管束干燥設(shè)備加工南極磷蝦品質(zhì)分析

宋艷艷，歐陽(yáng)杰，沈 建，馮志華，白 貞，徐宏治

(1上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；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)

南極磷蝦(Euphausiasuperba，Antarctickrill)是棲息在南極海域磷蝦的統(tǒng)稱，成蝦體長(zhǎng)3～9 cm，為典型高蛋白低脂肪生物[1]。南極半島海域磷蝦生物量約為7億t[2]，預(yù)估可持續(xù)年捕撈量為1億t左右，相當(dāng)于全球年漁業(yè)捕撈總量[3]。南極磷蝦資源開(kāi)發(fā)潛力巨大，發(fā)展相關(guān)的船舶裝備、加工技術(shù)與裝備意義重大[4]。南極磷蝦粉是船載加工的基礎(chǔ)產(chǎn)品，也是進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的原料[5]。加工工序?yàn)榍疤幚?、蒸煮與分離、干燥、粉碎等[6]。干燥涉及傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，是影響蝦粉品質(zhì)的重要因素[7]。影響干燥效果的因素主要概括為加工條件(干燥設(shè)備與工藝參數(shù))和物料性質(zhì)[8]，因干燥原料性質(zhì)難改變，故選取適宜的干燥設(shè)備與操作規(guī)程對(duì)提高南極磷蝦粉的品質(zhì)具有重大意義[6]。

國(guó)外船載南極磷蝦粉加工所用設(shè)備為大型圓盤干燥機(jī)，采用常壓與真空多級(jí)干燥技術(shù)，產(chǎn)品得率高、品質(zhì)好[9]。中國(guó)南極磷蝦捕撈船上也配備有大型圓盤干燥機(jī)，但設(shè)備性能和技術(shù)均落后于國(guó)外，占地空間大且干燥時(shí)間長(zhǎng)，工藝多參照魚粉，所得蝦粉品質(zhì)低且質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品主要用作低值的養(yǎng)殖飼料[10-12]。為了提升蝦粉品質(zhì)，相關(guān)單位都在嘗試開(kāi)發(fā)適配于南極磷蝦船載加工的設(shè)備與技術(shù)。相比圓盤干燥機(jī)，管束干燥機(jī)采用飽和蒸汽為熱源，具有換熱快、高效節(jié)能、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[13]，廣泛應(yīng)用于谷物干燥[14-15]， 理論上適用于南極磷蝦的船載干燥加工[6]。

本試驗(yàn)采用管束干燥設(shè)備對(duì)南極磷蝦進(jìn)行干燥，探究不同干燥溫度下南極磷蝦的水分含量、物料溫度、干燥速率和主要品質(zhì)指標(biāo)的變化情況，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)，以期獲得高品質(zhì)南極磷蝦粉工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備儀器

南極磷蝦在-19 ℃冷凍保存于實(shí)驗(yàn)室，磷蝦體長(zhǎng)3.5～4.5 cm，體質(zhì)量0.2～0.3 g。購(gòu)于遼寧遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司，2019年捕撈于南極海域48.1區(qū)。設(shè)備與儀器：管束干燥機(jī)(常州市廣博干燥設(shè)備有限公司，系統(tǒng)示意圖如圖1所示)，蒸汽發(fā)生器(張家港市富昶鍋爐制作有限公司)，QV-1530蒸煮鍋(浙江愛(ài)仕達(dá)電器股份有限公司)，UV-2204PC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海精密儀器有限公司)，水分快速測(cè)定儀(賽多利斯中國(guó)有限公司)，NR110精密色差儀(深圳三恩時(shí)科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

原料前處理：將凍藏的南極磷蝦在室溫約20 ℃下進(jìn)行流水解凍；蒸煮鍋升溫時(shí)間10 min，蒸煮溫度90 ℃，一次性放入蒸煮鍋中的磷蝦質(zhì)量8 kg，蒸煮時(shí)間15 min，蒸煮后的磷蝦6.6 kg，冷卻后冷藏備用[16-18]。

