不同干燥方式下南极磷虾干燥特性与主要营养物质变化

马田田，欧阳杰,5，赵昕源，沈 建,5

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092；3 国家水产品加工装备研发分中心，上海 200092；4 大连工业大学海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，辽宁 大连，116034;5 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛，266237)

南极磷虾(Antarctickrill)是一种生存于南极洲水域的群居性、两年生海洋生物，主要食物来源是硅藻等浮游植物[1-3]。南极磷虾，生物储量大约6.5～10亿t[4-6]，具有较高的经济、科学与保健价值，有“人类最后蛋白库”与“地球最成功动物物种”之称。根据南极磷虾湿基组成成分分析可知，水分含量为77.9%～83.1%，蛋白质含量为11.9%～15.4%，脂肪含量为0.4%～3.6%，几丁质约 2%[7-9]，因此，南极磷虾是一种高水分、高蛋白动物。南极磷虾中含有人体必需的8种氨基酸，含量约占蛋白质总量的41%[10]，因此，南极磷虾蛋白质营养价值高。南极磷虾被捕后会迅速发生自溶，为便于贮藏运输，目前通常会制成冻虾或虾粉。

干燥是制备南极磷虾粉至关重要的步骤，国外南极磷虾干燥加工研究起步早，设备成熟，工艺完善，国内南极磷虾干燥加工研究起步晚，存在虾粉品质不稳定、干燥效率低等问题，仍需完善。目前，对南极磷虾干燥特性与工艺的研究，主要是以恒温方式为主。张军文等[11]研究了南极磷虾在120℃恒温干燥条件下的干燥特性，得出干燥速率与干燥温度有关的结论。高翠竹等[12]研究了南极磷虾在不同恒温干燥条件下脂肪品质，得出干燥温度越高，脂肪品质越差的结论。林丰等[13]研究了南极磷虾在3种恒温干燥条件下的风味成分，得出-15℃真空冷冻干燥的南极磷虾风味独特，55℃热风恒温干燥和65℃真空平板干燥的南极磷虾风味相似的结论。变温干燥是干燥领域的新方向，目前梯度变温干燥方式在农作物、坚果、水果等方面的研究取得了一定进展，如卢映洁等[14]研究了不同温度梯度对带壳鲜花生收缩情况的影响，耿阳阳等[15]研究了梯度干燥温度对核桃品质的影响。在水产品方面，鱼类干燥已有相关研究，如胡光华等[16]开展了罗非鱼在升温、降温、恒温3种方式下的梯度变温干燥试验，得出变温干燥在保证品质的同时，能提高干燥速度，降低能耗的结论。关于梯度变温干燥方式下南极磷虾干燥特性与主要营养物质含量影响尚未见报道。

本研究以冷冻南极磷虾为原料，经解冻、蒸煮等预处理，以恒温(65℃、75℃、85℃)为对比，分析65℃～85℃变温范围内5℃和10℃梯度升温与降温干燥方式下南极磷虾干燥特性和主要营养物质含量变化，以期为南极磷虾干燥特性与工艺研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

冷冻南极磷虾，体长为3～5 cm，质量为0.6～0.8 g/只，每块冷冻南极磷虾约10.0 kg，2020年购于辽渔集团有限公司，全程冷链运输(-18～-22℃)，置于-20℃冷库中贮存备用。

1.2 试剂与仪器

牛白蛋白、虾青素标准品，上海源叶生物科技有限公司；石油醚、无水乙醇、氢氧化钠、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、甲基红、溴甲酚绿等分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

XS105型分析天平，梅特勒-托利多国际贸易有限公司；HWS-26型数显恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司；BPG-96A型精密鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；MA150 型水分测定仪，德国赛多利斯集团；KDN-1型凯氏定氮仪，上海雷磁仪电科学仪器股份有限公司；DZTW型索氏抽提器，上海科恒实业发展有限公司；UV-2204PC型紫外可见分光光度仪，上海精密仪器有限公司。

