南极磷虾虾粉加工干燥技术与设备应用分析

2019-09-19欧阳杰马田田沈建

安徽农业科学 2019年16期

欧阳杰　马田田　沈建

摘要干燥是蝦粉加工的关键工序之一，是影响虾粉品质的重要因素，适宜的干燥技术和设备可有效保证南极磷虾虾粉质量，提高南极磷虾虾粉生产效率。综述了几种常用的食品干燥技术和设备的原理、适应物料形式以及优缺点，并根据南极磷虾的物料特性，对这几种干燥技术和设备在南极磷虾虾粉加工中的应用前景和可行性进行了分析，旨在为南极磷虾干燥技术创新和干燥设备研发提供理论依据与技术支撑。

关键词南极磷虾;虾粉;干燥;技术;设备

中图分类号 TS254文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）16-0216-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.061

开放科学（资源服务）标识码（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

南极磷虾生活在南极水域，资源十分丰富，生物资源储量保守估计约7.5亿t，年可捕捞量达1亿t，是海洋渔业资源的重要构成部分，被誉为地球上最后一个蛋白库。受捕捞和加工等技术问题的制约，近年的年均捕获量仅在20万t左右[1-3]，尚未得到充分开发利用，开发潜力巨大。南极磷虾富含蛋白质，氨基酸组成合理，必需氨基酸含量占总蛋白质含量的46.73%[4]，是21世纪最有发展前景的水产品之一[5]。

虾粉是南极磷虾最主要的加工产品之一，与鱼粉相比，虾粉在适口性、抗氧化性和营养价值等方面具有独特的优势，在市场上具有很强的竞争力[6]。南极磷虾资源开发起步于20世纪60、70年代，前苏联和日本是最早从事南极磷虾资源开发的国家，具备自主研发捕捞加工船的能力，船载加工产品主要有虾粉和冻虾。我国南极磷虾开发起步较晚，到21世纪初才开始进行探捕，加工技术和设备比较落后，船载虾粉加工工艺沿用陆基湿法鱼粉加工工艺，加工设备则主要由鱼粉加工设备改造而成，与挪威等国外南极磷虾加工发达国家相比，在虾粉品质和得率方面还存在着较大的差距[7-10]。

南极磷虾虾粉加工工艺通常为磷虾→蒸煮→分离→干燥→粉碎→虾粉，现有的南极磷虾船载虾粉加工生产线主要由蒸煮设备、脱水设备和干燥设备组成，其中干燥是南极磷虾加工的关键环节，干燥方式、温度、时间、设备等都是影响虾粉品质的影响因素。南极磷蝦物料属于高水分黏性物料，初始水分含量接近80%，脂肪含量高，活性物质受热容易分解，因此干燥工艺尤为重要，既要防止物料结块，又要防止温度过高造成活性物质损失，还要考虑船上的空间和能耗。

因此，研究磷虾粉干燥技术和设备具有重要的意义。笔者结合南极磷虾物料的性状，对目前常用的几种干燥技术和设备的特点、应用现状以及优缺点进行了归纳总结，对几种干燥技术和设备在南极磷虾虾粉加工中的应用前景进行了分析，旨在为南极磷虾干燥技术创新和干燥设备研发提供理论依据与技术支撑。

