热泵干燥北极虾工艺研究

第32卷第6期水产科学Vol 32 No. 62013年6月FISHERIES SCIENCE热泵干燥北极虾工艺研究母刚,张国琛(大连海洋大学机械与动力工程学院,辽宁大连116023)摘要:利用热泵进行北极虾的干燥试验研究,探讨干燥空气的温度、相对湿度和流速对北极虾干燥速度、产品的物理和感观特性及干燥能耗的影响。试验结果表明,干燥空气温度是影响热泵干燥北极虾速度能耗复水率和感观特性的主要因素;空气相对湿度对干品收缩率影响最大,对干燥速度、能耗和感观特性影响次之;空气流速除对复水率的影响较空气相对湿度较大外,对其余各指标影响相对最弱。在本试验范围内,干燥空气温度为35℃,空气相对湿度为20%空气流速为1.5m/s的工艺下干燥北极虾,可取得较好的干燥效果关键词:热泵干燥;北极虾;干燥速度;干燥品质;能耗中图分类号:S985.2文献标识码:A文章编号:1003-11112013)06-0343-05干燥是水产品的重要加工手段之一,由于水产~0.5cm的工艺条件下,产品的干燥速度较快。海品多属热敏性物料,对其干燥时的温度和时间均有米是具有较高营养价值且被广泛食用的虾的干制严格要求,以此来保证其干燥品质。另外,干燥作品,目前主要采用自然干燥和热风干燥,自然干燥为能量密集型操作过程,必须考虑其节能以及环境受卫生和气候条件制约,干燥速度慢,不利于工业友好性,尤其在我国当前越来越注重食品质量与安化生产。热风干燥温度过高,对物料(特别是热敏全以及提倡节能减排的今天,开发和运用高效节能性物料)的品质影响较大,而且热能利用效率低。技术干燥水产品就更具现实意义。热泵干燥是利笔者采用热泵干燥技术对北极虾( Pandalus用热泵自低温热源中吸收热量,将其在较高温度下 borealis)进行干燥试验研究,探讨不同干燥条件对释放从而对物料进行干燥的方法,可营造密闭低干燥北极虾的速度和品质的影响以期为这项技术氧低温的工作条件,生产过程中无废气废热排放,在海米及同类产品的干燥加工应用提供有益参考。减少了水产品干燥加工过程中不饱和脂肪酸的氧化和蛋白质受热变性,有利于干制品色、香、味、形1材料与方法和营养成分的保持,具有显著的节能减排效果。研1.1材料及仪器设备究发现,利用热泵干燥技术加工鱼干制品时,较普试验原料为速冻熟北极虾,原始质量(6.86土通热风干燥节能50%以上口。近年来利用热泵对0.47)g/尾,经预处理将冰冻北极虾按色泽、质量和水产品进行干燥已有一些研究。石启龙等对热大小分级→水浸激5min解冻→去虾头沥干待用)后泵干燥过程中竹荚鱼( Trachurus japonicus)水分质量为(3.540.24)g/尾。迁移特性进行了研究。研究表明,热泵干燥过程试验仪器设备:热泵干燥装置(包括干燥室、风中,竹荚鱼片的水分迁移的主因是含水率梯度的作机、压缩机蒸发器冷凝器热力膨胀阀辅助电加热用。吴耀森等运用热泵技术对低盐鱿鱼(Mast器等)及计算机测试软硬件系统:自制(图1)goteuthis flamed)进行干燥的研究结果表明,低盐M1l0b精密天平:上海恒平科学仪器有限公司;腌制的鱿鱼经热泵干燥结合缓苏工艺加工后质地101A3型电热鼓风干燥箱:上海实验仪器有限公司。好,色泽均匀,且含盐量低,干燥时间短。刘兰等41.2方法对罗非鱼片热泵干燥时间及品质影响因素进行研1.2.1干燥曲线的测定究,发现在干燥温度35℃,风速1.6m/s,厚度0.4干燥试验前,按照GB/T50093-2003测得预收稿日期:07-23;修回日期:20130305中国煤化工基金项目:辽宁省海洋渔业厅科研计划(200806)作者简介:母刚(1982—),男实验师博士研究生;研究方向:水产品加工机械CNMHG344水产科学第32卷1.热泵干燥装置2.测试软件系统3.ADAM4520模块4.直流电源图1热泵干燥系统处理的北极虾初始含水率热泵干燥试验过程中通过对北极虾干燥时间、收缩率、复水率、感观特性及能计算机测试系统自动记录物料质量,计算湿基含水率耗方面的影响,试验因素及水平见表2。并绘制干燥曲线,干燥终止含水率约为13%。1.2.2干品物理性质及感观特性的检测及评定豪2北极虾热泵干燥正交试验因素及水平(1)收缩率和复水率测定方法参考文献[5];试验(2)感观特性序号干燥空气干燥空气干燥空气温度/℃相对湿度/%流速/m·s-1主要根据色泽、口感和原有形状保持情况进行25±210士20.5评定。色泽粉红、嫩黄有光泽为优,褐色、褐红色无35±?15士2光泽为差。软硬适中、肉细结实、鲜度高、口感好为45±220士21.5优。过硬、肉质枯瘦、过软、发粘、肉渣末多为差。