工行業[8-9]。然而，單純的微波干燥不僅能耗較高，且易出現過度干燥[10]、終點難以判別[11]等現象，導致物料營養成分，特別是熱敏性成分損失。滲透脫水是利用細胞膜的半滲透性除去物料中水分的一種方法，一般作為一種預處理手段[12-13]。該過程在溫和條件下進行，很好地保持了食品原料的色澤、風味、營養等品質[14]。若能將滲透脫水與微波干燥2 種手段有效結合起來，則有望融合二者的優點，得到干燥速率快、產品品質好的新型聯合干燥方式。目前，對于這種聯合干燥方式，只在農產品加工領域有很少量的報道，在水產品加工，特別是羅非魚加工領域暫未見到相關的研究報道。

因此，本實驗以羅非魚為研究對象，研究基于滲透預處理的羅非魚片微波干燥特性及其動力學。以期為羅非魚片滲透-微波干燥的研究提供理論基礎，促進新型羅非魚加工技術的開發。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮羅非魚 海口市農貿市場；食鹽 海口市南國超市。

1.2 儀器與設備

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

1.3 方法

1.3.1 樣品準備

選取新鮮羅非魚（質量0.5～1.0 kg，長度30～35 cm），經“三去”處理后（去頭、內臟和鱗皮），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驗。

1.3.2 滲透脫水

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

1.3.3 微波干燥

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

實驗中每隔15 s記錄樣品質量，含水率按

GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》進行測定[17]。每個實驗重復5 次，結果取其算術平均值。

1.3.4 干基含水率測定

1.3.7 常用模型及擬合

1.4 數據處理

應用Excel軟件繪制羅非魚片的微波干燥曲線和失水速率曲線；應用SAS 8.0軟件對數據進行擬合和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 滲透預處理對羅非魚片失水特性的影響

由圖1可知，經過滲透預處理的實驗組，羅非魚片微波干燥的初始含水率明顯低于對照組，且干燥所需時間也比對照組更短。這主要是由于滲透預處理過程利用高濃度溶液的滲透作用，預先脫去了魚片中的部分水分，使得魚片在進入微波干燥環節之前的含水率降低，從而有效縮短了干燥時間。

由圖2可知，無論是否經歷預處理過程，羅非魚片的微波干燥過程都基本分為3 個階段：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律[25-26]。此外，經過滲透預處理的實驗組，在微波干燥過程中的失水速率明顯高于對照組，這就是其干燥時間縮短的另一個重要原因。在滲透脫水的過程中，物料細胞中的水分滲透到細胞外，少量滲透液中的溶質進入細胞內部及細胞間隙。這個傳質過程導致物料細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，經過滲透預處理的物料內部水分比對照組更加快速被汽化，失水速率提高，干燥時間縮短。

2.2 微波功率對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，羅非魚片的干燥時間明顯縮短。且當微波功率較低時（100～200 W），干燥時間縮短的幅度較大；當功率達到300～400 W時，功率升高帶來的干燥時間縮短的幅度變小。這可能是由于功率較高時，物料表面水分蒸發速率大于物料內部水分向外遷移的速率，從而導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，單位質量的羅非魚片在單位時間內吸收的微波能就越多，熱能轉化速率越快，從而加快水分蒸發，失水速率增大。

2.3 裝載量對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，羅非魚片干燥所需的時間分別為3、4、5 min。也就是說，隨著裝載量增大，干燥時間不斷延長。這主要是由于裝載量越大，體系內物料的總含水量越高，在微波功率一定的情況下，單位質量水分所吸收的微波能減少，水分蒸發速率相應減慢，因此干燥時間也就延長。

由圖6可知，物料失水速率隨裝載量的增大而增大。這是因為隨著裝載量的增大，物料表面積相應增大，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，說明裝載量對羅非魚片失水速率影響較大。

