熱泵干燥北極蝦工藝研究

第32卷第6期水產(chǎn)科學(xué)Vol 32 No. 62013年6月FISHERIES SCIENCE熱泵干燥北極蝦工藝研究母剛,張國琛(大連海洋大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,遼寧大連116023)摘要:利用熱泵進(jìn)行北極蝦的干燥試驗研究,探討干燥空氣的溫度、相對濕度和流速對北極蝦干燥速度、產(chǎn)品的物理和感觀(guān)特性及干燥能耗的影響。試驗結果表明,干燥空氣溫度是影響熱泵干燥北極蝦速度能耗復水率和感觀(guān)特性的主要因素;空氣相對濕度對干品收縮率影響最大,對干燥速度、能耗和感觀(guān)特性影響次之;空氣流速除對復水率的影響較空氣相對濕度較大外,對其余各指標影響相對最弱。在本試驗范圍內,干燥空氣溫度為35℃,空氣相對濕度為20%空氣流速為1.5m/s的工藝下干燥北極蝦,可取得較好的干燥效果關(guān)鍵詞:熱泵干燥;北極蝦;干燥速度;干燥品質(zhì);能耗中圖分類(lèi)號:S985.2文獻標識碼:A文章編號:1003-11112013)06-0343-05干燥是水產(chǎn)品的重要加工手段之一,由于水產(chǎn)~0.5cm的工藝條件下,產(chǎn)品的干燥速度較快。海品多屬熱敏性物料,對其干燥時(shí)的溫度和時(shí)間均有米是具有較高營(yíng)養價(jià)值且被廣泛食用的蝦的干制嚴格要求,以此來(lái)保證其干燥品質(zhì)。另外,干燥作品,目前主要采用自然干燥和熱風(fēng)干燥,自然干燥為能量密集型操作過(guò)程,必須考慮其節能以及環(huán)境受衛生和氣候條件制約,干燥速度慢,不利于工業(yè)友好性,尤其在我國當前越來(lái)越注重食品質(zhì)量與安化生產(chǎn)。熱風(fēng)干燥溫度過(guò)高,對物料(特別是熱敏全以及提倡節能減排的今天,開(kāi)發(fā)和運用高效節能性物料)的品質(zhì)影響較大,而且熱能利用效率低。技術(shù)干燥水產(chǎn)品就更具現實(shí)意義。熱泵干燥是利筆者采用熱泵干燥技術(shù)對北極蝦( Pandalus用熱泵自低溫熱源中吸收熱量,將其在較高溫度下 borealis)進(jìn)行干燥試驗研究,探討不同干燥條件對釋放從而對物料進(jìn)行干燥的方法,可營(yíng)造密閉低干燥北極蝦的速度和品質(zhì)的影響以期為這項技術(shù)氧低溫的工作條件,生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)廢氣廢熱排放,在海米及同類(lèi)產(chǎn)品的干燥加工應用提供有益參考。減少了水產(chǎn)品干燥加工過(guò)程中不飽和脂肪酸的氧化和蛋白質(zhì)受熱變性,有利于干制品色、香、味、形1材料與方法和營(yíng)養成分的保持,具有顯著(zhù)的節能減排效果。研1.1材料及儀器設備究發(fā)現,利用熱泵干燥技術(shù)加工魚(yú)干制品時(shí),較普試驗原料為速凍熟北極蝦,原始質(zhì)量(6.86土通熱風(fēng)干燥節能50%以上口。近年來(lái)利用熱泵對0.47)g/尾,經(jīng)預處理將冰凍北極蝦按色澤、質(zhì)量和水產(chǎn)品進(jìn)行干燥已有一些研究。石啟龍等對熱大小分級→水浸激5min解凍→去蝦頭瀝干待用)后泵干燥過(guò)程中竹莢魚(yú)( Trachurus japonicus)水分質(zhì)量為(3.540.24)g/尾。遷移特性進(jìn)行了研究。研究表明,熱泵干燥過(guò)程試驗儀器設備:熱泵干燥裝置(包括干燥室、風(fēng)中,竹莢魚(yú)片的水分遷移的主因是含水率梯度的作機、壓縮機蒸發(fā)器冷凝器熱力膨脹閥輔助電加熱用。