深海鰹魚(Katsuwonus pelamis)低溫熱泵聯合干燥技術優化及品質分析*

王 歡 白 冬 謝 超 林 琳 黃 菊 梁 佳 王 婷

(浙江省海產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藥學院 舟山 316022)

鰹魚(Katsuwonus pelamis), 俗稱炸彈魚, 屬于金槍魚科(Thunnidae), 其產量占金槍魚漁業的 40%之多。遠洋深海鰹魚肉質鮮美, 味道可口, 而且具有美容減肥等多重保健功效(李桂芬等, 2003), 深受人們喜愛。也是金槍魚拖毛釣、圍網、流刺網的捕撈主要目標之一, 同金槍魚一樣為大洋性重要經濟魚。目前,世界漁產主要將鰹魚新鮮食用, 或把鰹魚加工成罐頭制品, 還有大量鰹魚干制品生產(Hoyle et al,2011)。鰹魚在全球分布的范圍都很廣, 調查發現大西洋、太平洋和印度洋, 特別是水溫高于 15°C以上的水域, 都發現了鰹魚的蹤跡, 其活動數量也很大, 總體而言, 鰹魚的開發與利用資源豐富。

干燥技術是水產品加工的重要過程之一。近年來,已有多種新型聯合干燥方式加以運用, 例如有學者曾聯合使用遠外干燥技術和微波干燥技術, 對黃桃進行干燥, 并優化了干燥參數(王俊等, 1999)。洪國偉(2001)用熱泵干燥器干燥水產品, 發現效果明顯優于熱風干燥。由于傳統熱風干燥能耗較高, 途中排放出很多廢氣, 急需改進干燥工藝(Rahman, 2006)。而低溫熱泵技術能將這些潛熱轉化為顯熱, 具有良好的節能特性, 緩解水產品高消耗, 低品質的問題而被被迅速推廣應用。

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量和降低干燥能耗的效果。李遠志等(2000)針對胡蘿卜低溫熱泵-熱風組合干燥, 而得到了產品良好的效果; 李暉等(2014)用熱泵與熱風聯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、高品質的干制鰹魚產品。本研究將利用低溫熱泵-熱風聯合干燥技術, 針對深海鰹魚進行干燥研究, 并對其干燥條件進行優化,以期獲得能耗低、品質高的鰹魚干品。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料

遠洋深海鰹魚(Katsuwonus pelamis)舟山千島水產有限公司提供。營養瓊脂(生化試劑)、鹽酸、硼酸(分析純)、氯化鉀、亞甲基藍(分析純)、甲基紅(分析純)等實驗所需試劑均由國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.2 實驗儀器

熱泵-熱風干燥一體機(寧波機電工業研究設計院制造有限公司); 電熱恒溫鼓風干燥箱(廣東省農業機械研究所干燥設備制造廠公司); 殺菌鍋(上海申安醫療器械廠); WSC-S色差計(上海儀精密儀器有限公司); DSC-7型量熱掃描儀(上海發瑞儀器科技有限公司); 分析天平(奧多利斯科學儀器有限公司)。

1.3 實驗流程

深海鰹魚→預處理(去頭尾、去內臟)→清洗→解剖→再清洗→用濾紙吸取表面水分→熱泵單因素試驗→聯合干燥試驗→產品品質分析→貯存保藏。

2 實驗方法

2.1 聯合干燥技術優化

分析不同干燥溫度下對鰹魚干燥速度和鰹魚品質的影響。設定干燥室的相對濕度為35%, 循環風速為 2.5m/s, 溫度分別為 35°C、45°C、55°C 進行試驗。為隨機采樣4份經過預處理后的500g 左右的鰹魚各4kg, 然后平整鋪在干燥箱內托盤上。讓其自認冷卻,再由感官小組進行品質鑒定。為了確保實驗數據準確性, 降低試驗偶然性跟隨機性, 每一組都要重復3次試驗, 剔除異常數字, 做好記錄。

2.1.1 裝填物料量試驗 改變物料量, 分析物料量對于干燥速率和鰹魚品質的影響。設定干燥室溫度為45°C, 相對濕度為35%, 循環風速為2.5m/s, 選取分別為4、8、12 kg的鰹魚量。平整地鋪在干燥箱內托盤(注意不要重疊)。干燥完后讓其自然冷卻, 感官小組進行品質鑒定。

2.1.2 循環風速試驗 改變風速, 分析風速對干燥速率和鰹魚品質的影響。設定干燥室溫度為 45°C,相對濕度為 35%, 控制干燥室內的風速分別是 1.5、2.5、3.5 m/s。并且將鰹魚在干燥箱內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的鑒定。

