热泵干燥技术在水产品加工应用中的研究概况

钱炳俊，苏树强，连之伟，李云飞，邓 云

(1.上海交通大学 陆伯勋实验安全研究中心，上海 200240;2.上海交通大学 农业与生物学院，上海 200240;3.上海交通大学 机械动力学院，上海 200240)

生鲜水产品的含水率一般为75%～80%，脂肪和蛋白质含量丰富，容易腐败，必须采取有效手段对原料进行保鲜和加工处理［1］。目前，水产品加工方式主要分为冷冻加工和干燥加工。冷冻加工比较简单，但初投资较大，加工成品需继续冷藏运输，运输成本高。干燥加工一直以来都是水产品深加工的一种重要形式，据统计，世界每年仅干燥鱼的产量就达314万 t［2］。水产品传统干燥方法主要是晒干和热风干燥。晒干难以保证品质，且易受外界条件限制，生产率较低;热风干燥能耗较高，加工时间较长，干制品的品质也难以保证，因此急需改进干燥工艺，以降低能耗并提高产品的品质［3］。水产品是热敏性物质，干燥温度过高，干燥时间过长等都会造成其品质下降。热泵干燥是利用热泵从低温热源中吸收热量，将其在较高温度下释放从而对物料进行干燥的方法。与传统干燥相比，热泵干燥充分利用了干燥排出的水蒸汽潜热，整个干燥过程中几乎没有能量损失，比能耗低，是一种节能型新技术［4－5］。实验表明，使用一台功率为5.5 kW的热泵干燥机，每小时可脱水12～15 kg，与一般气流干燥法比较，可节能36×104kJ［5］。此外，热泵干燥技术可实现在－20～100℃条件下对物料进行干燥，且湿度、风速等条件易于控制，整个干燥系统处于密闭状态［6］，可避免水产品中不饱和脂肪酸的氧化和表面发黄，减少蛋白质的受热变性、物料变形、变色和风味物质的损失。另外，热泵干燥可以模拟自然风干燥，物料表面水分的蒸发速度与水分从内部向表面迁移的速度比较接近，保证被干燥物料品质好、产品等级高［5，7－9］。因此，热泵干燥为水产品干制加工提供了一种新的途径，不仅可以实现生产过程中的节能降耗，而且能生产出高附加值的淡干品，具有广阔的应用前景。

1 基本原理

热泵是一种从低温热源吸收热量，并使其在较高温度下作为有效热能加以利用的热能装置。热泵干燥系统主要由2个子系统构成:热泵系统和干燥室。热泵系统主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀4个部分组成，通过输入少量的高品位能源(如电能)实现低品位热能 (如空气、水、浅层常温土壤、太阳能和企废热等)向高品位的转变。干燥室可以是托盘、流化床或传送带。热泵干燥系统工作原理如图1所示［10］。干燥空气从干燥室入口①处进入干燥室带走产品中的水分，吸湿的空气从出口②进入蒸发器的蒸发盘管。蒸发器系统有2种形式:一种是直接蒸发盘管系统，制冷剂在蒸发器中吸收来自在干燥过程排放废气中的热量后，由液体蒸发为蒸汽，然后降温去湿空气;另一种是冷凝水系统，通过控制冷凝水的流动来降温去湿空气。当来自干燥室出口②的湿空气通过蒸发器出口③后，部分空气被降至露点以下，结果有冷凝水从蒸发器中析出。制冷循环过程中，冷凝水的潜热被制冷剂吸收并由蒸发器带到冷凝器。在制冷剂的冷凝过程中放出这份热量去加热来自蒸发器的降温去湿的低温干空气 (④→①)，重复加热用于干燥的循环空气。

图1 典型的热泵干燥系统

2 性能评价

通常用 MER (单位时间除湿，kg·h－1)、COP(热泵性能系数)和 SMER［单位能耗除湿量，kg·(kW·h)－1］来综合评价一个热泵干燥系统的性能。这些性能评价指标各自所占权重如图2 所示［4］。

图2 热泵性能指标的权重分布

MER只考虑干燥系统干燥产品的输出量，没有考虑干燥系统的综合性能。热泵的效率可用热泵性能系数 (COP)来表示，其定义:COP=高温下热泵输出的有用能量/压缩机消耗的电能。

