草魚(yú)魚(yú)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)

?

草魚(yú)魚(yú)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(yú)等淡水魚(yú)的深度加工工藝和干燥工藝，對(duì)草魚(yú)魚(yú)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(jiàn)的食品薄層干燥模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)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(duì)草魚(yú)魚(yú)片的微波干燥擬合度最高，Two term模型對(duì)草魚(yú)魚(yú)片的熱風(fēng)干燥過(guò)程擬合度最高。

草魚(yú)；微波干燥；熱風(fēng)干燥；動(dòng)力模型

我國(guó)淡水魚(yú)產(chǎn)量豐富，其中低值淡水魚(yú)如草魚(yú)、鳙魚(yú)、鰱魚(yú)等占淡水魚(yú)產(chǎn)量的60%，新鮮魚(yú)肉含水量超過(guò)80%，微生物易繁殖，且自身的生化反應(yīng)比肉類(lèi)，所以容易腐敗變質(zhì)，不易貯藏，使淡水魚(yú)的消費(fèi)受到了限制。草魚(yú)(grass carp)，是我國(guó)重要的淡水經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)之一，易于養(yǎng)殖。草魚(yú)食性簡(jiǎn)單，餌料來(lái)源廣泛，草魚(yú)體型較大、肉質(zhì)嫩，含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且生長(zhǎng)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(guò)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(guò)程簡(jiǎn)單，但熱風(fēng)干燥能耗大，操作時(shí)間長(zhǎng)，容易對(duì)物料產(chǎn)生熱損傷及過(guò)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(lái)在谷類(lèi)、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(guò)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(duì)鳙魚(yú)和羅非魚(yú)微波干燥后發(fā)現(xiàn)，較低的微波功率有助于保持魚(yú)片的優(yōu)良品質(zhì)。以淡水魚(yú)魚(yú)肉為原料，通過(guò)腌制，煮制，烘制等工藝，已經(jīng)研制了各種口味的魚(yú)片[13-14]，而利用微波干燥方法對(duì)草魚(yú)魚(yú)片進(jìn)行干燥的研究少見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)研究草魚(yú)魚(yú)片的微波干燥規(guī)律，并與熱風(fēng)干燥過(guò)程作對(duì)比，對(duì)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(yú)1.5～2.0 kg，購(gòu)于上海市古棕路菜市場(chǎng)，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?；厶﹥x器制造有限公司；BS224S賽多利斯分析天平，德國(guó)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(yú)脊背處開(kāi)始采肉，魚(yú)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(yú)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(duì)魚(yú)片進(jìn)行干燥處理。干燥過(guò)程中每隔1 min稱(chēng)量魚(yú)片的質(zhì)量，每次測(cè)量時(shí)間控制在25 s之內(nèi)，干燥魚(yú)片至恒重時(shí)為止，每次平行測(cè)定3組樣品。

1.2.3熱風(fēng)干燥

將魚(yú)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(guò)程中每隔1 h稱(chēng)量魚(yú)片的質(zhì)量，每次稱(chēng)量時(shí)間控制在25 s內(nèi)，干燥魚(yú)片至恒重時(shí)為止，每次平行測(cè)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(lái)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(duì)深入分析物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過(guò)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(yú)片厚度(m)；t，干燥時(shí)間(s)。

當(dāng)物料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間干燥時(shí)，Eq.(2)可簡(jiǎn)化為：

(3)

1.2.5單位能耗的測(cè)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(guò)程，本試驗(yàn)采用6種薄層干燥模型對(duì)草魚(yú)魚(yú)片的干燥過(guò)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(guò)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(lái)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(duì)草魚(yú)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(yú)魚(yú)片在不同微波功率和熱風(fēng)溫度下的干燥曲線(xiàn)，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?，魚(yú)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(yú)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?chē)目諝庑纬闪溯^大的水分梯度，隨著魚(yú)片內(nèi)部水分向表面逐漸擴(kuò)散，干燥速率降低[15]。當(dāng)魚(yú)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(yú)片烘干時(shí)，要注意微波干燥時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，防止魚(yú)片邊緣出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象或由于魚(yú)片內(nèi)部水分過(guò)度損耗而導(dǎo)致的口感下降；熱風(fēng)干燥的溫度不宜過(guò)高，防止魚(yú)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(yú)魚(yú)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(yú)魚(yú)片和熱風(fēng)干燥草魚(yú)魚(yú)片的數(shù)學(xué)模型，將MR-t關(guān)系圖中各曲線(xiàn)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(lái)說(shuō)R2越高，χ2值和RSS值越小，說(shuō)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(shuō)明Page方程最適于描述微波干燥草魚(yú)魚(yú)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(shuō)明Two term模型能較準(zhǔn)確地描述草魚(yú)魚(yú)片的熱風(fēng)干燥過(guò)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(chēng)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(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)的影響

