不同太陽能干燥溫度對南美白對蝦理化特性和干燥能耗的影響

郭雪霞，王偉華，劉瑜，冉國偉，張慧媛，郭海楓，王海*

(1．農業部規劃設計研究院，北京 100125；2.河北農業大學，河北 保定 071001； 3.農業部農產品產后處理重點實驗室，北京 100125)

不同太陽能干燥溫度對南美白對蝦理化特性和干燥能耗的影響

郭雪霞1，3，王偉華2，劉瑜1，3，冉國偉1，3，張慧媛1，3，郭海楓1，王海1，3*

(1．農業部規劃設計研究院，北京 100125；2.河北農業大學，河北 保定 071001； 3.農業部農產品產后處理重點實驗室，北京 100125)

以南美白對蝦為試驗原料，研究了45，55，65，75 ℃太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥速率、水分活度、硬度、彈性、咀嚼性、色澤、收縮率、復水率等理化特性和干燥能耗的影響，結果表明：干燥溫度45～55 ℃時，南美白對蝦干燥產品理化特性優于其他溫度，干燥能耗低，適于干燥南美白對蝦產品。

太陽能；干燥；溫度；理化特性；能耗

南美白對蝦(Penaeusvannamei)是當今世界養殖數量最高的三大優良蝦類之一，是一種高蛋白、低脂肪、備受人們喜歡的海洋食品[1]。南美白對蝦營養豐富[2,3]，高蛋白低脂肪，含人體所需的8種必需氨基酸和2種半必需氨基酸，具有降血壓、降血脂、降膽固醇的作用。但是由于南美白對蝦高蛋白、高水分的原因，在常溫下內部酶類活性較強，容易腐敗變質，貯藏期縮短[4]。而蝦干制品水分含量相對較低，不需要冷鏈貯藏，耐貯存且易攜帶[5],因此干制成為其加工的重要方法。

目前，對蝦干燥主要集中在對蝦干燥技術研究，不同干燥方式對對蝦干燥特性和品質的影響。何學連[6]研究了冷凍干燥、真空干燥、微波干燥對白對蝦干燥特性、質構、水分活度(Aw)、L值、超微結構和復原率的影響。張高靜[7]開展了不同干燥技術對南美白對蝦干燥特性和產品品質影響的對比研究，分析了真空冷凍、熱風、太陽能和日光晾曬干燥對南美白對蝦營養成分、質構、色澤、感官、干燥速率、產品水分活度、收縮率和復水率的影響。王雅嬌等[8,9]研究了南美白對蝦熱風干燥工藝及干燥模型，比較了電熱熱風、太陽能和自然晾曬干燥3種干燥方式對南美白對蝦干燥特性、品質和能耗的影響。王偉華等[10]探討了實驗室太陽能干燥溫度、風速及干燥量對干燥效果的影響和中試試驗。太陽能干燥耗能問題逐步受到重視，能耗高低與干燥過程相關[11]，Doymazbrahim[12，13]研究了干燥溫度、風速和胡蘿卜片厚度對干燥速率的影響，并建立了干燥動力學模型，對不同干燥溫度下水分擴散速率進行了描述，也對綠豆進行了薄層干燥試驗，建立了數學模型，并與不同干燥模型進行擬合分析，根據模型的決定系數(R2)、均方根誤差(RMSE)和卡方(χ2)值確定了最佳模型為page模型。Seyfi Sepik[14，15]設計了由雙通道太陽能集熱器、熱泵、太陽能光伏組件、自動控制系統和測量系統組成太陽能熱泵聯合干燥裝置，并對胡蘿卜片進行了干燥試驗，測定了其在不同溫度、風速和胡蘿卜片厚度下干燥能耗，結果表明雙通道集熱器太陽能利用率從60%提高到78%。本研究以南美白對蝦為原料，研究不同太陽能干燥溫度對南美白對蝦理化特性和干燥能耗的影響，旨在為南美白對蝦的深度加工研究和干燥工藝控制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

南美白對蝦：秦皇島市海浪花水產市場；食鹽：市售；乙酸鎂(CH3COO)2Mg·4H2O；氯化鈉(NaCl)；硫酸銅(CuSO4·5H2O)；硫酸鉀(K2SO4)；硫酸(H2SO4密度為 1.84 g/L)；溴甲酚綠指示劑(C21H14Br4O5S)；甲基紅指示劑(C15H15N3O2)；亞甲基藍指示劑(C16H18ClN3S·3H2O)；氫氧化鈉(NaOH)；95%乙醇(C2H5OH)；硼酸(H3BO3)；無水乙醚(C4H10O)；石油醚均為分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司。

