脊腹褐蝦低溫熱泵聯(lián)合干燥技術優(yōu)化及質(zhì)量分析

施政宇，裘曉華，王 歡，白 冬，俞群娣，林 琳，謝 超

（浙江省海產(chǎn)品健康危害因素關鍵技術研究重點實驗室，浙江海洋大學食品與醫(yī)藥學院，浙江舟山 316022）

脊腹褐蝦低溫熱泵聯(lián)合干燥技術優(yōu)化及質(zhì)量分析

施政宇，裘曉華，王 歡，白 冬，俞群娣，林 琳，謝 超

（浙江省海產(chǎn)品健康危害因素關鍵技術研究重點實驗室，浙江海洋大學食品與醫(yī)藥學院，浙江舟山 316022）

為了提高海捕脊腹褐蝦干制品的質(zhì)量，采用低溫熱泵聯(lián)合干燥技術，對脊腹褐蝦干制品的色差值、復水比、細菌總數(shù)、T-VBN值以及能耗值等指標進行分析測定。結果表明：低溫熱泵聯(lián)合干燥技術較傳統(tǒng)單一干燥技術在干燥效果、干燥能耗以及投入設備成本等方面更具有優(yōu)勢。進一步對影響低溫熱泵干燥技術的因素主要包括填物料量、循環(huán)風速、干燥室溫度和相對濕度等進行優(yōu)化。研究結果表明：脊腹褐蝦在干燥室相對濕度控制35%、干燥室溫度為45℃、裝填物料量為8 kg、循環(huán)風速為2.5 m/s時候干燥效果最佳，且節(jié)能效果明顯，能耗降低達到35.2%。該成果的成功開發(fā)對降低水產(chǎn)品干燥過程中的耗能問題具有促進作用。

脊腹褐蝦；低溫熱泵技術；聯(lián)合干燥；質(zhì)量分析

脊腹褐蝦體型較小，肉質(zhì)鮮美，蛋白含量高，富含鉀、碘、鎂、磷等礦物質(zhì)及維生素A、氨茶堿等成分，其肉質(zhì)和魚一樣松軟，易消化，是身體虛弱以及病后需要調(diào)養(yǎng)病人的極好的營養(yǎng)食物。常溫貯藏的高水分調(diào)理脊腹褐蝦含有豐富的鎂，對心臟活動具有調(diào)節(jié)作用，能很好保護心血管系統(tǒng)。并且高水分脊腹褐蝦其口感嫩滑，味道淡雅，同時也很好地保持了原料蝦本身的口感、外觀和質(zhì)構。

干燥技術是水產(chǎn)品加工的重要過程之一。近年來，已有多種新型聯(lián)合干燥方式加以運用，如洪國偉[1]用熱泵干燥器干燥水產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)效果明顯優(yōu)于熱風干燥。由于傳統(tǒng)熱風干燥能耗較高，途中排放出很多廢氣，急需改進干燥工藝[2]。而低溫熱泵技術能將潛熱轉化為顯熱，具有良好的節(jié)能特性，緩解水產(chǎn)品高消耗、低品質(zhì)的問題而被迅速推廣應用。

為了改善單一干燥技術的缺點，試將低溫熱泵與熱風技術于干燥前后階段組合使用，以期達到提高干燥質(zhì)量和降低干燥能耗的效果。李遠志等[3]針對胡蘿卜低溫熱泵-熱風組合干燥，而得到了產(chǎn)品良好的效果；李暉等[4]用熱泵與熱風聯(lián)合干制懷山藥片取得最佳工藝條件。因為熱泵-熱風組合干燥的前期溫度偏低，正好可以緩解魚干表面形成硬殼，內(nèi)部水分擴散不出的問題，后期提高干燥速度，減少能耗，使得最終獲得低水量、高品質(zhì)的干制脊腹褐蝦產(chǎn)品。本研究將利用低溫熱泵-熱風聯(lián)合干燥技術，針對脊腹褐蝦進行干燥研究，并對其干燥條件進行優(yōu)化，以期獲得能耗低、品質(zhì)高的蝦干制品。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

