管束干燥设备加工南极磷虾品质分析

宋艳艳，欧阳杰，沈 建，冯志华，白 贞，徐宏治

(1上海海洋大学食品学院，上海 201306；2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

南极磷虾(Euphausiasuperba，Antarctickrill)是栖息在南极海域磷虾的统称，成虾体长3～9 cm，为典型高蛋白低脂肪生物[1]。南极半岛海域磷虾生物量约为7亿t[2]，预估可持续年捕捞量为1亿t左右，相当于全球年渔业捕捞总量[3]。南极磷虾资源开发潜力巨大，发展相关的船舶装备、加工技术与装备意义重大[4]。南极磷虾粉是船载加工的基础产品，也是进行新产品开发的原料[5]。加工工序为前处理、蒸煮与分离、干燥、粉碎等[6]。干燥涉及传热和传质过程，是影响虾粉品质的重要因素[7]。影响干燥效果的因素主要概括为加工条件(干燥设备与工艺参数)和物料性质[8]，因干燥原料性质难改变，故选取适宜的干燥设备与操作规程对提高南极磷虾粉的品质具有重大意义[6]。

国外船载南极磷虾粉加工所用设备为大型圆盘干燥机，采用常压与真空多级干燥技术，产品得率高、品质好[9]。中国南极磷虾捕捞船上也配备有大型圆盘干燥机，但设备性能和技术均落后于国外，占地空间大且干燥时间长，工艺多参照鱼粉，所得虾粉品质低且质量不稳定，产品主要用作低值的养殖饲料[10-12]。为了提升虾粉品质，相关单位都在尝试开发适配于南极磷虾船载加工的设备与技术。相比圆盘干燥机，管束干燥机采用饱和蒸汽为热源，具有换热快、高效节能、占地面积小等优点[13]，广泛应用于谷物干燥[14-15]， 理论上适用于南极磷虾的船载干燥加工[6]。

本试验采用管束干燥设备对南极磷虾进行干燥，探究不同干燥温度下南极磷虾的水分含量、物料温度、干燥速率和主要品质指标的变化情况，为工艺优化提供数据，以期获得高品质南极磷虾粉工艺参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备仪器

南极磷虾在-19 ℃冷冻保存于实验室，磷虾体长3.5～4.5 cm，体质量0.2～0.3 g。购于辽宁远洋渔业有限公司，2019年捕捞于南极海域48.1区。设备与仪器：管束干燥机(常州市广博干燥设备有限公司，系统示意图如图1所示)，蒸汽发生器(张家港市富昶锅炉制作有限公司)，QV-1530蒸煮锅(浙江爱仕达电器股份有限公司)，UV-2204PC紫外可见分光光度计(上海精密仪器有限公司)，水分快速测定仪(赛多利斯中国有限公司)，NR110精密色差仪(深圳三恩时科技有限公司)。

1.2 试验方法

原料前处理：将冻藏的南极磷虾在室温约20 ℃下进行流水解冻；蒸煮锅升温时间10 min，蒸煮温度90 ℃，一次性放入蒸煮锅中的磷虾质量8 kg，蒸煮时间15 min，蒸煮后的磷虾6.6 kg，冷却后冷藏备用[16-18]。

设备参数与操作：打开蒸汽发生器，调节压力阀，待蒸汽压力上升到设定值后，打开管束干燥设备，设置转速20 r/min，风机处于关闭状态，让干燥机在空载状态下转动15 min，待稳定运行后加入物料，进料量2 kg。根据已有的南极磷虾干燥研究确定设备干燥温度不高于160 ℃[8,19]，温度梯度设为110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃。干燥过程中定时取料，当测得物料水分含量达到10%时定为干燥终点，记录所用时间。

1.3 试验指标

1.3.1 样品中水分含量测定

采用烘箱105 ℃干燥[20]，定时称重直至恒重。重复测量3次取平均值。计算公式：

(1)

式中：M为水分含量；m1为所取样品初始质量，g；m2为样品恒重时质量，g。

1.3.2 干燥特性曲线

干燥特性曲线通常由干燥过程中物料水分含量、物料温度和干燥速率3条曲线组成。曲线特征因物料中水分存在形式及扩散途径、物料的形状与结构、干燥加工条件的不同而有所差别[21]。

1)物料温度曲线。管束干燥机内南极磷虾在干燥过程中温度随时间变化关系。干燥机的温度通过调节蒸汽发生器来改变，由于其不具备读取物料温度的条件，为获得较为精确的数据，该试验在一定时间间隔(△t)关闭主机以测得腔体中南极磷虾的温度(T)，重复3次，绘制T-t曲线。

2)物料水分变化曲线。南极磷虾在干燥过程中水分随时间的变化情况。由于管束干燥机不具备连续称重的条件，该试验需要一定时间间隔(△t)关闭主机并从干燥腔中取南极磷虾，为不同时间的样品做编号，烘箱干燥样测水分含量(M)，绘制M-t曲线。

3)干燥速率曲线。干燥速率(R)是指干燥过程中物料失水速率与含水率的关系，公式如下：

(2)