基本保持原有形状为优,出现塌陷,收缩严重为差2结果1.2.3能耗的测定2.1不同干燥条件对热泵干燥北极虾速度的影响系统中用电设备为压缩机、轴流风扇、离心风不同干燥空气温度条件下北极虾热泵干燥曲机以及辅助电加热器上述设备均为定功率运转,线见图2。由图2可见,随着空气温度的升高干燥耗电量W=P速度加快,当干燥空气温度为25℃时,由初始含水式中,P为用电设备额定总功率(W)t为连续运转时间(D,率76%干燥到终止含水率13%约需780mn,而干1.2.4干燥试验设计燥空气温度为45℃时,只需330min即可完成干1)采用单因素试验,研究不同空气温度、空气燥,节约干燥时间450min,干燥速度提高2.16倍。相对湿度和空气流速对北极虾热泵干燥速度的影其中空气温度每提高10℃,干燥时间可节省3.5响,各组试验条件见表14h。由相同干燥时间内的含水率也可以看出,干燥褒1北极虾热泵干燥单因素试验因素及水平空气温度越高,物料的含水率越低,如干燥200min试验试验干燥空气干燥空气干燥空气后,在25℃条件下的北极虾的湿基含水率还高达分组序号温度/℃相对湿度%流速/m,s152%,而45℃条件下的北极虾的含水率则已降至15±232%。可见,提高干燥空气温度可明显提高干燥速35士215±2度,节省干燥时间。45±215士21.580◆-25℃35℃25士210士2▲45℃25士21.525±220士21.535±220士235±220±2中国煤化工006072078035±220±21.5CNMHG图2不同空气温度下北极虾的干燥曲线(2)采用三因素三水平正交试验,研究各因素第6期母刚等:热泵干燥北极虾工艺研究不同干燥空气相对湿度条件下北极虾热泵干流速能在一定程度上加快干燥速度,缩短干燥时燥曲线见图3。由图3可见,随着干燥空气相对湿间,但空气流速对北极虾热泵干燥速度的影响较度的减小,干燥时间缩短,干燥速度加快。但总体小,且不如空气温度对其的影响明显。上三种空气相对湿度对北极虾的热泵干燥速度的影响并不明显。在较高空气相对湿度20%条件下-0.5m1.0m/s完成干燥的时间为900min。而空气相对湿度为1.5m/s10%时完成干燥则需要750min。可见降低空气相对湿度可提高北极虾热泵干燥的速度,但在该试验量条件下提高的幅度并不大,干燥时间都较长。1050图4不同空气流速下的北极虾干燥曲线1022不同干燥条件对热泵干燥北极虾特待性及能耗的影响60120180240300360420480540600660720780840900不同干燥条件下热泵干燥北极虾的干燥时间、收缩率、复水率、能耗和感观特性结果及其极差分析图3不同空气相对湿度下的北极虾干燥曲线见表3表4。干燥空气温度(A)对干燥时间影响最三种空气流速条件下北极虾的干燥情况见图大(R=406.67),温度越高(A3),干燥时间越短(k=由图4可见,干燥速度随空气流速的增加而加413.33空气相对湿度(B)对燥时间的影响次之快。当空气流速由0.5m/s升至1.0m/s时,干燥(R=76.67),而空气流速(C)相对于以上两个因素对耗时由570min减至510min,节省时间60min于干燥时间影响最小(R=23.33)。对于干燥时间来当空气流速由1.0m/s提高到1.5m/s时,干燥到讲,最省时的干燥工艺组合是干燥空气温度相对湿终止含水率的时间节省了20min可见提高空气度、流速分别为45℃、10%.5ms(AB1、C褒3北极虾热泵干燥正交试验设计及结果空气相对空气试验结果试验号温度A湿度B流速C干燥时间/min收缩率/%复水率/%·能耗/kW.h色泽口感7.48958013.粉红完整8.96粉红完整4.6915.11发红完整软能软硬27.23121.408.9黄色完整222336.879.10黄色完整适中7.05114.109.44嫩黄适中3309.5493.707.87黄褐色不完整硬11.44黄褐色不完整106.70黄褐色不完整较硬衰4北极虾热泵干燥结果分析试验干燥时间/mn收缩率/%复水率/%能耗/kWh指标CC均值k1820.00543.33603.337.048.082887.70103.63104.5014.0810.0611.42均值k2533.33603.33583.337.057.727.63113.8396.23102.609.1611.4210.97均值k3413.33620.00580.007.856.147.03101.37103.0396.009.8511.6010.69极差R406.6776.670.811.940.