熱泵干燥技術在水產品加工應用中的研究概況

錢炳俊，蘇樹強，連之偉，李云飛，鄧 云

(1.上海交通大學 陸伯勛實驗安全研究中心，上海 200240;2.上海交通大學 農業(yè)與生物學院，上海 200240;3.上海交通大學 機械動力學院，上海 200240)

生鮮水產品的含水率一般為75%～80%，脂肪和蛋白質含量豐富，容易腐敗，必須采取有效手段對原料進行保鮮和加工處理［1］。目前，水產品加工方式主要分為冷凍加工和干燥加工。冷凍加工比較簡單，但初投資較大，加工成品需繼續(xù)冷藏運輸，運輸成本高。干燥加工一直以來都是水產品深加工的一種重要形式，據統計，世界每年僅干燥魚的產量就達314萬 t［2］。水產品傳統干燥方法主要是曬干和熱風干燥。曬干難以保證品質，且易受外界條件限制，生產率較低;熱風干燥能耗較高，加工時間較長，干制品的品質也難以保證，因此急需改進干燥工藝，以降低能耗并提高產品的品質［3］。水產品是熱敏性物質，干燥溫度過高，干燥時間過長等都會造成其品質下降。熱泵干燥是利用熱泵從低溫熱源中吸收熱量，將其在較高溫度下釋放從而對物料進行干燥的方法。與傳統干燥相比，熱泵干燥充分利用了干燥排出的水蒸汽潛熱，整個干燥過程中幾乎沒有能量損失，比能耗低，是一種節(jié)能型新技術［4－5］。實驗表明，使用一臺功率為5.5 kW的熱泵干燥機，每小時可脫水12～15 kg，與一般氣流干燥法比較，可節(jié)能36×104kJ［5］。此外，熱泵干燥技術可實現在－20～100℃條件下對物料進行干燥，且濕度、風速等條件易于控制，整個干燥系統處于密閉狀態(tài)［6］，可避免水產品中不飽和脂肪酸的氧化和表面發(fā)黃，減少蛋白質的受熱變性、物料變形、變色和風味物質的損失。另外，熱泵干燥可以模擬自然風干燥，物料表面水分的蒸發(fā)速度與水分從內部向表面遷移的速度比較接近，保證被干燥物料品質好、產品等級高［5，7－9］。因此，熱泵干燥為水產品干制加工提供了一種新的途徑，不僅可以實現生產過程中的節(jié)能降耗，而且能生產出高附加值的淡干品，具有廣闊的應用前景。

1 基本原理

熱泵是一種從低溫熱源吸收熱量，并使其在較高溫度下作為有效熱能加以利用的熱能裝置。熱泵干燥系統主要由2個子系統構成:熱泵系統和干燥室。熱泵系統主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥4個部分組成，通過輸入少量的高品位能源(如電能)實現低品位熱能 (如空氣、水、淺層常溫土壤、太陽能和企廢熱等)向高品位的轉變。干燥室可以是托盤、流化床或傳送帶。熱泵干燥系統工作原理如圖1所示［10］。干燥空氣從干燥室入口①處進入干燥室?guī)ё弋a品中的水分，吸濕的空氣從出口②進入蒸發(fā)器的蒸發(fā)盤管。蒸發(fā)器系統有2種形式:一種是直接蒸發(fā)盤管系統，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收來自在干燥過程排放廢氣中的熱量后，由液體蒸發(fā)為蒸汽，然后降溫去濕空氣;另一種是冷凝水系統，通過控制冷凝水的流動來降溫去濕空氣。當來自干燥室出口②的濕空氣通過蒸發(fā)器出口③后，部分空氣被降至露點以下，結果有冷凝水從蒸發(fā)器中析出。制冷循環(huán)過程中，冷凝水的潛熱被制冷劑吸收并由蒸發(fā)器帶到冷凝器。在制冷劑的冷凝過程中放出這份熱量去加熱來自蒸發(fā)器的降溫去濕的低溫干空氣 (④→①)，重復加熱用于干燥的循環(huán)空氣。

圖1 典型的熱泵干燥系統

2 性能評價

通常用 MER (單位時間除濕，kg·h－1)、COP(熱泵性能系數)和 SMER［單位能耗除濕量，kg·(kW·h)－1］來綜合評價一個熱泵干燥系統的性能。這些性能評價指標各自所占權重如圖2 所示［4］。

圖2 熱泵性能指標的權重分布

MER只考慮干燥系統干燥產品的輸出量，沒有考慮干燥系統的綜合性能。熱泵的效率可用熱泵性能系數 (COP)來表示，其定義:COP=高溫下熱泵輸出的有用能量/壓縮機消耗的電能。