材料：脊腹褐蝦由舟山昌國食品有限公司提供；電熱恒溫鼓風干燥箱；殺菌鍋；WSC-S色差計；DSC-7型量熱掃描儀。

1.2 實驗儀器

熱泵-熱風干燥一體機（自制）；殺菌鍋（上海申安醫(yī)療器械廠）；DSC-7型量熱掃描儀（上海發(fā)瑞儀器科技有限公司）。

1.3 實驗流程

脊腹褐蝦→預處理→清洗→除雜質(zhì)→再清洗→熱泵單因素試驗→聯(lián)合干燥試驗→產(chǎn)品質(zhì)量分析→貯存保藏。

1.4 實驗方法

1.4.1 聯(lián)合干燥技術優(yōu)化

分析不同干燥溫度下對脊腹褐蝦干燥速度和品質(zhì)的影響。設定干燥室的相對濕度為35%，循環(huán)風速為2.5 m/s，溫度分別為35、45、55℃進行試驗。為隨機采樣4份經(jīng)過預處理后脊腹褐蝦4 kg，然后平整鋪在干燥箱內(nèi)托盤上。讓其自然冷卻，再由感官小組進行品質(zhì)鑒定。為了確保實驗數(shù)據(jù)準確性,降低試驗偶然性跟隨機性，每一組都要重復3次試驗，剔除異常數(shù)字，做好記錄。

1.4.1.1 裝填物料量改變物料量，分析物料量對于干燥速率和品質(zhì)的影響。設定干燥室溫度為45℃，相對濕度為35%，循環(huán)風速為2.5 m/s，選取分別為4、8、12 kg的脊腹褐蝦。平整地鋪在干燥箱內(nèi)托盤。干燥完后自然冷卻,感官小組進行品質(zhì)鑒定。

1.4.1.2 循環(huán)風速試驗改變風速，分析風速對干燥速率和品質(zhì)的影響。設定干燥室溫度為45℃，相對濕度為35%，控制干燥室內(nèi)的風速分別是1.5、2.5、3.5 m/s。并且將脊腹褐蝦在干燥箱內(nèi)的托盤上平整地鋪好。干燥完之后放置一段時間，讓其自然冷卻，之后再由感官小組進行品質(zhì)的鑒定。

1.4.1.3 干燥室相對濕度試驗改變干燥箱內(nèi)空氣相對濕度，分析相對濕度對干燥速率和品質(zhì)的影響。設定干燥室溫度為45℃,控制循環(huán)風速為2.5 m/s，脊腹褐蝦量為4 kg。分別保持相對濕度為25%、35%、45%。干燥完之后自然冷卻，由感官小組進行品質(zhì)鑒定。

1.4.2 干制品含水率確定

根據(jù)不同干燥條件下的干燥曲線確定脊腹褐蝦的含水量。試驗開始，記錄下最開始的脊腹褐蝦水分含量，之后放入干燥箱中，每隔1 h測定蝦水分含量，得出含水率。在蝦干含水率快要接近20%的時候，記錄下干燥時間下水分含量變化。根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制出海捕蝦在不同干燥條件下的干燥曲線。

1.4.3 干制品色差值的測定

用WSC-S型色差計來測定蝦干的顏色。L*值表示亮度,其值表示黑色到白色的變化；b*表示黃色度，表示有色物質(zhì)的黃藍偏向；a*值紅色度，表示有色物質(zhì)的紅綠偏向。每樣都從不同的角度分別讀取數(shù)據(jù)，平行測試3次，記錄下數(shù)據(jù)。

