不同干燥方式下南極磷蝦干燥特性與主要營養(yǎng)物質(zhì)變化

馬田田，歐陽杰,5，趙昕源，沈 建,5

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；3 國家水產(chǎn)品加工裝備研發(fā)分中心，上海 200092；4 大連工業(yè)大學海洋食品精深加工關鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連，116034;5 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島，266237)

南極磷蝦(Antarctickrill)是一種生存于南極洲水域的群居性、兩年生海洋生物，主要食物來源是硅藻等浮游植物[1-3]。南極磷蝦，生物儲量大約6.5～10億t[4-6]，具有較高的經(jīng)濟、科學與保健價值，有“人類最后蛋白庫”與“地球最成功動物物種”之稱。根據(jù)南極磷蝦濕基組成成分分析可知，水分含量為77.9%～83.1%，蛋白質(zhì)含量為11.9%～15.4%，脂肪含量為0.4%～3.6%，幾丁質(zhì)約 2%[7-9]，因此，南極磷蝦是一種高水分、高蛋白動物。南極磷蝦中含有人體必需的8種氨基酸，含量約占蛋白質(zhì)總量的41%[10]，因此，南極磷蝦蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值高。南極磷蝦被捕后會迅速發(fā)生自溶，為便于貯藏運輸，目前通常會制成凍蝦或蝦粉。

干燥是制備南極磷蝦粉至關重要的步驟，國外南極磷蝦干燥加工研究起步早，設備成熟，工藝完善，國內(nèi)南極磷蝦干燥加工研究起步晚，存在蝦粉品質(zhì)不穩(wěn)定、干燥效率低等問題，仍需完善。目前，對南極磷蝦干燥特性與工藝的研究，主要是以恒溫方式為主。張軍文等[11]研究了南極磷蝦在120℃恒溫干燥條件下的干燥特性，得出干燥速率與干燥溫度有關的結(jié)論。高翠竹等[12]研究了南極磷蝦在不同恒溫干燥條件下脂肪品質(zhì)，得出干燥溫度越高，脂肪品質(zhì)越差的結(jié)論。林豐等[13]研究了南極磷蝦在3種恒溫干燥條件下的風味成分，得出-15℃真空冷凍干燥的南極磷蝦風味獨特，55℃熱風恒溫干燥和65℃真空平板干燥的南極磷蝦風味相似的結(jié)論。變溫干燥是干燥領域的新方向，目前梯度變溫干燥方式在農(nóng)作物、堅果、水果等方面的研究取得了一定進展，如盧映潔等[14]研究了不同溫度梯度對帶殼鮮花生收縮情況的影響，耿陽陽等[15]研究了梯度干燥溫度對核桃品質(zhì)的影響。在水產(chǎn)品方面，魚類干燥已有相關研究，如胡光華等[16]開展了羅非魚在升溫、降溫、恒溫3種方式下的梯度變溫干燥試驗，得出變溫干燥在保證品質(zhì)的同時，能提高干燥速度，降低能耗的結(jié)論。關于梯度變溫干燥方式下南極磷蝦干燥特性與主要營養(yǎng)物質(zhì)含量影響尚未見報道。

本研究以冷凍南極磷蝦為原料，經(jīng)解凍、蒸煮等預處理，以恒溫(65℃、75℃、85℃)為對比，分析65℃～85℃變溫范圍內(nèi)5℃和10℃梯度升溫與降溫干燥方式下南極磷蝦干燥特性和主要營養(yǎng)物質(zhì)含量變化，以期為南極磷蝦干燥特性與工藝研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

冷凍南極磷蝦，體長為3～5 cm，質(zhì)量為0.6～0.8 g/只，每塊冷凍南極磷蝦約10.0 kg，2020年購于遼漁集團有限公司，全程冷鏈運輸(-18～-22℃)，置于-20℃冷庫中貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試劑與儀器

牛白蛋白、蝦青素標準品，上海源葉生物科技有限公司；石油醚、無水乙醇、氫氧化鈉、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、甲基紅、溴甲酚綠等分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

XS105型分析天平，梅特勒-托利多國際貿(mào)易有限公司；HWS-26型數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海一恒科學儀器有限公司；BPG-96A型精密鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；MA150 型水分測定儀，德國賽多利斯集團；KDN-1型凱氏定氮儀，上海雷磁儀電科學儀器股份有限公司；DZTW型索氏抽提器，上?？坪銓崢I(yè)發(fā)展有限公司；UV-2204PC型紫外可見分光光度儀，上海精密儀器有限公司。

