不同干燥方法對魚明膠干燥特性的影響

王珊珊，吳中華，李 凱，郭海濱，趙 勇

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

明膠主要來源于動物的皮膚、骨、肌膜等結(jié)締組織，富含人體需要的 20種氨基酸[1-2]．目前，明膠的生產(chǎn)方式有酸法、堿法、鹽堿法和酶法．酸法和堿法為主要方式，其中堿法大約占80%[3-5]．明膠在醫(yī)藥、食品、化工產(chǎn)業(yè)均有應用[6]，在醫(yī)藥方面可以制作膠囊、防潮劑等[7-8]；在食品行業(yè)用作保鮮劑等[9-10]；在化工行業(yè)可以制作明膠纖維等[11]．因此，明膠的產(chǎn)量較大[12]．

目前，明膠干燥方法有真空冷凍干燥[13]、氯化鋰法[14]、噴霧干燥[15]．真空冷凍干燥法的優(yōu)點是干燥量大、對膠液濃度和黏度要求較寬等，缺點是干燥周期長、對有效成分破壞大、易污染等．氯化鋰法對設備的腐蝕性大，產(chǎn)品價格高，生產(chǎn)周期長．噴霧干燥是利用霧化器將料液分散為細小霧滴，并在熱干燥介質(zhì)中迅速蒸發(fā)溶劑，形成干粉產(chǎn)品的干燥技術(shù)，具有蒸發(fā)面積大、干燥時間短、對有效成分破壞少等優(yōu)點，但是噴霧干燥的出口溫度較高，而明膠熔點較低，因此其成型率非常低，導致最終產(chǎn)量低．

本文分別采用真空干燥、熱風干燥、微波干燥的方法干燥明膠溶液，旨在尋找一種合適的干燥方式，使得明膠能夠在較短時間內(nèi)干燥到適于保存的要求(濕基含水率10%)，從而降低干燥成本．

1 材料與方法

1.1 實驗原料

明膠粉由廣東明洋明膠有限責任公司提供，從羅非魚魚皮和魚鱗中提取，初始濕基含水率為10%．

將明膠粉與純凈水在燒杯中混合，置于 60℃的水浴鍋中，用玻璃棒慢慢攪拌，配成濕基含水率為70%的明膠溶液．

1.2 實驗儀器

SY-4型熱風干燥箱，北京華珍烘烤系統(tǒng)設備工程有限公司；CT-2000H型真空干燥箱，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；ZDM-2B型微波干燥箱，南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司；Ti50型紅外熱像儀，美國FLUK公司；HW/SHW-3L/5L型智能數(shù)顯多功能油水浴鍋，鄭州博科伏器設備有限公司；JS15-02型精密電子天平(0.1g)，上海浦春計量儀器有限公司．

1.3 實驗方法

根據(jù)廠家提供的資料，魚明膠在高于 50℃將發(fā)生結(jié)構(gòu)的降解，影響明膠成品的品質(zhì)，因此將最高溫度限定在 50℃，實驗溫度為 30、40、50℃；熱風干燥的濕度為 20%、40%；真空干燥的壓力為 30、50、70kPa；微波干燥的功率為270W．

實驗時，將培養(yǎng)皿編號并稱量；按設定高度(2、5、6mm)倒入明膠溶液后，再次稱量；分別進行熱風干燥、真空干燥、微波干燥，定時取出稱量，直至試樣的濕基含水率降至 10%，結(jié)束實驗．其中高度為2mm 的明膠溶液，除干燥外，還用紅外熱像儀測量其表面溫度分布．實驗重復3次，取其平均值．

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風干燥

圖1是高度分別為5mm和6mm的明膠溶液在空氣濕度為20%下的干燥曲線．圖2是高度為6mm的明膠溶液在不同溫度和空氣濕度時的干燥曲線．

圖1 空氣濕度20%時的明膠熱風干燥特性Fig. 1 Hot air drying characteristics of gelatin at 20%air humidity

圖2 6 mm明膠溶液熱風干燥特性Fig. 2 Hot air drying characteristics of 6 mm gelatin

從圖1可以看出：明膠干燥是一個降速干燥為主的干燥過程，內(nèi)部水分傳遞占主導．高度為 6mm 的明膠，在50℃下將含水率從70%降至10%需8h，而在30℃下需10h以上；當明膠高度為5mm時，干燥時間從8h降至6h．