1.4.4 干制品單位能耗除濕量(SMER)的測定

單位能耗除濕量(SMER)是衡量干燥系統(tǒng)性能的指標。具體指干燥系統(tǒng)所消耗1 kJ所去除的水分質(zhì)量。具體的計算公式如下：

式中，M為水分蒸發(fā)量，M=總物料×(初始含水量-實時含水量)；Wi為干燥階段所消耗總電能。

1.4.5 細菌總數(shù)的測定

按照《GB/T4789.2-2003》食品微生物學檢驗菌落的測定方法，測定干燥細菌總數(shù)。

1.4.6 復水比(RR)值的測定

干制品浸水后，復水比為一定時間里干制品復水后總重與復水前總重之比，計算公式如下：RR=Wr/ Wd

式中，RR為復水比，Wr為復水后重量，Wd為復水前重量。

2 結果與分析

2.1 干燥方式品質(zhì)與能耗比較

2.1.1 干制品的T-VBN值

圖1為不同干燥方式下，蝦干制品中測定的T-VBN含量。從圖1中可看出采用單一干燥(HPD)和聯(lián)合干燥的產(chǎn)品的TVBN值沒有特別明顯的差異，兩者間數(shù)據(jù)比較接近。另可直觀看出采用傳統(tǒng)熱風干燥(AD)方式，產(chǎn)品T-VBN數(shù)值最大。根據(jù)圖1可看出聯(lián)合干燥(HPD+AD)產(chǎn)品的T-VBN值最低，聯(lián)合干燥與熱泵干燥產(chǎn)品效果相差并不大，但是都要優(yōu)于傳統(tǒng)熱風干燥。因此聯(lián)合干燥能較好保持海捕蝦的品質(zhì)。

圖1 干燥方式對海捕蝦T-VBN值的影響Fig.1 T-VBN value of C.affinis in different dehydration methods

2.1.2 干制品的SEMR值

根據(jù)圖2可看出，采用不同干燥方式可得海捕蝦能耗SMER值的不同影響，傳統(tǒng)熱風干燥(AD)單位能耗除濕值數(shù)值最小，小于其他兩種干燥。其次是熱泵干燥，其介于另兩種干燥技術間。而聯(lián)合干燥技術(HPD+AD)單位能耗除濕值最高。熱泵-熱風聯(lián)合干燥SMER值是AD樣品的152.7%，是HPD處理樣品的113.3%。由此推斷，聯(lián)合干燥比單純熱風干燥節(jié)能達35.2%。熱泵在干燥后期重新利用的水蒸氣減少，需另電加熱而增加能耗損失。聯(lián)合干燥在后期關閉熱泵系統(tǒng)，避免損耗，從而更節(jié)能。

圖2 干燥方式對海捕蝦SEMR值的影響Fig.2 The SEMR value of C.affinis in different dehydration methods

2.1.3 干制品的色差

食品原料在干燥過程中均會發(fā)生化學變化，其中色澤是干制品一個重要指標[5]。在干燥中，影響干品顏色變化包括干燥溫度、干燥方式及含水量變化、物料種類等因素。采用不同干燥技術處理，海捕蝦干所得色差值見表1，從表1的數(shù)據(jù)中可直觀的看出聯(lián)合干燥(HPD+AD)和單一干燥技術(HPD)干燥的蝦產(chǎn)品較接近，色差值比(AD)干燥的產(chǎn)品更小，表示色澤更優(yōu)。

2.1.4 干制品的細菌總數(shù)

用不同干燥方式，海捕蝦干制品細菌總數(shù)含量有著明顯差別，結果如圖3所示。單一熱泵干燥(HPD)的干燥產(chǎn)品細菌總數(shù)含量最低，而傳統(tǒng)熱風干燥(AD)干燥處理海捕蝦產(chǎn)品細菌總數(shù)含量比另外兩種方式處理要高。而從圖中看出，熱泵-熱風聯(lián)合干燥(HPD+AD)干燥產(chǎn)品檢測出的細菌含量處于兩者之間。聯(lián)合干燥在后期采用的是開放式熱風干燥，但物料一直保持處在低水分狀態(tài)，微生物難到生長所需水分，數(shù)量難增加。最終聯(lián)合干燥下檢測出的細菌總數(shù)低于AD。而熱泵干燥整個過程封閉，得到產(chǎn)品中微生物含量要少很多。

