廢棄鹵蟲(chóng)資源冷凍干燥加工工藝的優(yōu)化研究

閆東科，李隴梅，王永苓，李雪，李德超，童文輝

（1.天津職業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300410；2.天津海友佳音生物科技股份有限公司，天津 300350；3.杰科（天津）生物醫(yī)藥有限公司，天津 300467）

鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，中后期鹵蟲(chóng)幼體及其成蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值要高于滯育卵孵化出的用于飼養(yǎng)水產(chǎn)苗種的Ⅰ期無(wú)節(jié)幼體。根據(jù)相關(guān)人員前期在天津渤海灣、新疆艾比湖與巴里坤湖、山東東營(yíng)及威海等鹵蟲(chóng)產(chǎn)地的考察調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因?yàn)轲B(yǎng)殖水體中的各期鹵蟲(chóng)幼體及其成體體長(zhǎng)較大不適宜作為水產(chǎn)苗種的開(kāi)口餌料，且其質(zhì)量不穩(wěn)定，運(yùn)輸貯存和加工費(fèi)用較高，所以各地的養(yǎng)殖單位只捕撈鹵蟲(chóng)滯育卵進(jìn)行生產(chǎn)銷(xiāo)售[1]。而在將蟲(chóng)卵打撈出水體后，大量的鹵蟲(chóng)蟲(chóng)體廢棄在水中，在入冬前后只能任其死亡腐爛。例如，某鹵蟲(chóng)增養(yǎng)殖個(gè)體戶(hù)每年就有1 200 t 鮮活鹵蟲(chóng)被廢棄在水中無(wú)法利用，折合成干重可達(dá)60 t[2]。上述現(xiàn)象不僅造成了鹵蟲(chóng)蟲(chóng)體資源浪費(fèi)，增養(yǎng)殖水體也遭到了極大污染。因此，開(kāi)發(fā)利用廢棄鹵蟲(chóng)蟲(chóng)體資源已迫在眉睫，可通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)手段解決鹵蟲(chóng)蟲(chóng)體資源浪費(fèi)的產(chǎn)業(yè)困境。

真空冷凍干燥是在真空狀態(tài)下使用冷凍裝置將物料冷凍到共晶點(diǎn)以下，利用升華原理除去物料中的水分[3]。該方法較好地保存了物料活性成分，同時(shí)樣品具有脫水率高、存儲(chǔ)期長(zhǎng)、質(zhì)量輕、復(fù)水快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療和軍工領(lǐng)域。真空冷凍干燥加工工藝過(guò)程主要包括樣品前處理→樣品預(yù)凍→樣品速凍→樣品真空干燥。為了保障真空冷凍干燥加工工藝實(shí)施效果，本文提出將真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用到鮮活鹵蟲(chóng)冷凍中，通過(guò)優(yōu)化真空攪拌蒸發(fā)、返料混合、真空攪拌烘干3 個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)工藝參數(shù)，提高凍干鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)成分的保留效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

試驗(yàn)所用到的鹵蟲(chóng)卵屬于典型的塘沽鹵蟲(chóng)卵，由天津海友佳音生物科技股份有限公司提供。

1.1.2 儀器與設(shè)備

SZG-500 型干燥機(jī)，常州市倍成干燥設(shè)備工程有限公司；DWL-90 型螺桿式空氣壓縮機(jī)，德耐爾節(jié)能科技股份有限公司；Pilot-ES 型凍干機(jī)，北京浮美通儀器有限公司；WZ300 型強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，江陰市卓云科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鹵蟲(chóng)卵的孵化

鹵蟲(chóng)卵的孵化在盛有人工海水的容器中進(jìn)行，卵孵化密度為3 ～5 g/L，孵化溫度為25 ～30 ℃，孵化水鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～3%，孵化水pH 為8 ～9，孵化時(shí)的光照強(qiáng)度以1 000 lx 燭光為宜，采用連續(xù)光照最佳，孵化水中的溶解氧可低至1 mg/L，連續(xù)充氧使溶解氧接近飽和狀態(tài)[4]。

鹵蟲(chóng)卵的孵化進(jìn)程首先是6 h 的吸水期，12 h 后進(jìn)入破殼冒出期，14 h 后進(jìn)入傘期，20 ～24 h 后大量I 齡無(wú)節(jié)幼體出現(xiàn)，而后經(jīng)歷Ⅱ齡無(wú)節(jié)幼體、擬成蟲(chóng)期幼體和成蟲(chóng)等階段。鹵蟲(chóng)從孵化到性成熟最短需8 d，一般需14 ～21 d[5]。