2.4 羅非魚片微波干燥動力學模型

2.4.1 動力學模型的建立

為建立羅非魚片微波干燥動力學模型，實驗中測量了不同微波功率（100、200、300、400 W）、裝載量（5、15、25 g）以及干燥時間條件下羅非魚片的含水率，再用1.3.7節中選擇的4 個經驗動力學模型等式進行擬合。

擬合效果用調整相關系數（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Midilli模型等式繪制不同干燥條件下的動力學曲線，由圖7可知，模型的預測值和實驗值之間擬合度良好。

由表2可知，當微波功率從100 W增加到400 W時，參數a逐漸增大，當裝載量從5 g變化到25 g時，參數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微波功率和裝載量均會對干燥過程產生較大影響，即微波功率和裝載量均會影響Midilli模型等式的各參數，于是可進一步通過二次多項式函數建立微波功率（P）、裝載量（L）和各參數間的關系等式，3 個關系式均有較高的擬合度（R2Adj =0.960 1～0.999 0），關系式如下：

2.4.2 動力學模型的驗證

為進一步檢驗上述等式的準確性，在微波功率400 W、裝載量15 g的條件下進行驗證實驗，得到不同干燥時間下羅非魚片的水分比。驗證實驗表明，該動力學模型等式準確性較高（99.66%～105.41%）。從該組實驗值中隨機抽取5 個值與模型的預測值進行比較，得到實驗值與預測值之間的關系如圖8所示。

由圖8可知，實驗值和預測值之間有極顯著的線性關系，斜率接近1（y=0.999 11x，R2=0.999 95）。因此，該動力學模型等式具有較高的預測準確度，可以用于微波干燥羅非魚片時預測不同微波功率、裝載量以及干燥時間條件下羅非魚片的含水率，也可以用于工藝條件的優化、減少干燥成本。

3 結 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 個階段[25]；滲透預處理、微波功率和裝載量均會對羅非魚片微波失水速率產生較大影響。經過滲透預處理的羅非魚片在微波干燥過程中失水率高于對照組，且干燥時間較短；同時，微波功率越大，羅非魚片干燥所需時間越短，但當功率達到一定值后，增大功率對失水速率影響不大[27]；裝載量越大，則干燥時間越長[29]。羅非魚片微波干燥的動力學模型滿足Midilli模型：MR=ae-ktN+bt，利用此動力學模型可以較準確地預測羅非魚片微波干燥過程中的水分變化。

參考文獻：

[1] 張雄. 羅非魚加工副產物制備模擬魚翅的技術研究[D]. 海口： 海南大學， 2014.

[2] 段振華， 易美華， 王志國， 等. 羅非魚的加工技術[J]. 水產科技情報， 2005， 32（6）： 250-255.

[3] 成長玉. 羅非魚加工副產物中硫酸軟骨素的分離純化技術及其部分性質的研究[D]. 海口： 海南大學， 2012.

[4] 關志強， 王秀芝， 李敏， 等. 羅非魚肉干燥過程平衡含水率模型研究[J]. 食品科學， 2012， 33（15）： 118-121.

[5] 王瑛， 周春霞， 洪鵬志， 等. 碎冰冷藏對羅非魚肌原纖維蛋白理化特性的影響[J]. 食品工業科技， 2013， 33（10）： 120-123.

[6] 張雄， 段振華， 金青， 等. 羅非魚魚尾制備模擬魚翅工藝[J]. 肉類研究， 2013， 27（4）： 24-27.

[7] 劉慧清. 羅非魚蛋白乳化特性的研究[D]. 廣州： 廣東海洋大學， 2013.

[8] DUAN Z H， ZHANG M， HU Q G， et al. Characteristics of microwave drying of bighead carp[J]. Drying Technology， 2005， 23（3）： 637-643. DOI：10.1081/DRT-200054156.

[9] 楊毅. 羅非魚片的真空微波干燥特性研究[D]. 海口： 海南大學， 2012.

