南極磷蝦干燥特性的研究

張軍文 鄭曉偉 沈建 歐陽(yáng)杰 高翔 周春生 談佳玉

(1農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092;2中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所, 上海 200092)

0 引言

南極磷蝦是一種小型海洋浮游甲殼類動(dòng)物,隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門(mén)、甲殼綱、軟甲亞綱、磷蝦目、磷蝦科、磷蝦屬[1]。其主要分布于南大洋南極輻合區(qū)以南的南極海域之中, 是一類生活在高緯度、低溫度環(huán)境下的冷水性蝦類, 據(jù)調(diào)查南極磷蝦數(shù)量約為6.5—10.0億t, 生物量巨大[2-5]。南極磷蝦營(yíng)養(yǎng)豐富, 除富含蛋白質(zhì)外, 含有人體所必須的全部氨基酸, 富含亞麻油、亞麻酸等不飽和脂肪酸及鈣、鉀、鎂、鍶等多種礦物質(zhì)元素, 且類胡蘿卜素色素含量高[6]。同時(shí)也含有7種人體必需氨基酸, 含量約占蛋白總量的一半, 并且富含以EPA和DHA為代表的Omega-3成分及其他微量元素[2], 是人類賴以生存的后備蛋白庫(kù)[7-10]。如何有效地開(kāi)發(fā)利用南極磷蝦資源已經(jīng)成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[11]。

南極磷蝦雖然營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高, 但其船載加工受到一些因素的影響和制約。南極地區(qū)地處地球最南端, 氣候復(fù)雜多變, 海況異常。捕撈期和行船周期都較長(zhǎng), 對(duì)船只和船員都形成很大的挑戰(zhàn)。此外, 南極磷蝦體內(nèi)含有一種低溫酶, 該酶能高效迅速地降解蛋白質(zhì), 使磷蝦品質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速下降[12]。鑒于以上幾點(diǎn)原因, 南極磷蝦的初加工都在隨行的捕撈船上進(jìn)行, 其加工的產(chǎn)品(南極磷蝦粉和冷凍南極磷蝦)是南極船載加工的兩種主要產(chǎn)品。其中南極磷蝦粉是以捕撈新鮮的南極磷蝦作為原料, 經(jīng)過(guò)蒸煮、壓榨、干燥、粉碎等工藝而制成的具有一定營(yíng)養(yǎng)成分和品質(zhì)特性的一種產(chǎn)品[13]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)船載南極磷蝦粉的加工技術(shù)基本是參考魚(yú)粉的加工設(shè)備或者魚(yú)粉、蝦粉的加工工藝, 關(guān)于魚(yú)粉的報(bào)道有很多, 如彭侃等[14]研究發(fā)現(xiàn)熱處理溫度可能是影響魚(yú)粉品質(zhì)的主要因素。Bellagha等[15]利用熱風(fēng)干燥沙丁魚(yú)(初始含水率70%、含脂肪6%、大小為30 g·個(gè)–1), 在35—50℃溫度下干燥到含水率(濕基)為14%, 需50—110 h; Sankat等[16]使用熱風(fēng)干燥鯊魚(yú)塊(尺寸為10cm×5cm×1cm、單層干燥), 在風(fēng)濕為40—60℃時(shí)約需70 h; Prachayawarakorn等[17]在120—140℃溫度下, 用熱風(fēng)干燥蝦片(尺寸為0.5 cm×0.5 cm×0.2 cm、2% NaCl煮15min), 干燥時(shí)間為70—110 min。但是目前關(guān)于南極磷蝦粉的干燥技術(shù)的報(bào)道和研究相對(duì)較少，而傳統(tǒng)的魚(yú)粉干燥工藝又很難保證南極磷蝦產(chǎn)品的干燥質(zhì)量和大規(guī)模工業(yè)化的需求,所以對(duì)其干燥特性工藝的研究, 對(duì)于提升我國(guó)南極磷蝦的干燥技術(shù)水平, 開(kāi)辟國(guó)外干燥市場(chǎng)有著重要的戰(zhàn)略意義。