吳耀森等運用熱泵技術(shù)對低鹽魷魚(yú)(Mast器等)及計算機測試軟硬件系統:自制(圖1)goteuthis flamed)進(jìn)行干燥的研究結果表明,低鹽M1l0b精密天平:上海恒平科學(xué)儀器有限公司;腌制的魷魚(yú)經(jīng)熱泵干燥結合緩蘇工藝加工后質(zhì)地101A3型電熱鼓風(fēng)干燥箱:上海實(shí)驗儀器有限公司。好,色澤均勻,且含鹽量低,干燥時(shí)間短。劉蘭等41.2方法對羅非魚(yú)片熱泵干燥時(shí)間及品質(zhì)影響因素進(jìn)行研1.2.1干燥曲線(xiàn)的測定究,發(fā)現在干燥溫度35℃,風(fēng)速1.6m/s,厚度0.4干燥試驗前,按照GB/T50093-2003測得預收稿日期:07-23;修回日期:20130305中國煤化工基金項目:遼寧省海洋漁業(yè)廳科研計劃(200806)作者簡(jiǎn)介:母剛(1982—),男實(shí)驗師博士研究生;研究方向:水產(chǎn)品加工機械CNMHG344水產(chǎn)科學(xué)第32卷1.熱泵干燥裝置2.測試軟件系統3.ADAM4520模塊4.直流電源圖1熱泵干燥系統處理的北極蝦初始含水率熱泵干燥試驗過(guò)程中通過(guò)對北極蝦干燥時(shí)間、收縮率、復水率、感觀(guān)特性及能計算機測試系統自動(dòng)記錄物料質(zhì)量,計算濕基含水率耗方面的影響,試驗因素及水平見(jiàn)表2。并繪制干燥曲線(xiàn),干燥終止含水率約為13%。1.2.2干品物理性質(zhì)及感觀(guān)特性的檢測及評定豪2北極蝦熱泵干燥正交試驗因素及水平(1)收縮率和復水率測定方法參考文獻[5];試驗(2)感觀(guān)特性序號干燥空氣干燥空氣干燥空氣溫度/℃相對濕度/%流速/m·s-1主要根據色澤、口感和原有形狀保持情況進(jìn)行25±210士20.5評定。色澤粉紅、嫩黃有光澤為優(yōu),褐色、褐紅色無(wú)35±?15士2光澤為差。軟硬適中、肉細結實(shí)、鮮度高、口感好為45±220士21.5優(yōu)。過(guò)硬、肉質(zhì)枯瘦、過(guò)軟、發(fā)粘、肉渣末多為差?；颈３衷行螤顬閮?yōu),出現塌陷,收縮嚴重為差2結果1.2.3能耗的測定2.1不同干燥條件對熱泵干燥北極蝦速度的影響系統中用電設備為壓縮機、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)不同干燥空氣溫度條件下北極蝦熱泵干燥曲機以及輔助電加熱器上述設備均為定功率運轉,線(xiàn)見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨著(zhù)空氣溫度的升高干燥耗電量W=P速度加快,當干燥空氣溫度為25℃時(shí),由初始含水式中,P為用電設備額定總功率(W)t為連續運轉時(shí)間(D,率76%干燥到終止含水率13%約需780mn,而干1.2.4干燥試驗設計燥空氣溫度為45℃時(shí),只需330min即可完成干1)采用單因素試驗,研究不同空氣溫度、空氣燥,節約干燥時(shí)間450min,干燥速度提高2.16倍。相對濕度和空氣流速對北極蝦熱泵干燥速度的影其中空氣溫度每提高10℃,干燥時(shí)間可節省3.5響,各組試驗條件見(jiàn)表14h。由相同干燥時(shí)間內的含水率也可以看出,干燥褒1北極蝦熱泵干燥單因素試驗因素及水平空氣溫度越高,物料的含水率越低,如干燥200min試驗試驗干燥空氣干燥空氣干燥空氣后,在25℃條件下的北極蝦的濕基含水率還高達分組序號溫度/℃相對濕度%流速/m,s152%,而45℃條件下的北極蝦的含水率則已降至15±232%?？