1.3 试验方法

南极磷虾干燥工艺流程：冷冻南极磷虾—解冻—蒸煮—干燥—粉碎过筛。

(1)解冻：为避免原料浪费，缩短解冻时间，利用锯骨机将冷冻南极磷虾块等长宽分割成10块，每块约1.0 kg，根据单次试验用量进行解冻。为减少解冻造成的品质下降，参考刘会省等[17]关于南极磷虾解冻方式的研究略做修改，采用流水方式解冻，水温大约在18℃～22℃之间，为避免水流速度对虾体的破损，保持流速在3.5～4.2 L/min。参考相关文献[18-19]关于南极磷虾解冻终点的设置，以虾块能掰断且断开处虾体完整作为解冻结束标志。

(2)蒸煮：将上述解冻后的南极磷虾先放置在沥水架上，静置5～10 min去除表面水分。为减少蒸煮造成的品质下降，参考相关文献[20-22]关于南极磷虾蒸煮方式的研究，采用100℃隔水方式蒸煮，蒸煮时间约为3 min。

(3)干燥：将上述蒸煮后的南极磷虾均匀平铺在干燥箱隔板上，置于不同干燥方式进行干燥，每隔10 min取样，利用水分测定仪测定相应时刻水分含量，直至南极磷虾水分含量在10%左右时，停止干燥，记录干燥时间。参考相关研究[23-24]，当热风温度低于65℃时，干燥时间较长且营养损失较大，当热风温度高于85℃时，蛋白质、脂肪含量逐渐降低，虾青素损失较大，因此干燥温度范围取为65℃～85℃。参考胡光华等[16]，不同梯度温度变化对物料干燥特性和品质有较大影响，基于65℃～85℃的温度范围，选取5℃和10℃为梯度温度。5种干燥方式详见表1。

表1 5种干燥方式

(4)粉碎过筛：为保证样品均匀，将上述干燥的南极磷虾粉碎0.63 mm(40目)过筛后，再取样进行主要营养物质测定。

1.4 相关指标测定

(1)水分含量测定。根据GB 5009.3—2016《食品中水分的测定的方法》[25]测定相应时刻南极磷虾的水分含量。计算公式如下：

Xt=X0-Xs

(1)

式中：Xt为t时刻时样品的水分含量，%；X0为样品的初始水分含量，%；Xs为样品干燥用时t失去的水分含量，%。

(2)干燥能耗测定。参考Mujumdar等[26]的方法，通过测定干燥用时，计算干燥能耗，公式如下：

(2)

式中：E为干燥能耗，kW·h/kg；P为有效功率，kW；t为干燥用时，h；m为样品质量，kg。

(3)蛋白质含量测定。根据GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定方法》[27]测定不同干燥方式下南极磷虾蛋白质含量。计算公式如下：

(3)

式中：X为样品中蛋白质含量，%；V1为样品消耗硫酸标准滴定液的体积，mL；V2为空白样消耗硫酸标准滴定液的体积，mL；c为硫酸标准滴定液的浓度，mol/L；0.014为1.0 mL硫酸[c(0.5 H2SO4)=1.0 mol/L]标准滴定液相当于氮的质量，g；m为样品的质量，g；F为氮换算为蛋白质的系数。

(4)脂肪含量测定。根据GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定方法》[28]测定不同干燥方式下南极磷虾脂肪含量。计算公式如下：

(3)

式中：X为样品中脂肪含量，%；m1为恒重后接收瓶与脂肪质量之和，g；m0为接收瓶质量，g；m2为样品质量，g。

(5)虾青素提取与含量测定。参考邢涛等[29]方法，以乙醇为有机溶剂提取虾青素，采用分光光度法测定虾青素含量。提取条件：料液比1∶30，提取温度50℃，提取时间4 h，测定波长472 nm。

