评估薄层干燥模型在预测鲶鱼肉对流干燥和微波干燥过程中的干燥行为方面的性能

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Evaluating the Performance of Thin-Layer Drying Models in Predicting the Drying Behavior of Catfish Flesh Under Convective and Microwave Drying

非洲鲫鱼热风与微波干燥动力学及传质特性研究，分析60-90℃热风和540-800W微波干燥的动力学差异。结果显示微波干燥三相分界更明显，有效水分扩散系数比热风高2.1倍，能耗降低48.6%。选定modified Henderson-Pabis模型（R2=0.998±0.012）和Henderson-Pabis模型（R2=0.993±0.015）分别拟合热风与微波干燥曲线。研究为优化鱼干加工设备提供理论依据。

　　在食品工业和农业领域，干燥技术是减少食品损失、延长保质期、提升运输效率的重要手段。尤其对于高水分含量的鱼类而言，其易腐特性使得干燥成为一种关键的保鲜方式。然而，传统干燥方法在某些地区仍面临诸多挑战，如设备成本高、能源消耗大、干燥不均匀等问题。因此，研究不同干燥方法对鱼类干燥过程的影响，以及寻找适合实际应用的干燥模型，具有重要的现实意义。本研究聚焦于非洲鲶鱼（*Clarias gariepinus*）的干燥行为，通过对比热风干燥（HAD）和微波干燥（MD）两种方法，探讨其在干燥速率、有效水分扩散系数、能量消耗及干燥曲线拟合方面的差异。

非洲鲶鱼是一种广泛分布于非洲地区的经济鱼类，其营养价值高，但同时也是高水分、高蛋白和高脂肪含量的食品，这使得其在储存和运输过程中极易发生微生物污染和酶促反应，导致品质下降。根据相关研究，全球范围内的水产品产后损失率约为10%，而在发展中国家，由于基础设施不完善、技术应用受限，这一比例可能更高。以加纳为例，仅2010年因 purse seine 和熏鱼的产后损失就超过了6900万美元。这表明，针对非洲鲶鱼等高价值鱼类的干燥技术研究，不仅有助于减少经济损失，还能提升食品安全和营养保留水平。

热风干燥是一种常见的干燥方法，其原理是通过热空气的流动带走物料中的水分，实现干燥目的。然而，这种方法通常需要较长的干燥时间，且由于热空气主要作用于物料表面，容易导致干燥不均匀、表层硬化等问题。此外，热风干燥过程中，高温可能加速营养成分的流失，影响最终产品的口感和营养价值。相比之下，微波干燥利用电磁波能量直接作用于物料内部，从而实现快速均匀的水分蒸发。这种方法不仅能够缩短干燥时间，还能在一定程度上保留物料的色泽、质地和营养成分。然而，微波干燥也存在一些挑战，如微波能量分布不均可能导致局部过热，甚至引起物料结构的破坏。因此，如何优化微波干燥的参数设置，以确保干燥效果和产品质量，是本研究的重要目标之一。

为了准确评估不同干燥方法对非洲鲶鱼的影响，本研究采用了一系列实验方法，包括热风干燥和微波干燥。实验中，非洲鲶鱼的切片样品被放置在特定的干燥设备中，分别在60°C、75°C和90°C的温度下进行热风干燥，而在微波干燥中，则在540 W、700 W和800 W的功率水平下进行。在干燥过程中，样品的重量被定期记录，以监测水分的减少情况。当连续两次测量的重量差小于1%时，认为干燥过程已经完成。通过这种方式，研究人员能够获取不同干燥条件下水分变化的详细数据，并据此分析干燥速率、有效水分扩散系数等关键参数。

干燥过程的建模是理解干燥行为的重要工具。本研究采用了多种薄层干燥模型，包括经验模型、半经验模型和理论模型。这些模型能够帮助研究人员预测不同条件下干燥所需的时间，并评估干燥过程对物料质量的影响。其中，经验模型如牛顿模型和Page模型，主要基于实验数据，适用于描述干燥曲线的形状。半经验模型如Henderson和Pabis模型，则结合了实验数据与基本理论，能够更准确地拟合干燥过程的变化趋势。而理论模型则基于质量传递的基本原理，如菲克第二定律，能够提供更深入的干燥机制分析。通过比较不同模型的拟合效果，研究人员可以确定最适合描述非洲鲶鱼干燥行为的模型，并据此优化干燥工艺。