实际热泵的性能系数只有理想热泵的40%～50%。一台有效的热泵性能系数的COP必须>1。COP越大，热泵效率越高。

热泵干燥器的性能还可用单位能耗除湿量(SMER)来表示:SMER=水分蒸发量/输入的能量［kg·(kW·h)－1］。

热泵干燥器的SMER取决于最高空气温度、湿度、蒸发温度、冷凝温度和泵循环的整体效率。传统干燥器的理论SMER值为1.596 kg·(kW·h)－1(100℃)，而实际的 SMER只有理论值的20% ～80%。英国连续式对流干燥器的热效率为50%左右，其SMER为0.8 kg·(kW·h)－1左右。大部分热泵除湿干燥装置的 SMER在 1～4 kg·(kW·h)－1， 平 均 值 约 为 2.5 kg·(kW·h)－1。然而，从干燥曲线的理论分析和已出版的资料来看，热泵干燥器的SMER的平均值在某些情况下仍低于 1 kg·(kW·h)－1［11］。

热泵干燥器的SMER随热泵循环的COP增加而增加，在忽略显热的情况下，Brundrette［12］建立了两者的关系:

其中，hfg为水的蒸发潜热，水在100℃时的蒸发潜热为2 255 kJ·kg－1或 1.596 kg·(kW·h)－1。

由于热泵干燥系统制冷工质的内循环和干燥介质的外循环之间相互制约、相互影响，致使在同一条件下不可能同时获得最大的 COP、MER和SMER。因此，对热泵干燥系统的性能评价时必须综合考虑，才能得出准确的结论。

3 在水产品中应用

3.1 鱼类

利用热泵梯度变温干燥罗非鱼，结果表明，热泵变温干燥能提高干燥速度，降低能耗［13］。干燥温度、风速以及鱼片厚度是影响热泵干燥罗非鱼片的重要因素:在干燥温度35℃、风速1.6 m·s－1、厚度0.4 ～0.5 cm的工艺条件下干燥速度较快，在复水时间 50 min 时复水率最高［14］。Shi等［15］发现影响竹荚鱼热泵干燥特性的主要因素包括装料量、干燥温度、风速和旁通比。干燥时间随着装料量的增加，干燥温度和风速的降低而延长。综合考虑干燥速率、SMER和色差，竹荚鱼热泵干燥最适宜的工艺参数为:装料 6 kg·m－2，温度 20～30℃，渗透液中NaCl质量分数10%，旁通比0.6～0.8，风速2.0～3.0 m·s－1。与恒温干燥相比，变温干燥能够显著地提高鱼片的色泽。对于热泵干燥半干竹荚鱼片，既能缩短干燥时间又能提高鱼片色泽的工艺条件为20℃ (3.5 h)→25℃ (3.5 h) →30℃ (3.5 h) →35℃ (3.5 h)［16］。龚丽等［17］采用热泵干燥法得到半干咸鱼片，产品色泽较好。热泵在20～25℃温度下干燥的鱼片制品与洞道式蒸汽烘干房干燥的鱼片相比，在色泽、营养、口感等方面具有明显优势，取得了很好的经济效益［18］。吕峰等［19］通过气调热泵干燥大黄鱼，较好的改善了脱水过程中鱼片的脂肪氧化、褐变及渗油等现象，并通过试验筛选出最佳工艺条件。郑春明等［5］使用RC2100型热泵干燥机进行了多种鱼类(池鱼、柳叶鱼、红狮鱼、鱿鱼、沙丁鱼、左口鱼片和小银鱼等)和海珍品 (鲜蚝、扇贝等)的干燥试验，发现干鱼产品能保持原有的色泽和风味，海产干品的质量达到了出口美、日的质量标准。陈忠忍［20］开发出一种密闭回路的热泵干燥装置，利用该热泵干燥的鱼平均脱水率可达 1.49 kg·(kW·h)－1，电耗较普通电热干燥节能50%，且产品品质完全达到美国、日本等国家同类产品的质量标准。Strommen I等［9］的研究结果表明，当热泵系统制冷量从100 kW增加到200 kW时，干燥鳕鱼的产量增加了67%;空气流速在1.5 ～4 m·s－1间变化时，对干燥产品产量影响很小;干燥速率随比表面积的增加而增加。