中国煤化工主次顺序A>B>CB>A>CCNMHGBC优水品ABA1BcAB1c1A2BC346水产科学第32卷同理,由收缩率极差分析结果可见,干燥空气向外迁移,导致物料表面结壳以及产品内部组织的相对湿度(B)对收缩率的影响最大(R=1.94),空玻璃态化,所以复水性较差。由干燥北极虾的感气相对湿度越高(B3),干制品的收缩率越小(k3=观质量也可以佐证,当温度达到45℃时,干品的色6.14)。干燥空气温度和流速对收缩率的影响相对泽形状和口感较低温度时差,品质下降。刘兰较小。要减小干制品收缩率,热泵干燥条件为:干等利用热泵干燥罗非鱼也得到了相似的结论。燥空气的相对湿度、温度流速分别为:20%25℃、综合各项指标,干燥空气温度选35℃,节能的同时1.5m/s(B3、A1、C3)。也可获得到较好的干燥品质通过表4的复水率极差分析可知,三个因素中随着空气相对湿度的减小,干燥速率有所提干燥空气相对湿度(B)对复水率的影响最小(R=高。马一太等0利用热泵干燥种子得出了类似结7.40),其次为空气流速(C),干燥空气温度(A)对论,母刚等用热泵干燥海参也得到了相似的结复水率的影响最大(R=26.13)。其中干燥空气温论。但是空气相对湿度对热泵干燥北极虾的速度度为35℃(A2)时,干制品的复水率最大(k2=影响并不明显,尤其是在北极虾干燥初期,而在物113.83),要获得较大的复水率热泵干燥条件可选料含水率较低时也就是干燥后期,空气的相对湿度择:35℃、1.5m/s、10%(A2、C1、B1)对干燥速度的影响才逐步显现。产生这种现象的由能耗(表4)分析中可知,干燥条件对于能耗原因是干燥空气相对湿度与物料本身的含水率之的影响大小顺序为空气温度(A)(R=4.92)、相对差的大小影响了水分扩散速度,干燥初期,空气中湿度(B)和空气流速(C)。干燥空气温度为35℃相对含水量与物料含水量之差都较大,均有利于水(A2)时,耗能最小(k2=9.16)所以干燥过程中选用分的扩散,但是三者之间相对差别不大,导致干燥能源消耗最少的干燥条件是空气温度、相对湿度、速度区别不太明显。随着物料含水率的降低,较小流速分别为35℃、10%1.5m/s(A2、B1、C3)。的空气相对湿度与物料的含水率之差相对较大,提通过表3的感观质量结果可知,干燥空气温度供了较强的除湿驱动力,导致较小的空气相对湿度(A)对干制品的感观质量有较大的影响,干燥空气干燥速度较快,同时较快的干燥速度也导致了收缩温度为25℃(A1)干燥的北极虾色泽为粉红、形状率的增加。空气相对湿度作为影响干制品收缩率完整、口感较软;而当温度为35℃(A2)时的三组试的最主要因素,增大空气相对湿度可减小干品的收验中虾的颜色嫩黄、形状基本完整、软硬适中;当温缩率有效保持干品的形貌。考虑其对复水率及能度达到45℃(A3)时,虾的颜色趋于褐色、出现凹陷耗影响干燥空气相对湿度取20%,可取得相对好且口感较硬。干燥空气相对湿度和流速对干制品的干燥效果的感观质量的影响较温度影响小空气流速是加快传热的另一个因素,随着空气流速的提高,干燥速度加快。这说明加大空气流速3讨论有利于增加物料表面与干燥空气间的传热传质过由试验结果可知,干燥空气温度对北极虾热泵程和物料内部水分的迁移,有助于提高干燥速度。干燥的速度复水率能耗以及感观质量的影响最但由空气流速对热泵干燥北极虾的速度影响可以大,对收缩率的影响次之。说明干燥空气温度是干看出,其影响力与李远志等研究胡萝卜热泵干燥燥过程中湿分由被干燥物料内部向外部扩散的主特性时指出的一样,“风速增加,干燥速度加快,但要动力。与马一太等用热泵干燥种子研究得出是风速对干燥速率的影响不十分显著”。从空气流风温对干燥速率的影响显著”的结论一致。张国速对干燥品质的结果看,空气流速对于干品的收缩琛等用热泵干燥,北极虾和鱼块的试验也表明提率、能耗及感观质量的影响均相对最小,只是对干高干燥温度“可以加快干燥速度,同时也使物料的品的复水率的影响力略强于空气相对湿度,且远小收缩率增大”。但是从能耗角度讲,虽然高温于空气温度的影响。所以在保证干燥品质的同时(45℃)可较快完成干燥但并不节能,这是由于该热可选择较大的空气流速,提高干燥速度,当空气流泵干燥装置的性能局限,要使干燥空气温度达到速为1.5m/s时,可获得相对较好的效果45℃,需要电加热器辅助加热,增加了干燥能耗,影响了机组的整体节能效果。由复水效果看在35℃4结论「凵中国煤化工干燥的北极虾的复水率较45℃干燥高,因高温结果表,水议小加工北极虾是45℃)易使蛋白质变性、糖分等水溶性成分随水分套可行的方法,干燥空气温度对北极虾干燥速度第6期母刚等:热泵干燥北极虾工艺研究347能耗和干品的物理和感观特性影响显著,在保证产[4]刘兰,关志强李敏罗非鱼片热泵干燥时间及品质影品质量和发挥热泵节能效果的前提下,可以适当提响因素的初步研究[J].