1.2 儀器設備

分體式溫濕度計(AR847+) 香港希瑪科技公司；水分活度測定儀(FA-st lab) 法國 GBX 公司；手持風速儀(EDK-1A) 金壇市科析儀器有限公司；色彩色差計(CR-400) 柯尼卡美能達公司；氣質聯用儀(Agilent 7890A-5975C) Agilent Technologies；食品物性分析儀(TMS-Pro) Food Technology Corporation；多功能電量檢測儀(DY5) 深圳多一電子有限公司；太陽能干燥設備 張家口泰華機械廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理方法

選擇外觀形態完整、大小均一、1 kg 60～80尾的新鮮南美白對蝦，按1 kg蝦加入2 kg 3%的鹽水，煮沸時間1 min，撈出后瀝干，測得初始含水量為(73±1)%。

1.3.2 太陽能干燥設備工作原理

太陽能干燥設備：外形尺寸5 m×3 m×5.5m，由太陽能空氣集熱器(面積18 m2)、干燥室(干燥量5～100 kg)和熱泵(功率2.6 kW)組成。冷空氣通過進風道進入太陽能空氣集熱器，集熱器中的集熱板通過吸熱溫度升高并將冷空氣加熱，熱空氣經過引風機進入干燥室內與濕物料換熱，從而使水分蒸發，達到干燥目的。設備示意圖見圖1。

圖1 太陽能干燥設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar drying equipment

1.3.3 干燥試驗設計

南美白對蝦經鹽水預煮后，分別在45，55，65，75 ℃的干燥溫度下，每個處理量為3 kg，風速為8 m/s，進行干燥試驗。干燥過程中每1 h測定干基含水率、水分活度，并記錄電耗，當干基含水率達到(45±1)%(企業標準)，干燥結束，測定干品質構、色澤和收縮率、復水率，試驗重復3次。

1.4 試驗結果測定方法

1.4.1 水分含量的測定方法

初始含水率W0的測定：GB/T 5009.3-2010，重復測定3次。

干物質含量m干的測定：m干=m0×(1-W0)，其中m干代表干物質含量；m0代表物料初始重量；W0代表物料的初始含水率。

干燥過程中的干基含水率Wt的計算：Wt=(mt-m干)/m干×100，其中Wt為干燥過程中t時刻干基含水率；mt代表t時間的物料重量；m干代表干物質的含量。

1.4.2 水分活度的測定方法

隨機選取南美白對蝦30尾，粉碎后隨機取3.0(±0.5) g樣品，放入水分活度測定儀，測定水分活度值，重復測定3次。

1.4.3 質構的測定方法

隨機選取干燥前、干燥結束和復水后南美白對蝦各30尾，參照文獻[6，7]的方法，采用食品物性分析儀，測定硬度、彈性和咀嚼性等質構特性，重復測定3次。

1.4.4 色澤的測定方法

隨機選擇30尾南美白對蝦，參照文獻[8]的方法，選擇在相同自然燈光下進行，測定點選擇對蝦身體中間部分測定色澤，重復測定3次。

1.4.5 收縮率和復水率的測定方法

收縮率和復水率的測定參照文獻[9]的方法執行。

1.4.6 耗電量的測定方法

采用DY5電量監測儀，每間隔1 h測定記錄1次耗電量。

1.5 試驗結果統計分析方法

2 結果與分析

2.1 太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥速率的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦干燥速率的影響見圖2。

圖2 太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥速率的影響Fig.2 Effect of solar drying temperatures on drying rates of Penaeus vannamei

由圖2可知，不同的太陽能干燥溫度條件下，干燥初期均進入降速干燥階段。在固定風速為8 m/s、干燥量為3 kg條件下，太陽能干燥的溫度越高，干燥速率越大，干燥速度越快。在干燥溫度為45，55，65，75 ℃的干燥條件下，物料從初始干基含水率降到目標含水率，所需干燥時間分別為10，8，7，5 h，45 ℃干燥溫度下干燥時間為5 h，干燥時間最少，75 ℃干燥溫度下干燥時間10 h，顯著低于45 ℃干燥時間5 h(P<0.05)，說明升高溫度可顯著提高干燥速率。但是溫度過高會使表面水分氣化速度過快，表面硬化，蛋白變性，降低干燥品質。因此，干燥溫度不宜過高。