從圖 2可以看出，溫度越高干燥速率越快．比較圖2中相同溫度和不同濕度條件的熱風干燥發(fā)現(xiàn)：溫度為40℃和50℃時，空氣濕度對干燥速率影響不顯著，可以忽略不計，空氣濕度為40%和20%兩條曲線變化速率大致相同；而在溫度為 30℃時，空氣濕度對干燥速率的影響較顯著，空氣濕度為 20%的初始干燥速率比空氣濕度為 40%的快，可能的原因是在一定溫度條件下，相對濕度影響明膠內(nèi)部的平衡含水率，相對濕度越小平衡含水率越低．

圖 3是高度為 5mm的明膠溶液在空氣濕度為20%，溫度分別為 30、40、50℃，干燥結(jié)束時呈現(xiàn)的形狀．觀察干燥后的明膠形態(tài)可知干燥溫度越高，明膠受熱越充分．5mm 明膠溶液在空氣濕度為 40%、6mm 明膠溶液在空氣濕度為 20%、6mm 明膠溶液在空氣濕度為 40%條件下干燥后的明膠與 5mm明膠溶液在空氣濕度為 20%條件下干燥后的明膠相似，所以只給出了5mm明膠溶液在空氣濕度為20%條件下的干燥結(jié)果．

圖3 5 mm明膠溶液在空氣濕度為 20%時熱風干燥后的形態(tài)Fig. 3 Morphology of 5 mm gelatin after hot air drying at 20% air humidity

綜上所述，明膠熱風薄層干燥是一個內(nèi)部水分傳遞占主導的降速干燥過程，干燥速度緩慢．在熱風干燥過程中，熱風溫度和高度是兩個重要參數(shù)．

2.2 真空干燥

圖 4顯示了 5mm明膠溶液在不同溫度和壓力下的干燥曲線．從圖 4可以看出：整個干燥過程只有降速階段，沒有恒速階段；溫度和壓力對干燥過程影響顯著，在相同壓力條件下，溫度越高，干燥速率越快；在相同溫度條件下，壓力越小(真空度越高)，干燥速率越快．在溫度為 30℃時(圖 4(a))，不同壓力條件下明膠的干燥速率均變化緩慢．但溫度為 40℃和50℃時(圖4(b)和圖4(c))，30kPa和50kPa壓力條件下，初始時刻的曲線變化十分陡峭，含水率迅速下降，并且壓力越低，曲線下降越快速．可能的解釋是：一方面，壓力降低導致水分蒸發(fā)溫度降低，明膠內(nèi)水分易于相變蒸發(fā)；另一方面，壓力降低，使得明膠內(nèi)外壓差增大，在壓差作用下，明膠內(nèi)易形成氣泡．氣泡破裂使得明膠內(nèi)部留下孔隙，增加了明膠內(nèi)部水分向外溢出通道[16]，從而提高了明膠干燥速率．氣泡現(xiàn)象使得明膠干燥速率加快，干燥時間大大縮短．通過比較發(fā)現(xiàn)，熱風干燥在高度 5mm、干燥溫度 50℃時，明膠含水率從 70% 降至 10%需 6h，而相同溫度時真空干燥在 50kPa下需 65min，30kPa下需45min．

圖4 5 mm明膠溶液的真空干燥特性Fig. 4 Vacuum drying characteristics of 5 mm gelatin

實驗發(fā)現(xiàn)，高度為5mm和6mm明膠溶液的干燥趨勢相同，因此對于高度6mm明膠溶液僅給出了在50℃、不同壓力下的干燥曲線，見圖5．

比較圖 4(c)和圖 5可以看出：不同高度明膠溶液的真空干燥過程不一樣．隨著厚度的增加，干燥時間會延長，其干燥曲線發(fā)生變化；高度 5mm 明膠在30kPa和 50kPa壓力下的干燥曲線在初始時刻出現(xiàn)重合；厚度 6mm明膠溶液在 50kPa和 70kPa壓力下的干燥曲線則是在干燥過程中有部分重合．

圖5 6 mm明膠溶液在溫度為50℃時的真空干燥特性Fig. 5 Vacuum drying characteristics of 6 mm gelatin at 50℃ temperature

圖 6是 5mm明膠溶液在 30℃、不同壓力條件下干燥結(jié)束時的形態(tài)．真空干燥采用 30℃(30、50、70kPa)、40℃(30、50、70kPa)、50℃(30、50、70kPa)的實驗條件，干燥結(jié)束時的明膠形態(tài)與圖 6類似，因此沒有列出．比較圖 6的 3個分圖可以發(fā)現(xiàn)：壓力越小(真空度越高)干燥過程越容易出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象，從而可以增加水分溢出的通道，使得干燥速率加快，縮短干燥時間．