[10] 陳霖. 基于控溫的花生微波干燥工藝[J]. 農業工程學報， 2011（增刊2）： 267-271.

[11] 劉書成， 張常松， 吉宏武， 等. 不同干燥方法對羅非魚片品質和微觀結構的影響[J]. 農業工程學報， 2012， 28（15）： 221-227.

[12] GIRALDO G， TALENS P， FITO P. Influence of sucrose solution concentration on kinetics and yield during osmotic dehydration of mango[J]. Journal of Food Engineering， 2003， 58： 33-43.

[13] 鄒克堅. 芒果滲透脫水和變溫壓差膨化干燥的研究[D]. 南寧： 廣西大學， 2012.

[14] EREN I， KAYMAK-ERTEKIN F. Optimization of osmotic dehydration of potato using response surface methodology[J]. Journal of Food Engineering， 2007， 79（1）： 344-352. DOI：10.1016/j.jfoodeng.2006.01.069.

[15] 楊毅， 段振華， 徐成發. 羅非魚片真空微波干燥特性及其動力學研究[J]. 食品科技， 2010（11）： 101-104.

[16] 鄭曼， 關志強， 李敏， 等. 預處理對干燥羅非魚片蛋白質變性的影響及優化[J]. 食品工業科技， 2013， 34（9）： 103-107； 111.

[17] 中華人民共和國衛生部. GB 5009.3—2010 食品中水分的測定[S]. 北京： 中國標準出版社， 2010.

[18] DUAN Z H， JIANG L N， WANG J L. Drying and quality characteristics of tilapia fish fillets dried with hot air-microwave heating[J]. Food and Bioproducts Processing， 2011， 89（4）： 472-476. DOI：10.1016/j.fbp.2010.11.005.

[19] 段振華， 馮愛國， 向東， 等. 羅非魚片的熱風干燥模型及能耗研究[J].食品科學， 2007， 28（7）： 201-205.

[20] DADAH G， APAR D K， ?ZBEK B， et al. Microwave drying kinetics of okra[J]. Drying Technology， 2007， 25（5）： 917-924. DOI：10.1080/07373930701372254.

[21] ALI M， SAEID M， AHMAD B， et al. Energy analyses and drying kinetics of chamomile leaves in microwave-convective dryer[J]. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences， 2014， 26（2）： 179-187.

[22] RAHMAN S N F S A， WAHID R， RAHMAN N A. Drying kinetics of Nephelium lappaceum （Rambutan） in a drying oven[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2015， 195： 2734-2741.

[23] PU Y Y， SUN D W. Vis-NIR hyperspectral imaging in visualizing moisture distribution of mango slices during microwave-vacuum drying[J]. Food Chemistry， 2015， 188： 271-278. DOI：10.1016/j.foodchem.2015.04.120.

[24] NAIDU M M， VEDASHREE M， SATAPATHY P， et al. Effect of drying methods on the quality characteristics of dill （Anethum graveolens） greens[J]. Food Chemistry， 2016， 192： 849-856. DOI：10.1016/j.foodchem.2015.07.076.

[25] 吳樹錚. 卷心菜微波真空干燥特性及干燥工藝的研究[D]. 福州： 福建農林大學， 2012.

[26] 黃忠強. 金線蓮微波真空干燥工藝的研究[D]. 福州： 福建農林大學， 2011.

[27] 莊培榮. 龍眼肉微波真空干燥技術的研究[D]. 福州： 福建農林大學， 2011.

[28] DONG Z Z， GU F L， XU F， et al. Comparison of four kinds of extraction techniques and kinetics of microwave-assisted extraction of vanillin from Vanilla planifolia Andrews[J]. Food Chemistry， 2014， 149： 54-61. DOI：10.1016/j.foodchem.2013.10.052.

[29] 李婧怡， 段振華. 真空微波干燥對黃秋葵品質的影響[J]. 食品工業， 2014（3）： 80-83.