2.2 太陽能干燥溫度對南美白對蝦水分活度的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦水分活度的影響見圖3。

圖3 太陽能干燥溫度對南美白對蝦水分活度的影響Fig.3 Effect of solar drying temperatures on water activities of Penaeus vannamei

由圖3可知，不同溫度干燥初期，水分活度變化不明顯，不同溫度間差異不顯著，這是因為干燥初期主要是表面自由水蒸發，對水分活度影響不明顯。當干燥進行到一定程度，溫度越高，水分活度下降越快，其中干燥到5 h時，45，55，65，75 ℃下水分活度分別為0.93，0.92，091，0.88，差異顯著(P<0.05)，這是因為干燥后期，南美白對蝦干燥主要取決于內部結合水的擴散，溫度越高，內部結合水遷移越快，水分活度變化速率越快。

2.3 太陽能干燥溫度對南美白對蝦質構特性的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦干燥后和復水后質構特性的影響見表1。

表1 太陽能干燥溫度對南美白對蝦質構特性的影響Table 1 Effect of solar drying temperatures on texture characteristics of Penaeus vannamei

由表1可知，當風速為8 m/s、干燥量為3 kg一定時，隨溫度升高，硬度和咀嚼性增大，彈性降低。45 ℃的硬度95.50 N和咀嚼性164.95 mJ最低，與55 ℃差異不顯著，與65 ℃和75 ℃差異顯著(P<0.05)，55 ℃與65 ℃差異不顯著，與75 ℃差異顯著(P<0.05)。65 ℃與75 ℃差異不顯著。不同溫度干燥后彈性差異不顯著。這是由于南美白對蝦蛋白質含量高，高溫干燥使水分散失不均勻，易發生表面失水酪蛋白凝固現象，表面硬化，阻礙內部水分向外擴散，形成內軟外硬產品，復水性變差，復水后硬度較大。干燥過程失水劇烈，也會使得肌肉纖維發生較大程度收縮，咀嚼性增加，彈性變小。

2.4 太陽能干燥溫度對南美白對蝦色澤的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦色澤的影響見表2。

表2 太陽能干燥溫度對南美白對蝦色澤的影響Table 2 Effect of solar drying temperatures on color of Penaeus vannamei

由表2可知，不同溫度下，與干燥前相比，L*顯著下降，a*上升，b*上升，且差異顯著(P<0.05)。當風速為8 m/s、干燥量為3 kg一定條件下，不同干燥溫度色澤變化趨勢不明顯。其中55 ℃時△E*值最小，說明55 ℃干燥后南美白對蝦顏色特性優于其他溫度。65 ℃干燥后△E*值最大，說明65 ℃干燥后南美白對蝦亮度下降較多，綠度和黃度升高較多，顏色特性較差。可能因為溫度高會促使生美拉德反應的發生，產生棕色物質，影響色澤。但是溫度高，干燥時間短，也會在一定程度上影響色澤，75 ℃時△E*值為18.21，低于45 ℃的18.48，因此干燥過程中溫度與其溫度下干燥時間都與最終色澤密切相關。

2.5 太陽能干燥溫度對南美白對蝦收縮率和復水率的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦收縮率和復水率的影響見圖4。

圖4 太陽能干燥溫度對南美白對蝦收縮率和復水率的影響Fig.4 Effect of solar drying temperatures on shrinkage and rehydration rates of Penaeus vannamei

由圖4可知，隨著溫度升高，南美白對蝦收縮率呈增長趨勢，在45，55，65，75 ℃之間，45 ℃與75 ℃差異不顯著，其他差異顯著(P<0.05)。復水率隨著溫度升高呈遞減趨勢，45 ℃與55 ℃差異不顯著，55 ℃與65 ℃差異不顯著，其他差異顯著(P<0.05)。食品在干燥過程中由于物料本身結構組成特點，以及其在干燥過程中溫度控制不同，使得干燥時整個食物體系的水分散失也是不均勻的。南美白對蝦蛋白質含量高，隨著溫度升高，水分散失不均勻，表面硬化，阻礙水分向外擴散，肌肉的肌纖維不均勻收縮產生空隙，不能形成均勻水分擴散通道，使復水性變差。45 ℃時復水率為73.5%，75 ℃時復水率為58.5%，差異極顯著。

2.6 太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥能耗的影響

干燥溫度45，55，65，75 ℃對南美白對蝦干燥能耗的影響見圖5。

圖5 太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥能耗的影響Fig.5 Effect of solar drying temperatures on dry energy consumption of Penaeus vannamei