2.1.3 干燥室相對濕度試驗 改變干燥箱內空氣相對濕度, 分析相對濕度對干燥速率和鰹魚品質的影響。設定干燥室溫度為 45°C, 控制循環風速為2.5m/s, 鰹魚量為 4kg。分別保持相對濕度為 25%、35%、45%。把原料平鋪在干燥箱托盤內(注意不要重疊)。干燥完之后冷卻, 由感官小組進行品質鑒定。

2.2 干制品含水率確定

根據不同干燥條件下的干燥曲線確定鰹魚干的含水量。試驗開始, 記錄下最開始的鰹魚水分含量,之后放入干燥箱中, 再每隔 1h測定鰹魚水分含量,得出含水率。在鰹魚干含水率快要接近 20%的時候,記錄下干燥時間下水分含量變化。根據數據, 繪制出鰹魚在不同干燥條件下的干燥曲線。

2.3 干制品色差值的測定

本次測驗用WSC-S型色差計來測定鰹魚干的顏色。L*值表示亮度, 其值表示黑色到白色的變化; b*表示黃色度, 表示有色物質的黃藍偏向; a*值表示紅色度, 表示有色物質的紅綠偏向。每樣都從不同的角度分別讀取數據, 平行測測試驗 3次, 記錄下數據,剔除特別明顯錯誤的數據, 重新讀取, 最終算取三次讀數的平均值。

2.4 干制品單位能耗除濕量(SMER)的測定

單位能耗除濕量(SMER)是衡量干燥系統性能的指標。具體指干燥系統所消耗1 kJ所去除掉的水分質量。具體的計算公式如下所示:

式中, M為水分蒸發量, 鰹魚干燥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。

2.5 細菌總數的測定

按照《GB/T4789.2-2003》食品微生物學檢驗菌落(李二衛, 2010)的測定方法, 測定干燥細菌總數。每一組試驗平行測定3次, 剔除數據相差明顯的, 準確記錄數值后, 算取三次讀數的平均值。

2.6 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:

式中, RR為復水比, Wr為復水后重量, Wd為復水前重量。

試驗步驟為: 將樣品放置 25°C水中浸泡 12 h,期間保持水溫的恒定, 之后拿出放在布氏漏斗的濾紙上, 與真空泵相連, 抽真空 30s, 此目的是為除去樣品表面的水分。然后抽完之后馬上取出稱量重量。爭取整個實驗的過程需控制在1 min之內。每個樣品平行測定3次, 剔除數據差異明顯的數值, 最后算取三次讀數的平均值。

2.7 干制品感官評定

在進行感官評定之前, 從舟山市場超市等地收購若干優質的鰹魚干樣品, 以這些市面上的產品為一個參考標準, 讓感官小組成員都仔細進行觀察。由10位專家組成評定小組, 參照市場售賣的鰹魚干, 分別對樣品進行評分(徐坤華等, 2014)。每位成員按十分制計進行打分。打分完成統計分數, 算取 10位專家的總分平均值, 將其作為每個樣品的最終分數, 分數取為整數, 做好相應的數值記錄。

2.8 總揮發性鹽基氮測定

本文采用微量擴散法檢測揮發性鹽基總氮(T-VBN)的含量。揮發性鹽基氮(T-VBN)通常作為蛋白質食品新鮮化指標, 與水產品新鮮或腐敗程度有明顯對應關系, 測定數值來進行水產品新鮮度確定產品質量的判斷(陳培基等, 2006)。每組樣品都做 3個平行試驗, 剔除其中數據明顯異常的值, 記錄好最終數據, 同時做試劑空白試驗, 減少試驗的偶然性。

3 結果與分析

3.1 干燥方式品質與能耗比較

3.1.1 干制品的T-VBN值 熱泵干燥能較好保持產品產品的色澤, 減少揮發性物質損失(陳坤杰等, 2000)。圖 1為在不同干燥方式下, 深海鰹魚魚干制品中測定T-VBN含量, 從圖1中可看出采用單一干燥(HPD)產品和聯合干燥產品的 T-VBN值并沒有特別明顯的差異,兩者間數據比較接近。另可直觀看出采用傳統熱風干燥(AD)方式, 產品 T-VBN數值最大。根據下圖可看出聯合干燥(HPD+AD)產品的 T-VBN 值最低, 聯合干燥與熱泵干燥產品效果相差并不大, 但是都要優于傳統熱風干燥。聯合干燥能較好保持深海鰹魚干的品質。

