不同干燥方法对鱼明胶干燥特性的影响

王珊珊，吴中华，李 凯，郭海滨，赵 勇

(天津科技大学机械工程学院，天津 300222)

明胶主要来源于动物的皮肤、骨、肌膜等结缔组织，富含人体需要的 20种氨基酸[1-2]．目前，明胶的生产方式有酸法、碱法、盐碱法和酶法．酸法和碱法为主要方式，其中碱法大约占80%[3-5]．明胶在医药、食品、化工产业均有应用[6]，在医药方面可以制作胶囊、防潮剂等[7-8]；在食品行业用作保鲜剂等[9-10]；在化工行业可以制作明胶纤维等[11]．因此，明胶的产量较大[12]．

目前，明胶干燥方法有真空冷冻干燥[13]、氯化锂法[14]、喷雾干燥[15]．真空冷冻干燥法的优点是干燥量大、对胶液浓度和黏度要求较宽等，缺点是干燥周期长、对有效成分破坏大、易污染等．氯化锂法对设备的腐蚀性大，产品价格高，生产周期长．喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小雾滴，并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂，形成干粉产品的干燥技术，具有蒸发面积大、干燥时间短、对有效成分破坏少等优点，但是喷雾干燥的出口温度较高，而明胶熔点较低，因此其成型率非常低，导致最终产量低．

本文分别采用真空干燥、热风干燥、微波干燥的方法干燥明胶溶液，旨在寻找一种合适的干燥方式，使得明胶能够在较短时间内干燥到适于保存的要求(湿基含水率10%)，从而降低干燥成本．

1 材料与方法

1.1 实验原料

明胶粉由广东明洋明胶有限责任公司提供，从罗非鱼鱼皮和鱼鳞中提取，初始湿基含水率为10%．

将明胶粉与纯净水在烧杯中混合，置于 60℃的水浴锅中，用玻璃棒慢慢搅拌，配成湿基含水率为70%的明胶溶液．

1.2 实验仪器

SY-4型热风干燥箱，北京华珍烘烤系统设备工程有限公司；CT-2000H型真空干燥箱，郑州长城科工贸有限公司；ZDM-2B型微波干燥箱，南京汇研微波系统工程有限公司；Ti50型红外热像仪，美国FLUK公司；HW/SHW-3L/5L型智能数显多功能油水浴锅，郑州博科伏器设备有限公司；JS15-02型精密电子天平(0.1g)，上海浦春计量仪器有限公司．

1.3 实验方法

根据厂家提供的资料，鱼明胶在高于 50℃将发生结构的降解，影响明胶成品的品质，因此将最高温度限定在 50℃，实验温度为 30、40、50℃；热风干燥的湿度为 20%、40%；真空干燥的压力为 30、50、70kPa；微波干燥的功率为270W．

实验时，将培养皿编号并称量；按设定高度(2、5、6mm)倒入明胶溶液后，再次称量；分别进行热风干燥、真空干燥、微波干燥，定时取出称量，直至试样的湿基含水率降至 10%，结束实验．其中高度为2mm 的明胶溶液，除干燥外，还用红外热像仪测量其表面温度分布．实验重复3次，取其平均值．

2 结果与分析

2.1 热风干燥

图1是高度分别为5mm和6mm的明胶溶液在空气湿度为20%下的干燥曲线．图2是高度为6mm的明胶溶液在不同温度和空气湿度时的干燥曲线．

图1 空气湿度20%时的明胶热风干燥特性Fig. 1 Hot air drying characteristics of gelatin at 20%air humidity

图2 6 mm明胶溶液热风干燥特性Fig. 2 Hot air drying characteristics of 6 mm gelatin

从图1可以看出：明胶干燥是一个降速干燥为主的干燥过程，内部水分传递占主导．高度为 6mm 的明胶，在50℃下将含水率从70%降至10%需8h，而在30℃下需10h以上；当明胶高度为5mm时，干燥时间从8h降至6h．