1.5 数据处理

运用Excel软件进行数据处理与作图。

2 结果与讨论

2.1 不同干燥方式下南极磷虾干燥特性分析

2.1.1 不同干燥方式下南极磷虾干燥曲线分析

由图1可知，随着干燥时间的延长，南极磷虾水分含量逐渐降低，干燥速度均呈现先加速后恒速再减速的变化趋势，其中5℃和10℃梯度升温对应的干燥曲线相似，恒温75℃和5℃梯度降温对应的干燥曲线相似，恒温85℃与10℃梯度降温对应的干燥曲线相似。

图1 不同干燥方式下南极磷虾干燥曲线

不同干燥方式下，南极磷虾干燥速度均存在加速、恒速与减速阶段，恒速阶段南极磷虾以最大速度进行干燥，但不同阶段对应的水分含量范围和干燥时段不同。如加速阶段，恒温65℃、5℃和10℃梯度升温对应的水分含量范围为70%～81.5%，干燥时段为0～50 min；恒温75℃、85℃、5℃和10℃梯度降温对应的水分含量范围为77%～81.5%，干燥时段为0～20 min。恒速阶段，恒温65℃、5℃和10℃梯度升温对应的水分含量范围为30%～70%，干燥时段为50～160 min；恒温75℃、85℃、5℃和10℃梯度降温对应的水分含量范围为25%～77%，干燥时段为20～130 min。减速阶段，恒温65℃、5℃和10℃梯度升温对应的水分含量范围为10%～30%，干燥时段为160 min之后；恒温75℃、85℃、5℃和10℃梯度降温对应的水分含量范围为10%～35%，干燥时段为130 min之后。不同干燥方式下，南极磷虾干燥速度的变化趋势与张军文等[11]的研究结果相似，均存在加速、恒速和减速3个阶段，这可能是因为在干燥过程中，南极磷虾表面温度逐渐升高，内外温差逐渐增大，水分蒸发速度增大；随着干燥的进行，南极磷虾内外温度均匀，内外温差恒定，水分蒸发速度不变；在干燥后期，南极磷虾表面存在焦化现象，干燥阻力增大，干燥速度逐渐降低。

2.1.2 不同干燥方式下南极磷虾干燥时间分析

由图2可知，在恒温干燥方式下，随着温度升高，南极磷虾干燥时间显著缩短。

图2 不同干燥方式下南极磷虾干燥时间变化曲线

在变温干燥方式下，同变温梯度相比，降温干燥时间较短；同变温顺序相比，10℃梯度变温干燥时间较短。对比5种干燥方式可知，4种变温干燥时间均小于65℃恒温干燥，可有效缩短干燥时间；4种变温干燥时间均不大于75℃恒温干燥，在一定程度可缩短干燥时间；4种变温干燥时间均大于85℃恒温干燥，其中10℃梯度降温干燥时间与之接近。综上，恒温干燥中升高温度能有效缩短南极磷虾干燥时间；变温干燥中改变变温顺序或梯度均可缩短干燥时间，其中10℃梯度降温干燥时间最短；与恒温干燥相比，适宜的变温干燥方式能有效缩短干燥时间。恒温干燥方式下，南极磷虾干燥时间的变化趋势与刘晓攀等[23]的研究结果相似，即升高温度可缩短干燥时间；4种变温干燥方式下，梯度降温、增大变温梯度均可缩短干燥时间，梯度降温缩短干燥可能是因为干燥初期介质温度越高，南极磷虾表面温度越高，南极磷虾表面水分蒸发越快，随着温度的下降南极磷虾较早以最大干燥速率进入恒温干燥阶段，增大变温梯度缩短干燥时间可能是因为南极磷虾处于高温段时间较长，导致水分含量下降较快。

