管束干燥設備加工南極磷蝦品質分析

宋艷艷，歐陽杰，沈 建，馮志華，白 貞，徐宏治

(1上海海洋大學食品學院，上海 201306；2 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

南極磷蝦(Euphausiasuperba，Antarctickrill)是棲息在南極海域磷蝦的統稱，成蝦體長3～9 cm，為典型高蛋白低脂肪生物[1]。南極半島海域磷蝦生物量約為7億t[2]，預估可持續年捕撈量為1億t左右，相當于全球年漁業捕撈總量[3]。南極磷蝦資源開發潛力巨大，發展相關的船舶裝備、加工技術與裝備意義重大[4]。南極磷蝦粉是船載加工的基礎產品，也是進行新產品開發的原料[5]。加工工序為前處理、蒸煮與分離、干燥、粉碎等[6]。干燥涉及傳熱和傳質過程，是影響蝦粉品質的重要因素[7]。影響干燥效果的因素主要概括為加工條件(干燥設備與工藝參數)和物料性質[8]，因干燥原料性質難改變，故選取適宜的干燥設備與操作規程對提高南極磷蝦粉的品質具有重大意義[6]。

國外船載南極磷蝦粉加工所用設備為大型圓盤干燥機，采用常壓與真空多級干燥技術，產品得率高、品質好[9]。中國南極磷蝦捕撈船上也配備有大型圓盤干燥機，但設備性能和技術均落后于國外，占地空間大且干燥時間長，工藝多參照魚粉，所得蝦粉品質低且質量不穩定，產品主要用作低值的養殖飼料[10-12]。為了提升蝦粉品質，相關單位都在嘗試開發適配于南極磷蝦船載加工的設備與技術。相比圓盤干燥機，管束干燥機采用飽和蒸汽為熱源，具有換熱快、高效節能、占地面積小等優點[13]，廣泛應用于谷物干燥[14-15]， 理論上適用于南極磷蝦的船載干燥加工[6]。

本試驗采用管束干燥設備對南極磷蝦進行干燥，探究不同干燥溫度下南極磷蝦的水分含量、物料溫度、干燥速率和主要品質指標的變化情況，為工藝優化提供數據，以期獲得高品質南極磷蝦粉工藝參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備儀器

南極磷蝦在-19 ℃冷凍保存于實驗室，磷蝦體長3.5～4.5 cm，體質量0.2～0.3 g。購于遼寧遠洋漁業有限公司，2019年捕撈于南極海域48.1區。設備與儀器：管束干燥機(常州市廣博干燥設備有限公司，系統示意圖如圖1所示)，蒸汽發生器(張家港市富昶鍋爐制作有限公司)，QV-1530蒸煮鍋(浙江愛仕達電器股份有限公司)，UV-2204PC紫外可見分光光度計(上海精密儀器有限公司)，水分快速測定儀(賽多利斯中國有限公司)，NR110精密色差儀(深圳三恩時科技有限公司)。

1.2 試驗方法

原料前處理：將凍藏的南極磷蝦在室溫約20 ℃下進行流水解凍；蒸煮鍋升溫時間10 min，蒸煮溫度90 ℃，一次性放入蒸煮鍋中的磷蝦質量8 kg，蒸煮時間15 min，蒸煮后的磷蝦6.6 kg，冷卻后冷藏備用[16-18]。

設備參數與操作：打開蒸汽發生器，調節壓力閥，待蒸汽壓力上升到設定值后，打開管束干燥設備，設置轉速20 r/min，風機處于關閉狀態，讓干燥機在空載狀態下轉動15 min，待穩定運行后加入物料，進料量2 kg。根據已有的南極磷蝦干燥研究確定設備干燥溫度不高于160 ℃[8,19]，溫度梯度設為110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃。干燥過程中定時取料，當測得物料水分含量達到10%時定為干燥終點，記錄所用時間。

1.3 試驗指標

1.3.1 樣品中水分含量測定

采用烘箱105 ℃干燥[20]，定時稱重直至恒重。重復測量3次取平均值。計算公式：

(1)