在实验过程中，研究人员还关注了干燥过程中的有效水分扩散系数和活化能。有效水分扩散系数是衡量干燥过程中水分迁移速度的重要参数，通常与干燥条件、物料特性以及干燥方法密切相关。通过分析干燥曲线，研究人员能够计算出有效水分扩散系数，并进一步探讨不同干燥条件对其影响。活化能则反映了干燥过程中水分去除所需的能量，是评估干燥方法效率和能耗的重要指标。通过比较不同干燥方法的活化能，研究人员可以判断哪种方法在节能和效率方面更具优势。

此外，本研究还涉及了干燥过程中的收缩现象。收缩是指物料在干燥过程中由于水分的减少而发生的体积变化。通过测量干燥前后样品的体积，研究人员能够评估不同干燥条件对物料结构的影响。收缩程度的分析有助于理解干燥过程中物料的物理变化，并为优化干燥工艺提供参考依据。

为了确保实验数据的准确性和可靠性，研究人员采用了统计分析方法，包括相关系数（R2）和均方根误差（RMSE）等指标。R2值越高，表示模型对实验数据的拟合程度越好，能够更准确地反映干燥过程的变化趋势。而RMSE值越低，则说明模型预测与实际测量之间的误差越小，模型的精度越高。通过这些统计指标，研究人员能够评估不同干燥模型的适用性，并选择最合适的模型用于后续分析和应用。

本研究的结果表明，热风干燥和微波干燥在干燥行为上存在显著差异。热风干燥过程中，水分的去除遵循单一相降速阶段，而微波干燥则表现出三个不同的阶段：升速期、恒速期和降速期。这说明微波干燥在初期能够快速去除水分，随后进入恒速阶段，最后逐渐减缓，直到达到平衡水分含量。这种多阶段的干燥行为可能是由于微波能量在物料内部的分布特性所导致的。相比之下，热风干燥的干燥速率较慢，且主要依赖于外部热空气的对流作用，这使得其在高水分含量物料的干燥过程中表现较为局限。

在有效水分扩散系数方面，微波干燥显示出更高的扩散速率，这表明微波干燥能够更有效地促进水分的迁移。这一特性对于需要快速干燥的高水分含量食品尤为重要，尤其是在资源有限的地区，快速干燥可以显著减少能源消耗和时间成本。然而，热风干燥的活化能较高，意味着其在干燥过程中需要更多的能量输入，这在能源供应有限的情况下可能成为一个制约因素。

从能量消耗的角度来看，热风干燥的能耗明显高于微波干燥。实验数据显示，热风干燥的单位能耗为18.74 kJ/mol，而微波干燥仅为4.84 W/g。这一结果进一步验证了微波干燥在节能方面的优势。然而，微波干燥的能量消耗单位不同，这可能是由于其作用机制和能量传递方式的差异所致。因此，在比较不同干燥方法的能耗时，需要考虑其单位和应用场景。

为了进一步优化干燥工艺，研究人员还分析了不同干燥条件下样品的收缩情况。收缩率的计算基于干燥前后样品体积的变化，这有助于评估干燥过程对物料物理结构的影响。在热风干燥和微波干燥过程中，样品的收缩程度可能因干燥温度和时间的不同而有所变化。通过对比不同干燥条件下的收缩率，研究人员能够判断哪种方法在保持物料结构完整性方面更具优势。

本研究的实验设计充分考虑了干燥过程中的多种变量，如温度、湿度、空气流速和样品厚度。这些变量在干燥过程中相互作用，共同影响干燥速率和最终产品的质量。因此，研究人员需要在实验中控制这些变量，以确保数据的准确性和可比性。例如，在热风干燥实验中，样品被放置在恒定的空气流速下，以减少对流对干燥速率的影响。而在微波干燥实验中，样品被旋转以确保能量分布的均匀性，从而避免局部过热和结构损坏。

综上所述，本研究通过对比热风干燥和微波干燥对非洲鲶鱼干燥行为的影响，为食品工业和农业领域提供了有价值的参考。研究结果不仅揭示了不同干燥方法在干燥速率、有效水分扩散系数和能量消耗方面的差异，还通过统计分析确定了最适合描述干燥行为的数学模型。这些发现对于优化干燥工艺、提高产品质量以及减少产后损失具有重要意义。特别是在资源有限的地区，微波干燥因其高效、节能和对产品质量的更好保留，可能成为一种更有前景的干燥方法。然而，微波干燥仍需进一步优化，以解决能量分布不均和结构损伤等问题。未来的研究可以探索更多干燥参数的组合，以及不同干燥方法的协同应用，以实现更高效的水分去除和更优质的干燥产品。