張軍文 鄭曉偉 沈建 歐陽杰 高翔 周春生 談佳玉

(1農業(yè)部遠洋漁船與裝備重點實驗室, 上海 200092;2中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所, 上海 200092)

0 引言

南極磷蝦是一種小型海洋浮游甲殼類動物,隸屬于節(jié)肢動物門、甲殼綱、軟甲亞綱、磷蝦目、磷蝦科、磷蝦屬[1]。其主要分布于南大洋南極輻合區(qū)以南的南極海域之中, 是一類生活在高緯度、低溫度環(huán)境下的冷水性蝦類, 據(jù)調查南極磷蝦數(shù)量約為6.5—10.0億t, 生物量巨大[2-5]。南極磷蝦營養(yǎng)豐富, 除富含蛋白質外, 含有人體所必須的全部氨基酸, 富含亞麻油、亞麻酸等不飽和脂肪酸及鈣、鉀、鎂、鍶等多種礦物質元素, 且類胡蘿卜素色素含量高[6]。同時也含有7種人體必需氨基酸, 含量約占蛋白總量的一半, 并且富含以EPA和DHA為代表的Omega-3成分及其他微量元素[2], 是人類賴以生存的后備蛋白庫[7-10]。如何有效地開發(fā)利用南極磷蝦資源已經成為當今研究的重點和熱點[11]。

南極磷蝦雖然營養(yǎng)價值高, 但其船載加工受到一些因素的影響和制約。南極地區(qū)地處地球最南端, 氣候復雜多變, 海況異常。捕撈期和行船周期都較長, 對船只和船員都形成很大的挑戰(zhàn)。此外, 南極磷蝦體內含有一種低溫酶, 該酶能高效迅速地降解蛋白質, 使磷蝦品質在短時間內迅速下降[12]。鑒于以上幾點原因, 南極磷蝦的初加工都在隨行的捕撈船上進行, 其加工的產品(南極磷蝦粉和冷凍南極磷蝦)是南極船載加工的兩種主要產品。其中南極磷蝦粉是以捕撈新鮮的南極磷蝦作為原料, 經過蒸煮、壓榨、干燥、粉碎等工藝而制成的具有一定營養(yǎng)成分和品質特性的一種產品[13]。當前國內船載南極磷蝦粉的加工技術基本是參考魚粉的加工設備或者魚粉、蝦粉的加工工藝, 關于魚粉的報道有很多, 如彭侃等[14]研究發(fā)現(xiàn)熱處理溫度可能是影響魚粉品質的主要因素。Bellagha等[15]利用熱風干燥沙丁魚(初始含水率70%、含脂肪6%、大小為30 g·個–1), 在35—50℃溫度下干燥到含水率(濕基)為14%, 需50—110 h; Sankat等[16]使用熱風干燥鯊魚塊(尺寸為10cm×5cm×1cm、單層干燥), 在風濕為40—60℃時約需70 h; Prachayawarakorn等[17]在120—140℃溫度下, 用熱風干燥蝦片(尺寸為0.5 cm×0.5 cm×0.2 cm、2% NaCl煮15min), 干燥時間為70—110 min。但是目前關于南極磷蝦粉的干燥技術的報道和研究相對較少，而傳統(tǒng)的魚粉干燥工藝又很難保證南極磷蝦產品的干燥質量和大規(guī)模工業(yè)化的需求,所以對其干燥特性工藝的研究, 對于提升我國南極磷蝦的干燥技術水平, 開辟國外干燥市場有著重要的戰(zhàn)略意義。

干燥通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發(fā)性濕分(大多數(shù)情況下是水), 而獲得一定濕含量固體產品的過程[18]。在生產南極磷蝦粉工藝過程中, 通過實驗研究得到了恒定干化條件下南極磷蝦的干燥曲線, 掌握了干燥過程中的水分變化規(guī)律, 為實際生產中南極磷蝦粉的干燥方式選擇、工藝優(yōu)化和節(jié)能提供依據(jù), 為工藝和設備提供參考數(shù)據(jù)。同時對于提高南極磷蝦粉質量、規(guī)?；a和降低成本等都有重大意義。

1 材料和方法

1.1 原料與實驗干燥裝置

本實驗所用的南極磷蝦由遼寧遠洋漁業(yè)有限公司“福榮海”號于南極CCAMLR轄區(qū)48.1區(qū)拖網捕撈, 在–20℃下冷凍, 實驗之前在自然條件下進行靜水解凍[19], 瀝水后測定其含水率為76.3%。南極磷蝦的體長在2—4 cm, 單個體重為1—2 g, 體色微紅, 質感較軟。

實驗時采用的實驗裝置如圖1所示。在快速水分測定儀蓋板側面裝入IRt/c.01型紅外溫度傳感器, 用以實時測量磷蝦表面溫度, 溫度參數(shù)顯示于XMT-721儀表上(圖1)。MA150快速水分測定儀(賽多利斯科學儀器有限公司)加熱范圍40—220℃, IRt/c01型紅外溫度傳感器(成都中宇儀器有限公司)測量范圍–45—290℃, XMT-721型數(shù)字顯示儀(江蘇杰克儀表有限公司)。