3.2 虾类

张国琛等［21］报道了当热泵干燥温度由 －2～0℃增加到20℃时，干燥北极虾 (整虾、去头北极虾、去壳北极虾)的收缩率、复水能力、水分保持能力和所需的剪切力增大;干燥温度对干燥虾的色泽影响不显著;解冻处理不利于虾色泽的保持并使之收缩增加。与热风干燥相比，利用热泵干燥北极虾可获得高质量干燥产品。他们还发现去壳虾所需干燥时间均最少，去头虾的干燥速度均大于整虾;薄鱼块的干燥速度在20℃显著大于厚鱼块的干燥速度。扩散模型可以很好地描述热泵干燥北极虾和鱼块的干燥特性［22］。Namsanguan Y 等［23］对虾产品进行二级干燥处理 (首先进行过热蒸汽干燥(140℃)，接着进行热泵干燥 (50℃))。结果发现，与单独的蒸汽干燥相比，蒸汽与热泵干燥相结合降低了虾的皱缩率和硬度，提高了虾的复水率和色泽。

3.3 海参和扇贝类

目前国内外海参市场仍以干参为主，90%的海参被加工成各种干制品。海参干制方法主要为冷冻干燥和晾晒2种。母刚等［24］观察到长42.22 mm的个体海参在相对湿度为28%的干燥空气和1.80 m·s－1风速下干燥速度较快，试验条件变化对海参收缩率的影响不明显。与传统干燥方法相比，热泵干燥海参节省了干燥时间，简化了操作步骤，提高了产品的感官品质。宋杨等［25］利用热泵 －微波真空联合干燥方法与单纯热泵干燥比较，前者干燥时间缩短50%以上，产品复水率有较大提高，干燥海参感官品质良好，色泽黑亮，参刺及表面无焦糊现象，外观形状保持完好，参体饱满。采用热泵除湿、热风组合干燥的方式可实现海参程序升温，明显提高干后海参的复水倍数和复水品质，产品的感官品质较好。另外，用热泵干燥加工干贝柱和鲜蚝干等，取得了海珍类加工方法的突破，产值可翻番。

3.4 鱿鱼

吴耀森等［26］研究鱿鱼低盐腌制和传统高盐腌制处理以及缓苏变温变湿工艺对热泵干燥鱿鱼干的外形、色泽和干燥速率等的影响。结果表明，低盐腌制的鱿鱼经热泵干燥结合缓苏工艺所得的鱿鱼干产品质地好、色泽均匀、透明性好，且含盐量降低1/2，干燥所需时间短。洪国伟［27］使用热泵干燥鱿鱼，发现干燥产品的外观和色泽都比较理想。任爱清等［28］报道了鱿鱼热泵、热风联合干燥最佳工艺参数:热泵干燥温度4.3℃、水分转换点32.3%和热风干燥温度43.5℃，在此条件下联合干燥得到的鱿鱼干品质高于热风干燥，而且干燥能耗降低了38.67%。

4 存在问题和对策

4.1 制冷剂

大部分的热泵干燥装置仍依靠氟利昂 (CFC)和氟氯烃 (HCFCs)制冷剂来实现热回收、冷却和除湿等功能，其中以氟利昂R12和R502以及氟氯烃R22在食品工业中的应用最为常见。这类物质在一定程度上会破坏大气臭氧层，产生温室效应。针对这一问题，人们已开始使用对环境影响小的制冷剂以及氨和水等自然制冷剂，从而减少了热泵干燥的应用给环境带来的不利影响。目前一些常见的替代制冷剂见表 1。比较 R717、R290、R22和R134等制冷剂的热泵干燥机的性能，结果发现，在低温下丙烷的SMER比液氨高3%，但在10～30℃液氨的 SMER均高于R290、R22和 R134a。在30～80℃的范围里液氨是最佳的热泵干燥器制冷剂。Comakli K等［29］通过实验认为，采用 50%R404a和50%R22混合制冷剂可取代纯R22工质，确定了影响 COP(冬季热泵循环性能系数和夏季热泵的能效比)的最主要因素是冷凝器空气质量流量，并得出了具体数值。其它工质，如水蒸汽和空气，鉴于廉价、易得、环保的优点，也可以在热泵中使用。此外，为了使热泵干燥装置处于最佳工作状态，必须定期对压缩机、过滤器、冷凝器、蒸发器等进行保养维护，一旦发现制冷工质泄漏就应及时补充。