圖6 5 mm明膠溶液在溫度為30℃時真空干燥后的形態(tài)Fig. 6 Morphology of 5 mm gelatin after vacuum drying at 30℃ temperature

2.3 微波干燥與熱風干燥的比較

采用高度為5mm、6mm明膠溶液進行熱風干燥實驗的耗時長，干燥不均勻，隨著明膠溶液高度的增加，干燥耗時變得越長，不利于明膠干燥．為了更好地比較微波干燥和熱風干燥，選擇高度2mm的明膠溶液進行干燥實驗．實驗表明，微波功率采用 270W時，可保證物料的表面溫度不高于 50℃，因此采用270W 的微波功率，實驗用微波干燥箱的微波腔內(nèi)沒有轉(zhuǎn)盤．

圖 7比較了 2mm明膠溶液在微波干燥和熱風干燥方式下干燥曲線．從圖 7中可以看出：2mm 明膠溶液在 50℃熱風干燥條件下，初始含水率從 70%干燥至 10%需約 60min；而在微波功率 270W 條件下的干燥時間為 40min．由此可見，微波干燥比熱風干燥速度更快，主要原因是微波對明膠整體加熱，物體內(nèi)外受熱均勻，促進水分由內(nèi)向外傳遞，加快水分蒸發(fā)．

圖7 2 mm明膠溶液在微波干燥(270 W)和熱風干燥(50℃)時干燥特性Fig. 7 Drying characteristics of 2 mm gelatin during microwave drying(270 W)and hot air drying(50℃)

而在熱風干燥過程中，熱風熱量首先傳遞至明膠表面，然后向內(nèi)部傳遞．熱量傳遞方向和水分傳遞方向相反，不利于水分蒸發(fā)．再者，明膠熔點極低，在干燥的初始時刻表面處于熔融狀，使得水分散失快，散失水分后的明膠開始出現(xiàn)致密層，使得內(nèi)部水分很難散發(fā)出來．

圖8和圖9分別在熱風和微波干燥方式下，不同時刻明膠溶液表面的溫度分布圖．

圖8 熱風干燥方式下明膠溶液表面溫度分布圖Fig. 8 Surface temperature distribution of gelatin in hot air drying

從圖8中可看出，培養(yǎng)皿中的薄層明膠液在干燥過程中，表面溫度除在邊緣處較高外，中間溫度比較均勻．這是因為熱風干燥過程中，邊緣處明膠與熱風和培養(yǎng)皿外壁接觸，同時受到熱風對流和外壁熱傳導的影響，吸收熱量較多，因而溫度高．而培養(yǎng)皿中間處，主要受到熱風對流影響，因而溫度較均勻．

圖9 微波干燥方式下明膠溶液表面溫度分布圖Fig. 9 Surface temperature distribution of gelatin in microwave drying

從圖 9可以看出，微波干燥方式下，明膠表面溫度呈圓環(huán)狀分布．這種圓環(huán)狀溫度分布，可能是微波干燥腔內(nèi)微波駐波場分布不均勻以及明膠溶液在微波干燥箱中所處的位置所導致.

由以上分析可知，相對熱風干燥，微波干燥明膠溶液速度快，干燥時間短，但物料干燥過程中受熱不均．

3 結(jié) 論

(1) 熱風溫度和明膠厚度是熱風干燥的兩個重要參數(shù)，溫度越高干燥速率越快，厚度增加干燥速率大幅降低．低溫時空氣濕度對干燥速率影響較大．

(2) 相對熱風干燥，微波干燥和真空干燥能大大提高明膠干燥速率，縮短干燥時間．熱風干燥高度為5mm 和 6mm 的明膠溶液，耗時為 6～10h；真空干燥高度為5mm和6mm的明膠溶液，在50℃、改變壓力值(30、50、70 kPa)條件下，可使得干燥耗時縮短為1～2 h．2 mm明膠溶液的熱風干燥和微波干燥時間分別為65 min和40min．

(3) 根據(jù)熱風干燥、真空干燥結(jié)束時明膠形狀可知，真空干燥會出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象，熱風干燥在干燥過程不改變干燥物料形狀，由此可知起泡現(xiàn)象有利于干燥，縮短干燥時間．而微波干燥，明膠存在干燥不均勻現(xiàn)象．