式中：R为干燥速率，g/(g·min)；△M为相邻两次的水分含量差值，g/g；△t为相邻两次测定时间间隔，min。

1.3.3 品质指标测定

1)粗蛋白质(Protein，P)测定。①牛血清蛋白溶液配制与标准曲线绘制：精确称取0.025 g牛血清蛋白，蒸馏水定容100 ug/mL蛋白母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，蒸馏水定容得0、20、40、60、80、100 μg/mL 6组牛血清蛋白标准溶液。分别取6组标准溶液与考马斯亮蓝按体积比1∶5于烧杯中，静置2 min。紫外分光光度计以考马斯亮蓝溶液为空白调零，595 nm比色，每个样品重复3次，结果取平均值。以蛋白质质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制蛋白质标准曲线得回归方程为y= 0.003 6x+ 0.099 6 (R2=0.999 3)。②蛋白质提取与测定[22]：称取1.00 g 南极磷虾样品，按1∶70料液比加入70 mL磷酸盐缓冲液(0.1 mol/L，pH 7)，0 ℃静置1 h，4 ℃、10 000 r/min转速下离心15 min，离心管上清液即为水溶性蛋白。收集离心管沉淀，重复以上步骤，离心管上清液即为盐溶性蛋白。分别取水溶性和盐溶性蛋白质，按照蛋白液与考马斯亮蓝体积比1∶5混合，静置2 min，595 nm比色，重复测量3次取平均值。根据蛋白质标准曲线，求出样品中蛋白质吸光度对应的质量浓度CP。粗蛋白计算公式：

(3)

式中：P为样品中的蛋白质含量，mg/g；CP为蛋白质质量浓度，ug/mL；Vp为提取液体积，mL；Vs为测定时取样量，mL；m0为样品质量，g；M为水分含量，g/g。样品蛋白质含量按照干基计算。

2)虾青素(Astaxanthin，A)测定。①虾青素标准溶液配制与标准曲线绘制：精确称取0.005 g虾青素标准品，无水乙醇定容1 mg/mL母液。移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL母液，无水乙醇定容得1、2、3、4、5、6 μg/mL 6组虾青素标准溶液。紫外分光光度计无水乙醇空白调零，472 nm比色，测6组不同质量浓度虾青素标准溶液的吸光度。以虾青素质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制虾青素标准曲线得回归方程为y=0.332 2x- 0.013 6(R2=0.999 9)。②虾青素提取与测定[23]：称取1.00 g南极磷虾粉，置于不同编号锥形瓶中，按1∶30料液比加入无水乙醇，盖上瓶盖，摇匀后于50 ℃恒温水浴3 h，过滤沉淀所得液体为待测液；然后在474 nm下比色，测吸光度，重复测量3次取平均值。根据虾青素标准曲线，求出样品中虾青素吸光度对应的质量浓度C。虾青素A计算公式：

(4)

式中：A为虾青素含量，mg/g；C为虾青素质量浓度，mg/mL；D为稀释倍数；V为提取液体积，mL；mp为样品质量，g；M为水分含量，g/g。样品虾青素含量按照干基计算。

3)粗脂肪测定。采用索氏抽提法[24]，重复测量3次取平均值。粗脂肪F计算公式：

(5)

式中：F为脂肪含量，%；m干为去除水分后的样品质量，g；m′干为索氏抽提后样品的质量，g。

4)色泽测定。采用NR110精密色差计测定样品L*(正/负，黄/蓝)、a*(正/负，红/绿)、b*(正/负，明/暗)[25]。将蒸煮后糜状南极磷虾为标准对照。重复测量3次取平均值。色差值△E表示实验组与空白组的差距，数值越大表明颜色差别越大。△E计算公式：

(6)

1.4 数据处理

使用Excel 2019数据处理与分析并作图。

2 结果与分析

2.1 南极磷虾管束干燥过程的特性分析

2.1.1 南极磷虾温度变化

图2所示，每条曲线变化趋势概括为，快速—平缓—较快速。在干燥前10 min，由于物料与腔体存在极大的温度差，腔体内的刮板不断翻动物料，扩大了物料与热空气的接触面积，物料吸热使自身温度快速上升[15]。10 min后，物料吸收的热量主要用于蒸发水分而非加热，因此曲线变化不明显，物料温度保持在60 ℃左右，不同干燥温度下该阶段持续时间不同，温度越高持续时间越短。随着干燥时间的延长，物料吸收的热量同时用于水分蒸发和物料加热，因此物料温度又以较快速度上升。对比5组曲线可知，干燥30 min后，干燥温度越高，物料温度上升越快，达到干燥终点的料温也越高。

2.1.2 南极磷虾水分含量及干燥速率变化

图3所示，每条曲线变化概括为两个阶段：物料水分含量60%～ 80%为第一阶段，10%～ 60%为第二阶段。第一阶段为干燥初始，南极磷虾吸收热量升温，表面水分开始蒸发，内部温度较低，由于内外温度差比较大而阻碍磷虾体内水分向体外迁移，因此水分含量下降缓慢，该阶段曲线变化与图2的温度变化趋势吻合。第二阶段物料温度上升较快，内外温度差越来越小或消失，因此水分含量快速下降。对比5条曲线，不同温度达到干燥终点所用时间不同，温度越高干燥时间越短，温度每升高10 ℃，干燥时间缩短10～20 min。