圖1 干燥方式對鰹魚T-VBN值的影響Fig.1 T-VBN value of K. pelamis in different dehydration methods

3.1.2 干制品的 SEMR值 根據圖 2的數據可直觀地看出, 采用不同干燥方式可得深海鰹魚干能耗SMER值(specific moisture extraction rate)的不同影響,直觀可見影響結果: 傳統熱風干燥(AD)單位能耗除濕值數值最小, 都小于其它兩種干燥方式。其次是熱泵干燥, 其值介于另兩種干燥技術之間。而聯合干燥技術(HPD+AD)單位能耗除濕值最高。熱泵-熱風聯合干燥SMER值是AD樣品的156.7%, 是HPD處理樣品的114.3%。由此推斷, 聯合干燥比單純熱風干燥節能達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。聯合干燥在后期關閉熱泵系統, 避免損耗, 從而更節能。

圖2 干燥方式對鰹魚SEMR值的影響Fig.2 The SEMR value of K. pelamis in different dehydration methods

3.1.3 干制品的色差 食品原料在干燥過程中均會發生化學變化, 其中色澤是干制品一個重要指標(Solymosiet al, 2015)。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, 深海鰹魚干所得色差值如表1所示, 從表1的數據中可直觀地看出聯合干燥(HPD+AD)和單一干燥技術(HPD)干燥的鰹魚產品較接近, 色差值比(AD)干燥的產品更小, 表示色澤更優。

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

3.1.4 干制品的細菌總數 用不同干燥方式, 所得深海鰹魚干制品細菌總數含量有著明顯差別, 檢測如圖3所示。單一熱泵干燥(HPD)的干燥產品細菌總數含量最低, 而傳統熱風干燥(AD)干燥處理深海鰹魚產品細菌總數含量比另外兩種方式處理要高。而從圖中看出, 熱泵-熱風聯合干燥(HPD+AD)干燥產品檢測出的細菌含量處于兩者之間。聯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, 微生物難到生長所需水分, 數量難增加。最終聯合干燥下檢測出的細菌總數低于 AD。而熱泵干燥整個過程封閉, 得到產品中微生物含量要少很多。

圖3 干燥方式對鰹魚細菌總數的影響Fig.3 The total number of bacterial colony in K. pelamis in different dehydration methods

3.1.5 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。不同干燥方式對鰹魚復水比影響如圖4所示。直觀可見熱泵-熱風聯合(HPD+AD)與熱泵技術(HPD)干燥產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。總體表現來看, 樣品含水量越高, 其破壞程度越大。聯合干燥產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,減輕了對深海鰹魚細胞結構的損壞(Mujumdar, 2006),保持樣品的多孔性。深海鰹魚聯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,所以聯合干燥產品復水比也高。

圖4 干燥方式對鰹魚復水比的影響Fig.4 The rehydration rate of K. pelamis in different dehydration methods

將采用三種不同干燥方式而得到的T-VBN值、能耗、色差、復水比等數據進行比照, 綜合各參數可得, 聯合干燥技術綜合效果更優。熱風與熱泵這兩種干燥方式究其本質為空氣對流干燥。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, 可更加節約能源, 而且更環保(Colak et al, 2009)。但熱泵在干燥后期由于物料蒸發出來的水分較少, 能耗升高, 影響了運行速率(胡斌等, 2011),需電加熱輔助干燥, 加大能耗成本, 不能充分體現熱泵優勢。為了彌補這個不足, 采用聯合干燥方式, 前期采用熱泵干燥, 后期采用熱風干燥, 既減少能耗,又能保證鰹魚干制品的質量。

3.2 深海鰹魚聯合干燥單因素試驗分析

3.2.1 干燥溫度試驗 聯合干燥技術隨溫度升高,也加快鰹魚干燥速率。溫度變化帶動鰹魚速率改變研究如圖5所示。從熱力曲線可直接看出干燥溫度與鰹魚干燥速率密切相關。另可以看出, 鰹魚在進行干燥時溫度不同, 其含水率隨干燥時間變化情況。不管干燥溫度高低, 其值的變化情況都會對熱泵-熱風干燥產生影響。例溫度過高, 鰹魚表面失水速率過大, 中間水分反向流動。這些情況易造成產品表面結痂現象,使產品內外品質相差頗大。而當溫度過低時, 水分梯度雖保持由內向外流動, 但速度緩慢, 延長了干燥的時間(Chua et al, 2005)。時間加長, 造成能源浪費。因此, 干燥過程應選擇適當的溫度, 使整個干燥過程干燥速度盡可能匹配設備能力, 充分發揮熱泵-熱風干燥的性能, 達到最佳干燥效果。