設(shè)備參數(shù)與操作：打開(kāi)蒸汽發(fā)生器，調(diào)節(jié)壓力閥，待蒸汽壓力上升到設(shè)定值后，打開(kāi)管束干燥設(shè)備，設(shè)置轉(zhuǎn)速20 r/min，風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，讓干燥機(jī)在空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)15 min，待穩(wěn)定運(yùn)行后加入物料，進(jìn)料量2 kg。根據(jù)已有的南極磷蝦干燥研究確定設(shè)備干燥溫度不高于160 ℃[8,19]，溫度梯度設(shè)為110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃。干燥過(guò)程中定時(shí)取料，當(dāng)測(cè)得物料水分含量達(dá)到10%時(shí)定為干燥終點(diǎn)，記錄所用時(shí)間。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

1.3.1 樣品中水分含量測(cè)定

采用烘箱105 ℃干燥[20]，定時(shí)稱重直至恒重。重復(fù)測(cè)量3次取平均值。計(jì)算公式：

(1)

式中：M為水分含量；m1為所取樣品初始質(zhì)量，g；m2為樣品恒重時(shí)質(zhì)量，g。

1.3.2 干燥特性曲線

干燥特性曲線通常由干燥過(guò)程中物料水分含量、物料溫度和干燥速率3條曲線組成。曲線特征因物料中水分存在形式及擴(kuò)散途徑、物料的形狀與結(jié)構(gòu)、干燥加工條件的不同而有所差別[21]。

1)物料溫度曲線。管束干燥機(jī)內(nèi)南極磷蝦在干燥過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。干燥機(jī)的溫度通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器來(lái)改變，由于其不具備讀取物料溫度的條件，為獲得較為精確的數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)在一定時(shí)間間隔(△t)關(guān)閉主機(jī)以測(cè)得腔體中南極磷蝦的溫度(T)，重復(fù)3次，繪制T-t曲線。

2)物料水分變化曲線。南極磷蝦在干燥過(guò)程中水分隨時(shí)間的變化情況。由于管束干燥機(jī)不具備連續(xù)稱重的條件，該試驗(yàn)需要一定時(shí)間間隔(△t)關(guān)閉主機(jī)并從干燥腔中取南極磷蝦，為不同時(shí)間的樣品做編號(hào)，烘箱干燥樣測(cè)水分含量(M)，繪制M-t曲線。

3)干燥速率曲線。干燥速率(R)是指干燥過(guò)程中物料失水速率與含水率的關(guān)系，公式如下：

(2)

式中：R為干燥速率，g/(g·min)；△M為相鄰兩次的水分含量差值，g/g；△t為相鄰兩次測(cè)定時(shí)間間隔，min。

1.3.3 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

1)粗蛋白質(zhì)(Protein，P)測(cè)定。①牛血清蛋白溶液配制與標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：精確稱取0.025 g牛血清蛋白，蒸餾水定容100 ug/mL蛋白母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，蒸餾水定容得0、20、40、60、80、100 μg/mL 6組牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別取6組標(biāo)準(zhǔn)溶液與考馬斯亮藍(lán)按體積比1∶5于燒杯中，靜置2 min。紫外分光光度計(jì)以考馬斯亮藍(lán)溶液為空白調(diào)零，595 nm比色，每個(gè)樣品重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。以蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線得回歸方程為y= 0.003 6x+ 0.099 6 (R2=0.999 3)。②蛋白質(zhì)提取與測(cè)定[22]：稱取1.00 g 南極磷蝦樣品，按1∶70料液比加入70 mL磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L，pH 7)，0 ℃靜置1 h，4 ℃、10 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min，離心管上清液即為水溶性蛋白。收集離心管沉淀，重復(fù)以上步驟，離心管上清液即為鹽溶性蛋白。分別取水溶性和鹽溶性蛋白質(zhì)，按照蛋白液與考馬斯亮藍(lán)體積比1∶5混合，靜置2 min，595 nm比色，重復(fù)測(cè)量3次取平均值。根據(jù)蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出樣品中蛋白質(zhì)吸光度對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度CP。粗蛋白計(jì)算公式：