干燥通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發(fā)性濕分(大多數(shù)情況下是水), 而獲得一定濕含量固體產(chǎn)品的過(guò)程[18]。在生產(chǎn)南極磷蝦粉工藝過(guò)程中, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了恒定干化條件下南極磷蝦的干燥曲線, 掌握了干燥過(guò)程中的水分變化規(guī)律, 為實(shí)際生產(chǎn)中南極磷蝦粉的干燥方式選擇、工藝優(yōu)化和節(jié)能提供依據(jù), 為工藝和設(shè)備提供參考數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)于提高南極磷蝦粉質(zhì)量、規(guī)模化生產(chǎn)和降低成本等都有重大意義。

1 材料和方法

1.1 原料與實(shí)驗(yàn)干燥裝置

本實(shí)驗(yàn)所用的南極磷蝦由遼寧遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司“福榮海”號(hào)于南極CCAMLR轄區(qū)48.1區(qū)拖網(wǎng)捕撈, 在–20℃下冷凍, 實(shí)驗(yàn)之前在自然條件下進(jìn)行靜水解凍[19], 瀝水后測(cè)定其含水率為76.3%。南極磷蝦的體長(zhǎng)在2—4 cm, 單個(gè)體重為1—2 g, 體色微紅, 質(zhì)感較軟。

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在快速水分測(cè)定儀蓋板側(cè)面裝入IRt/c.01型紅外溫度傳感器, 用以實(shí)時(shí)測(cè)量磷蝦表面溫度, 溫度參數(shù)顯示于XMT-721儀表上(圖1)。MA150快速水分測(cè)定儀(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)加熱范圍40—220℃, IRt/c01型紅外溫度傳感器(成都中宇儀器有限公司)測(cè)量范圍–45—290℃, XMT-721型數(shù)字顯示儀(江蘇杰克儀表有限公司)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖. 1、南極磷蝦樣本; 2、恒溫控制傳感器; 3、石英加熱管; 4、IRT/c.01紅外溫度傳感器;5、XMT-721顯示器; 6、快速水分測(cè)定儀Fig.1. Schematic diagram of an experimental device.1. Antarctic krill samples; 2. constant temperature control sensor; 3. quartz heating tube; 4. IRT/c.01 infrared temperature sensor; 5. XMT-721 display; 6.fast moisture meter

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)(表1)來(lái)繪制南極磷蝦的干燥特性曲線。實(shí)驗(yàn)干燥的溫度設(shè)定為120℃[20], 實(shí)驗(yàn)之前對(duì)石英加熱管進(jìn)行預(yù)熱, 使其測(cè)量區(qū)的溫度達(dá)到設(shè)定值(120℃); 稱取30 g解凍的南極磷蝦樣品放置在水分測(cè)定儀托盤(pán)中, 并開(kāi)始計(jì)時(shí)干燥。計(jì)時(shí)的時(shí)間間隔為2.5 min,記錄物料重量和其表面溫度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后,將每個(gè)記錄點(diǎn)的重量換算成干基含水率(水的質(zhì)量/干物質(zhì)的質(zhì)量)。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出南極磷蝦的干燥曲線和干燥速率曲線。

1.2.1 南極磷蝦干燥曲線測(cè)定方法

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù), 以時(shí)間作為橫坐標(biāo), 干基含水率和物料表面溫度作為縱坐標(biāo), 建立相應(yīng)的坐標(biāo)系繪制出南極磷蝦干燥曲線。繪制完成后可以獲得2條擬合曲線, 其中1條是南極磷蝦干基含水率-時(shí)間關(guān)系曲線(藍(lán)色曲線表示), 另外1條是物料表面溫度-時(shí)間關(guān)系曲線(綠色曲線表示)。通過(guò)干燥曲線的繪制可以掌握和區(qū)分南極磷蝦的各個(gè)干燥階段下的含水率和溫度變化狀況。

1.2.2 南極磷蝦干燥速率測(cè)定方法

由干燥曲線換算成干燥速率曲線的方法是先計(jì)算不同時(shí)間間隔?t＝t2–t1內(nèi)物料的含水率變化?c＝c2–c1, 得到?c/?t, 再由公式v=(qm,c·?c)/(S·?t)求得干燥速率v。本處南極磷蝦干燥速率v為t1—t2區(qū)間內(nèi)的平均干燥速率, 故其所對(duì)應(yīng)南極磷蝦平均含水率c＝(c1+c2)/2, 繪出干燥速率-干基含水率分布圖, 可掌握在恒定干燥條件下, 南極磷蝦干燥速率和干基含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2.3 恒速南極磷蝦干燥速率理論計(jì)算

