羅非魚肉干燥過程平衡含水率模型研究

關志強，王秀芝，李 敏，蔣小強，謝 晶

(1.廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000；2.廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江 524000；3.上海海洋大學食品學院，上海 201306)

羅非魚肉干燥過程平衡含水率模型研究

關志強1，王秀芝2，李 敏2，蔣小強2，謝 晶3

(1.廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000；2.廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江 524000；3.上海海洋大學食品學院，上海 201306)

采用靜態(tài)法測定羅非魚肉在25、35、45、55℃溫度和10%～85%相對濕度范圍內(nèi)的吸濕和解吸平衡含水率，分析溫度和相對濕度對羅非魚平衡含水率的影響。以相關系數(shù)和標準誤差作為評價指標, 對Henderson模型、Chung-Pfost模型、Halsey模型和Oswin修正模型4個數(shù)學模型和平衡含水率曲線進行擬合，比較上述平衡含水率模型對實驗數(shù)據(jù)的擬合精度，發(fā)現(xiàn)Oswin修正模型較適合于描述羅非魚的平衡含水率曲線，并分別給出羅非魚解吸和吸濕平衡含水率的Oswin表達式。

羅非魚；平衡含水率；模型

羅非魚肉味鮮美，肉質細嫩，含有多種不飽和脂肪酸和豐富的蛋白質，已成為世界性的主要養(yǎng)殖魚類，因此，羅非魚加工與貯藏越來越引起人們的重視。在羅非魚干燥加工過程中，平衡含水率是一個重要的影響參數(shù)，它不但決定了在一定干燥條件下羅非魚所能達到的最低水分含量，而且直接影響羅非魚的干燥速度。本研究的目的是在一定的相對濕度和溫度條件下，測定羅非魚解吸和吸濕平衡含水率，分析溫度和相對濕度對羅非魚平衡含水率的影響，討論干燥羅非魚的貯藏特性，并對實驗數(shù)據(jù)進行擬合研究，建立相應的數(shù)學模型，為羅非魚干燥加工與貯藏提供指導。

平衡含水率是平衡狀態(tài)下物料的含水率即濕物料在一定環(huán)境條件下(溫度和相對濕度)可達到的最小含水率。平衡含水率包括吸濕平衡含水率和解吸平衡含水率。確定食品水分吸附與解吸平衡含水率的方法包括稱質量法、測蒸汽壓法和測相對濕度法等[1-2]。稱質量法是最常用的實驗方法，利用密閉容器系統(tǒng)內(nèi)的飽和鹽溶液或者是不同濃度的酸溶液，產(chǎn)生一定的平衡相對濕度(或水分活度)，或者輔助一定流速的不斷循環(huán)的空氣，然后連續(xù)地或者周期性地測定樣品的水分含量變化，至水分含量基本不變[3]。此方法被美國農(nóng)業(yè)工程學會推薦為標準方法[4]。國內(nèi)外學者對食品中水分的吸濕與解吸現(xiàn)象做了大量深入的理論和實驗研究，提出了許多平衡含水率模型[5]。其中，Langmuir模型可用于活性炭和硅膠等物料；Brunauer-Emmet-Tetter(BET)模型成功地應用于幾乎所有的物料，特別是水分活度小于0.3的親水聚合物；Halsey模型[6]適用于活性炭、硅膠、皮料和肥皂等物料；Henderson模型[7]不如Halsey模型應用廣泛；對于谷物和其他農(nóng)作物，Chung-Pfost模型[8]被認為是適用的；Iglesias-Chirife模型[9]已成功地用于富含可溶性組分的食品；Guggenheim-Andersonde-Boer(GAB)模型被認為是最廣泛應用的模型，可應用于水分活度在0.1～0.9之間的無機物、食品等物料。在農(nóng)產(chǎn)品和食品領域，通常使用一些半理論的經(jīng)驗模型來描述平衡含水率[10-11]。Henderson模型最早用于擬合谷物的等溫線，是一個運用比較廣泛的方程[7]；1 96 8年Tho mp so n等[12]對Henderson模型進行了修正。Halsey模型適合于高油脂和高蛋白的農(nóng)作物[6]；Oswin模型多用于谷物[13]。Chung等[14]評價了修正Henderson模型、修正Chung-Pfost模型、Halsey模型和修正的Halsey模型對18種不同谷物和種子的等溫線數(shù)據(jù)的擬合情況，發(fā)現(xiàn)修正Henderson模型和修正Chung-Pfost模型能夠作為大多數(shù)淀粉類谷物和富含纖維物料的等溫線擬合模型。這些半理論的經(jīng)驗模型較吸附理論式應用范圍廣、精度高，因而得到廣泛應用。常用于食品的經(jīng)驗模型有以下幾種：