圖1 實驗裝置示意圖. 1、南極磷蝦樣本; 2、恒溫控制傳感器; 3、石英加熱管; 4、IRT/c.01紅外溫度傳感器;5、XMT-721顯示器; 6、快速水分測定儀Fig.1. Schematic diagram of an experimental device.1. Antarctic krill samples; 2. constant temperature control sensor; 3. quartz heating tube; 4. IRT/c.01 infrared temperature sensor; 5. XMT-721 display; 6.fast moisture meter

1.2 實驗方法

根據(jù)實驗裝置(圖1)實際記錄的數(shù)據(jù)(表1)來繪制南極磷蝦的干燥特性曲線。實驗干燥的溫度設定為120℃[20], 實驗之前對石英加熱管進行預熱, 使其測量區(qū)的溫度達到設定值(120℃); 稱取30 g解凍的南極磷蝦樣品放置在水分測定儀托盤中, 并開始計時干燥。計時的時間間隔為2.5 min,記錄物料重量和其表面溫度。整個實驗結束之后,將每個記錄點的重量換算成干基含水率(水的質量/干物質的質量)。最后根據(jù)實驗結果繪制出南極磷蝦的干燥曲線和干燥速率曲線。

1.2.1 南極磷蝦干燥曲線測定方法

根據(jù)上述實驗記錄的數(shù)據(jù), 以時間作為橫坐標, 干基含水率和物料表面溫度作為縱坐標, 建立相應的坐標系繪制出南極磷蝦干燥曲線。繪制完成后可以獲得2條擬合曲線, 其中1條是南極磷蝦干基含水率-時間關系曲線(藍色曲線表示), 另外1條是物料表面溫度-時間關系曲線(綠色曲線表示)。通過干燥曲線的繪制可以掌握和區(qū)分南極磷蝦的各個干燥階段下的含水率和溫度變化狀況。

1.2.2 南極磷蝦干燥速率測定方法

由干燥曲線換算成干燥速率曲線的方法是先計算不同時間間隔?t＝t2–t1內物料的含水率變化?c＝c2–c1, 得到?c/?t, 再由公式v=(qm,c·?c)/(S·?t)求得干燥速率v。本處南極磷蝦干燥速率v為t1—t2區(qū)間內的平均干燥速率, 故其所對應南極磷蝦平均含水率c＝(c1+c2)/2, 繪出干燥速率-干基含水率分布圖, 可掌握在恒定干燥條件下, 南極磷蝦干燥速率和干基含水率的對應關系。

1.2.3 恒速南極磷蝦干燥速率理論計算

恒速干燥速率是物料干化的一個重要參數(shù)指標, 可通過干燥速率計算公式和標志性參數(shù)進行計算。干燥速率的定義為單位時間、單位干化表面積汽化的水分量, 以v表示。

評價指標單一，只進行基礎理論知識考核，忽視實踐操作能力評價，忽略獨立思考判斷能力、責任心、創(chuàng)新精神等多方面的考量。評價方式不合理，高校往往把考試分數(shù)作為唯一的標準來衡量評價學生，一考定“終身”，強調終極結果，忽視過程成長評價，不能全面、全方位地對學生的發(fā)展成長狀況進行動態(tài)跟蹤評價。[3]評價中缺乏約束監(jiān)督機制，存在評價不認真、走過場、敷衍了事等情況，致使學生的創(chuàng)新能力測評工作流于形式。

由于dqm,w＝－qm,c·dc, 故干燥速率也可表示為

式中,v為干燥速率, g·cm–2·min–1;qm,w為汽化水分量,g;t為干化時間, min;S為干燥表面積, cm2;qm,c為濕物料中的絕對干物料量, g;c為干基含水率, g水·g干物料–1; －(負號)表示干基含水率c隨時間的增加而減少。由于在恒速干燥階段, 干燥速率v＝v0＝常數(shù)。將式(2)分離變量后積分:

式中,t1為恒速階段的干燥時間, min;qm,c為濕物料中的絕對干物料量, g;S為干燥表面積, cm2;c1為物料恒速初始干基含水率, g水·g干物料–1;c0為物料臨界干基含水率, g水·g干物料–1。計算后得恒速干燥速率v0。

2 結果與分析

2.1 南極磷蝦干燥曲線

實驗測定在恒定條件下, 南極磷蝦的干燥過程中各特征時間段間隔內的物料溫度、物料水分、蒸發(fā)水量的變化情況, 如表1所示。

表1 恒定條件下南極磷蝦干燥過程的水分變化情況Table 1. Changes of moisture in Antarctic krill drying under constant conditions