恒速干燥速率是物料干化的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo), 可通過(guò)干燥速率計(jì)算公式和標(biāo)志性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。干燥速率的定義為單位時(shí)間、單位干化表面積汽化的水分量, 以v表示。

評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，只進(jìn)行基礎(chǔ)理論知識(shí)考核，忽視實(shí)踐操作能力評(píng)價(jià)，忽略獨(dú)立思考判斷能力、責(zé)任心、創(chuàng)新精神等多方面的考量。評(píng)價(jià)方式不合理，高校往往把考試分?jǐn)?shù)作為唯一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量評(píng)價(jià)學(xué)生，一考定“終身”，強(qiáng)調(diào)終極結(jié)果，忽視過(guò)程成長(zhǎng)評(píng)價(jià)，不能全面、全方位地對(duì)學(xué)生的發(fā)展成長(zhǎng)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)。[3]評(píng)價(jià)中缺乏約束監(jiān)督機(jī)制，存在評(píng)價(jià)不認(rèn)真、走過(guò)場(chǎng)、敷衍了事等情況，致使學(xué)生的創(chuàng)新能力測(cè)評(píng)工作流于形式。

由于dqm,w＝－qm,c·dc, 故干燥速率也可表示為

式中,v為干燥速率, g·cm–2·min–1;qm,w為汽化水分量,g;t為干化時(shí)間, min;S為干燥表面積, cm2;qm,c為濕物料中的絕對(duì)干物料量, g;c為干基含水率, g水·g干物料–1; －(負(fù)號(hào))表示干基含水率c隨時(shí)間的增加而減少。由于在恒速干燥階段, 干燥速率v＝v0＝常數(shù)。將式(2)分離變量后積分:

式中,t1為恒速階段的干燥時(shí)間, min;qm,c為濕物料中的絕對(duì)干物料量, g;S為干燥表面積, cm2;c1為物料恒速初始干基含水率, g水·g干物料–1;c0為物料臨界干基含水率, g水·g干物料–1。計(jì)算后得恒速干燥速率v0。

2 結(jié)果與分析

2.1 南極磷蝦干燥曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)定在恒定條件下, 南極磷蝦的干燥過(guò)程中各特征時(shí)間段間隔內(nèi)的物料溫度、物料水分、蒸發(fā)水量的變化情況, 如表1所示。

表1 恒定條件下南極磷蝦干燥過(guò)程的水分變化情況Table 1. Changes of moisture in Antarctic krill drying under constant conditions

根據(jù)干燥實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制南極磷蝦恒定條件下的干燥曲線如圖2所示。

圖2的南極磷蝦干燥曲線可以分為3個(gè)干燥階段。D1階段, 即開(kāi)始到干燥5 min, 南極磷蝦處于預(yù)加熱狀態(tài)[21],南極磷蝦表面溫度迅速升高,直到物料表面溫度趨向于恒定, 同時(shí)干燥曲線的斜率逐漸增大, 物料的干基含水率隨之下降; 在這過(guò)程中蒸發(fā)的水分約占總蒸發(fā)量的18.70%, 占全部干燥時(shí)間的16.7%, 過(guò)程結(jié)束時(shí)干基含水率為2.64 g水·g干物料–1。D2階段, 即干燥時(shí)間從5—15 min,南極磷蝦的干基含水率迅速下降, 與干燥時(shí)間近似于成線性關(guān)系; 研究表明, 溫度是影響南極磷蝦干燥速率大小的重要因素[22], 干燥溫度越高,其含水率越低; 南極磷蝦表面充分濕潤(rùn), 其表面溫度較為恒定, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得其數(shù)值是47—53℃, 這就說(shuō)明了其表面水分汽化所吸收的熱量等于補(bǔ)充的熱量; 這一階段蒸發(fā)的水分占總蒸發(fā)量的66.43%, 占全部干燥時(shí)間的1/3, 結(jié)束時(shí)干基的含水率為0.56 g水·g干物料–1。D3階段, 即干燥時(shí)間從16—30 min, 南極磷蝦干燥曲線的斜率逐漸下降直至平緩, 其表面水分蒸發(fā)完畢, 而溫度迅速上升, 逐漸趨向于烘干介質(zhì)的溫度, 物料的含水率趨向于0; 這一階段蒸發(fā)的水量占到總蒸發(fā)量的14.87%, 占全部干燥時(shí)間的50%。

