不同太阳能干燥温度对南美白对虾理化特性和干燥能耗的影响

郭雪霞，王伟华，刘瑜，冉国伟，张慧媛，郭海枫，王海*

(1．农业部规划设计研究院，北京 100125；2.河北农业大学，河北 保定 071001； 3.农业部农产品产后处理重点实验室，北京 100125)

不同太阳能干燥温度对南美白对虾理化特性和干燥能耗的影响

郭雪霞1，3，王伟华2，刘瑜1，3，冉国伟1，3，张慧媛1，3，郭海枫1，王海1，3*

(1．农业部规划设计研究院，北京 100125；2.河北农业大学，河北 保定 071001； 3.农业部农产品产后处理重点实验室，北京 100125)

以南美白对虾为试验原料，研究了45，55，65，75 ℃太阳能干燥温度对南美白对虾干燥速率、水分活度、硬度、弹性、咀嚼性、色泽、收缩率、复水率等理化特性和干燥能耗的影响，结果表明：干燥温度45～55 ℃时，南美白对虾干燥产品理化特性优于其他温度，干燥能耗低，适于干燥南美白对虾产品。

太阳能；干燥；温度；理化特性；能耗

南美白对虾(Penaeusvannamei)是当今世界养殖数量最高的三大优良虾类之一，是一种高蛋白、低脂肪、备受人们喜欢的海洋食品[1]。南美白对虾营养丰富[2,3]，高蛋白低脂肪，含人体所需的8种必需氨基酸和2种半必需氨基酸，具有降血压、降血脂、降胆固醇的作用。但是由于南美白对虾高蛋白、高水分的原因，在常温下内部酶类活性较强，容易腐败变质，贮藏期缩短[4]。而虾干制品水分含量相对较低，不需要冷链贮藏，耐贮存且易携带[5],因此干制成为其加工的重要方法。

目前，对虾干燥主要集中在对虾干燥技术研究，不同干燥方式对对虾干燥特性和品质的影响。何学连[6]研究了冷冻干燥、真空干燥、微波干燥对白对虾干燥特性、质构、水分活度(Aw)、L值、超微结构和复原率的影响。张高静[7]开展了不同干燥技术对南美白对虾干燥特性和产品品质影响的对比研究，分析了真空冷冻、热风、太阳能和日光晾晒干燥对南美白对虾营养成分、质构、色泽、感官、干燥速率、产品水分活度、收缩率和复水率的影响。王雅娇等[8,9]研究了南美白对虾热风干燥工艺及干燥模型，比较了电热热风、太阳能和自然晾晒干燥3种干燥方式对南美白对虾干燥特性、品质和能耗的影响。王伟华等[10]探讨了实验室太阳能干燥温度、风速及干燥量对干燥效果的影响和中试试验。太阳能干燥耗能问题逐步受到重视，能耗高低与干燥过程相关[11]，Doymazbrahim[12，13]研究了干燥温度、风速和胡萝卜片厚度对干燥速率的影响，并建立了干燥动力学模型，对不同干燥温度下水分扩散速率进行了描述，也对绿豆进行了薄层干燥试验，建立了数学模型，并与不同干燥模型进行拟合分析，根据模型的决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和卡方(χ2)值确定了最佳模型为page模型。Seyfi Sepik[14，15]设计了由双通道太阳能集热器、热泵、太阳能光伏组件、自动控制系统和测量系统组成太阳能热泵联合干燥装置，并对胡萝卜片进行了干燥试验，测定了其在不同温度、风速和胡萝卜片厚度下干燥能耗，结果表明双通道集热器太阳能利用率从60%提高到78%。本研究以南美白对虾为原料，研究不同太阳能干燥温度对南美白对虾理化特性和干燥能耗的影响，旨在为南美白对虾的深度加工研究和干燥工艺控制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

南美白对虾：秦皇岛市海浪花水产市场；食盐：市售；乙酸镁(CH3COO)2Mg·4H2O；氯化钠(NaCl)；硫酸铜(CuSO4·5H2O)；硫酸钾(K2SO4)；硫酸(H2SO4密度为 1.84 g/L)；溴甲酚绿指示剂(C21H14Br4O5S)；甲基红指示剂(C15H15N3O2)；亚甲基蓝指示剂(C16H18ClN3S·3H2O)；氢氧化钠(NaOH)；95%乙醇(C2H5OH)；硼酸(H3BO3)；无水乙醚(C4H10O)；石油醚均为分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