實際熱泵的性能系數只有理想熱泵的40%～50%。一臺有效的熱泵性能系數的COP必須>1。COP越大，熱泵效率越高。

熱泵干燥器的性能還可用單位能耗除濕量(SMER)來表示:SMER=水分蒸發(fā)量/輸入的能量［kg·(kW·h)－1］。

熱泵干燥器的SMER取決于最高空氣溫度、濕度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和泵循環(huán)的整體效率。傳統干燥器的理論SMER值為1.596 kg·(kW·h)－1(100℃)，而實際的 SMER只有理論值的20% ～80%。英國連續(xù)式對流干燥器的熱效率為50%左右，其SMER為0.8 kg·(kW·h)－1左右。大部分熱泵除濕干燥裝置的 SMER在 1～4 kg·(kW·h)－1， 平 均 值 約 為 2.5 kg·(kW·h)－1。然而，從干燥曲線的理論分析和已出版的資料來看，熱泵干燥器的SMER的平均值在某些情況下仍低于 1 kg·(kW·h)－1［11］。

熱泵干燥器的SMER隨熱泵循環(huán)的COP增加而增加，在忽略顯熱的情況下，Brundrette［12］建立了兩者的關系:

其中，hfg為水的蒸發(fā)潛熱，水在100℃時的蒸發(fā)潛熱為2 255 kJ·kg－1或 1.596 kg·(kW·h)－1。

由于熱泵干燥系統制冷工質的內循環(huán)和干燥介質的外循環(huán)之間相互制約、相互影響，致使在同一條件下不可能同時獲得最大的 COP、MER和SMER。因此，對熱泵干燥系統的性能評價時必須綜合考慮，才能得出準確的結論。

3 在水產品中應用

3.1 魚類

利用熱泵梯度變溫干燥羅非魚，結果表明，熱泵變溫干燥能提高干燥速度，降低能耗［13］。干燥溫度、風速以及魚片厚度是影響熱泵干燥羅非魚片的重要因素:在干燥溫度35℃、風速1.6 m·s－1、厚度0.4 ～0.5 cm的工藝條件下干燥速度較快，在復水時間 50 min 時復水率最高［14］。Shi等［15］發(fā)現影響竹莢魚熱泵干燥特性的主要因素包括裝料量、干燥溫度、風速和旁通比。干燥時間隨著裝料量的增加，干燥溫度和風速的降低而延長。綜合考慮干燥速率、SMER和色差，竹莢魚熱泵干燥最適宜的工藝參數為:裝料 6 kg·m－2，溫度 20～30℃，滲透液中NaCl質量分數10%，旁通比0.6～0.8，風速2.0～3.0 m·s－1。與恒溫干燥相比，變溫干燥能夠顯著地提高魚片的色澤。對于熱泵干燥半干竹莢魚片，既能縮短干燥時間又能提高魚片色澤的工藝條件為20℃ (3.5 h)→25℃ (3.5 h) →30℃ (3.5 h) →35℃ (3.5 h)［16］。龔麗等［17］采用熱泵干燥法得到半干咸魚片，產品色澤較好。熱泵在20～25℃溫度下干燥的魚片制品與洞道式蒸汽烘干房干燥的魚片相比，在色澤、營養(yǎng)、口感等方面具有明顯優(yōu)勢，取得了很好的經濟效益［18］。呂峰等［19］通過氣調熱泵干燥大黃魚，較好的改善了脫水過程中魚片的脂肪氧化、褐變及滲油等現象，并通過試驗篩選出最佳工藝條件。鄭春明等［5］使用RC2100型熱泵干燥機進行了多種魚類(池魚、柳葉魚、紅獅魚、魷魚、沙丁魚、左口魚片和小銀魚等)和海珍品 (鮮蠔、扇貝等)的干燥試驗，發(fā)現干魚產品能保持原有的色澤和風味，海產干品的質量達到了出口美、日的質量標準。陳忠忍［20］開發(fā)出一種密閉回路的熱泵干燥裝置，利用該熱泵干燥的魚平均脫水率可達 1.49 kg·(kW·h)－1，電耗較普通電熱干燥節(jié)能50%，且產品品質完全達到美國、日本等國家同類產品的質量標準。Strommen I等［9］的研究結果表明，當熱泵系統制冷量從100 kW增加到200 kW時，干燥鱈魚的產量增加了67%;空氣流速在1.5 ～4 m·s－1間變化時，對干燥產品產量影響很小;干燥速率隨比表面積的增加而增加。