1.3 試驗方法

南極磷蝦干燥工藝流程：冷凍南極磷蝦—解凍—蒸煮—干燥—粉碎過篩。

(1)解凍：為避免原料浪費，縮短解凍時間，利用鋸骨機將冷凍南極磷蝦塊等長寬分割成10塊，每塊約1.0 kg，根據(jù)單次試驗用量進行解凍。為減少解凍造成的品質(zhì)下降，參考劉會省等[17]關于南極磷蝦解凍方式的研究略做修改，采用流水方式解凍，水溫大約在18℃～22℃之間，為避免水流速度對蝦體的破損，保持流速在3.5～4.2 L/min。參考相關文獻[18-19]關于南極磷蝦解凍終點的設置，以蝦塊能掰斷且斷開處蝦體完整作為解凍結(jié)束標志。

(2)蒸煮：將上述解凍后的南極磷蝦先放置在瀝水架上，靜置5～10 min去除表面水分。為減少蒸煮造成的品質(zhì)下降，參考相關文獻[20-22]關于南極磷蝦蒸煮方式的研究，采用100℃隔水方式蒸煮，蒸煮時間約為3 min。

(3)干燥：將上述蒸煮后的南極磷蝦均勻平鋪在干燥箱隔板上，置于不同干燥方式進行干燥，每隔10 min取樣，利用水分測定儀測定相應時刻水分含量，直至南極磷蝦水分含量在10%左右時，停止干燥，記錄干燥時間。參考相關研究[23-24]，當熱風溫度低于65℃時，干燥時間較長且營養(yǎng)損失較大，當熱風溫度高于85℃時，蛋白質(zhì)、脂肪含量逐漸降低，蝦青素損失較大，因此干燥溫度范圍取為65℃～85℃。參考胡光華等[16]，不同梯度溫度變化對物料干燥特性和品質(zhì)有較大影響，基于65℃～85℃的溫度范圍，選取5℃和10℃為梯度溫度。5種干燥方式詳見表1。

表1 5種干燥方式

(4)粉碎過篩：為保證樣品均勻，將上述干燥的南極磷蝦粉碎0.63 mm(40目)過篩后，再取樣進行主要營養(yǎng)物質(zhì)測定。

1.4 相關指標測定

(1)水分含量測定。根據(jù)GB 5009.3—2016《食品中水分的測定的方法》[25]測定相應時刻南極磷蝦的水分含量。計算公式如下：

Xt=X0-Xs

(1)

式中：Xt為t時刻時樣品的水分含量，%；X0為樣品的初始水分含量，%；Xs為樣品干燥用時t失去的水分含量，%。

(2)干燥能耗測定。參考Mujumdar等[26]的方法，通過測定干燥用時，計算干燥能耗，公式如下：

(2)

式中：E為干燥能耗，kW·h/kg；P為有效功率，kW；t為干燥用時，h；m為樣品質(zhì)量，kg。

(3)蛋白質(zhì)含量測定。根據(jù)GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定方法》[27]測定不同干燥方式下南極磷蝦蛋白質(zhì)含量。計算公式如下：

(3)

式中：X為樣品中蛋白質(zhì)含量，%；V1為樣品消耗硫酸標準滴定液的體積，mL；V2為空白樣消耗硫酸標準滴定液的體積，mL；c為硫酸標準滴定液的濃度，mol/L；0.014為1.0 mL硫酸[c(0.5 H2SO4)=1.0 mol/L]標準滴定液相當于氮的質(zhì)量，g；m為樣品的質(zhì)量，g；F為氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù)。

(4)脂肪含量測定。根據(jù)GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定方法》[28]測定不同干燥方式下南極磷蝦脂肪含量。計算公式如下：

(3)

式中：X為樣品中脂肪含量，%；m1為恒重后接收瓶與脂肪質(zhì)量之和，g；m0為接收瓶質(zhì)量，g；m2為樣品質(zhì)量，g。

(5)蝦青素提取與含量測定。參考邢濤等[29]方法，以乙醇為有機溶劑提取蝦青素，采用分光光度法測定蝦青素含量。提取條件：料液比1∶30，提取溫度50℃，提取時間4 h，測定波長472 nm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理與作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥方式下南極磷蝦干燥特性分析