图4可知，水分含量-干燥速率曲线起伏变化较大，干燥速率的总体趋势是随着水分含量的降低，干燥速率下降。曲线变化趋势可以从设备方面考虑[26]：管束干燥机的热源是蒸汽发生器，在干燥过程中是每隔一段时间就要补充饱和蒸汽，对腔体内物料的干燥速率有一定影响；其次，设备本身不能做到完全密封与隔热，而且每隔10 min取样时需要关闭干燥腔，这对试验结果会造成一定误差。

2.2 管束干燥过程中南极磷虾品质变化规律

2.2.1 蛋白质含量变化

南极磷虾初始水溶性蛋白含量为18.65±0.01 mg/g，初始盐溶性蛋白含量为18.55±0.05 mg/g，干燥终点5组南极磷虾蛋白质含量如图5所示：110 ℃～150 ℃干燥温度下南极磷虾水溶性蛋白对应的含量分别减少35%、22%、30%、31%、40%；盐溶性蛋白对应的含量分别减少46%、41%、49%、55%、56%。分析5组试验，120 ℃条件下蛋白质损失量最小，150 ℃条件下蛋白质损失量最大。

研究可知，南极磷虾从捕捞至冷冻在自溶酶和微生物的作用下，蛋白质处于不断降解状态，低温抑制蛋白质降解，但并不能阻止该过程[27-28]。冷冻南极磷虾从解冻到干燥过程处理时间越长，蛋白质降解也就越多，因此需要尽可能缩短前处理时间；在干燥过程中，蛋白质会因氧气存在而发生复杂的化学反应；干燥温度和时间也会影响蛋白质含量，高温长时间处理会加快蛋白质降解。

2.2.2 南极磷虾虾青素含量变化

相关研究表明，虾青素氧化能力极强但结构不稳定，受热极易分解，温度越高其降解速度越快[29]。由图6、图7可知，在水分含量较高时，南极磷虾吸收的热量一部分用于自身温度升高一部分用于蒸发水分，在磷虾温度由室温缓慢上升至60 ℃，此阶段虾青素降解较少且速度较慢；当水分含量 <60%，物料温度 >60 ℃，虾青素降解加快，直至干燥终点。与对照组虾青素含量相比(173.74 μg/g，干重)，干燥终点时110 ℃～150 ℃对应的虾青素含量分别减少16%、17%、24%、25%、25%，当干燥温度>130 ℃时，虾青素破坏严重。

2.2.3 南极磷虾脂肪含量变化

分析图8每条曲线，当物料水分含量≥60%时，脂肪含量呈平稳下降趋势，5条曲线脂肪含量变化对比差异不明显；当水分含量 < 60%时，脂肪含量下降趋势增大，干燥终点时5组脂肪含量数值对比差异极为显著(P<0.01)。研究表明，温度越高，脂肪的氧化反应越剧烈[30]。结合图9，料温60 ℃可视为脂肪含量变化转折点：当料温≤ 60 ℃时，温度对脂肪影响较小，各组脂肪含量变化差异很小；料温>60 ℃时，温度对脂肪的影响变大，温度越高脂肪降解速度越快。与对照组脂肪含量相比(18%，干重)，干燥终点时110 ℃～150 ℃对应的脂肪含量分别减少28%、27%、28%、34%、35%，当干燥温度>130 ℃，脂肪破坏严重。

2.2.4 干燥终点南极磷虾色泽变化

色泽是评价虾粉品质的重要感官标准之一，可间接反映虾青素、肌红蛋白等色素类营养物质的含量[31]。由表2可知，随着温度的升高，试验组L*值均低于对照组，说明干燥工艺使虾粉的亮度降低，5组虾粉的L*值差异显著(P<0.01)，a*值与b*值均高于对照组，110 ℃～150 ℃条件下的变化规律为先降低后升高。涂敏建等[32]研究了不同水分含量对南极磷虾烤虾质构和色泽的影响，其产品色泽变化规律与本试验一致。综合对比5组虾粉色差值△E，当温度为110 ℃～120 ℃时△E较大，130 ℃～150 ℃时△E较小，说明110 ℃～120 ℃条件下干燥得到的虾粉与对照组颜色差别较大。

3 结论

探讨在实验室条件下，南极磷虾管束干燥过程的特性及品质变化规律，所得结论为：采用管束干燥机加工南极磷虾，在物料水分含量≥60%且物料温度≤60 ℃，采用>130 ℃的干燥温度可提高干燥效率；当物料水分含量<60%或物料温度>60 ℃,宜采用<120 ℃的干燥温度，以获得较高品质的南极磷虾粉。管束干燥设备的干燥温度是影响产品品质最主要的因素，但不是唯一因素，影响管束干燥性能的指标有进料量、转速、风机风量等。结合南极磷虾管束干燥特性，需要进一步综合考虑不同指标对虾粉品质的影响，同时利用本实验得出的干燥过程中南极磷虾温度和水分含量拐点进行工艺优化。

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