不同干燥方法對(duì)魚(yú)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

明膠主要來(lái)源于動(dòng)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(yīng)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(diǎn)是干燥量大、對(duì)膠液濃度和黏度要求較寬等，缺點(diǎn)是干燥周期長(zhǎng)、對(duì)有效成分破壞大、易污染等．氯化鋰法對(duì)設(shè)備的腐蝕性大，產(chǎn)品價(jià)格高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)．噴霧干燥是利用霧化器將料液分散為細(xì)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(shí)間短、對(duì)有效成分破壞少等優(yōu)點(diǎn)，但是噴霧干燥的出口溫度較高，而明膠熔點(diǎn)較低，因此其成型率非常低，導(dǎo)致最終產(chǎn)量低．

本文分別采用真空干燥、熱風(fēng)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(shí)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(shí)驗(yàn)原料

明膠粉由廣東明洋明膠有限責(zé)任公司提供，從羅非魚(yú)魚(yú)皮和魚(yú)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(shí)驗(yàn)儀器

SY-4型熱風(fēng)干燥箱，北京華珍烘烤系統(tǒng)設(shè)備工程有限公司；CT-2000H型真空干燥箱，鄭州長(zhǎng)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(guó)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(shè)備有限公司；JS15-02型精密電子天平(0.1g)，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)廠家提供的資料，魚(yú)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(shí)驗(yàn)溫度為 30、40、50℃；熱風(fēng)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(shí)驗(yàn)時(shí)，將培養(yǎng)皿編號(hào)并稱量；按設(shè)定高度(2、5、6mm)倒入明膠溶液后，再次稱量；分別進(jìn)行熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥，定時(shí)取出稱量，直至試樣的濕基含水率降至 10%，結(jié)束實(shí)驗(yàn)．其中高度為2mm 的明膠溶液，除干燥外，還用紅外熱像儀測(cè)量其表面溫度分布．實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值．

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風(fēng)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(shí)的干燥曲線．

圖1 空氣濕度20%時(shí)的明膠熱風(fēng)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(fēng)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(gè)降速干燥為主的干燥過(guò)程，內(nèi)部水分傳遞占主導(dǎo)．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(dāng)明膠高度為5mm時(shí)，干燥時(shí)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(fēng)干燥發(fā)現(xiàn)：溫度為40℃和50℃時(shí)，空氣濕度對(duì)干燥速率影響不顯著，可以忽略不計(jì)，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(shí)，空氣濕度對(duì)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(duì)濕度影響明膠內(nèi)部的平衡含水率，相對(duì)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(shí)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(shí)熱風(fēng)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(fēng)薄層干燥是一個(gè)內(nèi)部水分傳遞占主導(dǎo)的降速干燥過(guò)程，干燥速度緩慢．在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，熱風(fēng)溫度和高度是兩個(gè)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(gè)干燥過(guò)程只有降速階段，沒(méi)有恒速階段；溫度和壓力對(duì)干燥過(guò)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(shí)(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(shí)(圖4(b)和圖4(c))，30kPa和50kPa壓力條件下，初始時(shí)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(dǎo)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(shí)間大大縮短．通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥在高度 5mm、干燥溫度 50℃時(shí)，明膠含水率從 70% 降至 10%需 6h，而相同溫度時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高度為5mm和6mm明膠溶液的干燥趨勢(shì)相同，因此對(duì)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(jiàn)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(guò)程不一樣．隨著厚度的增加，干燥時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，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(shí)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(guò)程中有部分重合．

圖5 6 mm明膠溶液在溫度為50℃時(shí)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(shí)的形態(tài)．真空干燥采用 30℃(30、50、70kPa)、40℃(30、50、70kPa)、50℃(30、50、70kPa)的實(shí)驗(yàn)條件，干燥結(jié)束時(shí)的明膠形態(tài)與圖 6類似，因此沒(méi)有列出．比較圖 6的 3個(gè)分圖可以發(fā)現(xiàn)：壓力越小(真空度越高)干燥過(guò)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(shí)間．

圖6 5 mm明膠溶液在溫度為30℃時(shí)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(fēng)干燥的比較

采用高度為5mm、6mm明膠溶液進(jìn)行熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)的耗時(shí)長(zhǎng)，干燥不均勻，隨著明膠溶液高度的增加，干燥耗時(shí)變得越長(zhǎng)，不利于明膠干燥．為了更好地比較微波干燥和熱風(fēng)干燥，選擇高度2mm的明膠溶液進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)表明，微波功率采用 270W時(shí)，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(shí)驗(yàn)用微波干燥箱的微波腔內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)盤(pán)．

圖 7比較了 2mm明膠溶液在微波干燥和熱風(fēng)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(fēng)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(shí)間為 40min．由此可見(jiàn)，微波干燥比熱風(fēng)干燥速度更快，主要原因是微波對(duì)明膠整體加熱，物體內(nèi)外受熱均勻，促進(jìn)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(fēng)干燥(50℃)時(shí)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(fēng)干燥過(guò)程中，熱風(fēng)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(diǎn)極低，在干燥的初始時(shí)刻表面處于熔融狀，使得水分散失快，散失水分后的明膠開(kāi)始出現(xiàn)致密層，使得內(nèi)部水分很難散發(fā)出來(lái)．

圖8和圖9分別在熱風(fēng)和微波干燥方式下，不同時(shí)刻明膠溶液表面的溫度分布圖．

圖8 熱風(fēng)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(guò)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?yàn)闊犸L(fēng)干燥過(guò)程中，邊緣處明膠與熱風(fēng)和培養(yǎng)皿外壁接觸，同時(shí)受到熱風(fēng)對(duì)流和外壁熱傳導(dǎo)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(fēng)對(duì)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(chǎng)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(dǎo)致.

由以上分析可知，相對(duì)熱風(fēng)干燥，微波干燥明膠溶液速度快，干燥時(shí)間短，但物料干燥過(guò)程中受熱不均．

3 結(jié) 論

(1) 熱風(fēng)溫度和明膠厚度是熱風(fēng)干燥的兩個(gè)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(shí)空氣濕度對(duì)干燥速率影響較大．

(2) 相對(duì)熱風(fēng)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(shí)間．熱風(fēng)干燥高度為5mm 和 6mm 的明膠溶液，耗時(shí)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(shí)縮短為1～2 h．2 mm明膠溶液的熱風(fēng)干燥和微波干燥時(shí)間分別為65 min和40min．

(3) 根據(jù)熱風(fēng)干燥、真空干燥結(jié)束時(shí)明膠形狀可知，真空干燥會(huì)出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象，熱風(fēng)干燥在干燥過(guò)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(shí)間．而微波干燥，明膠存在干燥不均勻現(xiàn)象．