2.1.3 不同干燥方式下南极磷虾干燥能耗分析

由图3可知，在恒温干燥方式下，随着温度升高，南极磷虾干燥能耗显著下降。

图3 不同干燥方式下南极磷虾干燥能耗变化曲线

在变温干燥方式下，相同变温梯度之间相比，降温干燥能耗较低；相同变温顺序之间相比，10℃梯度变温干燥能耗较低。对比5种干燥方式可知，4种变温干燥能耗均小于65℃恒温干燥，可有效降低干燥能耗；4种变温干燥能耗均不大于75℃恒温干燥，在一定程度可减少干燥能耗；4种变温干燥能耗均大于85℃恒温干燥，其中10℃梯度降温干燥能耗与之接近。综上，恒温干燥中升高温度能有效缩短南极磷虾干燥能耗；变温干燥中改变变温顺序或梯度均可缩短干燥能耗，其中10℃梯度降温干燥能耗最低；与65℃、75℃、85℃恒温干燥相比，65℃～85℃变温干燥的干燥能耗介于恒温75℃和85℃之间，通过适当改变干燥顺序与变温梯度，可缩短与恒温85℃干燥能耗的差距。

2.2 不同干燥方式下南极磷虾主要营养物质含量分析

2.2.1 不同干燥方式下南极磷虾蛋白质含量分析

由图4可知，在恒温干燥方式下，随着温度升高，南极磷虾蛋白质含量先增大后减小，其中75℃时，蛋白质含量达到最大值66.08%。在变温干燥方式下，相同变温梯度之间比较，降温干燥处理后的南极磷虾蛋白质含量较高；相同变温顺序之间比较，10℃梯度变温干燥处理后的南极磷虾蛋白质含量较高。

图4 不同干燥方式下南极磷虾蛋白质含量变化曲线

对比五种干燥方式可知，变温干燥处理后的南极磷虾蛋白质含量均高于恒温干燥，其中10℃梯度降温干燥处理后的南极磷虾蛋白质含量达到最大值68.64%，与恒温干燥最大值相比，提高2.56%。综上，变温干燥能减少南极磷虾蛋白质损失，其中10℃梯度降温干燥能有效保留南极磷虾蛋白质。恒温干燥方式下，南极磷虾蛋白质含量趋势与Lin等[30]的研究结果相符。蛋白质含量呈现图4变化趋势的原因可能是南极磷虾蛋白质受高温影响发生热变性反应，在蛋白酶作用下发生氧化分解反应。参考王凯欣[31]等的研究结果可知，在65℃～85℃之间，南极磷虾蛋白酶的酶活性随温度升高逐渐降低，即南极磷虾氧化分解反应速率逐渐降低。参考李学才[32]的研究结果可知，在65℃～85℃之间，南极磷虾蛋白质随温度升高变性程度逐渐加剧。在恒温干燥方式下，随着温度升高，干燥时间缩短，热变性与氧化分解的反应时间减小，蛋白质变性程度加剧，氧化分解反应速率减小，蛋白质含量先增加后减小；在变温方式下，可能是受变温顺序与变温梯度的影响，南极磷虾经历的温度段和干燥时间不同，南极磷虾蛋白质发生变性反应与氧化分解反应的时间与速率不同，导致蛋白质含量发生变化。

2.2.2 不同干燥方式下南极磷虾脂肪含量分析

由图5可知，在恒温干燥方式下，随着温度升高，南极磷虾脂肪含量先增大后减小，其中在75℃时，脂肪含量达到最大值16.58%。

图5 不同干燥方式下南极磷虾脂肪含量变化曲线

在变温干燥方式下，同变温梯度相比，降温干燥处理后的南极磷虾脂肪含量较高；同变温顺序相比，10℃梯度升温处理后的南极磷虾脂肪含量略高于5℃梯度升温，5℃梯度降温处理后的南极磷虾脂肪含量略高于10℃梯度降温。对比五种干燥方式可知，变温干燥处理后的南极磷虾脂肪含量均高于恒温干燥，其中5℃梯度降温干燥处理后的南极磷虾脂肪含量达到最大18.78%，与恒温干燥最大值相比，提高了2.2%。综上，变温干燥能减少南极磷虾脂肪损失，其中5℃梯度降温干燥能有效保留南极磷虾脂肪。恒温干燥方式下，南极磷虾脂肪含量变化趋势与高翠竹等[12]的研究结果相符。脂肪含量呈现图5变化趋势的原因可能是南极磷虾中富含不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸在高温作用下易发生氧化反应，脂肪在脂肪酶作用下易发生分解反应，脂肪氧化、分解反应速率均与反应温度有关。参考王凯欣等[31]的研究结果可知，在65℃～85℃之间，南极磷虾脂肪酶的酶活性无显著改变，即南极磷虾分解反应速率无显著差异。在恒温干燥方式下，随着温度升高，一方面干燥时间缩短，分解反应时间缩短，另一方面不饱和脂肪酸逐渐发生氧化反应，因此脂肪含量先上升后下降。在变温干燥方式下，受变温顺序与变温梯度的影响，南极磷虾经历的温度段和干燥时间不同，南极磷虾脂肪发生氧化分解反应的时间与速率不同，导致脂肪含量发生变化。