表1 不同干燥方式下樣本的色差值Tab.1 Color difference of samples in different dehydration methods

圖3 干燥方式對海捕蝦細菌總數(shù)的影響Fig.3 The total number of bacterial colony in C.affinis in different dehydration methods

2.1.5 干制品的復水比

復水性可用復水比表示，即在一定時間里干制品復水后總重與復水前總重之比。不同干燥方式對海捕蝦復水比影響如圖4所示。直觀可見熱泵-熱風聯(lián)合(HPD+AD)與熱泵技術(HPD)干燥產(chǎn)品的復水比值相差距離不大，都高于熱風干燥。干制品的復水效果與細胞結構完整程度相關密切?？傮w表現(xiàn)來看，樣品含水量越高，其破壞程度越大。聯(lián)合干燥產(chǎn)品復水比相對熱泵技術(HPD)而言要稍高，究其原因是由于水分在熱泵干燥后期含量逐漸減少，減輕了對海捕蝦細胞結構的損壞，保持樣品的多孔性[2]。海捕蝦聯(lián)合干燥后期水分量也少，此階段配合熱風干燥，使得細胞結構破壞量小，所以聯(lián)合干燥產(chǎn)品復水比也高。

圖4 干燥方式對海捕蝦復水比的影響Fig.4 The rehydration rate of C.affinis in different dehydration methods

將采用3種不同干燥方式而得到的T-VBN值、能耗、色差、復水比等數(shù)據(jù)進行比照，綜合各參數(shù)可得，聯(lián)合干燥技術綜合效果更優(yōu)。熱風與熱泵這兩種干燥方式究其本質(zhì)為空氣對流干燥。而熱泵干燥利用熱泵從低溫吸熱，高溫放熱的特性來干燥物料。因其封閉的系統(tǒng)，可更加節(jié)約能源，而且更環(huán)保。但熱泵在干燥后期由于物料蒸發(fā)出來的水分較少，能耗升高，影響了運行速率，需電加熱輔助干燥,加大能耗成本，不能充分體現(xiàn)熱泵優(yōu)勢[6]。為了彌補這個不足，采用聯(lián)合干燥方式，前期采用熱泵干燥，后期采用熱風干燥，既減少能耗，又能保證海捕蝦干制品的質(zhì)量。

2.2 脊腹褐蝦聯(lián)合干燥單因素試驗分析

2.2.1 干燥溫度試驗

聯(lián)合干燥技術隨溫度升高，脊腹褐蝦干燥速率加快。溫度變化帶動脊腹褐蝦速率改變?nèi)鐖D5所示。從熱力曲線可看出干燥溫度與脊腹褐蝦干燥速率密切相關。不管干燥溫度高低，其值的變化情況都會對熱泵-熱風干燥產(chǎn)生影響。如溫度過高，脊腹褐蝦表面失水速率過大，中間水分反向流動。這些情況易造成產(chǎn)品表面結痂現(xiàn)象，使產(chǎn)品內(nèi)外品質(zhì)相差頗大。而當溫度過低時，水分梯度雖保持由內(nèi)向外流動，但速度緩慢，延長了干燥的時間[7]。因此，干燥過程應選擇適當?shù)臏囟?，使整個干燥過程干燥速度盡可能匹配設備能力，充分發(fā)揮熱泵-熱風干燥的性能，達到最佳干燥效果。

圖5 不同溫度下脊腹褐蝦聯(lián)合干燥曲線Fig.5 The dehydration curves of C.affinis in different temperatures