从图 2可以看出，温度越高干燥速率越快．比较图2中相同温度和不同湿度条件的热风干燥发现：温度为40℃和50℃时，空气湿度对干燥速率影响不显著，可以忽略不计，空气湿度为40%和20%两条曲线变化速率大致相同；而在温度为 30℃时，空气湿度对干燥速率的影响较显著，空气湿度为 20%的初始干燥速率比空气湿度为 40%的快，可能的原因是在一定温度条件下，相对湿度影响明胶内部的平衡含水率，相对湿度越小平衡含水率越低．

图 3是高度为 5mm的明胶溶液在空气湿度为20%，温度分别为 30、40、50℃，干燥结束时呈现的形状．观察干燥后的明胶形态可知干燥温度越高，明胶受热越充分．5mm 明胶溶液在空气湿度为 40%、6mm 明胶溶液在空气湿度为 20%、6mm 明胶溶液在空气湿度为 40%条件下干燥后的明胶与 5mm明胶溶液在空气湿度为 20%条件下干燥后的明胶相似，所以只给出了5mm明胶溶液在空气湿度为20%条件下的干燥结果．

图3 5 mm明胶溶液在空气湿度为 20%时热风干燥后的形态Fig. 3 Morphology of 5 mm gelatin after hot air drying at 20% air humidity

综上所述，明胶热风薄层干燥是一个内部水分传递占主导的降速干燥过程，干燥速度缓慢．在热风干燥过程中，热风温度和高度是两个重要参数．

2.2 真空干燥

图 4显示了 5mm明胶溶液在不同温度和压力下的干燥曲线．从图 4可以看出：整个干燥过程只有降速阶段，没有恒速阶段；温度和压力对干燥过程影响显著，在相同压力条件下，温度越高，干燥速率越快；在相同温度条件下，压力越小(真空度越高)，干燥速率越快．在温度为 30℃时(图 4(a))，不同压力条件下明胶的干燥速率均变化缓慢．但温度为 40℃和50℃时(图4(b)和图4(c))，30kPa和50kPa压力条件下，初始时刻的曲线变化十分陡峭，含水率迅速下降，并且压力越低，曲线下降越快速．可能的解释是：一方面，压力降低导致水分蒸发温度降低，明胶内水分易于相变蒸发；另一方面，压力降低，使得明胶内外压差增大，在压差作用下，明胶内易形成气泡．气泡破裂使得明胶内部留下孔隙，增加了明胶内部水分向外溢出通道[16]，从而提高了明胶干燥速率．气泡现象使得明胶干燥速率加快，干燥时间大大缩短．通过比较发现，热风干燥在高度 5mm、干燥温度 50℃时，明胶含水率从 70% 降至 10%需 6h，而相同温度时真空干燥在 50kPa下需 65min，30kPa下需45min．

图4 5 mm明胶溶液的真空干燥特性Fig. 4 Vacuum drying characteristics of 5 mm gelatin

实验发现，高度为5mm和6mm明胶溶液的干燥趋势相同，因此对于高度6mm明胶溶液仅给出了在50℃、不同压力下的干燥曲线，见图5．

比较图 4(c)和图 5可以看出：不同高度明胶溶液的真空干燥过程不一样．随着厚度的增加，干燥时间会延长，其干燥曲线发生变化；高度 5mm 明胶在30kPa和 50kPa压力下的干燥曲线在初始时刻出现重合；厚度 6mm明胶溶液在 50kPa和 70kPa压力下的干燥曲线则是在干燥过程中有部分重合．

图5 6 mm明胶溶液在温度为50℃时的真空干燥特性Fig. 5 Vacuum drying characteristics of 6 mm gelatin at 50℃ temperature

图 6是 5mm明胶溶液在 30℃、不同压力条件下干燥结束时的形态．真空干燥采用 30℃(30、50、70kPa)、40℃(30、50、70kPa)、50℃(30、50、70kPa)的实验条件，干燥结束时的明胶形态与图 6类似，因此没有列出．比较图 6的 3个分图可以发现：压力越小(真空度越高)干燥过程越容易出现泡沫现象，从而可以增加水分溢出的通道，使得干燥速率加快，缩短干燥时间．