式中：M為水分含量；m1為所取樣品初始質量，g；m2為樣品恒重時質量，g。

1.3.2 干燥特性曲線

干燥特性曲線通常由干燥過程中物料水分含量、物料溫度和干燥速率3條曲線組成。曲線特征因物料中水分存在形式及擴散途徑、物料的形狀與結構、干燥加工條件的不同而有所差別[21]。

1)物料溫度曲線。管束干燥機內南極磷蝦在干燥過程中溫度隨時間變化關系。干燥機的溫度通過調節蒸汽發生器來改變，由于其不具備讀取物料溫度的條件，為獲得較為精確的數據，該試驗在一定時間間隔(△t)關閉主機以測得腔體中南極磷蝦的溫度(T)，重復3次，繪制T-t曲線。

2)物料水分變化曲線。南極磷蝦在干燥過程中水分隨時間的變化情況。由于管束干燥機不具備連續稱重的條件，該試驗需要一定時間間隔(△t)關閉主機并從干燥腔中取南極磷蝦，為不同時間的樣品做編號，烘箱干燥樣測水分含量(M)，繪制M-t曲線。

3)干燥速率曲線。干燥速率(R)是指干燥過程中物料失水速率與含水率的關系，公式如下：

(2)

式中：R為干燥速率，g/(g·min)；△M為相鄰兩次的水分含量差值，g/g；△t為相鄰兩次測定時間間隔，min。

1.3.3 品質指標測定

1)粗蛋白質(Protein，P)測定。①牛血清蛋白溶液配制與標準曲線繪制：精確稱取0.025 g牛血清蛋白，蒸餾水定容100 ug/mL蛋白母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，蒸餾水定容得0、20、40、60、80、100 μg/mL 6組牛血清蛋白標準溶液。分別取6組標準溶液與考馬斯亮藍按體積比1∶5于燒杯中，靜置2 min。紫外分光光度計以考馬斯亮藍溶液為空白調零，595 nm比色，每個樣品重復3次，結果取平均值。以蛋白質質量濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制蛋白質標準曲線得回歸方程為y= 0.003 6x+ 0.099 6 (R2=0.999 3)。②蛋白質提取與測定[22]：稱取1.00 g 南極磷蝦樣品，按1∶70料液比加入70 mL磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L，pH 7)，0 ℃靜置1 h，4 ℃、10 000 r/min轉速下離心15 min，離心管上清液即為水溶性蛋白。收集離心管沉淀，重復以上步驟，離心管上清液即為鹽溶性蛋白。分別取水溶性和鹽溶性蛋白質，按照蛋白液與考馬斯亮藍體積比1∶5混合，靜置2 min，595 nm比色，重復測量3次取平均值。根據蛋白質標準曲線，求出樣品中蛋白質吸光度對應的質量濃度CP。粗蛋白計算公式：

(3)

式中：P為樣品中的蛋白質含量，mg/g；CP為蛋白質質量濃度，ug/mL；Vp為提取液體積，mL；Vs為測定時取樣量，mL；m0為樣品質量，g；M為水分含量，g/g。樣品蛋白質含量按照干基計算。

2)蝦青素(Astaxanthin，A)測定。①蝦青素標準溶液配制與標準曲線繪制：精確稱取0.005 g蝦青素標準品，無水乙醇定容1 mg/mL母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，無水乙醇定容得1、2、3、4、5、6 μg/mL 6組蝦青素標準溶液。紫外分光光度計無水乙醇空白調零，472 nm比色，測6組不同質量濃度蝦青素標準溶液的吸光度。以蝦青素質量濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制蝦青素標準曲線得回歸方程為y=0.332 2x- 0.013 6(R2=0.999 9)。②蝦青素提取與測定[23]：稱取1.00 g南極磷蝦粉，置于不同編號錐形瓶中，按1∶30料液比加入無水乙醇，蓋上瓶蓋，搖勻后于50 ℃恒溫水浴3 h，過濾沉淀所得液體為待測液；然后在474 nm下比色，測吸光度，重復測量3次取平均值。根據蝦青素標準曲線，求出樣品中蝦青素吸光度對應的質量濃度C。蝦青素A計算公式：