食品科学,2008,29(9):高干燥空气温度;空气相对湿度对干品的收缩率影307-310.响较大,提高空气相对湿度可避免北极虾干品的过[5]张国琛,母刚,张倩微波真空千燥对虾的试验研究度收缩;空气流速对干燥速度和品质的影响相对较[].农业工程,2012,2(4):25-28[6]马一太曾宪阳,牛莹热泵干燥种子的实验研究[门弱选择较大流速可加快干燥。在该试验条件下,中国农机化,2004(6):47-49.综合各项指标得出:热泵干燥空气温度、相对湿度[7] hang guocher, Sauron Arason, Sveinn Vikingur-drmason.和流速分别为:35℃、20%和1.5m/s时,干燥北极Drying characteristics of heat pump dried shrimp( Pandalus虾节能且品质较好。borealis)and fish cake. Transaction of the CSAE, 200622(9):189-193参考文献:[8]徐刚,张森旺,顾震,等脱水蔬菜2种干燥工艺的试验[1]刘卫华陈新华沈启扬水产品热泵干燥技术与设备研究[J]安徽农业科学,2007,35(11):33603361.研究[]江苏农机化,2011(3):31-33[9]母刚,张国琛邵亮热泵干燥海参的初步研究[].渔[2]石启龙赵亚,李兆杰,等热泵干燥过程中竹荚鱼水业现代化,2007,34(5):47-50.分迁移特性[].农业机械学报,2010,42(2):122126[10]李远志,胡晓静叶盛英,等胡萝卜热泵干燥特性及[3]吴耀森陈永春,龚丽低盐鱿鱼干的热泵干燥工艺研数学模型的研究[].食品与发酵工业,199,25(6):究[].干燥技术与设备,2009,7(1):29321-4.Shrimp Pandalus borealis Drying by a Heat PumpMU Gang, ZHANG Guo-chenSchool of Mechanical and Power Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)Abstract: In this paper, shrimp Pandalus borealis drying by heat pump technology was studied toelucidate effects of temperature, relative humidity and velocity of air on drying rate, product physicalproperties, sensory characteristics and energy consumption. The results showed that the air temperaturewas found to be the dominating factor impacting drying rate, energy consumption, rehydration rate andsensory characteristics. The shrinkage rate of the dried shrimp was most affected by air relative humiditywhich influenced drying rate, energy consumption and sensory characteristics. Besides stronger effect onrehydration rate than air relative humidity, air velocity showed little effect on other indicator. In theexperiment, better shrimp drying was observed under conditions of air temperature of 35 C, air relativehumidity of 20% and air velocity of 1.5 m/s.Key words: heat pump drying; Pandalus borealis drying rate drying quality; energy consumption中国煤化工CNMHG