2.1.1 不同干燥方式下南極磷蝦干燥曲線分析

由圖1可知，隨著干燥時間的延長，南極磷蝦水分含量逐漸降低，干燥速度均呈現(xiàn)先加速后恒速再減速的變化趨勢，其中5℃和10℃梯度升溫對應的干燥曲線相似，恒溫75℃和5℃梯度降溫對應的干燥曲線相似，恒溫85℃與10℃梯度降溫對應的干燥曲線相似。

圖1 不同干燥方式下南極磷蝦干燥曲線

不同干燥方式下，南極磷蝦干燥速度均存在加速、恒速與減速階段，恒速階段南極磷蝦以最大速度進行干燥，但不同階段對應的水分含量范圍和干燥時段不同。如加速階段，恒溫65℃、5℃和10℃梯度升溫對應的水分含量范圍為70%～81.5%，干燥時段為0～50 min；恒溫75℃、85℃、5℃和10℃梯度降溫對應的水分含量范圍為77%～81.5%，干燥時段為0～20 min。恒速階段，恒溫65℃、5℃和10℃梯度升溫對應的水分含量范圍為30%～70%，干燥時段為50～160 min；恒溫75℃、85℃、5℃和10℃梯度降溫對應的水分含量范圍為25%～77%，干燥時段為20～130 min。減速階段，恒溫65℃、5℃和10℃梯度升溫對應的水分含量范圍為10%～30%，干燥時段為160 min之后；恒溫75℃、85℃、5℃和10℃梯度降溫對應的水分含量范圍為10%～35%，干燥時段為130 min之后。不同干燥方式下，南極磷蝦干燥速度的變化趨勢與張軍文等[11]的研究結(jié)果相似，均存在加速、恒速和減速3個階段，這可能是因為在干燥過程中，南極磷蝦表面溫度逐漸升高，內(nèi)外溫差逐漸增大，水分蒸發(fā)速度增大；隨著干燥的進行，南極磷蝦內(nèi)外溫度均勻，內(nèi)外溫差恒定，水分蒸發(fā)速度不變；在干燥后期，南極磷蝦表面存在焦化現(xiàn)象，干燥阻力增大，干燥速度逐漸降低。

2.1.2 不同干燥方式下南極磷蝦干燥時間分析

由圖2可知，在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，南極磷蝦干燥時間顯著縮短。

圖2 不同干燥方式下南極磷蝦干燥時間變化曲線

在變溫干燥方式下，同變溫梯度相比，降溫干燥時間較短；同變溫順序相比，10℃梯度變溫干燥時間較短。對比5種干燥方式可知，4種變溫干燥時間均小于65℃恒溫干燥，可有效縮短干燥時間；4種變溫干燥時間均不大于75℃恒溫干燥，在一定程度可縮短干燥時間；4種變溫干燥時間均大于85℃恒溫干燥，其中10℃梯度降溫干燥時間與之接近。綜上，恒溫干燥中升高溫度能有效縮短南極磷蝦干燥時間；變溫干燥中改變變溫順序或梯度均可縮短干燥時間，其中10℃梯度降溫干燥時間最短；與恒溫干燥相比，適宜的變溫干燥方式能有效縮短干燥時間。恒溫干燥方式下，南極磷蝦干燥時間的變化趨勢與劉曉攀等[23]的研究結(jié)果相似，即升高溫度可縮短干燥時間；4種變溫干燥方式下，梯度降溫、增大變溫梯度均可縮短干燥時間，梯度降溫縮短干燥可能是因為干燥初期介質(zhì)溫度越高，南極磷蝦表面溫度越高，南極磷蝦表面水分蒸發(fā)越快，隨著溫度的下降南極磷蝦較早以最大干燥速率進入恒溫干燥階段，增大變溫梯度縮短干燥時間可能是因為南極磷蝦處于高溫段時間較長，導致水分含量下降較快。