1.2 仪器设备

分体式温湿度计(AR847+) 香港希玛科技公司；水分活度测定仪(FA-st lab) 法国 GBX 公司；手持风速仪(EDK-1A) 金坛市科析仪器有限公司；色彩色差计(CR-400) 柯尼卡美能达公司；气质联用仪(Agilent 7890A-5975C) Agilent Technologies；食品物性分析仪(TMS-Pro) Food Technology Corporation；多功能电量检测仪(DY5) 深圳多一电子有限公司；太阳能干燥设备 张家口泰华机械厂。

1.3 试验方法

1.3.1 预处理方法

选择外观形态完整、大小均一、1 kg 60～80尾的新鲜南美白对虾，按1 kg虾加入2 kg 3%的盐水，煮沸时间1 min，捞出后沥干，测得初始含水量为(73±1)%。

1.3.2 太阳能干燥设备工作原理

太阳能干燥设备：外形尺寸5 m×3 m×5.5m，由太阳能空气集热器(面积18 m2)、干燥室(干燥量5～100 kg)和热泵(功率2.6 kW)组成。冷空气通过进风道进入太阳能空气集热器，集热器中的集热板通过吸热温度升高并将冷空气加热，热空气经过引风机进入干燥室内与湿物料换热，从而使水分蒸发，达到干燥目的。设备示意图见图1。

图1 太阳能干燥设备示意图Fig.1 Schematic diagram of solar drying equipment

1.3.3 干燥试验设计

南美白对虾经盐水预煮后，分别在45，55，65，75 ℃的干燥温度下，每个处理量为3 kg，风速为8 m/s，进行干燥试验。干燥过程中每1 h测定干基含水率、水分活度，并记录电耗，当干基含水率达到(45±1)%(企业标准)，干燥结束，测定干品质构、色泽和收缩率、复水率，试验重复3次。

1.4 试验结果测定方法

1.4.1 水分含量的测定方法

初始含水率W0的测定：GB/T 5009.3-2010，重复测定3次。

干物质含量m干的测定：m干=m0×(1-W0)，其中m干代表干物质含量；m0代表物料初始重量；W0代表物料的初始含水率。

干燥过程中的干基含水率Wt的计算：Wt=(mt-m干)/m干×100，其中Wt为干燥过程中t时刻干基含水率；mt代表t时间的物料重量；m干代表干物质的含量。

1.4.2 水分活度的测定方法

随机选取南美白对虾30尾，粉碎后随机取3.0(±0.5) g样品，放入水分活度测定仪，测定水分活度值，重复测定3次。

1.4.3 质构的测定方法

随机选取干燥前、干燥结束和复水后南美白对虾各30尾，参照文献[6，7]的方法，采用食品物性分析仪，测定硬度、弹性和咀嚼性等质构特性，重复测定3次。

1.4.4 色泽的测定方法

随机选择30尾南美白对虾，参照文献[8]的方法，选择在相同自然灯光下进行，测定点选择对虾身体中间部分测定色泽，重复测定3次。

1.4.5 收缩率和复水率的测定方法

收缩率和复水率的测定参照文献[9]的方法执行。

1.4.6 耗电量的测定方法

采用DY5电量监测仪，每间隔1 h测定记录1次耗电量。

1.5 试验结果统计分析方法

2 结果与分析

2.1 太阳能干燥温度对南美白对虾干燥速率的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾干燥速率的影响见图2。

图2 太阳能干燥温度对南美白对虾干燥速率的影响Fig.2 Effect of solar drying temperatures on drying rates of Penaeus vannamei

由图2可知，不同的太阳能干燥温度条件下，干燥初期均进入降速干燥阶段。在固定风速为8 m/s、干燥量为3 kg条件下，太阳能干燥的温度越高，干燥速率越大，干燥速度越快。在干燥温度为45，55，65，75 ℃的干燥条件下，物料从初始干基含水率降到目标含水率，所需干燥时间分别为10，8，7，5 h，45 ℃干燥温度下干燥时间为5 h，干燥时间最少，75 ℃干燥温度下干燥时间10 h，显著低于45 ℃干燥时间5 h(P<0.05)，说明升高温度可显著提高干燥速率。但是温度过高会使表面水分气化速度过快，表面硬化，蛋白变性，降低干燥品质。因此，干燥温度不宜过高。