由圖5可知，干燥前1 h能耗較高，這是因為設備經過一晚上停歇剛開始運轉時其內部空氣溫度低、濕度高，達不到所設溫度要求，其自動開啟電加熱和熱泵除濕功能。當設備進入正常運行狀態，不同干燥溫度隨著時間的延長，單位時間能耗呈現逐漸增大趨勢，而且干燥初期緩慢增長，后期增長較快。這是因為干燥初期太陽輻照強，太陽能溫度高，基本可以滿足干燥箱能量需求，當干燥進行到一定程度時，太陽輻照減弱，太陽能溫度降低，系統自動開啟電加熱，而且干燥后期，干燥由表面水分的直接蒸發變為內部水分向外擴散，熱泵排濕時間增加，能耗較高。當風速為8 m/s，干燥量為3 kg一定時，溫度越高，單位時間能耗越大，當設定溫度較低(45 ℃)時，在一定時間內，太陽能溫度滿足要求，電加熱工作時間短，隨著設定溫度升高，太陽能不能完全滿足消耗，電加熱工作時間變長。但隨著溫度升高，干燥總時間逐漸縮短，能耗減小，其中45，55，65，75 ℃條件下，干燥總能耗分別為9.03，8.56，11.81，9.21 kW·h，45 ℃與75 ℃差異不顯著， 55 ℃時能耗最低，與65 ℃能耗差異顯著(P<0.05)。由于溫度過高會影響產品品質，因此較適宜溫度范圍為45～55℃。

3 結論

在干燥溫度為45，55，65，75 ℃干燥條件下，溫度越高，干燥速率越大，干燥速度越快。45 ℃干燥溫度下干燥時間為5 h，干燥時間最少。不同溫度干燥初期，水分活度變化不明顯，不同溫度間差異不顯著。當干燥進行到一定程度，溫度越高，水分活度下降越快。

在干燥溫度為45，55，65，75 ℃干燥條件下，溫度升高，南美白對蝦硬度和咀嚼性增大，彈性降低。45 ℃干燥條件下硬度和咀嚼性最低。不同干燥溫度下，南美白對蝦與干燥前相比，色澤差異顯著。但是，不同干燥溫度色澤變化趨勢不明顯，其中55 ℃干燥后南美白對蝦顏色特性優于其他溫度。隨著溫度升高，南美白對蝦收縮率呈增長趨勢，復水率呈遞減趨勢。

在干燥溫度為45，55，65，75 ℃干燥條件下，溫度越高，單位時間能耗越大，當設定溫度較低(45 ℃)時，在一定時間內，太陽能溫度滿足要求，電加熱工作時間短，隨著設定溫度升高，太陽能不能完全滿足消耗，電加熱工作時間變長。但隨著溫度升高，干燥總時間逐漸縮短，能耗減小，55 ℃時能耗最低。

在干燥溫度為45，55，65，75 ℃干燥條件下，綜合考慮不同溫度對南美白對蝦干燥速率、水分活度、硬度、彈性、咀嚼性、色澤、收縮率、復水率等理化品質和干燥特性的影響，45～55 ℃較為適于干燥南美白對蝦產品。

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EffectsofDifferentSolarDryingTemperaturesonPhysicalandChemicalPropertiesandEnergyConsumptionofPenaeusvannamei

GUO Xue-xia1,3, WANG Wei-hua2, LIU Yu1,3, RAN Guo-wei1,3, ZHANG Hui-yuan1,3, GUO Hai-feng1, WANG Hai1,3*

(1.Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China；2.Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China；3.Key Laboratory of Agro-products Postharvest Handling，Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China)

WithPenaeusvannameias the experimental material, the effects of solar drying temperature on the drying rate, water activity, hardness, elasticity, chewiness, color, shrinkage, rehydration rate and other physical and chemical properties and drying energy consumption ofPenaeusvannameiare studied at 45,55,65,75 ℃. The results show that when the drying temperature is 45～55 ℃, the physical and chemical properties ofPenaeusvannameidried products are better than those of other temperatures and with low drying energy consumption,it is suitable for dryingPenaeusvannameiproducts.

solar energy；drying；temperature；physical and chemical properties；energy consumption

TS254.7

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.12.017

1000-9973(2017)12-0079-05

2017-08-15 *通訊作者

海洋公益性行業科研專項項目(201205031-02)

郭雪霞(1978-)，女，高級工程師，研究方向：農產品加工技術與裝備研發；

王海(1964-)，男，研究員，研究方向：農產品加工技術與裝備研發。