(3)

式中：P為樣品中的蛋白質(zhì)含量，mg/g；CP為蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，ug/mL；Vp為提取液體積，mL；Vs為測(cè)定時(shí)取樣量，mL；m0為樣品質(zhì)量，g；M為水分含量，g/g。樣品蛋白質(zhì)含量按照干基計(jì)算。

2)蝦青素(Astaxanthin，A)測(cè)定。①蝦青素標(biāo)準(zhǔn)溶液配制與標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：精確稱取0.005 g蝦青素標(biāo)準(zhǔn)品，無(wú)水乙醇定容1 mg/mL母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，無(wú)水乙醇定容得1、2、3、4、5、6 μg/mL 6組蝦青素標(biāo)準(zhǔn)溶液。紫外分光光度計(jì)無(wú)水乙醇空白調(diào)零，472 nm比色，測(cè)6組不同質(zhì)量濃度蝦青素標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。以蝦青素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制蝦青素標(biāo)準(zhǔn)曲線得回歸方程為y=0.332 2x- 0.013 6(R2=0.999 9)。②蝦青素提取與測(cè)定[23]：稱取1.00 g南極磷蝦粉，置于不同編號(hào)錐形瓶中，按1∶30料液比加入無(wú)水乙醇，蓋上瓶蓋，搖勻后于50 ℃恒溫水浴3 h，過(guò)濾沉淀所得液體為待測(cè)液；然后在474 nm下比色，測(cè)吸光度，重復(fù)測(cè)量3次取平均值。根據(jù)蝦青素標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出樣品中蝦青素吸光度對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度C。蝦青素A計(jì)算公式：

(4)

式中：A為蝦青素含量，mg/g；C為蝦青素質(zhì)量濃度，mg/mL；D為稀釋倍數(shù)；V為提取液體積，mL；mp為樣品質(zhì)量，g；M為水分含量，g/g。樣品蝦青素含量按照干基計(jì)算。

3)粗脂肪測(cè)定。采用索氏抽提法[24]，重復(fù)測(cè)量3次取平均值。粗脂肪F計(jì)算公式：

(5)

式中：F為脂肪含量，%；m干為去除水分后的樣品質(zhì)量，g；m′干為索氏抽提后樣品的質(zhì)量，g。

4)色澤測(cè)定。采用NR110精密色差計(jì)測(cè)定樣品L*(正/負(fù)，黃/藍(lán))、a*(正/負(fù)，紅/綠)、b*(正/負(fù)，明/暗)[25]。將蒸煮后糜狀南極磷蝦為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。重復(fù)測(cè)量3次取平均值。色差值△E表示實(shí)驗(yàn)組與空白組的差距，數(shù)值越大表明顏色差別越大?！鱁計(jì)算公式：

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019數(shù)據(jù)處理與分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南極磷蝦管束干燥過(guò)程的特性分析

2.1.1 南極磷蝦溫度變化

圖2所示，每條曲線變化趨勢(shì)概括為，快速—平緩—較快速。在干燥前10 min，由于物料與腔體存在極大的溫度差，腔體內(nèi)的刮板不斷翻動(dòng)物料，擴(kuò)大了物料與熱空氣的接觸面積，物料吸熱使自身溫度快速上升[15]。10 min后，物料吸收的熱量主要用于蒸發(fā)水分而非加熱，因此曲線變化不明顯，物料溫度保持在60 ℃左右，不同干燥溫度下該階段持續(xù)時(shí)間不同，溫度越高持續(xù)時(shí)間越短。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，物料吸收的熱量同時(shí)用于水分蒸發(fā)和物料加熱，因此物料溫度又以較快速度上升。對(duì)比5組曲線可知，干燥30 min后，干燥溫度越高，物料溫度上升越快，達(dá)到干燥終點(diǎn)的料溫也越高。

