南極磷蝦蝦粉加工干燥技術與設備應用分析

歐陽杰　馬田田　沈建

摘要?干燥是蝦粉加工的關鍵工序之一，是影響蝦粉品質的重要因素，適宜的干燥技術和設備可有效保證南極磷蝦蝦粉質量，提高南極磷蝦蝦粉生產效率。綜述了幾種常用的食品干燥技術和設備的原理、適應物料形式以及優缺點，并根據南極磷蝦的物料特性，對這幾種干燥技術和設備在南極磷蝦蝦粉加工中的應用前景和可行性進行了分析，旨在為南極磷蝦干燥技術創新和干燥設備研發提供理論依據與技術支撐。

關鍵詞?南極磷蝦;蝦粉;干燥;技術;設備

中圖分類號?TS254文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0216-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.061

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis?on?Drying?Technology?and?Equipment?Application?of?Antarctic?krill?Powder?Processing

OUYANG?Jie，?MA?Tian?tian，?SHEN?Jian

（Fishery?Machinery?and?Instrument?Research?Institute，?Chinese?Academy?of?Fishery?Sciences，?Key?Laboratory?of?Ocean?Fishing?Vessel?and?Equipment，?Ministry?of?Agriculture，?National?R&D?Branch?Center?for?Aquatic?Product?Processing?Equipment，Shanghai?200092）

Abstract?Drying?is?one?of?the?key?processes?of?shrimp?powder?processing，?it?is?an?important?influence?factor?of?the?quality.?Appropriate?drying?technology?and?equipment?can?effectively?ensure?the?quality?and?improve?the?production?efficiency?of?Antarctic?krill?powder.?In?this?paper，?the?principle，?material?form，?advantages?and?disadvantages?of?several?commonly?drying?techniques?and?equipment?which?used?in?food?processing?were?summarized.?According?to?the?material?characteristics?of?Antarctic?krill，?the?application?prospect?and?feasibility?of?these?drying?techniques?and?equipment?in?the?processing?of?Antarctic?krill?powder?were?analyzed.?The?purpose?was?to?provide?theoretical?basis?and?technical?support?for?the?innovation?of?drying?technology?and?research?and?development?of?drying?equipment?of?Antarctic?krill.

Key?words?Antarctic?krill;Shrimp?powder;Drying;Technology;Equipment

南極磷蝦生活在南極水域，資源十分豐富，生物資源儲量保守估計約7.5億t，年可捕撈量達1億t，是海洋漁業資源的重要構成部分，被譽為地球上最后一個蛋白庫。受捕撈和加工等技術問題的制約，近年的年均捕獲量僅在20萬t左右[1-3]，尚未得到充分開發利用，開發潛力巨大。南極磷蝦富含蛋白質，氨基酸組成合理，必需氨基酸含量占總蛋白質含量的46.73%[4]，是21世紀最有發展前景的水產品之一[5]。

蝦粉是南極磷蝦最主要的加工產品之一，與魚粉相比，蝦粉在適口性、抗氧化性和營養價值等方面具有獨特的優勢，在市場上具有很強的競爭力[6]。南極磷蝦資源開發起步于20世紀60、70年代，前蘇聯和日本是最早從事南極磷蝦資源開發的國家，具備自主研發捕撈加工船的能力，船載加工產品主要有蝦粉和凍蝦。我國南極磷蝦開發起步較晚，到21世紀初才開始進行探捕，加工技術和設備比較落后，船載蝦粉加工工藝沿用陸基濕法魚粉加工工藝，加工設備則主要由魚粉加工設備改造而成，與挪威等國外南極磷蝦加工發達國家相比，在蝦粉品質和得率方面還存在著較大的差距[7-10]。

南極磷蝦蝦粉加工工藝通常為磷蝦→蒸煮→分離→干燥→粉碎→蝦粉，現有的南極磷蝦船載蝦粉加工生產線主要由蒸煮設備、脫水設備和干燥設備組成，其中干燥是南極磷蝦加工的關鍵環節，干燥方式、溫度、時間、設備等都是影響蝦粉品質的影響因素。南極磷蝦物料屬于高水分黏性物料，初始水分含量接近80%，脂肪含量高，活性物質受熱容易分解，因此干燥工藝尤為重要，既要防止物料結塊，又要防止溫度過高造成活性物質損失，還要考慮船上的空間和能耗。

