废弃卤虫资源冷冻干燥加工工艺的优化研究

闫东科，李陇梅，王永苓，李雪，李德超，童文辉

（1.天津职业大学 生物与环境工程学院，天津 300410；2.天津海友佳音生物科技股份有限公司，天津 300350；3.杰科（天津）生物医药有限公司，天津 300467）

卤虫营养价值丰富，中后期卤虫幼体及其成虫的营养价值要高于滞育卵孵化出的用于饲养水产苗种的Ⅰ期无节幼体。根据相关人员前期在天津渤海湾、新疆艾比湖与巴里坤湖、山东东营及威海等卤虫产地的考察调研，发现因为养殖水体中的各期卤虫幼体及其成体体长较大不适宜作为水产苗种的开口饵料，且其质量不稳定，运输贮存和加工费用较高，所以各地的养殖单位只捕捞卤虫滞育卵进行生产销售[1]。而在将虫卵打捞出水体后，大量的卤虫虫体废弃在水中，在入冬前后只能任其死亡腐烂。例如，某卤虫增养殖个体户每年就有1 200 t 鲜活卤虫被废弃在水中无法利用，折合成干重可达60 t[2]。上述现象不仅造成了卤虫虫体资源浪费，增养殖水体也遭到了极大污染。因此，开发利用废弃卤虫虫体资源已迫在眉睫，可通过创新技术手段解决卤虫虫体资源浪费的产业困境。

真空冷冻干燥是在真空状态下使用冷冻装置将物料冷冻到共晶点以下，利用升华原理除去物料中的水分[3]。该方法较好地保存了物料活性成分，同时样品具有脱水率高、存储期长、质量轻、复水快等优点，目前已广泛应用于食品、医疗和军工领域。真空冷冻干燥加工工艺过程主要包括样品前处理→样品预冻→样品速冻→样品真空干燥。为了保障真空冷冻干燥加工工艺实施效果，本文提出将真空冷冻干燥技术应用到鲜活卤虫冷冻中，通过优化真空搅拌蒸发、返料混合、真空搅拌烘干3 个环节的相关工艺参数，提高冻干卤虫营养成分的保留效果。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

试验所用到的卤虫卵属于典型的塘沽卤虫卵，由天津海友佳音生物科技股份有限公司提供。

1.1.2 仪器与设备

SZG-500 型干燥机，常州市倍成干燥设备工程有限公司；DWL-90 型螺杆式空气压缩机，德耐尔节能科技股份有限公司；Pilot-ES 型冻干机，北京浮美通仪器有限公司；WZ300 型强制循环蒸发器，江阴市卓云科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 卤虫卵的孵化

卤虫卵的孵化在盛有人工海水的容器中进行，卵孵化密度为3 ～5 g/L，孵化温度为25 ～30 ℃，孵化水盐质量分数为1%～3%，孵化水pH 为8 ～9，孵化时的光照强度以1 000 lx 烛光为宜，采用连续光照最佳，孵化水中的溶解氧可低至1 mg/L，连续充氧使溶解氧接近饱和状态[4]。

卤虫卵的孵化进程首先是6 h 的吸水期，12 h 后进入破壳冒出期，14 h 后进入伞期，20 ～24 h 后大量I 龄无节幼体出现，而后经历Ⅱ龄无节幼体、拟成虫期幼体和成虫等阶段。卤虫从孵化到性成熟最短需8 d，一般需14 ～21 d[5]。

1.2.2 卤虫的真空冷冻干燥

卤虫的真空冷冻干燥过程主要有以下3个步骤：（1）真空搅拌蒸发，将装有卤虫的蒸发器放入冰箱中进行冷冻处理，设置预冻温度与预冻时间，然后将其放置到40 ℃恒温箱中进行干燥处理，使卤虫含水量降至75%[6]；（2）返料混合，在一定的加热板温度下，将真空搅拌蒸发所得的含水量为75%的卤虫与已完全烘干的卤虫粉以（1.0 ∶0.8）～（1.0 ∶1.2）的质量比混合，经搅拌均匀并分散成疏松状态且平均含水量为37%的卤虫[7-8]；（3）真空搅拌烘干，将返料混合所得物料在一定的真空度下进行烘干，直至卤虫完全烘干。

1.2.3 单因素冷冻干燥试验设计

采取单因素试验，对卤虫的真空冷冻干燥工艺参数进行优化，分析卤虫的预冻时间（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、预冻温度（-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃）、最大加热板温度（25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃）和真空度（10 Pa、20 Pa、30 Pa、40 Pa、50 Pa）4 个因素对冻干卤虫品质的影响，以卤虫二十二碳六烯酸（DHA）、二十碳五烯酸（EPA）和维生素C 的含量变化情况为技术评价指标，确定影响冻干效果因素的最佳水平[9]。

1.2.4 指标测定及评价

1.2.4.1 指标测定

DHA、EPA 含量的测定参照《食品安全国家标准 保健食品中α-亚麻酸、二十碳五烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸的测定》（GB 28404—2012）[10]；维生素C 含量的测定参照《食品安全国家标准 婴幼儿食品和乳品中维生素C 的测定》（GB 5413.18—2010）[11]；表1 中其他指标的测定参照《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》（GB 5009.168—2016）[12]。