不同干燥溫度下，對比脊腹褐蝦干感官品質(zhì)數(shù)值，結果如圖6所示。脊腹褐蝦品質(zhì)質(zhì)量與干燥溫度反線性相關，隨著溫度升高，干制品品質(zhì)反而下降。另外圖6可知，當干燥溫度低于55℃，脊腹褐蝦干品質(zhì)之間相差并不是很大，而當干燥溫度高于60℃時，脊腹褐蝦干質(zhì)量直線下降。肉眼觀察到表面變硬,且能聞到異味。究其原因,可能是脊腹褐蝦蛋白質(zhì)變質(zhì)和溫度過高，使內(nèi)部與表面水分分布不均。40℃左右引起肌球蛋白和副肌球蛋白在變性;而50℃導致結締組織變性;當干燥溫度達65℃時，引發(fā)肌動蛋白性狀改變?？v向肌肉內(nèi)結締組織決定脊腹褐蝦品質(zhì)高低，所以，干燥溫度一般小于60℃。另外，在干燥過程中，應盡量控制內(nèi)部的水分轉移速率，使水分內(nèi)外擴散速率相近，否則會影響脊腹褐蝦最終干燥品質(zhì)。

圖6 不同溫度下干燥脊腹褐蝦的感官品質(zhì)Fig.6 Sensor quality of C.affinis dried in different temperatures

2.2.2 循環(huán)風速試驗

風速變化帶動脊腹褐蝦聯(lián)合干燥速率變化效果如圖7所示。在一定范圍內(nèi)，干燥風速加快，干燥速率也隨之加快。然而風速增大到一定程度之后，再加大風速反而會使干燥的速率減慢。風速為2.5 m/s的風速在后期就要高于3.5 m/s的干燥速率。因為熱泵是一個封閉式的循環(huán)除濕系統(tǒng)，濕介質(zhì)與蒸發(fā)器的熱交換受風速的影響，風速太快，使得熱交換不易進行。若溫度較高使冷凝水可能重蒸會干燥介質(zhì)中，使脊腹褐蝦干燥速率變的緩慢，花費更長時間。因此，干燥干制品時，要選擇適宜風速，不能太高。

圖7 不同循環(huán)風速脊腹褐蝦聯(lián)合干燥曲線Fig.7 Dehydration curves of C.affinis in different aeration speed

2.2.3 裝填物料量試驗

隨物料量增大，干燥速率逐漸減慢，干燥時間也隨之加長?？疾觳煌垢购治r物料量對聯(lián)合干燥效果影響，結果如圖8。根據(jù)干燥曲線數(shù)據(jù)，物料量與干燥速率相關密切。究其原因是因為同等消耗，系統(tǒng)的排水能力一定，而物料越大，系統(tǒng)內(nèi)水分居高不下，使得干燥室內(nèi)相對濕度偏高，從而導致干燥速率下降。速率降低后某刻，物料總失水量會平衡系統(tǒng)除濕能力。達到平衡時間長短受物料量大小決定，且脊腹褐蝦物料量大，所花費的時間也越長。因此，應適當選擇裝填物料量，保持干燥速率，減少不必要時間。

圖8 不同物料量脊腹褐蝦聯(lián)合干燥曲線Fig.8 Dehydration curves of C.affinis in different bulks

圖9數(shù)據(jù)變化，其顯示物料量對脊腹褐蝦聯(lián)合干燥SMER值影響。在一定程度范圍，物料量與SMER值成正相關關系。但當物料量增加達一定數(shù)值后，單位能耗除濕效率SMER值變化幅度減緩，這主要是達設備除濕閾值。因此可得，只有適當增加物料量，才可以帶動除濕效率，以降低熱泵干燥能耗。

圖9 不同物料量脊腹褐蝦聯(lián)合干燥SEMR值Fig.9 The SEMR value of C.affinis in different bulks

物料量大小造成脊腹褐蝦干品質(zhì)好壞影響結果如圖10所示。從圖10可得，物料量造成脊腹褐蝦干燥品質(zhì)影響并不顯著，其結果相差并不大。物料量影響脊腹褐蝦干品質(zhì)的因素，主要在于由干燥中脊腹褐蝦水分含量，物料量越大，脊腹褐蝦的失水量越大，使得空間內(nèi)相對濕度上升。進而脊腹褐蝦表面水分擴散減緩，內(nèi)部水分不易擴散到表面，表面易變硬，影響了脊腹褐蝦的品質(zhì)。

圖10 不同物料量干燥脊腹褐蝦的感官品質(zhì)Fig.10 Sensor quality of C.affinis dried in different bulks