1 干燥技术

目前，我国食品工业中常用的干燥技术主要有热风干燥、冷风干燥、热泵干燥、微波干燥、冷冻干燥等，各干燥技术在工作原理、适用物料种类等均有所不同，有各自的优缺点。

1.1 热风干燥技术

热风干燥是以热空气为干燥介质，以对流循环的方式与物料进行湿热交换，物料表面上的水分即水汽，并通过表面的气膜向气流主体扩散;与此同时由于物料表面汽化，使物料内部和表面产生水分梯度差，物料内部的水以汽态或液态的形式向表面扩散（表1），从而达到除去其水分的目的[11-12]。热风干燥技术适用于散粒状物料，广泛用于扇贝、海参、鲍鱼、梅鱼等水产品的干燥[13-18]。如张国琛等[13]采用热风干燥技术干燥扇贝，结果表明温度低于55 ℃效果最好;有研究证实，温度是影响梅鱼热风干燥效果的主要因素;适当提高热风温度，即可提高白鲢鱼的干燥速度，又不影响产品品质[14-15];丛海花等[17]通过建立并保持一定温度梯度，优化海参热风干燥工艺，保证海参品质且降低能耗;贾敏等[18]改进优化了鲍鱼热风干燥工艺参数，为鲍鱼干制品开发提供了技术支持;张燕平等[14]建立了梅鱼热风干燥数学模型，为梅鱼热风干燥提供了工艺参数支持，上述研究证明热风干燥可以较好地应用于水产品干燥。

南极磷虾整虾是条状物料，物料特性与海参、梅花鱼等特性相似，理论上来说适合于热风干燥，但由于整虾外壳未被破坏，一定程度上具有缩水的作用，因而干燥速率会有所下降;经分离后的南极磷虾物料呈颗粒状，由于分离时物料破碎存在不均匀的情况，部分物料经反复破碎呈浆状，热风干燥过程中如干燥温度设置过高，容易出现表面硬化现象，不利于内部水分的排出，影响干燥速率;此外，由于热风干燥的传热介质是热空气，传热速率比较慢，如干燥温度控制不好，会导致南极磷虾中脂肪氧化，活性成分和热敏性物质损失，色泽、风味劣变，造成磷虾粉存在品质较低、稳定性差等问题。

1.2 冷风干燥技术

冷风干燥是将物料置于干燥室内，通入低温空气，使低温低湿空气强制循环于干燥室内，营造一种低温、低湿、高风速的环境，从而使物料水分含量逐渐降低达到干燥的目的[19]。冷风干燥技术可降低物料在干燥过程中蛋白质热变性、脂肪氧化、褐变和风味物质损失，能较好地保持物料色泽、质地、形状、营养成分，在水产品干燥中的研究越来越多，在海参、扇贝柱、鲍鱼等的干燥上均有应用[20-21]。但由于冷风干燥的干燥温度低、干燥用时长、成本高，因此主要应用于经济价值高、对品质要求高、热敏性成分含量高的物料（表1）。南极磷虾虽然本身的价值比较低，但虾青素、不饱和脂肪酸等热敏性成分含量高，对虾粉的品质要求也比较高，从这个角度分析，冷风干燥是适用于南极磷虾虾粉干燥的，但由于南极磷虾体内的酶活性强以及氟含量高等因素，要求南极磷虾必须在捕捞后2～3 h要加工完毕，因此必须进行船载加工，而南极磷虾的捕捞量大，船上空间也有限，不可能配置很多的生产线，因此如果采用冷风干燥进行干燥，会造成干燥时间过长、加工能力不足，因此综合分析认为冷风干燥不适合南极磷虾的船载加工。

1.3 热泵干燥技术

热泵干燥技术的原理是热泵从低温热源吸收热量，利用制冷剂和干燥介质系统，经压缩、冷凝、节流、蒸发4个过程，将低位热能转化为高位热能，利用热空气和冷凝水对湿物料干燥除湿，干燥介质一般为空气或惰性气体[22]。热泵干燥具有高效节能、热效性稳定、快速除湿和有效保持物料品质等优势，适用于热敏性、高附加值产品的干燥（表1），目前在粮食、蔬菜、水果、水产等领域均有研究和应用[23-24]，如Artnaseaw等[25]建立了不同温度和压力条件下，蘑菇和辣椒的最佳热泵干燥数学模型，可预测一定干燥温度和压力范围内物料的品质和干燥效率;李敏等[26]研究了不同风速、厚度下罗非鱼片的干燥曲线，优化了热泵干燥工艺;母刚等[27]采用热泵干燥技术对比分析不同干燥条件下北极虾的品质，得出较优的北极虾热泵干燥工艺;Namsanguan等[28]研究了不同干燥技术对干制虾的皱缩率和硬度的影响，结果表明热泵干燥可有效降低干制虾的皱缩率和硬度，且能耗最低。目前，热泵干燥在南极磷虾干燥的研究鲜见报道，由于南极磷虾的物料特性与北极虾比较接近，且热泵干燥技术具有节能高效的特点，干燥过程中废气、废水排放少，满足船载加工对低能耗高效率的要求，因此，分析认为热泵干燥理论上适用于南极磷虾的船载加工。