3.2 蝦類

張國琛等［21］報道了當熱泵干燥溫度由 －2～0℃增加到20℃時，干燥北極蝦 (整蝦、去頭北極蝦、去殼北極蝦)的收縮率、復水能力、水分保持能力和所需的剪切力增大;干燥溫度對干燥蝦的色澤影響不顯著;解凍處理不利于蝦色澤的保持并使之收縮增加。與熱風干燥相比，利用熱泵干燥北極蝦可獲得高質量干燥產品。他們還發(fā)現去殼蝦所需干燥時間均最少，去頭蝦的干燥速度均大于整蝦;薄魚塊的干燥速度在20℃顯著大于厚魚塊的干燥速度。擴散模型可以很好地描述熱泵干燥北極蝦和魚塊的干燥特性［22］。Namsanguan Y 等［23］對蝦產品進行二級干燥處理 (首先進行過熱蒸汽干燥(140℃)，接著進行熱泵干燥 (50℃))。結果發(fā)現，與單獨的蒸汽干燥相比，蒸汽與熱泵干燥相結合降低了蝦的皺縮率和硬度，提高了蝦的復水率和色澤。

3.3 海參和扇貝類

目前國內外海參市場仍以干參為主，90%的海參被加工成各種干制品。海參干制方法主要為冷凍干燥和晾曬2種。母剛等［24］觀察到長42.22 mm的個體海參在相對濕度為28%的干燥空氣和1.80 m·s－1風速下干燥速度較快，試驗條件變化對海參收縮率的影響不明顯。與傳統干燥方法相比，熱泵干燥海參節(jié)省了干燥時間，簡化了操作步驟，提高了產品的感官品質。宋楊等［25］利用熱泵 －微波真空聯合干燥方法與單純熱泵干燥比較，前者干燥時間縮短50%以上，產品復水率有較大提高，干燥海參感官品質良好，色澤黑亮，參刺及表面無焦糊現象，外觀形狀保持完好，參體飽滿。采用熱泵除濕、熱風組合干燥的方式可實現海參程序升溫，明顯提高干后海參的復水倍數和復水品質，產品的感官品質較好。另外，用熱泵干燥加工干貝柱和鮮蠔干等，取得了海珍類加工方法的突破，產值可翻番。

3.4 魷魚

吳耀森等［26］研究魷魚低鹽腌制和傳統高鹽腌制處理以及緩蘇變溫變濕工藝對熱泵干燥魷魚干的外形、色澤和干燥速率等的影響。結果表明，低鹽腌制的魷魚經熱泵干燥結合緩蘇工藝所得的魷魚干產品質地好、色澤均勻、透明性好，且含鹽量降低1/2，干燥所需時間短。洪國偉［27］使用熱泵干燥魷魚，發(fā)現干燥產品的外觀和色澤都比較理想。任愛清等［28］報道了魷魚熱泵、熱風聯合干燥最佳工藝參數:熱泵干燥溫度4.3℃、水分轉換點32.3%和熱風干燥溫度43.5℃，在此條件下聯合干燥得到的魷魚干品質高于熱風干燥，而且干燥能耗降低了38.67%。

4 存在問題和對策

4.1 制冷劑

大部分的熱泵干燥裝置仍依靠氟利昂 (CFC)和氟氯烴 (HCFCs)制冷劑來實現熱回收、冷卻和除濕等功能，其中以氟利昂R12和R502以及氟氯烴R22在食品工業(yè)中的應用最為常見。這類物質在一定程度上會破壞大氣臭氧層，產生溫室效應。針對這一問題，人們已開始使用對環(huán)境影響小的制冷劑以及氨和水等自然制冷劑，從而減少了熱泵干燥的應用給環(huán)境帶來的不利影響。目前一些常見的替代制冷劑見表 1。比較 R717、R290、R22和R134等制冷劑的熱泵干燥機的性能，結果發(fā)現，在低溫下丙烷的SMER比液氨高3%，但在10～30℃液氨的 SMER均高于R290、R22和 R134a。在30～80℃的范圍里液氨是最佳的熱泵干燥器制冷劑。Comakli K等［29］通過實驗認為，采用 50%R404a和50%R22混合制冷劑可取代純R22工質，確定了影響 COP(冬季熱泵循環(huán)性能系數和夏季熱泵的能效比)的最主要因素是冷凝器空氣質量流量，并得出了具體數值。其它工質，如水蒸汽和空氣，鑒于廉價、易得、環(huán)保的優(yōu)點，也可以在熱泵中使用。此外，為了使熱泵干燥裝置處于最佳工作狀態(tài)，必須定期對壓縮機、過濾器、冷凝器、蒸發(fā)器等進行保養(yǎng)維護，一旦發(fā)現制冷工質泄漏就應及時補充。