1.2.2 鹵蟲(chóng)的真空冷凍干燥

鹵蟲(chóng)的真空冷凍干燥過(guò)程主要有以下3個(gè)步驟：（1）真空攪拌蒸發(fā)，將裝有鹵蟲(chóng)的蒸發(fā)器放入冰箱中進(jìn)行冷凍處理，設(shè)置預(yù)凍溫度與預(yù)凍時(shí)間，然后將其放置到40 ℃恒溫箱中進(jìn)行干燥處理，使鹵蟲(chóng)含水量降至75%[6]；（2）返料混合，在一定的加熱板溫度下，將真空攪拌蒸發(fā)所得的含水量為75%的鹵蟲(chóng)與已完全烘干的鹵蟲(chóng)粉以（1.0 ∶0.8）～（1.0 ∶1.2）的質(zhì)量比混合，經(jīng)攪拌均勻并分散成疏松狀態(tài)且平均含水量為37%的鹵蟲(chóng)[7-8]；（3）真空攪拌烘干，將返料混合所得物料在一定的真空度下進(jìn)行烘干，直至鹵蟲(chóng)完全烘干。

1.2.3 單因素冷凍干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取單因素試驗(yàn)，對(duì)鹵蟲(chóng)的真空冷凍干燥工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析鹵蟲(chóng)的預(yù)凍時(shí)間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、預(yù)凍溫度（-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃）、最大加熱板溫度（25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃）和真空度（10 Pa、20 Pa、30 Pa、40 Pa、50 Pa）4 個(gè)因素對(duì)凍干鹵蟲(chóng)品質(zhì)的影響，以鹵蟲(chóng)二十二碳六烯酸（DHA）、二十碳五烯酸（EPA）和維生素C 的含量變化情況為技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定影響凍干效果因素的最佳水平[9]。

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定及評(píng)價(jià)

1.2.4.1 指標(biāo)測(cè)定

DHA、EPA 含量的測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 保健食品中α-亞麻酸、二十碳五烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸的測(cè)定》（GB 28404—2012）[10]；維生素C 含量的測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 嬰幼兒食品和乳品中維生素C 的測(cè)定》（GB 5413.18—2010）[11]；表1 中其他指標(biāo)的測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測(cè)定》（GB 5009.168—2016）[12]。

表1 鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)成分含量統(tǒng)計(jì)表（孵化時(shí)間48 h）

1.2.4.2 評(píng)價(jià)方法

采用綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行真空凍干工藝優(yōu)化評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)因子（W）、維生素C 的相對(duì)含量（XVc）、DHA 相對(duì)含量（YDHA）、EPA 相對(duì)含量（ZEPA）按式（1）～（4）計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷凍干燥工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 預(yù)凍時(shí)間對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

在預(yù)凍溫度為-30 ℃，擱板最大加熱板溫度為45 ℃，真空度為30 Pa 條件下，考察預(yù)凍時(shí)間對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。預(yù)凍時(shí)間在4 h 以?xún)?nèi)時(shí)，綜合評(píng)價(jià)因子呈遞增趨勢(shì)，預(yù)凍4 h時(shí)值最大，為2.96；但當(dāng)預(yù)凍時(shí)間增加至5 h 時(shí)，綜合評(píng)價(jià)因子降低。由此得到最佳預(yù)凍時(shí)間為4 h。

圖1 不同預(yù)凍時(shí)間對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

2.1.2 預(yù)凍溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

在預(yù)凍時(shí)間為4 h，擱板最大加熱板溫度為45 ℃，真空度為30 Pa 條件下，考察預(yù)凍溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)凍溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

由圖2 可知，隨著預(yù)凍溫度的降低，鹵蟲(chóng)凍干制品的綜合評(píng)價(jià)因子先增大后減小，預(yù)凍溫度為-30 ℃時(shí)最大，為2.97。由此得到最佳預(yù)凍溫度為-30 ℃。鹵蟲(chóng)凍干制品的共晶點(diǎn)為-24.2 ℃，當(dāng)預(yù)凍溫度高于或近似等于共晶點(diǎn)溫度時(shí)，如-20 ℃或-25 ℃，鹵蟲(chóng)凍干制品中的水分不能完全凍結(jié)并以冰的形式升華，制品干燥過(guò)程會(huì)出現(xiàn)冒泡、崩解等現(xiàn)象，導(dǎo)致EPA、DHA和維生素C 含量損失，最終造成綜合評(píng)價(jià)因子降低。

2.1.3 最大加熱板溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

在預(yù)凍時(shí)間為4 h，預(yù)凍溫度為-30 ℃，真空度為30 Pa 條件下考察最大加熱板溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。隨著最大加熱板溫度的升高，綜合評(píng)價(jià)因子先增大后減小，加熱板溫度為55 ℃時(shí)最大，為2.89；由此得到最大加熱板溫度為55 ℃。