圖2 恒定條件下南極磷蝦的干燥曲線Fig. 2. Drying curves of Antarctic krill under constant conditions

2.2 南極磷蝦干燥速率曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)到的數(shù)據(jù), 其中t1是恒定干燥時(shí)間, 為10 min;qm,c為濕物料中的絕對(duì)干物料量,為7.83 g;S為干燥表面積, 可以由南極磷蝦平面與其側(cè)面投影的形態(tài)估算得出, 其數(shù)值為3.28 cm2;c0＝0.56 g水/g干物質(zhì),c1＝2.64 g水·g干物料–1;由南極磷蝦干燥速率代入數(shù)值計(jì)算得出v0=0.497 g·cm–2·min–1。由此可得出南極磷蝦的干燥速率曲線, 如圖3所示。其干燥速率曲線圖的各階段與南極磷蝦干燥曲線圖是相對(duì)應(yīng)的。其中的升速、恒速、降速3個(gè)階段可近似擬合成線性關(guān)系的直線。

圖3 恒定干燥條件下南極磷蝦的干燥速率曲線圖Fig.3. Curve diagram of the drying rate of Antarctic krill under constant drying conditions

2.3 討論

2.3.1 物料的表面積對(duì)于南極磷蝦干燥速率的影響

南極磷蝦的干燥曲線有明顯的特性, 在D3階段已經(jīng)進(jìn)入降速干燥階段, 此時(shí)物料在水的表面張力的作用下, 表面積不斷收縮減少, 干燥速率迅速下降, 可見(jiàn)物料表面積的變化對(duì)于整體干燥速率的變化起到主要的作用。因此, 在實(shí)際生產(chǎn)的干燥工藝中, 增大物料的表面積是提高干燥速率的有效方法, 利用槳葉的攪拌提升干燥面積,可以加快干燥進(jìn)程, 無(wú)論是經(jīng)濟(jì)效益還是節(jié)能環(huán)保都能獲得十分理想的效果。利用該方法, 在南極海域船載南極磷蝦粉加工過(guò)程中, 取得了非常好的實(shí)際效果, 產(chǎn)量較之前提升約1倍, 達(dá)到25 t·d–1(按24 h計(jì)), 蝦粉質(zhì)量都達(dá)到了紅粉級(jí)別。

2.3.2 南極磷蝦干燥狀態(tài)下的特性

對(duì)南極磷蝦干燥D3階段進(jìn)行取樣分析并觀察其斷面, 發(fā)現(xiàn)南極磷蝦頭部的干燥與濕潤(rùn)部分有明顯的分層面, 外表面硬度加大且體積不再收縮, 外部溫度快速趨近于環(huán)境溫度。此階段干燥去除的水分很少, 但所占的干燥時(shí)間很長(zhǎng)。這是由于已經(jīng)干燥的外部物質(zhì)對(duì)內(nèi)部水分的蒸發(fā)有很強(qiáng)的阻礙, 水分只有通過(guò)干燥那部分的微小空隙才能到達(dá)外部排入空氣, 導(dǎo)致干燥速率很低。此種情況是其南極磷蝦體內(nèi)各部分含水率分布不均,尤其在頭部集中, 且水分與內(nèi)部組織呈漿狀, 造成干燥困難。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)南極磷蝦的干燥實(shí)驗(yàn), 可以知道: (1)南極磷蝦干燥不經(jīng)過(guò)升速階段和恒速階段直接進(jìn)入降速階段; (2)溫度是影響南極磷蝦干燥的主要因素,干燥時(shí)間(5—15 min)內(nèi), 溫度越高, 干燥速度越大;(3)進(jìn)入恒速干燥階段, 其時(shí)間約占總時(shí)間的三分之一; (4)當(dāng)?shù)陀谂R界含水率(0.56 g水·g干物料–1)時(shí), 南極磷蝦干燥進(jìn)入降速階段; (5)在隨船加工南極磷蝦粉中, 溫度控制在85—105℃較為理想, 并且在設(shè)備內(nèi)部使用槳葉進(jìn)行攪拌, 干燥結(jié)果顯著提升。

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