梢?jiàn),提高干燥空氣溫度可明顯提高干燥速35士215±2度,節省干燥時(shí)間。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中國煤化工006072078035±220±21.5CNMHG圖2不同空氣溫度下北極蝦的干燥曲線(xiàn)(2)采用三因素三水平正交試驗,研究各因素第6期母剛等:熱泵干燥北極蝦工藝研究不同干燥空氣相對濕度條件下北極蝦熱泵干流速能在一定程度上加快干燥速度,縮短干燥時(shí)燥曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),隨著(zhù)干燥空氣相對濕間,但空氣流速對北極蝦熱泵干燥速度的影響較度的減小,干燥時(shí)間縮短,干燥速度加快。但總體小,且不如空氣溫度對其的影響明顯。上三種空氣相對濕度對北極蝦的熱泵干燥速度的影響并不明顯。在較高空氣相對濕度20%條件下-0.5m1.0m/s完成干燥的時(shí)間為900min。而空氣相對濕度為1.5m/s10%時(shí)完成干燥則需要750min?？梢?jiàn)降低空氣相對濕度可提高北極蝦熱泵干燥的速度,但在該試驗量條件下提高的幅度并不大,干燥時(shí)間都較長(cháng)。1050圖4不同空氣流速下的北極蝦干燥曲線(xiàn)1022不同干燥條件對熱泵干燥北極蝦特待性及能耗的影響60120180240300360420480540600660720780840900不同干燥條件下熱泵干燥北極蝦的干燥時(shí)間、收縮率、復水率、能耗和感觀(guān)特性結果及其極差分析圖3不同空氣相對濕度下的北極蝦干燥曲線(xiàn)見(jiàn)表3表4。干燥空氣溫度(A)對干燥時(shí)間影響最三種空氣流速條件下北極蝦的干燥情況見(jiàn)圖大(R=406.67),溫度越高(A3),干燥時(shí)間越短(k=由圖4可見(jiàn),干燥速度隨空氣流速的增加而加413.33空氣相對濕度(B)對燥時(shí)間的影響次之快。當空氣流速由0.5m/s升至1.0m/s時(shí),干燥(R=76.67),而空氣流速(C)相對于以上兩個(gè)因素對耗時(shí)由570min減至510min,節省時(shí)間60min于干燥時(shí)間影響最小(R=23.33)。對于干燥時(shí)間來(lái)當空氣流速由1.0m/s提高到1.5m/s時(shí),干燥到講,最省時(shí)的干燥工藝組合是干燥空氣溫度相對濕終止含水率的時(shí)間節省了20min可見(jiàn)提高空氣度、流速分別為45℃、10%.5ms(AB1、C褒3北極蝦熱泵干燥正交試驗設計及結果空氣相對空氣試驗結果試驗號溫度A濕度B流速C干燥時(shí)間/min收縮率/%復水率/%·能耗/kW.h色澤口感7.48958013.粉紅完整8.96粉紅完整4.6915.11發(fā)紅完整軟能軟硬27.23121.408.9黃色完整222336.879.10黃色完整適中7.05114.109.44嫩黃適中3309.5493.707.87黃褐色不完整硬11.44黃褐色不完整106.70黃褐色不完整較硬衰4北極蝦熱泵干燥結果分析試驗干燥時(shí)間/mn收縮率/%復水率/%能耗/kWh指標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極差R406.6776.670.811.940.中國煤化工主次順序A>B>CB>A>CCNMHGBC優(yōu)水品ABA1BcAB1c1A2BC346水產(chǎn)科學(xué)第32卷同理,由收縮率極差分析結果可見(jiàn),干燥空氣向外遷移,導致物料表面結殼以及產(chǎn)品內部組織的相對濕度(B)對收縮率的影響最大(R=1.94),空玻璃態(tài)化,所以復水性較差。