2.1.2 南極磷蝦水分含量及干燥速率變化

圖3所示，每條曲線變化概括為兩個(gè)階段：物料水分含量60%～ 80%為第一階段，10%～ 60%為第二階段。第一階段為干燥初始，南極磷蝦吸收熱量升溫，表面水分開(kāi)始蒸發(fā)，內(nèi)部溫度較低，由于內(nèi)外溫度差比較大而阻礙磷蝦體內(nèi)水分向體外遷移，因此水分含量下降緩慢，該階段曲線變化與圖2的溫度變化趨勢(shì)吻合。第二階段物料溫度上升較快，內(nèi)外溫度差越來(lái)越小或消失，因此水分含量快速下降。對(duì)比5條曲線，不同溫度達(dá)到干燥終點(diǎn)所用時(shí)間不同，溫度越高干燥時(shí)間越短，溫度每升高10 ℃，干燥時(shí)間縮短10～20 min。

圖4可知，水分含量-干燥速率曲線起伏變化較大，干燥速率的總體趨勢(shì)是隨著水分含量的降低，干燥速率下降。曲線變化趨勢(shì)可以從設(shè)備方面考慮[26]：管束干燥機(jī)的熱源是蒸汽發(fā)生器，在干燥過(guò)程中是每隔一段時(shí)間就要補(bǔ)充飽和蒸汽，對(duì)腔體內(nèi)物料的干燥速率有一定影響；其次，設(shè)備本身不能做到完全密封與隔熱，而且每隔10 min取樣時(shí)需要關(guān)閉干燥腔，這對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成一定誤差。

2.2 管束干燥過(guò)程中南極磷蝦品質(zhì)變化規(guī)律

2.2.1 蛋白質(zhì)含量變化

南極磷蝦初始水溶性蛋白含量為18.65±0.01 mg/g，初始鹽溶性蛋白含量為18.55±0.05 mg/g，干燥終點(diǎn)5組南極磷蝦蛋白質(zhì)含量如圖5所示：110 ℃～150 ℃干燥溫度下南極磷蝦水溶性蛋白對(duì)應(yīng)的含量分別減少35%、22%、30%、31%、40%；鹽溶性蛋白對(duì)應(yīng)的含量分別減少46%、41%、49%、55%、56%。分析5組試驗(yàn)，120 ℃條件下蛋白質(zhì)損失量最小，150 ℃條件下蛋白質(zhì)損失量最大。

研究可知，南極磷蝦從捕撈至冷凍在自溶酶和微生物的作用下，蛋白質(zhì)處于不斷降解狀態(tài)，低溫抑制蛋白質(zhì)降解，但并不能阻止該過(guò)程[27-28]。冷凍南極磷蝦從解凍到干燥過(guò)程處理時(shí)間越長(zhǎng)，蛋白質(zhì)降解也就越多，因此需要盡可能縮短前處理時(shí)間；在干燥過(guò)程中，蛋白質(zhì)會(huì)因氧氣存在而發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)；干燥溫度和時(shí)間也會(huì)影響蛋白質(zhì)含量，高溫長(zhǎng)時(shí)間處理會(huì)加快蛋白質(zhì)降解。

2.2.2 南極磷蝦蝦青素含量變化

相關(guān)研究表明，蝦青素氧化能力極強(qiáng)但結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，受熱極易分解，溫度越高其降解速度越快[29]。由圖6、圖7可知，在水分含量較高時(shí)，南極磷蝦吸收的熱量一部分用于自身溫度升高一部分用于蒸發(fā)水分，在磷蝦溫度由室溫緩慢上升至60 ℃，此階段蝦青素降解較少且速度較慢；當(dāng)水分含量 <60%，物料溫度 >60 ℃，蝦青素降解加快，直至干燥終點(diǎn)。與對(duì)照組蝦青素含量相比(173.74 μg/g，干重)，干燥終點(diǎn)時(shí)110 ℃～150 ℃對(duì)應(yīng)的蝦青素含量分別減少16%、17%、24%、25%、25%，當(dāng)干燥溫度>130 ℃時(shí)，蝦青素破壞嚴(yán)重。