圖5 不同溫度下鰹魚聯合干燥曲線Fig.5 The dehydration curves of K. pelamis in different temperatures

不同干燥溫度下, 對比深海鰹魚干感官品質數值, 結果如圖6所示。鰹魚品質質量與干燥溫度反線性相關, 隨著溫度升高, 干制品品質反而下降。另外觀察圖6可知, 當干燥溫度低于55°C, 深海鰹魚干品質之間相差并不是很大, 而當干燥溫度高于60°C時,鰹魚干質量直線下降。肉眼觀察到表面變硬, 且能聞到異味。究其原因, 可能是鰹魚蛋白質變質和溫度過高, 使內部與表面水分分布不均。40°C左右引起肌球蛋白和副肌球蛋白在變性; 而 50°C導致結締組織變性; 當干燥溫度達 65°C時, 引發肌動蛋白性狀改變(徐坤華等, 2014)。縱向肌肉內結締組織決定鰹魚品質高低, 所以, 干燥溫度一般小于60°C。另外, 在干燥過程中, 應盡量控制內部的水分轉移速率, 使水分內外擴散速率相近, 否則會影響鰹魚最終干燥品質。

圖6 不同溫度下干燥鰹魚的感官品質Fig.6 Sensor quality of K. pelamis dried in different temperatures

3.2.2 循環風速試驗 風速變化帶動鰹魚聯合干燥速率變化效果如圖7所示。在一定范圍內, 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2.5m/s的風速在后期就要高于3.5m/s的干燥速率。因為熱泵是一個封閉式的循環除濕系統, 濕介質與蒸發器的熱交換受風速的影響, 風速太快, 使得熱交換不易進行(Namsanguan et al, 2004)。若溫度較高使冷凝水可能重蒸會干燥介質中, 使鰹魚干燥速率變的緩慢, 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 不同循環風速鰹魚聯合干燥曲線Fig.7 Dehydration curves of K. pelamis in different aeration rates

3.2.3 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。考察不同鰹魚物料量對聯合干燥效果影響, 試驗結果如圖 8。根據干燥曲線數據, 物料量與干燥速率相關密切。究其原因是因為同等消耗, 系統的排水能力一定, 而物料越大,系統內水分居高不下, 使得干燥室內相對濕度偏高,從而導致干燥速率下降(任愛清等, 2009)。速率降低后某刻, 物料總失水量會平衡系統除濕能力。達到平衡時間長短受物料量大小決定, 且鰹魚物料量大, 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 不同物料量鰹魚聯合干燥曲線Fig.8 Dehydration curves of K. pelamis in different bulks

直觀可見圖9數據變化, 其顯示物料量對鰹魚聯合干燥 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 不同物料量鰹魚聯合干燥SEMR值Fig.9 The SEMR value of K. pelamis in different bulks

物料量大小造成深海鰹魚干品質好壞影響結果如圖10所示。從圖10直觀中可得, 物料量造成鰹魚干燥品質影響并不顯著, 其結果相差并不大。物料量影響深海鰹魚干品質的因素, 主要在于由干燥中鰹魚水分含量, 物料量越大, 鰹魚的失水量越大, 使得空間內相對濕度上升。進而鰹魚表面水分擴散減緩,內部水分不易擴散到表面, 表面易變硬, 影響了鰹魚的品質。

圖10 不同物料量干燥鰹魚的感官品質Fig.10 Sensor quality of K. pelamis dried in different bulks

3.2.4 干燥相對濕度試驗 直觀所示干燥相對濕度與深海鰹魚聯合干燥速率關系。數據如圖11顯示,干燥介質相對濕度越低, 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,在聯合干燥初期, 相對濕度與聯合干燥速率關系并不關聯, 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(Figiel,2009)。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值不變, 相對濕度對聯合干燥速率影響才變得明顯。

圖11 不同相對濕度鰹魚聯合干燥曲線Fig.11 Dehydration curves of K. pelamis dried in different relative air humidity

4 結論

本文通過對遠洋深海鰹魚低溫聯合干燥技術的優化對干燥產品品質的質量分析, 結果表明低溫熱泵聯合干燥技術較傳統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、循環風速、干燥室溫度和相對濕度等進行優化。研究結果進一步表明: 深海鰹魚(500g左右)在干燥室相對濕度控制 35%、干燥室溫度為 45°C、裝填物料量為8kg、循環風速為2.5m/s時候干燥效果最佳, 并且節能效果明顯, 能耗降低達到35.2%。該成果的成功開發對降低水產品干燥過程中的耗能問題具有促進作用。

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