表1 卤虫营养成分含量统计表（孵化时间48 h）

1.2.4.2 评价方法

采用综合评价方法进行真空冻干工艺优化评价，综合评价因子（W）、维生素C 的相对含量（XVc）、DHA 相对含量（YDHA）、EPA 相对含量（ZEPA）按式（1）～（4）计算。

2 结果与分析

2.1 冷冻干燥工艺单因素试验结果

2.1.1 预冻时间对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

在预冻温度为-30 ℃，搁板最大加热板温度为45 ℃，真空度为30 Pa 条件下，考察预冻时间对卤虫冻干制品综合评价因子的影响，结果见图1。预冻时间在4 h 以内时，综合评价因子呈递增趋势，预冻4 h时值最大，为2.96；但当预冻时间增加至5 h 时，综合评价因子降低。由此得到最佳预冻时间为4 h。

图1 不同预冻时间对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

2.1.2 预冻温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

在预冻时间为4 h，搁板最大加热板温度为45 ℃，真空度为30 Pa 条件下，考察预冻温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响，结果见图2。

图2 预冻温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

由图2 可知，随着预冻温度的降低，卤虫冻干制品的综合评价因子先增大后减小，预冻温度为-30 ℃时最大，为2.97。由此得到最佳预冻温度为-30 ℃。卤虫冻干制品的共晶点为-24.2 ℃，当预冻温度高于或近似等于共晶点温度时，如-20 ℃或-25 ℃，卤虫冻干制品中的水分不能完全冻结并以冰的形式升华，制品干燥过程会出现冒泡、崩解等现象，导致EPA、DHA和维生素C 含量损失，最终造成综合评价因子降低。

2.1.3 最大加热板温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

在预冻时间为4 h，预冻温度为-30 ℃，真空度为30 Pa 条件下考察最大加热板温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响，结果见图3。随着最大加热板温度的升高，综合评价因子先增大后减小，加热板温度为55 ℃时最大，为2.89；由此得到最大加热板温度为55 ℃。

图3 最大加热板温度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

2.1.4 真空度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

在预冻时间为4 h，预冻温度为-30 ℃，最大加热板温度为55 ℃条件下，考察真空度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响，结果见图4。随着真空度的增大，综合评价因子呈先增大后减小的趋势，当真空度为30 Pa 时，综合评价因子最大，为3.05。由此得到最佳真空度为30 Pa。

图4 真空度对卤虫冻干制品综合评价因子的影响

上述研究结果表明，预冻时间4 h、预冻温度-30 ℃、最大加热板温度55 ℃、真空度30 Pa 为制备卤虫冻干制品的最优工艺，以下将对该工艺的应用效果进行考查。

2.2 真空冷冻干燥工艺应用效果

2.2.1 真空冻干工艺对卤虫营养成分保留效果的影响

如表1 所示，相较于卤虫常规冷冻制品（常规冷冻组）中DHA 含量（38.7 g/kg）、EPA 含量（48.8 g/kg）和维生素C 含量（36.5 mg/kg），本试验得到的真空冻干工艺条件下的卤虫冻干制品（真空冻干组）可使上述3 种生物活性物质的含量高出10%以上，且其他种类营养物质的含量均有不同程度的提高（3%～18%）。与未冻干的同时期新鲜卤虫（新鲜卤虫组）的营养成分相比，真空冻干工艺对卤虫营养成分损失率控制在0.99%～4.76%，营养成分保留效果较好。

本试验建立的卤虫真空冻干工艺所产生的能耗为51.6 Btu，与常规卤虫冷冻制品的能耗（58.9 Btu）相比，其能耗降低12.39%；所获得的生产速率为86.4 mg/s，与常规卤虫冷冻制品的速率（74.9 mg/s）相比，提高15.35%。

2.2.2 真空冻干工艺对不同时期卤虫幼体中EPA、DHA 和维生素C 保留效果的影响

对于卤虫幼体而言，其发育时期不同，所对应的EPA、DHA 和维生素C 的含量均有差异，测定结果见表2。相较于常规冷冻组，真空冻干组在卤虫幼体发育的各时期，均对EPA、DHA 和维生素C 有更佳的保留效果。在卤虫幼体发育至96 h 时，相比常规冷冻组，真空冻干组对EPA 的保留效果最佳；在卤虫幼体发育至72 h 时，相比常规冷冻组，真空冻干组对DHA 和维生素C 的保留效果最佳。在整个发育时期内，真空冻干组对EPA、DHA、Vc 的保存效果较好，且在卤虫幼体发育至72 ～96 h 时进行真空冻干处理能更好地保留EPA、DHA 和维生素C 这3 种营养物质。

表2 不同发育时期卤虫幼体的EPA、DHA、Vc 含量

3 结论

单因素试验结果表明，最佳卤虫真空冷冻干燥加工工艺为预冻时间4 h、预冻温度-30 ℃、最大加热板温度55 ℃、真空度30 Pa。该工艺下的卤虫冻干制品中的EPA、DHA 和Vc 含量要比卤虫常规冷冻制品中同类物质的含量高出10%以上，并可显著提高其他种类营养物质的含量；且真空冻干组卤虫在卤虫幼体发育的各时期均对EPA、DHA和Vc有良好的保留效果。本次试验得到的卤虫真空冷冻干燥加工工艺具有较高的可靠性和可行性，对卤虫营养成分的保留效果显著，能够有效解决卤虫虫体资源浪费的产业问题。