表1 部分制冷劑的替代物

4.2 熱泵干燥過程的微生物安全

水產品很容易滋生微生物導致腐敗，因此在干燥過程中必須關注微生物變化。除少部分耐熱性細菌、酵母和霉菌外，大部分微生物細胞在60～80℃的干燥條件下都會被破壞。粗拙的加工處理和儲藏常常導致鹽漬干魚的保質期受到限制。Rillo BO等［30］發(fā)現每克干制鯖魚菌落總數至少為3×103個，所有的樣品對大腸桿菌、鏈球菌和葡萄球菌顯陽性，弧菌和梭菌沒有檢測到，而沙門氏菌只存在于部分樣品中。鹽漬和干燥能降低細菌總數，但不能消除病原體。Waliuzzaman A等［31］人研究了低溫條件下熱泵干燥過程中鲹 (格魯吉亞鲹屬)中的微生物生長情況。結果發(fā)現，在干燥過程中魚的微生物仍能生長，微生物數量隨溫度降低而降低，但與相對濕度無關。降低產品的水分活度能抑制微生物的生長，但是不能保證產品無菌。盡管低干燥溫度是保持干制品感官品質的最佳方法，但在干燥過程中盡可能采用高的干燥溫度以殺滅微生物?；蛘咴诟咚趾康那闆r下先采用高溫干燥，然后在低水分含量時采用低溫干燥。

4.3 熱泵干燥系統的模塊化和自動化

熱泵干燥機一般將冷卻元件和干燥室集成為一個完整的干燥單元。熱泵干燥機的干燥能力由干燥室的尺寸和產品的最大負載決定，這限制了制冷設備的增加，無法滿足大批量生產的需求。若一個元件發(fā)生故障，將導致冷卻元件部分或完全的替換，干燥操作就不得不停止，致使干燥機停工以及產品產能的大幅下降。如果將干燥系統中冷卻設備和干燥室采用獨立的模塊設計，使用時用工業(yè)空氣連接管連接即可，進入連接管的空氣經過制冷系統的調節(jié) (指調節(jié)空氣的溫度、流速和絕對濕度)后在進入干燥室干燥。這樣就保證了熱泵的各個元件能夠像模塊化的單元一樣被靈活的拆裝，并可以輕松地被連接到其他的干燥機或一般的空氣調節(jié)設備中。同時，模塊化的熱泵系統設計能夠更好的滿足高附加值產品要求，干燥室大小改變和配置也更加簡單。此外，簡單的維護和維修工作可以在干燥機工作的情況下完成，從而降低了產品破壞或變質的可能性。

干燥加工是一個復雜多變的過程，應根據物料脫水情況及環(huán)境狀況實時調控干燥工藝參數，但手動調節(jié)難度較大，所以自動化控制顯得尤其重要。可將現代檢測、傳感及控制技術結合起來應用于熱泵干燥加工，如PID(比例積分與微分)控制法和模糊控制相結合，提高熱泵干燥機干燥介質的控制精確度，實現對干燥質量的在線、智能控制，進而降低操作成本和提高干燥品質。

4.4 聯合式熱泵干燥系統的研制

由于熱泵工作溫度受到熱泵工質和壓縮機運行條件的限制，加上對流干燥本身的不足，熱泵的特點還沒有更好地發(fā)揮出來。在熱泵干燥系統中，采用微波、高頻電磁波或紅外線等加熱源作為輔助的加熱干燥方式，可以提高干燥溫度和速度，同時能減少熱泵系統本身的熱負荷載量。如今，太陽能、地熱及廢熱等可再生或低品位能源在熱泵干燥系統的應用成為研究者們關注的焦點。

4.5 多干燥室的熱泵干燥系統研制

因為許多食品具有較長的干燥降速期，所以用一個小容量熱泵為多個干燥室提供干燥空氣的熱泵干燥系統的設計是可行的。這種系統具有下列優(yōu)勢:能夠改善產品質量，比如好表面色澤和低表面硬化;充分利用回收熱中的潛熱以提高能量利用效率;能夠減少總的投資成本和和占地面積;易于控制不同干燥室中不同產品的干燥溫度。當只需要很少一部分對流空氣來除濕時，幾個干燥室將按照一定的次序來運行。從熱泵來的空氣可以直接或者按預定設置的次序分送到兩個或多個干燥室中，用于干燥相同或不同的產品，可以保證熱泵一直在最優(yōu)狀態(tài)下運行。

5 小結

熱泵干燥技術因具有高效節(jié)能，成本較低，能對干燥介質的溫度、濕度、氣流速度進行準確獨立控制，干燥品質良好等優(yōu)點，在世界能源短缺和環(huán)境日益惡化的背景下，備受干燥行業(yè)的關注。尤其是該技術能在相對低的溫度下對物料進行干燥，這對蛋白質含量較高的水產品而言具有重要的現實意義。因而，熱泵干燥在高附加值的水產品加工方面具有非常廣闊的應用前景。新型環(huán)保制冷劑的開發(fā)，減少了因環(huán)境問題給熱泵干燥的應用帶來的不利影響。為了進一步提高熱泵干燥系統的效能和干燥產品的質量，模塊化、自動化、聯合式或多干燥室的干燥系統將是水產品熱泵干燥技術的主要發(fā)展方向。

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