2.1.3 不同干燥方式下南極磷蝦干燥能耗分析

由圖3可知，在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，南極磷蝦干燥能耗顯著下降。

圖3 不同干燥方式下南極磷蝦干燥能耗變化曲線

在變溫干燥方式下，相同變溫梯度之間相比，降溫干燥能耗較低；相同變溫順序之間相比，10℃梯度變溫干燥能耗較低。對比5種干燥方式可知，4種變溫干燥能耗均小于65℃恒溫干燥，可有效降低干燥能耗；4種變溫干燥能耗均不大于75℃恒溫干燥，在一定程度可減少干燥能耗；4種變溫干燥能耗均大于85℃恒溫干燥，其中10℃梯度降溫干燥能耗與之接近。綜上，恒溫干燥中升高溫度能有效縮短南極磷蝦干燥能耗；變溫干燥中改變變溫順序或梯度均可縮短干燥能耗，其中10℃梯度降溫干燥能耗最低；與65℃、75℃、85℃恒溫干燥相比，65℃～85℃變溫干燥的干燥能耗介于恒溫75℃和85℃之間，通過適當改變干燥順序與變溫梯度，可縮短與恒溫85℃干燥能耗的差距。

2.2 不同干燥方式下南極磷蝦主要營養(yǎng)物質(zhì)含量分析

2.2.1 不同干燥方式下南極磷蝦蛋白質(zhì)含量分析

由圖4可知，在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，南極磷蝦蛋白質(zhì)含量先增大后減小，其中75℃時，蛋白質(zhì)含量達到最大值66.08%。在變溫干燥方式下，相同變溫梯度之間比較，降溫干燥處理后的南極磷蝦蛋白質(zhì)含量較高；相同變溫順序之間比較，10℃梯度變溫干燥處理后的南極磷蝦蛋白質(zhì)含量較高。

圖4 不同干燥方式下南極磷蝦蛋白質(zhì)含量變化曲線

對比五種干燥方式可知，變溫干燥處理后的南極磷蝦蛋白質(zhì)含量均高于恒溫干燥，其中10℃梯度降溫干燥處理后的南極磷蝦蛋白質(zhì)含量達到最大值68.64%，與恒溫干燥最大值相比，提高2.56%。綜上，變溫干燥能減少南極磷蝦蛋白質(zhì)損失，其中10℃梯度降溫干燥能有效保留南極磷蝦蛋白質(zhì)。恒溫干燥方式下，南極磷蝦蛋白質(zhì)含量趨勢與Lin等[30]的研究結(jié)果相符。蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)圖4變化趨勢的原因可能是南極磷蝦蛋白質(zhì)受高溫影響發(fā)生熱變性反應，在蛋白酶作用下發(fā)生氧化分解反應。參考王凱欣[31]等的研究結(jié)果可知，在65℃～85℃之間，南極磷蝦蛋白酶的酶活性隨溫度升高逐漸降低，即南極磷蝦氧化分解反應速率逐漸降低。參考李學才[32]的研究結(jié)果可知，在65℃～85℃之間，南極磷蝦蛋白質(zhì)隨溫度升高變性程度逐漸加劇。在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，干燥時間縮短，熱變性與氧化分解的反應時間減小，蛋白質(zhì)變性程度加劇，氧化分解反應速率減小，蛋白質(zhì)含量先增加后減??；在變溫方式下，可能是受變溫順序與變溫梯度的影響，南極磷蝦經(jīng)歷的溫度段和干燥時間不同，南極磷蝦蛋白質(zhì)發(fā)生變性反應與氧化分解反應的時間與速率不同，導致蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化。

2.2.2 不同干燥方式下南極磷蝦脂肪含量分析

由圖5可知，在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，南極磷蝦脂肪含量先增大后減小，其中在75℃時，脂肪含量達到最大值16.58%。

圖5 不同干燥方式下南極磷蝦脂肪含量變化曲線

在變溫干燥方式下，同變溫梯度相比，降溫干燥處理后的南極磷蝦脂肪含量較高；同變溫順序相比，10℃梯度升溫處理后的南極磷蝦脂肪含量略高于5℃梯度升溫，5℃梯度降溫處理后的南極磷蝦脂肪含量略高于10℃梯度降溫。對比五種干燥方式可知，變溫干燥處理后的南極磷蝦脂肪含量均高于恒溫干燥，其中5℃梯度降溫干燥處理后的南極磷蝦脂肪含量達到最大18.78%，與恒溫干燥最大值相比，提高了2.2%。綜上，變溫干燥能減少南極磷蝦脂肪損失，其中5℃梯度降溫干燥能有效保留南極磷蝦脂肪。恒溫干燥方式下，南極磷蝦脂肪含量變化趨勢與高翠竹等[12]的研究結(jié)果相符。脂肪含量呈現(xiàn)圖5變化趨勢的原因可能是南極磷蝦中富含不飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸在高溫作用下易發(fā)生氧化反應，脂肪在脂肪酶作用下易發(fā)生分解反應，脂肪氧化、分解反應速率均與反應溫度有關。參考王凱欣等[31]的研究結(jié)果可知，在65℃～85℃之間，南極磷蝦脂肪酶的酶活性無顯著改變，即南極磷蝦分解反應速率無顯著差異。在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，一方面干燥時間縮短，分解反應時間縮短，另一方面不飽和脂肪酸逐漸發(fā)生氧化反應，因此脂肪含量先上升后下降。在變溫干燥方式下，受變溫順序與變溫梯度的影響，南極磷蝦經(jīng)歷的溫度段和干燥時間不同，南極磷蝦脂肪發(fā)生氧化分解反應的時間與速率不同，導致脂肪含量發(fā)生變化。