(4)

式中：A為蝦青素含量，mg/g；C為蝦青素質量濃度，mg/mL；D為稀釋倍數；V為提取液體積，mL；mp為樣品質量，g；M為水分含量，g/g。樣品蝦青素含量按照干基計算。

3)粗脂肪測定。采用索氏抽提法[24]，重復測量3次取平均值。粗脂肪F計算公式：

(5)

式中：F為脂肪含量，%；m干為去除水分后的樣品質量，g；m′干為索氏抽提后樣品的質量，g。

4)色澤測定。采用NR110精密色差計測定樣品L*(正/負，黃/藍)、a*(正/負，紅/綠)、b*(正/負，明/暗)[25]。將蒸煮后糜狀南極磷蝦為標準對照。重復測量3次取平均值。色差值△E表示實驗組與空白組的差距，數值越大表明顏色差別越大。△E計算公式：

(6)

1.4 數據處理

使用Excel 2019數據處理與分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 南極磷蝦管束干燥過程的特性分析

2.1.1 南極磷蝦溫度變化

圖2所示，每條曲線變化趨勢概括為，快速—平緩—較快速。在干燥前10 min，由于物料與腔體存在極大的溫度差，腔體內的刮板不斷翻動物料，擴大了物料與熱空氣的接觸面積，物料吸熱使自身溫度快速上升[15]。10 min后，物料吸收的熱量主要用于蒸發水分而非加熱，因此曲線變化不明顯，物料溫度保持在60 ℃左右，不同干燥溫度下該階段持續時間不同，溫度越高持續時間越短。隨著干燥時間的延長，物料吸收的熱量同時用于水分蒸發和物料加熱，因此物料溫度又以較快速度上升。對比5組曲線可知，干燥30 min后，干燥溫度越高，物料溫度上升越快，達到干燥終點的料溫也越高。

2.1.2 南極磷蝦水分含量及干燥速率變化

圖3所示，每條曲線變化概括為兩個階段：物料水分含量60%～ 80%為第一階段，10%～ 60%為第二階段。第一階段為干燥初始，南極磷蝦吸收熱量升溫，表面水分開始蒸發，內部溫度較低，由于內外溫度差比較大而阻礙磷蝦體內水分向體外遷移，因此水分含量下降緩慢，該階段曲線變化與圖2的溫度變化趨勢吻合。第二階段物料溫度上升較快，內外溫度差越來越小或消失，因此水分含量快速下降。對比5條曲線，不同溫度達到干燥終點所用時間不同，溫度越高干燥時間越短，溫度每升高10 ℃，干燥時間縮短10～20 min。

圖4可知，水分含量-干燥速率曲線起伏變化較大，干燥速率的總體趨勢是隨著水分含量的降低，干燥速率下降。曲線變化趨勢可以從設備方面考慮[26]：管束干燥機的熱源是蒸汽發生器，在干燥過程中是每隔一段時間就要補充飽和蒸汽，對腔體內物料的干燥速率有一定影響；其次，設備本身不能做到完全密封與隔熱，而且每隔10 min取樣時需要關閉干燥腔，這對試驗結果會造成一定誤差。

2.2 管束干燥過程中南極磷蝦品質變化規律

2.2.1 蛋白質含量變化

南極磷蝦初始水溶性蛋白含量為18.65±0.01 mg/g，初始鹽溶性蛋白含量為18.55±0.05 mg/g，干燥終點5組南極磷蝦蛋白質含量如圖5所示：110 ℃～150 ℃干燥溫度下南極磷蝦水溶性蛋白對應的含量分別減少35%、22%、30%、31%、40%；鹽溶性蛋白對應的含量分別減少46%、41%、49%、55%、56%。分析5組試驗，120 ℃條件下蛋白質損失量最小，150 ℃條件下蛋白質損失量最大。