1)Henderson模型

1952年，Henderson[7]應用吉布斯吸附理論的關系式為基礎，提出了有名的Henderson平衡含水率模型。

1968年，Thompson[12]研究了玉米等多種農(nóng)作物的平衡含水率，對Henderson模型進行了修正，得到以下數(shù)學模型：

2) Chung-Pfost模型

Chung等[8]以Polanyi吸附理論為基礎，提出了以下經(jīng)驗模型：

1976年，Chung等[8]經(jīng)過多次實驗驗證，對其原始模型進行了修正，使其擬合性更好：

3)Halsey模型

1948年，Halsey[6]提出了描述多層分子吸附理論模型：

1976年，Iglesias等[9]分析了式中的常數(shù)A、C，并且通過多次實驗研究修正后，得到了以下修正模型：

4) Oswin模型

1946年，Oswin[13]通過對一些農(nóng)作物平衡含水率的研究，提出了吸附模型。

后來人們在研究中發(fā)現(xiàn)，模型中常數(shù)與溫度呈線性關系，并對此模型進行了修正，在模型中加入了溫度因素[15]。

式中：RH為相對濕度；t為溫度/℃；Me為平衡含水率/%(干基) ；A、B、C為與物料特性有關的常數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅非魚購于湛江市霞山海鮮市場，去皮、去骨、取魚片備用。

LiCl、MgCl2、K2CO3、Mg(NO3)2、KI、NaCl、KCl均為分析純。

1.2 儀器與設備

DZF-6050型真空干燥器 上海精宏實驗儀器有限公司；JA 2003A型電子分析天平 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 解吸平衡含水率的測定

圖1 平衡含水率測定實驗裝置簡圖Fig.1 Schematic of the apparatus used to determine equilibrium moisture content

采用靜態(tài)法測定羅非魚的平衡含水率，即讓羅非魚片處于一定溫度和一定相對濕度的靜止環(huán)境中，使其水分達到平衡，測定裝置見圖1。先配制飽和鹽溶液，溶液中的鹽晶體不少于干燥器的1/4，加蓋，置于恒溫箱中24h以上，使干燥器中相對濕度達到平衡。為使樣品盡快達到解吸平衡，對羅非魚進行50℃熱風預干燥處理，將樣品的水分含量干至60%左右后，分別放入玻璃皿中，再置于恒溫箱的干燥器中。每2 h測一次試樣的質量，待到兩次測定羅非魚片質量相差小于±0.002g，則認為達到平衡，將樣品從容器中取出，測其含水率。

1.3.2 吸濕平衡含水率的測定

將羅非魚片置于50℃熱風干燥，每隔1h測定羅非魚片質量一次，當前后兩次測定羅非魚片質量差小于±0.002g，干燥結束。將干燥后的羅非魚片試樣分別放入玻璃皿中，再放置于恒溫箱的干燥器中。其余與解吸平衡含水率的測定方法相同。

1.3.3 測定條件

實驗的溫度條件為25、35、45、55℃；相對濕度由300mL的飽和鹽溶液調節(jié)控制。飽和鹽溶液在不同溫度條件下所對應的相對濕度見表1。

表1 飽和鹽溶液及其在不同溫度下的相對濕度Table 1 Saturated salt solution and its relative moisture contents at different temperature %

1.3.4 擬合方法及評價指標

選擇Henderson模型、Chung-Pfost模型、Halsey模型和Oswin修正模型來擬合羅非魚的平衡含水率曲線。使用SPSS 17.0軟件，利用非線性回歸方法，根據(jù)羅非魚平衡含水率的測定值，回歸各模型中的常數(shù)。選用相關系數(shù)R2和標準誤差(SE)作為評價指標。

式中：y為測定值；y′為預測值；DF為回歸模型自由度。

2 結果與分析

2.1 羅非魚吸濕、解吸平衡含水率

由圖2可知，在給定的溫度和相對濕度條件下，解吸平衡含水率比吸濕平衡含水率高，即具有吸濕“滯后”現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象說明：如果物料干燥后重新吸濕，為了達到同樣的平衡含水率，必須具有更高的空氣濕度，即在同樣的平衡含水率條件下，解吸相對濕度大于吸濕相對濕度[16]。不同溫度條件下的羅非魚吸濕平衡含水率曲線和解吸平衡含水率曲線變化類似，在相同的溫度條件下，羅非魚吸濕和解吸平衡含水率都隨著相對濕度的增加而增大。在相對濕度較小時，吸濕和解吸平衡含水率增幅不大，當相對濕度大于70%時，曲線斜率明顯增大，吸濕和解吸平衡含水率顯著上升，相對濕度的較小變化可引起平衡含水率的明顯變化。即在低相對濕度范圍內(nèi)，吸濕和解吸較緩慢；在高相對濕度范圍內(nèi)，吸濕和解吸速率顯著增加，吸濕和解吸特性明顯增強。在相同的相對濕度條件下，羅非魚吸濕和解吸平衡含水率都隨溫度的升高而降低。溫度對羅非魚平衡含水率的影響較小，相對濕度對羅非魚平衡含水率的影響較大。