2.2 太阳能干燥温度对南美白对虾水分活度的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾水分活度的影响见图3。

图3 太阳能干燥温度对南美白对虾水分活度的影响Fig.3 Effect of solar drying temperatures on water activities of Penaeus vannamei

由图3可知，不同温度干燥初期，水分活度变化不明显，不同温度间差异不显著，这是因为干燥初期主要是表面自由水蒸发，对水分活度影响不明显。当干燥进行到一定程度，温度越高，水分活度下降越快，其中干燥到5 h时，45，55，65，75 ℃下水分活度分别为0.93，0.92，091，0.88，差异显著(P<0.05)，这是因为干燥后期，南美白对虾干燥主要取决于内部结合水的扩散，温度越高，内部结合水迁移越快，水分活度变化速率越快。

2.3 太阳能干燥温度对南美白对虾质构特性的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾干燥后和复水后质构特性的影响见表1。

表1 太阳能干燥温度对南美白对虾质构特性的影响Table 1 Effect of solar drying temperatures on texture characteristics of Penaeus vannamei

由表1可知，当风速为8 m/s、干燥量为3 kg一定时，随温度升高，硬度和咀嚼性增大，弹性降低。45 ℃的硬度95.50 N和咀嚼性164.95 mJ最低，与55 ℃差异不显著，与65 ℃和75 ℃差异显著(P<0.05)，55 ℃与65 ℃差异不显著，与75 ℃差异显著(P<0.05)。65 ℃与75 ℃差异不显著。不同温度干燥后弹性差异不显著。这是由于南美白对虾蛋白质含量高，高温干燥使水分散失不均匀，易发生表面失水酪蛋白凝固现象，表面硬化，阻碍内部水分向外扩散，形成内软外硬产品，复水性变差，复水后硬度较大。干燥过程失水剧烈，也会使得肌肉纤维发生较大程度收缩，咀嚼性增加，弹性变小。

2.4 太阳能干燥温度对南美白对虾色泽的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾色泽的影响见表2。

表2 太阳能干燥温度对南美白对虾色泽的影响Table 2 Effect of solar drying temperatures on color of Penaeus vannamei

由表2可知，不同温度下，与干燥前相比，L*显著下降，a*上升，b*上升，且差异显著(P<0.05)。当风速为8 m/s、干燥量为3 kg一定条件下，不同干燥温度色泽变化趋势不明显。其中55 ℃时△E*值最小，说明55 ℃干燥后南美白对虾颜色特性优于其他温度。65 ℃干燥后△E*值最大，说明65 ℃干燥后南美白对虾亮度下降较多，绿度和黄度升高较多，颜色特性较差。可能因为温度高会促使生美拉德反应的发生，产生棕色物质，影响色泽。但是温度高，干燥时间短，也会在一定程度上影响色泽，75 ℃时△E*值为18.21，低于45 ℃的18.48，因此干燥过程中温度与其温度下干燥时间都与最终色泽密切相关。

2.5 太阳能干燥温度对南美白对虾收缩率和复水率的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾收缩率和复水率的影响见图4。

图4 太阳能干燥温度对南美白对虾收缩率和复水率的影响Fig.4 Effect of solar drying temperatures on shrinkage and rehydration rates of Penaeus vannamei

由图4可知，随着温度升高，南美白对虾收缩率呈增长趋势，在45，55，65，75 ℃之间，45 ℃与75 ℃差异不显著，其他差异显著(P<0.05)。复水率随着温度升高呈递减趋势，45 ℃与55 ℃差异不显著，55 ℃与65 ℃差异不显著，其他差异显著(P<0.05)。食品在干燥过程中由于物料本身结构组成特点，以及其在干燥过程中温度控制不同，使得干燥时整个食物体系的水分散失也是不均匀的。南美白对虾蛋白质含量高，随着温度升高，水分散失不均匀，表面硬化，阻碍水分向外扩散，肌肉的肌纤维不均匀收缩产生空隙，不能形成均匀水分扩散通道，使复水性变差。45 ℃时复水率为73.5%，75 ℃时复水率为58.5%，差异极显著。

2.6 太阳能干燥温度对南美白对虾干燥能耗的影响

干燥温度45，55，65，75 ℃对南美白对虾干燥能耗的影响见图5。

图5 太阳能干燥温度对南美白对虾干燥能耗的影响Fig.5 Effect of solar drying temperatures on dry energy consumption of Penaeus vannamei