图6 5 mm明胶溶液在温度为30℃时真空干燥后的形态Fig. 6 Morphology of 5 mm gelatin after vacuum drying at 30℃ temperature

2.3 微波干燥与热风干燥的比较

采用高度为5mm、6mm明胶溶液进行热风干燥实验的耗时长，干燥不均匀，随着明胶溶液高度的增加，干燥耗时变得越长，不利于明胶干燥．为了更好地比较微波干燥和热风干燥，选择高度2mm的明胶溶液进行干燥实验．实验表明，微波功率采用 270W时，可保证物料的表面温度不高于 50℃，因此采用270W 的微波功率，实验用微波干燥箱的微波腔内没有转盘．

图 7比较了 2mm明胶溶液在微波干燥和热风干燥方式下干燥曲线．从图 7中可以看出：2mm 明胶溶液在 50℃热风干燥条件下，初始含水率从 70%干燥至 10%需约 60min；而在微波功率 270W 条件下的干燥时间为 40min．由此可见，微波干燥比热风干燥速度更快，主要原因是微波对明胶整体加热，物体内外受热均匀，促进水分由内向外传递，加快水分蒸发．

图7 2 mm明胶溶液在微波干燥(270 W)和热风干燥(50℃)时干燥特性Fig. 7 Drying characteristics of 2 mm gelatin during microwave drying(270 W)and hot air drying(50℃)

而在热风干燥过程中，热风热量首先传递至明胶表面，然后向内部传递．热量传递方向和水分传递方向相反，不利于水分蒸发．再者，明胶熔点极低，在干燥的初始时刻表面处于熔融状，使得水分散失快，散失水分后的明胶开始出现致密层，使得内部水分很难散发出来．

图8和图9分别在热风和微波干燥方式下，不同时刻明胶溶液表面的温度分布图．

图8 热风干燥方式下明胶溶液表面温度分布图Fig. 8 Surface temperature distribution of gelatin in hot air drying

从图8中可看出，培养皿中的薄层明胶液在干燥过程中，表面温度除在边缘处较高外，中间温度比较均匀．这是因为热风干燥过程中，边缘处明胶与热风和培养皿外壁接触，同时受到热风对流和外壁热传导的影响，吸收热量较多，因而温度高．而培养皿中间处，主要受到热风对流影响，因而温度较均匀．

图9 微波干燥方式下明胶溶液表面温度分布图Fig. 9 Surface temperature distribution of gelatin in microwave drying

从图 9可以看出，微波干燥方式下，明胶表面温度呈圆环状分布．这种圆环状温度分布，可能是微波干燥腔内微波驻波场分布不均匀以及明胶溶液在微波干燥箱中所处的位置所导致.

由以上分析可知，相对热风干燥，微波干燥明胶溶液速度快，干燥时间短，但物料干燥过程中受热不均．

3 结 论

(1) 热风温度和明胶厚度是热风干燥的两个重要参数，温度越高干燥速率越快，厚度增加干燥速率大幅降低．低温时空气湿度对干燥速率影响较大．

(2) 相对热风干燥，微波干燥和真空干燥能大大提高明胶干燥速率，缩短干燥时间．热风干燥高度为5mm 和 6mm 的明胶溶液，耗时为 6～10h；真空干燥高度为5mm和6mm的明胶溶液，在50℃、改变压力值(30、50、70 kPa)条件下，可使得干燥耗时缩短为1～2 h．2 mm明胶溶液的热风干燥和微波干燥时间分别为65 min和40min．

(3) 根据热风干燥、真空干燥结束时明胶形状可知，真空干燥会出现泡沫现象，热风干燥在干燥过程不改变干燥物料形状，由此可知起泡现象有利于干燥，缩短干燥时间．而微波干燥，明胶存在干燥不均匀现象．