2.2.3 不同干燥方式下南极磷虾虾青素含量分析

由图6可知，在恒温干燥方式下，随着温度升高，虾青素含量呈近似线性的下降趋势，其中在65℃时，虾青素含量为最大值262.15 μg/g。

图6 不同干燥方式下南极磷虾虾青素含量变化曲线

在变温干燥方式下，同变温梯度相比，降温干燥处理后的南极磷虾虾青素含量较高；同变温顺序相比，10℃梯度变温干燥处理后的南极磷虾虾青素含量较高。对比五种干燥方式可知，变温干燥处理后的南极磷虾虾青素含量均显著高于85℃恒温干燥，其中10℃梯度降温干燥处理后的南极磷虾虾青素含量达到最大值255.67 μg/g，与恒温干燥最大值相比，仅减少了6.48 μg/g。综上，变温干燥能减少虾青素损失，其中10℃梯度降温干燥能有效保留南极磷虾虾青素。恒温干燥方式下南极磷虾虾青素含量变化趋势与宋素梅等[33]的研究结果相似。虾青素含量呈现图6变化趋势的原因可能是南极磷虾虾青素分子结构中含有共轭双键，双键末端含有不饱和基团，导致其结构极不稳定，受热极易发生异构化、降解反应。参考相关文献[33-34]关于南极磷虾虾青素结构与稳定性研究结果可知，当温度大于40℃时，随温度升高，南极磷虾氧化反应速度加剧，当温度在60℃～90℃时，随温度升高，南极磷虾降解反应加剧，因此，在恒温干燥方式下，南极磷虾虾青素含量随温度升高而降低，在变温方式下受变温梯度与变温顺序的影响，一方面不同温度段下南极磷虾氧化、降解反应的速率不同，另一方面干燥时间不同造成氧化、降解反应的时间也不同，导致虾青素含量发生变化。

3 结论

不同干燥方式下南极磷虾干燥速度均呈现加速、恒速和减速3个阶段，相同干燥速度阶段对应的水分含量范围和干燥时段不同，为干燥水分节点的选择提供理论数据。干燥时间和干燥能耗随恒温温度的升高而降低，随变温梯度的增大而减小，在降温顺序下较小，为变温梯度与顺序的选择提供理论依据。蛋白质含量随恒温温度升高先增大后减小，随变温梯度增大而增大，10℃梯度降温干燥下最高；脂肪含量随恒温温度升高先增大后减小，随变温梯度的增大，10℃梯度升温高于5℃梯度升温，5℃梯度降温高于10℃梯度降温，在5℃梯度降温干燥下含量最高；虾青素含量随恒温温度的升高而减小，随变温梯度的增大而增大，在10℃梯度降温干燥下含量最高；不同干燥方式下南极磷虾蛋白质、脂肪和虾青素含量变化可得降温干燥能有效保留主要营养物质，应根据南极磷虾粉实际用途选择适宜的变温梯度。综上可得，5种干燥方式中梯度降温在实现提效降耗保质加工目标上更具优势，在提效降耗的条件下，5℃梯度降温干燥能有效保留南极磷虾脂肪，10℃梯度降温干燥能有效保留南极磷虾蛋白质和虾青素。

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