由干燥北極蝦的感氣相對濕度越高(B3),干制品的收縮率越小(k3=觀(guān)質(zhì)量也可以佐證,當溫度達到45℃時(shí),干品的色6.14)。干燥空氣溫度和流速對收縮率的影響相對澤形狀和口感較低溫度時(shí)差,品質(zhì)下降。劉蘭較小。要減小干制品收縮率,熱泵干燥條件為:干等利用熱泵干燥羅非魚(yú)也得到了相似的結論。燥空氣的相對濕度、溫度流速分別為:20%25℃、綜合各項指標,干燥空氣溫度選35℃,節能的同時(shí)1.5m/s(B3、A1、C3)。也可獲得到較好的干燥品質(zhì)通過(guò)表4的復水率極差分析可知,三個(gè)因素中隨著(zhù)空氣相對濕度的減小,干燥速率有所提干燥空氣相對濕度(B)對復水率的影響最小(R=高。馬一太等0利用熱泵干燥種子得出了類(lèi)似結7.40),其次為空氣流速(C),干燥空氣溫度(A)對論,母剛等用熱泵干燥海參也得到了相似的結復水率的影響最大(R=26.13)。其中干燥空氣溫論。但是空氣相對濕度對熱泵干燥北極蝦的速度度為35℃(A2)時(shí),干制品的復水率最大(k2=影響并不明顯,尤其是在北極蝦干燥初期,而在物113.83),要獲得較大的復水率熱泵干燥條件可選料含水率較低時(shí)也就是干燥后期,空氣的相對濕度擇:35℃、1.5m/s、10%(A2、C1、B1)對干燥速度的影響才逐步顯現。產(chǎn)生這種現象的由能耗(表4)分析中可知,干燥條件對于能耗原因是干燥空氣相對濕度與物料本身的含水率之的影響大小順序為空氣溫度(A)(R=4.92)、相對差的大小影響了水分擴散速度,干燥初期,空氣中濕度(B)和空氣流速(C)。干燥空氣溫度為35℃相對含水量與物料含水量之差都較大,均有利于水(A2)時(shí),耗能最小(k2=9.16)所以干燥過(guò)程中選用分的擴散,但是三者之間相對差別不大,導致干燥能源消耗最少的干燥條件是空氣溫度、相對濕度、速度區別不太明顯。隨著(zhù)物料含水率的降低,較小流速分別為35℃、10%1.5m/s(A2、B1、C3)。的空氣相對濕度與物料的含水率之差相對較大,提通過(guò)表3的感觀(guān)質(zhì)量結果可知,干燥空氣溫度供了較強的除濕驅動(dòng)力,導致較小的空氣相對濕度(A)對干制品的感觀(guān)質(zhì)量有較大的影響,干燥空氣干燥速度較快,同時(shí)較快的干燥速度也導致了收縮溫度為25℃(A1)干燥的北極蝦色澤為粉紅、形狀率的增加?？諝庀鄬穸茸鳛橛绊懜芍破肥湛s率完整、口感較軟;而當溫度為35℃(A2)時(shí)的三組試的最主要因素,增大空氣相對濕度可減小干品的收驗中蝦的顏色嫩黃、形狀基本完整、軟硬適中;當溫縮率有效保持干品的形貌?？紤]其對復水率及能度達到45℃(A3)時(shí),蝦的顏色趨于褐色、出現凹陷耗影響干燥空氣相對濕度取20%,可取得相對好且口感較硬。干燥空氣相對濕度和流速對干制品的干燥效果的感觀(guān)質(zhì)量的影響較溫度影響小空氣流速是加快傳熱的另一個(gè)因素,隨著(zhù)空氣流速的提高,干燥速度加快。這說(shuō)明加大空氣流速3討論有利于增加物料表面與干燥空氣間的傳熱傳質(zhì)過(guò)由試驗結果可知,干燥空氣溫度對北極蝦熱泵程和物料內部水分的遷移,有助于提高干燥速度。干燥的速度復水率能耗以及感觀(guān)質(zhì)量的影響最但由空氣流速對熱泵干燥北極蝦的速度影響可以大,對收縮率的影響次之。說(shuō)明干燥空氣溫度是干看出,其影響力與李遠志等研究胡蘿卜熱泵干燥燥過(guò)程中濕分由被干燥物料內部向外部擴散的主特性時(shí)指出的一樣,“風(fēng)速增加,干燥速度加快,但要動(dòng)力。