對(duì)lnMR與t進(jìn)行線(xiàn)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(yú)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(guò)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(guò)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(shuō)明，lnMR與t的擬合度較好。試驗(yàn)可以看出，微波干燥魚(yú)片時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)比熱風(fēng)干燥魚(yú)片大一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(xiàn)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(xiàn)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(guò)程耗能較高，在發(fā)達(dá)國(guó)家里，干燥耗能在國(guó)家總耗能中占了較大比例，為13%～20%[23]，因此節(jié)能為綜合評(píng)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(jí)，是因?yàn)樵跓犸L(fēng)干燥過(guò)程中有較長(zhǎng)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(yú)片干燥及預(yù)處理方法。

3　結(jié)論

以草魚(yú)片為原料，研究了樣品經(jīng)過(guò)不同微波干燥及熱風(fēng)干燥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)變化，為微波干燥技術(shù)在草魚(yú)魚(yú)片的加工應(yīng)用技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。通過(guò)考察草魚(yú)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(guò)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(yú)片的干燥方式及油炸草魚(yú)片的預(yù)處理方式。

(2)Page模型最適于描述草魚(yú)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(yú)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。

[1]朱德泉,王繼先,朱德文,等. 小麥微波干燥特性及其對(duì)品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006，22(4):182-185.

[2]石啟龍,趙亞,李兆杰,等. 竹莢魚(yú)熱泵干燥數(shù)學(xué)模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,40(5):110-115.

[3]SANGWAL P, WATTANAPONG R. Drying fish and meat by using solar dryer for the cottage industrial scale [J]. Journal of the National Research Council of Thailand, 1996, 28(1): 1-15.

[4]JAMSHID R, MICHEAL O N. Effect of batter formulation and pre-drying time on oil distribution fractions in fried batter[J]. LWT-Food Science and Technology, 2014, 59(2):820-826.

[5]陸建鋒,程裕東,金銀哲.精煉淀粉在油炸過(guò)程中的含水量含油量及水分活性之間的相關(guān)性研究[J].食品工業(yè)科技,2014，35(5): 66-74.

[6]段振華,尚軍,徐松. 羅非魚(yú)的熱風(fēng)干燥特性及其主要成分含量變化研究[J]. 食品科學(xué)，2006, 27(12): 479-482.

[7]王常青. 馬鈴薯顆粒全粉的微波干燥工藝的研究[J]. 食品科學(xué), 2005,26(7): 133-136.

[8]段振華,汪菊蘭. 微波干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2007,28(1): 155-158.

[9]周旺,程裕東,張?jiān)迫?辣椒粉的微波干燥特性研究[J]. 食品科學(xué), 2009,30(19):65-69.

[10]黃燕,程裕東,梁凱. 微波、熱風(fēng)干燥對(duì)橙皮干燥特性及其品質(zhì)影響的比較[J]. 食品科學(xué), 2009,30(21):16-20.

[11]段振華,丁曉陽(yáng),汪菊蘭,等. 羅非魚(yú)片的熱風(fēng)微波復(fù)合干燥動(dòng)力學(xué)[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2009,30(12):37-40.

[12]段振華,張敏,湯堅(jiān). 鳙魚(yú)的熱風(fēng)干燥規(guī)律研究[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2004, 23(3):29-32.

[13]楊振超,程裕東.微波對(duì)應(yīng)型調(diào)味淡水魚(yú)片的加熱特性研究[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2013.

[14]樓明,蔣矛箭,陳春群. 脆香草魚(yú)片研制[J]. 廣州食品工業(yè)科技, 2000, 16(1): 7-8.

[15]葉欣,黃曉兵,胡洋,等. 龍眼果肉微波干燥特性及干燥模型研究[J].食品科技， 2012, 12(37): 67-71.

[16]劉娟娟,程裕東,金銀哲. 紅棗漿粉體化微波干燥特性研究[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(3):458-465.

[17]LEWIS W K. The rate of drying of solid materials [J]. Industrial & Engineering Chemistry, 1921, 13(2): 427-432.

[18]HENDERSON S M, PABIS S. Grain drying theory II. Temperature effects on drying coefficients [J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1961, 6(4):169-174.

[19]YALDIZ O, ERTEKN C，UZUN H I. Mathematical modeling of thin layer solar drying of sultana grapes [J]. Energy, 2001, 26(5):457-465.

[20]張宏偉,呼青英. 谷物干燥動(dòng)力學(xué)中Page模型的分?jǐn)?shù)階微分方程理論[J]. 濱州學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 27(3):1-4.

[21]BALASUBRANANIAN S, SHARMA R, GUPTA R K. Validation of drying models and rehydration characteristics of betel (PiperbetelL.) leaves [J]. Food Scio Technology, 2011, 48(6):685-691.

[22]YALKIZ O, ERTEKIN C. Thin Layer Solar Drying of Some Vegetables [J]. Drying Technology, 2001, 19 (3):583-597.

[23]胡慶國(guó).毛豆熱風(fēng)與真空微波聯(lián)合干燥過(guò)程研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué), 2006.

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(shí)服務(wù)平臺(tái)-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