2.2.4 干燥相對濕度試驗

圖11顯示，干燥介質(zhì)相對濕度越低，對物料干燥越有利。但相對濕度范圍變化也受熱泵干燥的干燥速率的影響，而干燥速率又限制于熱泵最大除濕閾值。由圖11可得，在聯(lián)合干燥初期，相對濕度與聯(lián)合干燥速率關系并不關聯(lián)，隨后才逐漸顯示出來兩者關系。原因在于前期物料的水分較高，密閉環(huán)境下，熱泵除濕速率遠低于出水速率，使得濕球控制失去應有的功能。隨著干燥進行，兩個速率達平衡，干濕球控制相對濕度作用逐漸表露，此時干燥相對濕度保持設定數(shù)值不變，相對濕度對聯(lián)合干燥速率影響才變得明顯。

圖11 不同相對濕度脊腹褐蝦聯(lián)合干燥曲線Fig.11 Dehydration curves of C.affinis dried in different relative air humidity

3 結論

通過對脊腹褐蝦低溫聯(lián)合干燥技術的優(yōu)化對干燥產(chǎn)品品質(zhì)的質(zhì)量分析，結果表明低溫熱泵聯(lián)合干燥技術較傳統(tǒng)單一干燥技術在干燥效果、干燥能耗以及投入設備成本等方面更具有優(yōu)勢。進一步對影響低溫熱泵干燥技術的因素主要包括填物料量、循環(huán)風速、干燥室溫度和相對濕度等進行優(yōu)化。研究結果進一步表明：脊腹褐蝦在干燥室相對濕度控制35%、干燥室溫度為45℃、裝填物料量為8 kg、循環(huán)風速為2.5 m/s時候干燥效果最佳，并且節(jié)能效果明顯，能耗降低達到35.2%。該成果的成功開發(fā)對降低水產(chǎn)品干燥過程中的耗能問題具有促進作用。

[1]洪國偉.熱泵干燥器在水產(chǎn)品加工中的應用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2001(3):28-29.

[2]RAHMAN N S.Drying of fish and seafood[M]//MUJUMDAR A S,ed.Handbook of Industrial Drying.3rd ed.Boca Raton,F L, USA:CRC Press,2006:547-559.

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[4]李 暉,任廣躍,時秋月,等.懷山藥片熱泵-熱風聯(lián)合干燥研究[J].食品科技,2014,39(6):101-105.

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[6]胡 斌,王文毅,王 凱，等.高溫熱泵技術在工業(yè)制冷領域的應用[J].制冷學報,2011,32(5):1-5.

[7]CHUA K,CHOU S K.A modular approach to study the performance of a two-stage heat pump system for drying[J].Applied Thermal Engineering,2005,25(8/9):1 363-1 379.

Low-Temperature Heat-Pump Combined Dehydration for Crangon affinis and the Quality Assessment

SHI Zheng-yu,QIU Xiao-hua,WANG Huan,et al
(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Health Risk Factors for Seafood,Food and Medicine School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

We developed a technology of low-temperature heat-pump combined dehydration for Crangon affinis process,for which indices of color difference,rehydration ratio,total number of bacteria,T-VBN(total volatile basic nitrogen)value,and energy cost were assessed.Results showed that the technology effectively reduced the energy consumption and equipment costs,and easily to be applied.In our experiment,the optimal conditions included:individual fish weight about 500 g,room temperature 55°C,aeration speed 2.5 m/s,bulk weight 8 kg,and relative humidity in drying chamber 35%,under which electric cost was reduced by 32.4%. This achievement could improve the seafood process and preservation.

Crangon affinis;low-temperature heat-pump;combined dehydration;quality analysis

TS254

A

1008-830X(2016)04-0276-06

2016-04-20

浙江省自然科學基金項目（LY14C200002）；舟山市科技計劃項目（2014C41010；2014C41011）

施政宇（1994-），浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：食品科學與工程.

謝超，副教授.E-mail:xc750205@163.com