因此，研究磷蝦粉干燥技術和設備具有重要的意義。筆者結合南極磷蝦物料的性狀，對目前常用的幾種干燥技術和設備的特點、應用現狀以及優缺點進行了歸納總結，對幾種干燥技術和設備在南極磷蝦蝦粉加工中的應用前景進行了分析，旨在為南極磷蝦干燥技術創新和干燥設備研發提供理論依據與技術支撐。

1?干燥技術

目前，我國食品工業中常用的干燥技術主要有熱風干燥、冷風干燥、熱泵干燥、微波干燥、冷凍干燥等，各干燥技術在工作原理、適用物料種類等均有所不同，有各自的優缺點。

1.1?熱風干燥技術

熱風干燥是以熱空氣為干燥介質，以對流循環的方式與物料進行濕熱交換，物料表面上的水分即水汽，并通過表面的氣膜向氣流主體擴散;與此同時由于物料表面汽化，使物料內部和表面產生水分梯度差，物料內部的水以汽態或液態的形式向表面擴散（表1），從而達到除去其水分的目的[11-12]。熱風干燥技術適用于散粒狀物料，廣泛用于扇貝、海參、鮑魚、梅魚等水產品的干燥[13-18]。如張國琛等[13]采用熱風干燥技術干燥扇貝，結果表明溫度低于55?℃效果最好;有研究證實，溫度是影響梅魚熱風干燥效果的主要因素;適當提高熱風溫度，即可提高白鰱魚的干燥速度，又不影響產品品質[14-15];叢海花等[17]通過建立并保持一定溫度梯度，優化海參熱風干燥工藝，保證海參品質且降低能耗;賈敏等[18]改進優化了鮑魚熱風干燥工藝參數，為鮑魚干制品開發提供了技術支持;張燕平等[14]建立了梅魚熱風干燥數學模型，為梅魚熱風干燥提供了工藝參數支持，上述研究證明熱風干燥可以較好地應用于水產品干燥。

南極磷蝦整蝦是條狀物料，物料特性與海參、梅花魚等特性相似，理論上來說適合于熱風干燥，但由于整蝦外殼未被破壞，一定程度上具有縮水的作用，因而干燥速率會有所下降;經分離后的南極磷蝦物料呈顆粒狀，由于分離時物料破碎存在不均勻的情況，部分物料經反復破碎呈漿狀，熱風干燥過程中如干燥溫度設置過高，容易出現表面硬化現象，不利于內部水分的排出，影響干燥速率;此外，由于熱風干燥的傳熱介質是熱空氣，傳熱速率比較慢，如干燥溫度控制不好，會導致南極磷蝦中脂肪氧化，活性成分和熱敏性物質損失，色澤、風味劣變，造成磷蝦粉存在品質較低、穩定性差等問題。

1.2?冷風干燥技術

冷風干燥是將物料置于干燥室內，通入低溫空氣，使低溫低濕空氣強制循環于干燥室內，營造一種低溫、低濕、高風速的環境，從而使物料水分含量逐漸降低達到干燥的目的[19]。冷風干燥技術可降低物料在干燥過程中蛋白質熱變性、脂肪氧化、褐變和風味物質損失，能較好地保持物料色澤、質地、形狀、營養成分，在水產品干燥中的研究越來越多，在海參、扇貝柱、鮑魚等的干燥上均有應用[20-21]。但由于冷風干燥的干燥溫度低、干燥用時長、成本高，因此主要應用于經濟價值高、對品質要求高、熱敏性成分含量高的物料（表1）。南極磷蝦雖然本身的價值比較低，但蝦青素、不飽和脂肪酸等熱敏性成分含量高，對蝦粉的品質要求也比較高，從這個角度分析，冷風干燥是適用于南極磷蝦蝦粉干燥的，但由于南極磷蝦體內的酶活性強以及氟含量高等因素，要求南極磷蝦必須在捕撈后2～3?h要加工完畢，因此必須進行船載加工，而南極磷蝦的捕撈量大，船上空間也有限，不可能配置很多的生產線，因此如果采用冷風干燥進行干燥，會造成干燥時間過長、加工能力不足，因此綜合分析認為冷風干燥不適合南極磷蝦的船載加工。