2.2.3 不同干燥方式下南極磷蝦蝦青素含量分析

由圖6可知，在恒溫干燥方式下，隨著溫度升高，蝦青素含量呈近似線性的下降趨勢，其中在65℃時，蝦青素含量為最大值262.15 μg/g。

圖6 不同干燥方式下南極磷蝦蝦青素含量變化曲線

在變溫干燥方式下，同變溫梯度相比，降溫干燥處理后的南極磷蝦蝦青素含量較高；同變溫順序相比，10℃梯度變溫干燥處理后的南極磷蝦蝦青素含量較高。對比五種干燥方式可知，變溫干燥處理后的南極磷蝦蝦青素含量均顯著高于85℃恒溫干燥，其中10℃梯度降溫干燥處理后的南極磷蝦蝦青素含量達到最大值255.67 μg/g，與恒溫干燥最大值相比，僅減少了6.48 μg/g。綜上，變溫干燥能減少蝦青素損失，其中10℃梯度降溫干燥能有效保留南極磷蝦蝦青素。恒溫干燥方式下南極磷蝦蝦青素含量變化趨勢與宋素梅等[33]的研究結(jié)果相似。蝦青素含量呈現(xiàn)圖6變化趨勢的原因可能是南極磷蝦蝦青素分子結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵，雙鍵末端含有不飽和基團，導致其結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，受熱極易發(fā)生異構(gòu)化、降解反應。參考相關文獻[33-34]關于南極磷蝦蝦青素結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究結(jié)果可知，當溫度大于40℃時，隨溫度升高，南極磷蝦氧化反應速度加劇，當溫度在60℃～90℃時，隨溫度升高，南極磷蝦降解反應加劇，因此，在恒溫干燥方式下，南極磷蝦蝦青素含量隨溫度升高而降低，在變溫方式下受變溫梯度與變溫順序的影響，一方面不同溫度段下南極磷蝦氧化、降解反應的速率不同，另一方面干燥時間不同造成氧化、降解反應的時間也不同，導致蝦青素含量發(fā)生變化。

3 結(jié)論

不同干燥方式下南極磷蝦干燥速度均呈現(xiàn)加速、恒速和減速3個階段，相同干燥速度階段對應的水分含量范圍和干燥時段不同，為干燥水分節(jié)點的選擇提供理論數(shù)據(jù)。干燥時間和干燥能耗隨恒溫溫度的升高而降低，隨變溫梯度的增大而減小，在降溫順序下較小，為變溫梯度與順序的選擇提供理論依據(jù)。蛋白質(zhì)含量隨恒溫溫度升高先增大后減小，隨變溫梯度增大而增大，10℃梯度降溫干燥下最高；脂肪含量隨恒溫溫度升高先增大后減小，隨變溫梯度的增大，10℃梯度升溫高于5℃梯度升溫，5℃梯度降溫高于10℃梯度降溫，在5℃梯度降溫干燥下含量最高；蝦青素含量隨恒溫溫度的升高而減小，隨變溫梯度的增大而增大，在10℃梯度降溫干燥下含量最高；不同干燥方式下南極磷蝦蛋白質(zhì)、脂肪和蝦青素含量變化可得降溫干燥能有效保留主要營養(yǎng)物質(zhì)，應根據(jù)南極磷蝦粉實際用途選擇適宜的變溫梯度。綜上可得，5種干燥方式中梯度降溫在實現(xiàn)提效降耗保質(zhì)加工目標上更具優(yōu)勢，在提效降耗的條件下，5℃梯度降溫干燥能有效保留南極磷蝦脂肪，10℃梯度降溫干燥能有效保留南極磷蝦蛋白質(zhì)和蝦青素。

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