1.4 微波干燥技术

微波干燥是一种新型的干燥方式。微波能直接作用于介质分子转换成热能，由于微波具有穿透性能使介质内外同时加热，不需要热传导，加热速度非常快，特别是对含水量在30%以下的物料，干燥速度可显著缩短。微波干燥技术具有优质、高效、节能、环保的特点，可均匀干燥物料，降低干燥温度，提高生产效率，目前在谷类、水果、水产品等方面的研究均有报道，如王素雅等[29]采用微波干燥技术干燥稻谷，与热风干燥相比，微波干燥对稻谷品质影响较大，不利于稻谷的食用或长期储存;赵懿琨等[30]采用微波干燥荔枝，分析了干燥过程中荔枝的热质变化机理和物理变化过程;李书红等[31]研究了微波干燥对扇贝柱干燥特性和品质的影响;吕顺等[32]利用微波干燥草鱼松，通过感官分析的方法，评价微波干燥功率、干燥时间等对草鱼松品质的影响;齐力娜等[33]以草鱼为研究对象，分析了草鱼的微波干燥特性，并建立了草鱼的微波干燥最佳模型。以上研究证明微波干燥适用于高含水量、黏稠性、粉状、颗粒状等物料的干燥（表1），与南极磷虾的物料特性较吻合。但有研究表明微波干燥前阶段，如果物料水分含量高，水分子剧烈运动，容易造成干燥过度的现象。因此为了保证虾粉的品质，分析认为微波干燥不太适宜于南极磷虾的前段干燥，建议先用其他干燥方法将磷虾的水分含量下降至30%～40%，再采用微波干燥的联合干燥法，既能保证虾粉的品质，又能提高干燥效率。

1.5 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥技术的原理是冰晶升华，物料处于低温真空的状态，物料中的水分以冰的状态存在，通过冰升华达到干燥目的，加热剂一般为常温或温度稍高的流体[34-36]。真空冷冻干燥技术可生产品质较优的产品，但真空冷冻干燥的耗能大，加工成本高，干燥速率慢，主要适于经济价值高的物料。目前有关于刺参、乌贼等真空冷冻干燥的研究，如张凡伟[37]对比了4种常用干燥技术对刺参品质的影响，发现冻干刺参品质最好;金洋等[38]对比分析了自然晾晒干燥、热风干燥和真空冷冻干燥对乌贼品质影响，发现真空冷冻干燥的乌贼在色泽、复水率方面优于其他组，以上研究说明真空冷冻干燥技术可较好地保持水产品的品质（表1）。但由于设备、能耗、处理能力等的局限，分析认为真空冷冻干燥并不适用于船载虾粉的干燥加工，但可用于加工高品质的虾干。