根據(jù)干燥實驗測得的數(shù)據(jù)繪制南極磷蝦恒定條件下的干燥曲線如圖2所示。

圖2的南極磷蝦干燥曲線可以分為3個干燥階段。D1階段, 即開始到干燥5 min, 南極磷蝦處于預加熱狀態(tài)[21],南極磷蝦表面溫度迅速升高,直到物料表面溫度趨向于恒定, 同時干燥曲線的斜率逐漸增大, 物料的干基含水率隨之下降; 在這過程中蒸發(fā)的水分約占總蒸發(fā)量的18.70%, 占全部干燥時間的16.7%, 過程結束時干基含水率為2.64 g水·g干物料–1。D2階段, 即干燥時間從5—15 min,南極磷蝦的干基含水率迅速下降, 與干燥時間近似于成線性關系; 研究表明, 溫度是影響南極磷蝦干燥速率大小的重要因素[22], 干燥溫度越高,其含水率越低; 南極磷蝦表面充分濕潤, 其表面溫度較為恒定, 實驗測得其數(shù)值是47—53℃, 這就說明了其表面水分汽化所吸收的熱量等于補充的熱量; 這一階段蒸發(fā)的水分占總蒸發(fā)量的66.43%, 占全部干燥時間的1/3, 結束時干基的含水率為0.56 g水·g干物料–1。D3階段, 即干燥時間從16—30 min, 南極磷蝦干燥曲線的斜率逐漸下降直至平緩, 其表面水分蒸發(fā)完畢, 而溫度迅速上升, 逐漸趨向于烘干介質的溫度, 物料的含水率趨向于0; 這一階段蒸發(fā)的水量占到總蒸發(fā)量的14.87%, 占全部干燥時間的50%。

圖2 恒定條件下南極磷蝦的干燥曲線Fig. 2. Drying curves of Antarctic krill under constant conditions

2.2 南極磷蝦干燥速率曲線

根據(jù)實驗測到的數(shù)據(jù), 其中t1是恒定干燥時間, 為10 min;qm,c為濕物料中的絕對干物料量,為7.83 g;S為干燥表面積, 可以由南極磷蝦平面與其側面投影的形態(tài)估算得出, 其數(shù)值為3.28 cm2;c0＝0.56 g水/g干物質,c1＝2.64 g水·g干物料–1;由南極磷蝦干燥速率代入數(shù)值計算得出v0=0.497 g·cm–2·min–1。由此可得出南極磷蝦的干燥速率曲線, 如圖3所示。其干燥速率曲線圖的各階段與南極磷蝦干燥曲線圖是相對應的。其中的升速、恒速、降速3個階段可近似擬合成線性關系的直線。

圖3 恒定干燥條件下南極磷蝦的干燥速率曲線圖Fig.3. Curve diagram of the drying rate of Antarctic krill under constant drying conditions

2.3 討論

2.3.1 物料的表面積對于南極磷蝦干燥速率的影響

南極磷蝦的干燥曲線有明顯的特性, 在D3階段已經進入降速干燥階段, 此時物料在水的表面張力的作用下, 表面積不斷收縮減少, 干燥速率迅速下降, 可見物料表面積的變化對于整體干燥速率的變化起到主要的作用。因此, 在實際生產的干燥工藝中, 增大物料的表面積是提高干燥速率的有效方法, 利用槳葉的攪拌提升干燥面積,可以加快干燥進程, 無論是經濟效益還是節(jié)能環(huán)保都能獲得十分理想的效果。利用該方法, 在南極海域船載南極磷蝦粉加工過程中, 取得了非常好的實際效果, 產量較之前提升約1倍, 達到25 t·d–1(按24 h計), 蝦粉質量都達到了紅粉級別。

2.3.2 南極磷蝦干燥狀態(tài)下的特性

對南極磷蝦干燥D3階段進行取樣分析并觀察其斷面, 發(fā)現(xiàn)南極磷蝦頭部的干燥與濕潤部分有明顯的分層面, 外表面硬度加大且體積不再收縮, 外部溫度快速趨近于環(huán)境溫度。此階段干燥去除的水分很少, 但所占的干燥時間很長。這是由于已經干燥的外部物質對內部水分的蒸發(fā)有很強的阻礙, 水分只有通過干燥那部分的微小空隙才能到達外部排入空氣, 導致干燥速率很低。此種情況是其南極磷蝦體內各部分含水率分布不均,尤其在頭部集中, 且水分與內部組織呈漿狀, 造成干燥困難。

3 結論

通過對南極磷蝦的干燥實驗, 可以知道: (1)南極磷蝦干燥不經過升速階段和恒速階段直接進入降速階段; (2)溫度是影響南極磷蝦干燥的主要因素,干燥時間(5—15 min)內, 溫度越高, 干燥速度越大;(3)進入恒速干燥階段, 其時間約占總時間的三分之一; (4)當?shù)陀谂R界含水率(0.56 g水·g干物料–1)時, 南極磷蝦干燥進入降速階段; (5)在隨船加工南極磷蝦粉中, 溫度控制在85—105℃較為理想, 并且在設備內部使用槳葉進行攪拌, 干燥結果顯著提升。

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