表1 部分制冷剂的替代物

4.2 热泵干燥过程的微生物安全

水产品很容易滋生微生物导致腐败，因此在干燥过程中必须关注微生物变化。除少部分耐热性细菌、酵母和霉菌外，大部分微生物细胞在60～80℃的干燥条件下都会被破坏。粗拙的加工处理和储藏常常导致盐渍干鱼的保质期受到限制。Rillo BO等［30］发现每克干制鲭鱼菌落总数至少为3×103个，所有的样品对大肠杆菌、链球菌和葡萄球菌显阳性，弧菌和梭菌没有检测到，而沙门氏菌只存在于部分样品中。盐渍和干燥能降低细菌总数，但不能消除病原体。Waliuzzaman A等［31］人研究了低温条件下热泵干燥过程中鲹 (格鲁吉亚鲹属)中的微生物生长情况。结果发现，在干燥过程中鱼的微生物仍能生长，微生物数量随温度降低而降低，但与相对湿度无关。降低产品的水分活度能抑制微生物的生长，但是不能保证产品无菌。尽管低干燥温度是保持干制品感官品质的最佳方法，但在干燥过程中尽可能采用高的干燥温度以杀灭微生物。或者在高水分含量的情况下先采用高温干燥，然后在低水分含量时采用低温干燥。

4.3 热泵干燥系统的模块化和自动化

热泵干燥机一般将冷却元件和干燥室集成为一个完整的干燥单元。热泵干燥机的干燥能力由干燥室的尺寸和产品的最大负载决定，这限制了制冷设备的增加，无法满足大批量生产的需求。若一个元件发生故障，将导致冷却元件部分或完全的替换，干燥操作就不得不停止，致使干燥机停工以及产品产能的大幅下降。如果将干燥系统中冷却设备和干燥室采用独立的模块设计，使用时用工业空气连接管连接即可，进入连接管的空气经过制冷系统的调节 (指调节空气的温度、流速和绝对湿度)后在进入干燥室干燥。这样就保证了热泵的各个元件能够像模块化的单元一样被灵活的拆装，并可以轻松地被连接到其他的干燥机或一般的空气调节设备中。同时，模块化的热泵系统设计能够更好的满足高附加值产品要求，干燥室大小改变和配置也更加简单。此外，简单的维护和维修工作可以在干燥机工作的情况下完成，从而降低了产品破坏或变质的可能性。

干燥加工是一个复杂多变的过程，应根据物料脱水情况及环境状况实时调控干燥工艺参数，但手动调节难度较大，所以自动化控制显得尤其重要。可将现代检测、传感及控制技术结合起来应用于热泵干燥加工，如PID(比例积分与微分)控制法和模糊控制相结合，提高热泵干燥机干燥介质的控制精确度，实现对干燥质量的在线、智能控制，进而降低操作成本和提高干燥品质。

4.4 联合式热泵干燥系统的研制

由于热泵工作温度受到热泵工质和压缩机运行条件的限制，加上对流干燥本身的不足，热泵的特点还没有更好地发挥出来。在热泵干燥系统中，采用微波、高频电磁波或红外线等加热源作为辅助的加热干燥方式，可以提高干燥温度和速度，同时能减少热泵系统本身的热负荷载量。如今，太阳能、地热及废热等可再生或低品位能源在热泵干燥系统的应用成为研究者们关注的焦点。

4.5 多干燥室的热泵干燥系统研制

因为许多食品具有较长的干燥降速期，所以用一个小容量热泵为多个干燥室提供干燥空气的热泵干燥系统的设计是可行的。这种系统具有下列优势:能够改善产品质量，比如好表面色泽和低表面硬化;充分利用回收热中的潜热以提高能量利用效率;能够减少总的投资成本和和占地面积;易于控制不同干燥室中不同产品的干燥温度。当只需要很少一部分对流空气来除湿时，几个干燥室将按照一定的次序来运行。从热泵来的空气可以直接或者按预定设置的次序分送到两个或多个干燥室中，用于干燥相同或不同的产品，可以保证热泵一直在最优状态下运行。

5 小结

热泵干燥技术因具有高效节能，成本较低，能对干燥介质的温度、湿度、气流速度进行准确独立控制，干燥品质良好等优点，在世界能源短缺和环境日益恶化的背景下，备受干燥行业的关注。尤其是该技术能在相对低的温度下对物料进行干燥，这对蛋白质含量较高的水产品而言具有重要的现实意义。因而，热泵干燥在高附加值的水产品加工方面具有非常广阔的应用前景。新型环保制冷剂的开发，减少了因环境问题给热泵干燥的应用带来的不利影响。为了进一步提高热泵干燥系统的效能和干燥产品的质量，模块化、自动化、联合式或多干燥室的干燥系统将是水产品热泵干燥技术的主要发展方向。

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