研究可知，南極磷蝦從捕撈至冷凍在自溶酶和微生物的作用下，蛋白質處于不斷降解狀態，低溫抑制蛋白質降解，但并不能阻止該過程[27-28]。冷凍南極磷蝦從解凍到干燥過程處理時間越長，蛋白質降解也就越多，因此需要盡可能縮短前處理時間；在干燥過程中，蛋白質會因氧氣存在而發生復雜的化學反應；干燥溫度和時間也會影響蛋白質含量，高溫長時間處理會加快蛋白質降解。

2.2.2 南極磷蝦蝦青素含量變化

相關研究表明，蝦青素氧化能力極強但結構不穩定，受熱極易分解，溫度越高其降解速度越快[29]。由圖6、圖7可知，在水分含量較高時，南極磷蝦吸收的熱量一部分用于自身溫度升高一部分用于蒸發水分，在磷蝦溫度由室溫緩慢上升至60 ℃，此階段蝦青素降解較少且速度較慢；當水分含量 <60%，物料溫度 >60 ℃，蝦青素降解加快，直至干燥終點。與對照組蝦青素含量相比(173.74 μg/g，干重)，干燥終點時110 ℃～150 ℃對應的蝦青素含量分別減少16%、17%、24%、25%、25%，當干燥溫度>130 ℃時，蝦青素破壞嚴重。

2.2.3 南極磷蝦脂肪含量變化

分析圖8每條曲線，當物料水分含量≥60%時，脂肪含量呈平穩下降趨勢，5條曲線脂肪含量變化對比差異不明顯；當水分含量 < 60%時，脂肪含量下降趨勢增大，干燥終點時5組脂肪含量數值對比差異極為顯著(P<0.01)。研究表明，溫度越高，脂肪的氧化反應越劇烈[30]。結合圖9，料溫60 ℃可視為脂肪含量變化轉折點：當料溫≤ 60 ℃時，溫度對脂肪影響較小，各組脂肪含量變化差異很小；料溫>60 ℃時，溫度對脂肪的影響變大，溫度越高脂肪降解速度越快。與對照組脂肪含量相比(18%，干重)，干燥終點時110 ℃～150 ℃對應的脂肪含量分別減少28%、27%、28%、34%、35%，當干燥溫度>130 ℃，脂肪破壞嚴重。

2.2.4 干燥終點南極磷蝦色澤變化

色澤是評價蝦粉品質的重要感官標準之一，可間接反映蝦青素、肌紅蛋白等色素類營養物質的含量[31]。由表2可知，隨著溫度的升高，試驗組L*值均低于對照組，說明干燥工藝使蝦粉的亮度降低，5組蝦粉的L*值差異顯著(P<0.01)，a*值與b*值均高于對照組，110 ℃～150 ℃條件下的變化規律為先降低后升高。涂敏建等[32]研究了不同水分含量對南極磷蝦烤蝦質構和色澤的影響，其產品色澤變化規律與本試驗一致。綜合對比5組蝦粉色差值△E，當溫度為110 ℃～120 ℃時△E較大，130 ℃～150 ℃時△E較小，說明110 ℃～120 ℃條件下干燥得到的蝦粉與對照組顏色差別較大。

3 結論

探討在實驗室條件下，南極磷蝦管束干燥過程的特性及品質變化規律，所得結論為：采用管束干燥機加工南極磷蝦，在物料水分含量≥60%且物料溫度≤60 ℃，采用>130 ℃的干燥溫度可提高干燥效率；當物料水分含量<60%或物料溫度>60 ℃,宜采用<120 ℃的干燥溫度，以獲得較高品質的南極磷蝦粉。管束干燥設備的干燥溫度是影響產品品質最主要的因素，但不是唯一因素，影響管束干燥性能的指標有進料量、轉速、風機風量等。結合南極磷蝦管束干燥特性，需要進一步綜合考慮不同指標對蝦粉品質的影響，同時利用本實驗得出的干燥過程中南極磷蝦溫度和水分含量拐點進行工藝優化。

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