2 干燥设备

食品加工中应用较多的干燥设备主要有隧道式干燥设备、管束干燥设备、圆盘干燥设备、桨叶干燥设备、闪蒸干燥设备等。

2.1 隧道式干燥

隧道式干燥设备是食品工业中应用最广泛的干燥设备，主要由隧道体、输送系统、热源系统等组成，通常采用热风或蒸汽作为热源，干燥时，物料均匀铺放在传送带或物料车，隧道体上方的空气加热器把空气加热后由风机吹送，在传送带或物料车之间循环流动，由输送带或绞车等机械装置来控制物料从隧道入口向出口缓慢移动，完成干燥。干燥的温度可以分段控制。物料在干燥过程中有热风气流式和辐射式等，热风滚筒烘干是热气流从尾部向前运动，与物料充分接触，通过热传导、对流、辐射传热量充分利用;将热能直接传递给物料，使物料的水分在筒体内不断被蒸发，入料口的引风装置将大量的水分、湿气流抽出，防止粉尘外排造成的二次污染;通过内螺旋搅拌推进物料运动，完成整个干燥过程[39-40]。隧道式干燥设备适用的物料范围广，块状、颗粒状等大多类型物料均适用，具有处理能力大、热能利用高等优点，缺点是占地面积大、能耗较高（表2），由于南极磷虾捕捞加工船上空间有限，应用到船上时，物料车形式的干燥设备着地面积大，不适用于船载加工，输送带式相对来说占地面积小，可應用于船载加工，为了节省空间，可采用多层隧道式干燥，以充分利用船上的立体空间。

2.2 管束干燥设备

管束干燥是利用热传导和热辐射原理，蒸汽在管束内与物料呈逆流方式，物料在呈负压的封闭腔内通过管束上的铲子搅拌和推动，由进料端向出料端移动，一部分成品物料通过卸料槽到卸料螺旋，经排料关风机排出。另一部分成品物料通过返料关风机到混料螺旋经输送搅拌机与湿物料充分搅拌混合，降低原始湿物料的含水量，从而达到干燥机的理想工作条件，属于直接接触式干燥的一种。广泛应用于轻工、食品、饲料等行业[41-42]，适用于非黏性、松散的颗粒状、纤维状或粉状物料，具有换热充分、高效节能、适用物料范围广、占地面积小等优点（表2）。南极磷虾整虾由于有外壳包裹，属于非黏性物料，适用于管束干燥设备，经挤压分离或破碎后的南极磷虾物料呈浆状，干燥过程中，部分含水量高、颗粒度小的物料可能会粘在管壁上，造成结块、烤焦等情况，需要先对物料进行水分调整，如先用适合浆状料的干燥方法将物料干燥到水分60%左右，再采用管束干燥。

2.3 圆盘干燥设备

圆盘干燥设备是典型的间接加热烘干设备，热介质进入设备筒体夹套、中心轴和圆盘内腔，湿物料通过进料口进入烘干机，在空心圆盘上抄板的作用下翻转、搅拌，不断更新加热面，与圆盘和筒体内壁接触传热，湿分蒸发，使物料得到干化。热介质在圆盘空心内腔中冷凝，形成冷凝水，通过冷凝管排出干燥设备。主要适于干燥饼状、颗粒状物料，优点是双面传热，可在有限的空间内提供足够的传热空间，传热面大，结构紧凑，表面光滑，不易结垢，使用方便，但物料品质较低（表2）。目前，在食品与饲料工业中广泛应用于鱼粉、酒糟、饲料等的干燥[42]。圆盘干燥设备是目前南极磷虾虾粉干燥中普遍采用的设备，国内的捕捞加工船上大多配置的是常压圆盘干燥机，存在虾粉得率偏低、品质较差、产品质量不稳定等问题，国外有采用真空圆盘干燥机，可以一定程度上提升干燥效率，提高产品的稳定性。

2.4 桨叶干燥设备

桨叶干燥设备的原理与圆盘干燥相似，由桨叶轴、箱体、进出料调节器等构成，通过加热介质（如蒸汽、热水、导热油等）加热器身和桨叶轴，使物料与之充分接触，达到蒸发水分的目的。目前，桨叶干燥机广泛用于化工、食品等行业[43-45]。桨叶干燥机主要适于粒状、粉状、膏状物料，尤其在一些黏性、高含水量和液体物料中优势显著，正好与南极磷虾的物料特性相吻合，设备同时具有结构紧凑、占地面积小、热利用率高的特点（表2），满足船载加工对设备的要求，因此，理论上分析，桨叶干燥设备是非常适合南极磷虾的干燥设备。

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