1.3?熱泵干燥技術

熱泵干燥技術的原理是熱泵從低溫熱源吸收熱量，利用制冷劑和干燥介質系統，經壓縮、冷凝、節流、蒸發4個過程，將低位熱能轉化為高位熱能，利用熱空氣和冷凝水對濕物料干燥除濕，干燥介質一般為空氣或惰性氣體[22]。熱泵干燥具有高效節能、熱效性穩定、快速除濕和有效保持物料品質等優勢，適用于熱敏性、高附加值產品的干燥（表1），目前在糧食、蔬菜、水果、水產等領域均有研究和應用[23-24]，如Artnaseaw等[25]建立了不同溫度和壓力條件下，蘑菇和辣椒的最佳熱泵干燥數學模型，可預測一定干燥溫度和壓力范圍內物料的品質和干燥效率;李敏等[26]研究了不同風速、厚度下羅非魚片的干燥曲線，優化了熱泵干燥工藝;母剛等[27]采用熱泵干燥技術對比分析不同干燥條件下北極蝦的品質，得出較優的北極蝦熱泵干燥工藝;Namsanguan等[28]研究了不同干燥技術對干制蝦的皺縮率和硬度的影響，結果表明熱泵干燥可有效降低干制蝦的皺縮率和硬度，且能耗最低。目前，熱泵干燥在南極磷蝦干燥的研究鮮見報道，由于南極磷蝦的物料特性與北極蝦比較接近，且熱泵干燥技術具有節能高效的特點，干燥過程中廢氣、廢水排放少，滿足船載加工對低能耗高效率的要求，因此，分析認為熱泵干燥理論上適用于南極磷蝦的船載加工。

1.4?微波干燥技術

微波干燥是一種新型的干燥方式。微波能直接作用于介質分子轉換成熱能，由于微波具有穿透性能使介質內外同時加熱，不需要熱傳導，加熱速度非常快，特別是對含水量在30%以下的物料，干燥速度可顯著縮短。微波干燥技術具有優質、高效、節能、環保的特點，可均勻干燥物料，降低干燥溫度，提高生產效率，目前在谷類、水果、水產品等方面的研究均有報道，如王素雅等[29]采用微波干燥技術干燥稻谷，與熱風干燥相比，微波干燥對稻谷品質影響較大，不利于稻谷的食用或長期儲存;趙懿琨等[30]采用微波干燥荔枝，分析了干燥過程中荔枝的熱質變化機理和物理變化過程;李書紅等[31]研究了微波干燥對扇貝柱干燥特性和品質的影響;呂順等[32]利用微波干燥草魚松，通過感官分析的方法，評價微波干燥功率、干燥時間等對草魚松品質的影響;齊力娜等[33]以草魚為研究對象，分析了草魚的微波干燥特性，并建立了草魚的微波干燥最佳模型。以上研究證明微波干燥適用于高含水量、黏稠性、粉狀、顆粒狀等物料的干燥（表1），與南極磷蝦的物料特性較吻合。但有研究表明微波干燥前階段，如果物料水分含量高，水分子劇烈運動，容易造成干燥過度的現象。因此為了保證蝦粉的品質，分析認為微波干燥不太適宜于南極磷蝦的前段干燥，建議先用其他干燥方法將磷蝦的水分含量下降至30%～40%，再采用微波干燥的聯合干燥法，既能保證蝦粉的品質，又能提高干燥效率。

1.5?真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥技術的原理是冰晶升華，物料處于低溫真空的狀態，物料中的水分以冰的狀態存在，通過冰升華達到干燥目的，加熱劑一般為常溫或溫度稍高的流體[34-36]。真空冷凍干燥技術可生產品質較優的產品，但真空冷凍干燥的耗能大，加工成本高，干燥速率慢，主要適于經濟價值高的物料。目前有關于刺參、烏賊等真空冷凍干燥的研究，如張凡偉[37]對比了4種常用干燥技術對刺參品質的影響，發現凍干刺參品質最好;金洋等[38]對比分析了自然晾曬干燥、熱風干燥和真空冷凍干燥對烏賊品質影響，發現真空冷凍干燥的烏賊在色澤、復水率方面優于其他組，以上研究說明真空冷凍干燥技術可較好地保持水產品的品質（表1）。但由于設備、能耗、處理能力等的局限，分析認為真空冷凍干燥并不適用于船載蝦粉的干燥加工，但可用于加工高品質的蝦干。