2.2.3 南極磷蝦脂肪含量變化

分析圖8每條曲線，當(dāng)物料水分含量≥60%時(shí)，脂肪含量呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，5條曲線脂肪含量變化對(duì)比差異不明顯；當(dāng)水分含量 < 60%時(shí)，脂肪含量下降趨勢(shì)增大，干燥終點(diǎn)時(shí)5組脂肪含量數(shù)值對(duì)比差異極為顯著(P<0.01)。研究表明，溫度越高，脂肪的氧化反應(yīng)越劇烈[30]。結(jié)合圖9，料溫60 ℃可視為脂肪含量變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)：當(dāng)料溫≤ 60 ℃時(shí)，溫度對(duì)脂肪影響較小，各組脂肪含量變化差異很??；料溫>60 ℃時(shí)，溫度對(duì)脂肪的影響變大，溫度越高脂肪降解速度越快。與對(duì)照組脂肪含量相比(18%，干重)，干燥終點(diǎn)時(shí)110 ℃～150 ℃對(duì)應(yīng)的脂肪含量分別減少28%、27%、28%、34%、35%，當(dāng)干燥溫度>130 ℃，脂肪破壞嚴(yán)重。

2.2.4 干燥終點(diǎn)南極磷蝦色澤變化

色澤是評(píng)價(jià)蝦粉品質(zhì)的重要感官標(biāo)準(zhǔn)之一，可間接反映蝦青素、肌紅蛋白等色素類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量[31]。由表2可知，隨著溫度的升高，試驗(yàn)組L*值均低于對(duì)照組，說(shuō)明干燥工藝使蝦粉的亮度降低，5組蝦粉的L*值差異顯著(P<0.01)，a*值與b*值均高于對(duì)照組，110 ℃～150 ℃條件下的變化規(guī)律為先降低后升高。涂敏建等[32]研究了不同水分含量對(duì)南極磷蝦烤蝦質(zhì)構(gòu)和色澤的影響，其產(chǎn)品色澤變化規(guī)律與本試驗(yàn)一致。綜合對(duì)比5組蝦粉色差值△E，當(dāng)溫度為110 ℃～120 ℃時(shí)△E較大，130 ℃～150 ℃時(shí)△E較小，說(shuō)明110 ℃～120 ℃條件下干燥得到的蝦粉與對(duì)照組顏色差別較大。

3 結(jié)論

探討在實(shí)驗(yàn)室條件下，南極磷蝦管束干燥過(guò)程的特性及品質(zhì)變化規(guī)律，所得結(jié)論為：采用管束干燥機(jī)加工南極磷蝦，在物料水分含量≥60%且物料溫度≤60 ℃，采用>130 ℃的干燥溫度可提高干燥效率；當(dāng)物料水分含量<60%或物料溫度>60 ℃,宜采用<120 ℃的干燥溫度，以獲得較高品質(zhì)的南極磷蝦粉。管束干燥設(shè)備的干燥溫度是影響產(chǎn)品品質(zhì)最主要的因素，但不是唯一因素，影響管束干燥性能的指標(biāo)有進(jìn)料量、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等。結(jié)合南極磷蝦管束干燥特性，需要進(jìn)一步綜合考慮不同指標(biāo)對(duì)蝦粉品質(zhì)的影響，同時(shí)利用本實(shí)驗(yàn)得出的干燥過(guò)程中南極磷蝦溫度和水分含量拐點(diǎn)進(jìn)行工藝優(yōu)化。

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