圖3 最大加熱板溫度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

2.1.4 真空度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

在預(yù)凍時(shí)間為4 h，預(yù)凍溫度為-30 ℃，最大加熱板溫度為55 ℃條件下，考察真空度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著真空度的增大，綜合評(píng)價(jià)因子呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)真空度為30 Pa 時(shí)，綜合評(píng)價(jià)因子最大，為3.05。由此得到最佳真空度為30 Pa。

圖4 真空度對(duì)鹵蟲(chóng)凍干制品綜合評(píng)價(jià)因子的影響

上述研究結(jié)果表明，預(yù)凍時(shí)間4 h、預(yù)凍溫度-30 ℃、最大加熱板溫度55 ℃、真空度30 Pa 為制備鹵蟲(chóng)凍干制品的最優(yōu)工藝，以下將對(duì)該工藝的應(yīng)用效果進(jìn)行考查。

2.2 真空冷凍干燥工藝應(yīng)用效果

2.2.1 真空凍干工藝對(duì)鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)成分保留效果的影響

如表1 所示，相較于鹵蟲(chóng)常規(guī)冷凍制品（常規(guī)冷凍組）中DHA 含量（38.7 g/kg）、EPA 含量（48.8 g/kg）和維生素C 含量（36.5 mg/kg），本試驗(yàn)得到的真空凍干工藝條件下的鹵蟲(chóng)凍干制品（真空凍干組）可使上述3 種生物活性物質(zhì)的含量高出10%以上，且其他種類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量均有不同程度的提高（3%～18%）。與未凍干的同時(shí)期新鮮鹵蟲(chóng)（新鮮鹵蟲(chóng)組）的營(yíng)養(yǎng)成分相比，真空凍干工藝對(duì)鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)成分損失率控制在0.99%～4.76%，營(yíng)養(yǎng)成分保留效果較好。

本試驗(yàn)建立的鹵蟲(chóng)真空凍干工藝所產(chǎn)生的能耗為51.6 Btu，與常規(guī)鹵蟲(chóng)冷凍制品的能耗（58.9 Btu）相比，其能耗降低12.39%；所獲得的生產(chǎn)速率為86.4 mg/s，與常規(guī)鹵蟲(chóng)冷凍制品的速率（74.9 mg/s）相比，提高15.35%。

2.2.2 真空凍干工藝對(duì)不同時(shí)期鹵蟲(chóng)幼體中EPA、DHA 和維生素C 保留效果的影響

對(duì)于鹵蟲(chóng)幼體而言，其發(fā)育時(shí)期不同，所對(duì)應(yīng)的EPA、DHA 和維生素C 的含量均有差異，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。相較于常規(guī)冷凍組，真空凍干組在鹵蟲(chóng)幼體發(fā)育的各時(shí)期，均對(duì)EPA、DHA 和維生素C 有更佳的保留效果。在鹵蟲(chóng)幼體發(fā)育至96 h 時(shí)，相比常規(guī)冷凍組，真空凍干組對(duì)EPA 的保留效果最佳；在鹵蟲(chóng)幼體發(fā)育至72 h 時(shí)，相比常規(guī)冷凍組，真空凍干組對(duì)DHA 和維生素C 的保留效果最佳。在整個(gè)發(fā)育時(shí)期內(nèi)，真空凍干組對(duì)EPA、DHA、Vc 的保存效果較好，且在鹵蟲(chóng)幼體發(fā)育至72 ～96 h 時(shí)進(jìn)行真空凍干處理能更好地保留EPA、DHA 和維生素C 這3 種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

表2 不同發(fā)育時(shí)期鹵蟲(chóng)幼體的EPA、DHA、Vc 含量

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳鹵蟲(chóng)真空冷凍干燥加工工藝為預(yù)凍時(shí)間4 h、預(yù)凍溫度-30 ℃、最大加熱板溫度55 ℃、真空度30 Pa。該工藝下的鹵蟲(chóng)凍干制品中的EPA、DHA 和Vc 含量要比鹵蟲(chóng)常規(guī)冷凍制品中同類(lèi)物質(zhì)的含量高出10%以上，并可顯著提高其他種類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量；且真空凍干組鹵蟲(chóng)在鹵蟲(chóng)幼體發(fā)育的各時(shí)期均對(duì)EPA、DHA和Vc有良好的保留效果。本次試驗(yàn)得到的鹵蟲(chóng)真空冷凍干燥加工工藝具有較高的可靠性和可行性，對(duì)鹵蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)成分的保留效果顯著，能夠有效解決鹵蟲(chóng)蟲(chóng)體資源浪費(fèi)的產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。