與馬一太等用熱泵干燥種子研究得出是風(fēng)速對干燥速率的影響不十分顯著(zhù)”。從空氣流風(fēng)溫對干燥速率的影響顯著(zhù)”的結論一致。張國速對干燥品質(zhì)的結果看,空氣流速對于干品的收縮琛等用熱泵干燥,北極蝦和魚(yú)塊的試驗也表明提率、能耗及感觀(guān)質(zhì)量的影響均相對最小,只是對干高干燥溫度“可以加快干燥速度,同時(shí)也使物料的品的復水率的影響力略強于空氣相對濕度,且遠小收縮率增大”。但是從能耗角度講,雖然高溫于空氣溫度的影響。所以在保證干燥品質(zhì)的同時(shí)(45℃)可較快完成干燥但并不節能,這是由于該熱可選擇較大的空氣流速,提高干燥速度,當空氣流泵干燥裝置的性能局限,要使干燥空氣溫度達到速為1.5m/s時(shí),可獲得相對較好的效果45℃,需要電加熱器輔助加熱,增加了干燥能耗,影響了機組的整體節能效果。由復水效果看在35℃4結論「凵中國煤化工干燥的北極蝦的復水率較45℃干燥高,因高溫結果表,水議小加工北極蝦是45℃)易使蛋白質(zhì)變性、糖分等水溶性成分隨水分套可行的方法,干燥空氣溫度對北極蝦干燥速度第6期母剛等:熱泵干燥北極蝦工藝研究347能耗和干品的物理和感觀(guān)特性影響顯著(zhù),在保證產(chǎn)[4]劉蘭,關(guān)志強李敏羅非魚(yú)片熱泵干燥時(shí)間及品質(zhì)影品質(zhì)量和發(fā)揮熱泵節能效果的前提下,可以適當提響因素的初步研究[J].食品科學(xué),2008,29(9):高干燥空氣溫度;空氣相對濕度對干品的收縮率影307-310.響較大,提高空氣相對濕度可避免北極蝦干品的過(guò)[5]張國琛,母剛,張倩微波真空千燥對蝦的試驗研究度收縮;空氣流速對干燥速度和品質(zhì)的影響相對較[].農業(yè)工程,2012,2(4):25-28[6]馬一太曾憲陽(yáng),?，摕岜酶稍锓N子的實(shí)驗研究[門(mén)弱選擇較大流速可加快干燥。在該試驗條件下,中國農機化,2004(6):47-49.綜合各項指標得出:熱泵干燥空氣溫度、相對濕度[7] hang guocher, Sauron Arason, Sveinn Vikingur-drmason.和流速分別為:35℃、20%和1.5m/s時(shí),干燥北極Drying characteristics of heat pump dried shrimp( Pandalus蝦節能且品質(zhì)較好。borealis)and fish cake. Transaction of the CSAE, 200622(9):189-193參考文獻:[8]徐剛,張森旺,顧震,等脫水蔬菜2種干燥工藝的試驗[1]劉衛華陳新華沈啟揚水產(chǎn)品熱泵干燥技術(shù)與設備研究[J]安徽農業(yè)科學(xué),2007,35(11):33603361.研究[]江蘇農機化,2011(3):31-33[9]母剛,張國琛邵亮熱泵干燥海參的初步研究[].漁[2]石啟龍趙亞,李兆杰,等熱泵干燥過(guò)程中竹莢魚(yú)水業(yè)現代化,2007,34(5):47-50.分遷移特性[].農業(yè)機械學(xué)報,2010,42(2):122126[10]李遠志,胡曉靜葉盛英,等胡蘿卜熱泵干燥特性及[3]吳耀森陳永春,龔麗低鹽魷魚(yú)干的熱泵干燥工藝研數學(xué)模型的研究[].食品與發(fā)酵工業(yè),199,25(6):究[].干燥技術(shù)與設備,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中國煤化工CNMHG