由图5可知，干燥前1 h能耗较高，这是因为设备经过一晚上停歇刚开始运转时其内部空气温度低、湿度高，达不到所设温度要求，其自动开启电加热和热泵除湿功能。当设备进入正常运行状态，不同干燥温度随着时间的延长，单位时间能耗呈现逐渐增大趋势，而且干燥初期缓慢增长，后期增长较快。这是因为干燥初期太阳辐照强，太阳能温度高，基本可以满足干燥箱能量需求，当干燥进行到一定程度时，太阳辐照减弱，太阳能温度降低，系统自动开启电加热，而且干燥后期，干燥由表面水分的直接蒸发变为内部水分向外扩散，热泵排湿时间增加，能耗较高。当风速为8 m/s，干燥量为3 kg一定时，温度越高，单位时间能耗越大，当设定温度较低(45 ℃)时，在一定时间内，太阳能温度满足要求，电加热工作时间短，随着设定温度升高，太阳能不能完全满足消耗，电加热工作时间变长。但随着温度升高，干燥总时间逐渐缩短，能耗减小，其中45，55，65，75 ℃条件下，干燥总能耗分别为9.03，8.56，11.81，9.21 kW·h，45 ℃与75 ℃差异不显著， 55 ℃时能耗最低，与65 ℃能耗差异显著(P<0.05)。由于温度过高会影响产品品质，因此较适宜温度范围为45～55℃。

3 结论

在干燥温度为45，55，65，75 ℃干燥条件下，温度越高，干燥速率越大，干燥速度越快。45 ℃干燥温度下干燥时间为5 h，干燥时间最少。不同温度干燥初期，水分活度变化不明显，不同温度间差异不显著。当干燥进行到一定程度，温度越高，水分活度下降越快。

在干燥温度为45，55，65，75 ℃干燥条件下，温度升高，南美白对虾硬度和咀嚼性增大，弹性降低。45 ℃干燥条件下硬度和咀嚼性最低。不同干燥温度下，南美白对虾与干燥前相比，色泽差异显著。但是，不同干燥温度色泽变化趋势不明显，其中55 ℃干燥后南美白对虾颜色特性优于其他温度。随着温度升高，南美白对虾收缩率呈增长趋势，复水率呈递减趋势。

在干燥温度为45，55，65，75 ℃干燥条件下，温度越高，单位时间能耗越大，当设定温度较低(45 ℃)时，在一定时间内，太阳能温度满足要求，电加热工作时间短，随着设定温度升高，太阳能不能完全满足消耗，电加热工作时间变长。但随着温度升高，干燥总时间逐渐缩短，能耗减小，55 ℃时能耗最低。

在干燥温度为45，55，65，75 ℃干燥条件下，综合考虑不同温度对南美白对虾干燥速率、水分活度、硬度、弹性、咀嚼性、色泽、收缩率、复水率等理化品质和干燥特性的影响，45～55 ℃较为适于干燥南美白对虾产品。

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EffectsofDifferentSolarDryingTemperaturesonPhysicalandChemicalPropertiesandEnergyConsumptionofPenaeusvannamei

GUO Xue-xia1,3, WANG Wei-hua2, LIU Yu1,3, RAN Guo-wei1,3, ZHANG Hui-yuan1,3, GUO Hai-feng1, WANG Hai1,3*

(1.Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China；2.Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China；3.Key Laboratory of Agro-products Postharvest Handling，Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China)

WithPenaeusvannameias the experimental material, the effects of solar drying temperature on the drying rate, water activity, hardness, elasticity, chewiness, color, shrinkage, rehydration rate and other physical and chemical properties and drying energy consumption ofPenaeusvannameiare studied at 45,55,65,75 ℃. The results show that when the drying temperature is 45～55 ℃, the physical and chemical properties ofPenaeusvannameidried products are better than those of other temperatures and with low drying energy consumption,it is suitable for dryingPenaeusvannameiproducts.

solar energy；drying；temperature；physical and chemical properties；energy consumption

TS254.7

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.12.017

1000-9973(2017)12-0079-05

2017-08-15 *通讯作者

海洋公益性行业科研专项项目(201205031-02)

郭雪霞(1978-)，女，高级工程师，研究方向：农产品加工技术与装备研发；

王海(1964-)，男，研究员，研究方向：农产品加工技术与装备研发。