2.2 平衡含水率的數(shù)學模型

采用SPSS17.0對羅非魚吸濕和解吸平衡含水率數(shù)據(jù)進行分析，分別對Henderson模型、Chung-Pfost、Halsey模型和Oswin修正模型中的待定系數(shù)進行回歸，并比較相關系數(shù)R2和標準誤差。模型參數(shù)擬合及評價指標值如表2所示。Henderson模型、Chung-Pfost模型、Halsey模型和Oswin修正模型擬合羅非魚吸濕和解吸平衡含水率曲線，相關系數(shù)R2均大于0.9，說明這4種模型擬合羅非魚吸濕和解吸平衡含水率的回歸曲線擬合度均較好。比較這4個模型的評價指標，Oswin修正模型描述羅非魚解吸和吸濕平衡含水率，其SE為最小，相關系數(shù)R2最大，所以在本實驗中Oswin修正模型最適合描述羅非魚的平衡含水率曲線。羅非魚的解吸、吸濕平衡含水率公式如下：

羅非魚的解吸平衡含水率曲線：

表2 羅非魚解吸、吸濕平衡含水率模型中的參數(shù)及評價指標值Table 2 Parameters and appraisal indexes of the adsorption and desorption equilibrium moisture content models established in this study

羅非魚的吸濕平衡含水率曲線：

3 結 論

3.1 在給定的溫度和相對濕度條件下，羅非魚肉的解吸平衡含水率比吸濕平衡含水率高，存在吸濕“滯后”現(xiàn)象。在相同的溫度條件下，羅非魚肉的吸濕和解吸平衡含水率均隨相對濕度的增加而增大。在相對濕度較小時，吸濕和解吸平衡含水率增幅不大，當相對濕度大于70%時，吸濕和解吸平衡含水率增幅較大，相對濕度的較小變化可引起平衡含水率的明顯變化。在相同的相對濕度條件下，羅非魚肉的吸濕和解吸平衡含水率都隨溫度的升高而降低。相對濕度對羅非魚肉吸濕和解吸平衡含水率的影響比溫度的影響要大。

3.2 利用Henderson模型、Chung-Pfost模型、Halsey模型和Oswin修正模型來擬合羅非魚肉吸濕和解吸平衡含水率，各曲線擬合度均較好，通過對比分析發(fā)現(xiàn)Oswin修正模型最適合。Oswin修正模型描述羅非魚肉平衡含水率的方程分別為：

羅非魚的解吸平衡含水率曲線：

羅非魚的吸濕平衡含水率曲線：

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Modeling of Equilibrium Moisture Content of Tilapia Fillets during Drying Process

GUAN Zhi-qiang1，WANG Xiu-zhi2，LI Min2，JIANG Xiao-qiang2，XIE Jing3
(1. College of Chemistry and Life Sciences, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China ；2. Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524000, China；3. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

The adsorption and desorption equilibrium moisture contents of tilapia fillets at varying temperatures (25, 35, 45 ℃and 55 ℃) and a relative humidity in the range of 10%—85% were determined by the static method to analyze the effects of temperature and relative humidity on both equilibrium moisture contents. Different equilibrium moisture content curves were fitted according to the four mathematical equations of Henderson, Chung-Pfost, Halsey and Oswin models and evaluated based on correlation coefficient and standard error. From a composition of fitting accuracy, it was found that the modified Oswin model was the most suitable to describe the equilibrium moisture content curves of tilapia. Moreover, Oswin models describing the adsorption and desorption equilibrium moisture contents of tilapia fillets were built.

tilapia fillets；equilibrium moisture content；model

TS205.1；TS254.4

A

1002-6630(2012)15-0118-04

2011-07-26

廣東省海洋與漁業(yè)局海洋漁業(yè)科技推廣專項(A201001C05)；上海市教育委員會重點學科建設項目(J50704)

關志強(1956—)，男，教授，碩士，主要從事食品冷凍與干燥工程技術研究。E-mail：mmcgzq@163.com