2?干燥設備

食品加工中應用較多的干燥設備主要有隧道式干燥設備、管束干燥設備、圓盤干燥設備、槳葉干燥設備、閃蒸干燥設備等。

2.1?隧道式干燥

隧道式干燥設備是食品工業中應用最廣泛的干燥設備，主要由隧道體、輸送系統、熱源系統等組成，通常采用熱風或蒸汽作為熱源，干燥時，物料均勻鋪放在傳送帶或物料車，隧道體上方的空氣加熱器把空氣加熱后由風機吹送，在傳送帶或物料車之間循環流動，由輸送帶或絞車等機械裝置來控制物料從隧道入口向出口緩慢移動，完成干燥。干燥的溫度可以分段控制。物料在干燥過程中有熱風氣流式和輻射式等，熱風滾筒烘干是熱氣流從尾部向前運動，與物料充分接觸，通過熱傳導、對流、輻射傳熱量充分利用;將熱能直接傳遞給物料，使物料的水分在筒體內不斷被蒸發，入料口的引風裝置將大量的水分、濕氣流抽出，防止粉塵外排造成的二次污染;通過內螺旋攪拌推進物料運動，完成整個干燥過程[39-40]。隧道式干燥設備適用的物料范圍廣，塊狀、顆粒狀等大多類型物料均適用，具有處理能力大、熱能利用高等優點，缺點是占地面積大、能耗較高（表2），由于南極磷蝦捕撈加工船上空間有限，應用到船上時，物料車形式的干燥設備著地面積大，不適用于船載加工，輸送帶式相對來說占地面積小，可應用于船載加工，為了節省空間，可采用多層隧道式干燥，以充分利用船上的立體空間。

2.2?管束干燥設備

管束干燥是利用熱傳導和熱輻射原理，蒸汽在管束內與物料呈逆流方式，物料在呈負壓的封閉腔內通過管束上的鏟子攪拌和推動，由進料端向出料端移動，一部分成品物料通過卸料槽到卸料螺旋，經排料關風機排出。另一部分成品物料通過返料關風機到混料螺旋經輸送攪拌機與濕物料充分攪拌混合，降低原始濕物料的含水量，從而達到干燥機的理想工作條件，屬于直接接觸式干燥的一種。廣泛應用于輕工、食品、飼料等行業[41-42]，適用于非黏性、松散的顆粒狀、纖維狀或粉狀物料，具有換熱充分、高效節能、適用物料范圍廣、占地面積小等優點（表2）。南極磷蝦整蝦由于有外殼包裹，屬于非黏性物料，適用于管束干燥設備，經擠壓分離或破碎后的南極磷蝦物料呈漿狀，干燥過程中，部分含水量高、顆粒度小的物料可能會粘在管壁上，造成結塊、烤焦等情況，需要先對物料進行水分調整，如先用適合漿狀料的干燥方法將物料干燥到水分60%左右，再采用管束?干燥。

2.3?圓盤干燥設備

圓盤干燥設備是典型的間接加熱烘干設備，熱介質進入設備筒體夾套、中心軸和圓盤內腔，濕物料通過進料口進入烘干機，在空心圓盤上抄板的作用下翻轉、攪拌，不斷更新加熱面，與圓盤和筒體內壁接觸傳熱，濕分蒸發，使物料得到干化。熱介質在圓盤空心內腔中冷凝，形成冷凝水，通過冷凝管排出干燥設備。主要適于干燥餅狀、顆粒狀物料，優點是雙面傳熱，可在有限的空間內提供足夠的傳熱空間，傳熱面大，結構緊湊，表面光滑，不易結垢，使用方便，但物料品質較低（表2）。目前，在食品與飼料工業中廣泛應用于魚粉、酒糟、飼料等的干燥[42]。圓盤干燥設備是目前南極磷蝦蝦粉干燥中普遍采用的設備，國內的捕撈加工船上大多配置的是常壓圓盤干燥機，存在蝦粉得率偏低、品質較差、產品質量不穩定等問題，國外有采用真空圓盤干燥機，可以一定程度上提升干燥效率，提高產品的穩定性。

2.4?槳葉干燥設備

槳葉干燥設備的原理與圓盤干燥相似，由槳葉軸、箱體、進出料調節器等構成，通過加熱介質（如蒸汽、熱水、導熱油等）加熱器身和槳葉軸，使物料與之充分接觸，達到蒸發水分的目的。目前，槳葉干燥機廣泛用于化工、食品等行業[43-45]。槳葉干燥機主要適于粒狀、粉狀、膏狀物料，尤其在一些黏性、高含水量和液體物料中優勢顯著，正好與南極磷蝦的物料特性相吻合，設備同時具有結構緊湊、占地面積小、熱利用率高的特點（表2），滿足船載加工對設備的要求，因此，理論上分析，槳葉干燥設備是非常適合南極磷蝦的干燥設備。

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