鄭立靜 關(guān)志強(qiáng) 李 敏

(1 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院 湛江 524025；2 茂名學(xué)院 茂名 525000)

櫛孔扇貝學(xué)名Chlamys(Azumapecten) Farreri，俗名干貝蛤(其閉殼肌制成)、海扇，屬軟體動(dòng)物門、瓣腮綱、珍珠貝目 Pterioida、扇貝科Pectinidae、扇貝屬。我國(guó)廣大海域都有生產(chǎn)，特別是北方海域，山東長(zhǎng)島、威海、蓬萊、石島、文登和遼寧大連、長(zhǎng)山島等地是主產(chǎn)地。

櫛孔扇貝經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高，除在沿海產(chǎn)地常年可以吃到鮮貝外，為了保鮮和運(yùn)輸方便，多數(shù)將其閉殼肌取出冷凍后運(yùn)銷各地，稱為凍扇貝柱或凍鮮貝。為增加產(chǎn)品的附加性，將扇貝閉殼肌制成干品“干貝”，“干貝”是海產(chǎn)八珍之一，又稱瑤柱。

真空冷凍干燥技術(shù)自出現(xiàn)以來，因其獨(dú)特的干燥性質(zhì)，在食品、醫(yī)藥和生物制品等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但是真空凍干消耗能量大、過程時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)在很大程度上阻礙了其推廣應(yīng)用[4]，因此，采取適當(dāng)措施提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間是提高真空冷凍干燥生產(chǎn)率、減少能耗、降低成本的關(guān)鍵，也是長(zhǎng)期受到科研工作者重視的問題，并做了大量工作。研究發(fā)現(xiàn)影響凍干速率的因素有很多，除了物料本身的性質(zhì)外，外部條件主要有加熱板溫度、干燥室壓力等[5]。人們對(duì)這些參數(shù)與凍干速率之間關(guān)系已經(jīng)做了很多研究。

1978年Mellor[6]提出了循環(huán)壓力凍干法以縮短干燥時(shí)間，即在前半周期提高干燥時(shí)的壓力以增加氣體的導(dǎo)熱，在后半周期則迅速降低干燥室壓力，給水蒸氣的逸出提供良好的條件。采用循環(huán)波動(dòng)的真空壓力可達(dá)到比恒壓過程快的凍干速率[7-8]，而凍干速率取決于冰晶的升華速率和水蒸汽的擴(kuò)散速率。研究表明，在影響凍干速率的若干因素中，干燥室壓力是主要的因素之一，它對(duì)凍干過程的傳熱和傳質(zhì)具有相反方向的影響。當(dāng)真空壓力較高時(shí)，可以使已干層的導(dǎo)熱能力提高，增強(qiáng)了升華界面的傳熱，故可加速冰晶的升華，但卻使升華界面與真空室間的傳質(zhì)壓差減小，因而減弱水蒸汽的擴(kuò)散，即真空壓力對(duì)凍干速率有加速和減弱的雙重影響[5]。顯然，必存在某一真空壓力，兼顧兩種相反的傾向，而使凍干速率達(dá)到最佳[9]。因此若在升華干燥過程中采用高壓，增強(qiáng)傳熱，加速升華；解析干燥階段采用低壓加速水蒸汽的擴(kuò)散，可以達(dá)到更高的干燥速率，從而縮短干燥時(shí)間、降低能耗。近幾年，很多干燥工藝都采用了循環(huán)壓力法，例如對(duì)荔枝、龍眼、青菜等的研究。

在干燥領(lǐng)域，變溫干燥是一種比較新的干燥方式，在果蔬加工、種子干燥方面取得了一定的進(jìn)展，但主要是應(yīng)用在固定床及流化床方面[10]。對(duì)于真空冷凍干燥，自上個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外許多科技工作者對(duì)真空冷凍干燥的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了理論探討。近幾年人們對(duì)工藝參數(shù)的研究很多，例如，大連輕工業(yè)學(xué)院對(duì)海參的工藝參數(shù)的研究[11]，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)黑加侖工藝參數(shù)的研究[12]，河南科技大學(xué)通過正交試驗(yàn)得到的真空冷凍干燥魚香肉絲的最佳工藝[13]，另外還有對(duì)土豆胡蘿卜、獼猴桃等的研究。但在這些研究中，對(duì)于變溫干燥工藝的研究還較少甚至是空白的，尤其是采用兩次變溫。

在真空冷凍干燥過程中，升華干燥是真空冷凍干燥過程中的關(guān)鍵工序，升華首先從產(chǎn)品的表面開始，在干燥進(jìn)行了一段時(shí)間之后，在凍結(jié)產(chǎn)品上形成了一層已干燥的產(chǎn)品，產(chǎn)生了干燥產(chǎn)品與凍結(jié)產(chǎn)品之間的交界面。交界面隨著干燥的進(jìn)行不斷深入，加熱溫度要逐漸降低，以保證已干層的品質(zhì)，直到升華完畢交界面消失[14]，隨著升華結(jié)束，干燥進(jìn)入解吸階段，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品內(nèi)的殘余水分含量，必須提高干燥箱的真空度及加熱板的溫度。據(jù)此，若在干燥剛開始時(shí)采用較高干燥溫度，當(dāng)物料中心達(dá)到某一溫度時(shí)，對(duì)干燥溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得物料溫度逐漸降低。進(jìn)入解吸干燥階段，再次調(diào)節(jié)干燥溫度以加快干燥速率。

1 實(shí)驗(yàn)儀器、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 真空冷凍干燥裝置Fig.1 The device of vacuum freeze-drying

試驗(yàn)采用軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器廠出的LGJ-18型冷凍干燥機(jī)，并進(jìn)行適當(dāng)改造，以便能進(jìn)行干燥室壓強(qiáng)的調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)見圖1，添加了一個(gè)真空泵、一個(gè)緩沖箱、一個(gè)真空調(diào)節(jié)閥。原設(shè)備的真空泵可使真空室的壓強(qiáng)達(dá)8Pa左右，添加的真空泵可使緩沖箱的壓強(qiáng)為200Pa左右，這樣與外界大氣壓就形成了兩級(jí)壓差，通過真空調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)不同的真空度[15]。真空冷凍干燥過程的結(jié)束主要采用溫度趨近法判斷，由于加熱方式采用板式導(dǎo)熱,當(dāng)物料溫度接近加熱板溫度并穩(wěn)定不變時(shí), 即可認(rèn)為干燥過程結(jié)束[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)的研究對(duì)象為味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的櫛孔扇貝。購(gòu)于湛江市水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)，干燥前在海爾超低溫保存箱-35℃下預(yù)凍。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 調(diào)節(jié)方法和操作步驟

1)采用兩次變溫，一次變壓的調(diào)節(jié)方法。即：干燥開始時(shí)將加熱板設(shè)為39℃，當(dāng)物料中心溫度分別在-8℃、-5℃、-2℃、1℃時(shí)，對(duì)加熱板溫度進(jìn)行第一次變溫，調(diào)溫至28℃，當(dāng)物料中心溫度為5℃時(shí)，對(duì)加熱板進(jìn)行第二次變溫，調(diào)溫至36℃，同時(shí)，干燥室的壓力也由原來的80Pa調(diào)至25Pa。

2)實(shí)驗(yàn)操作步驟

由預(yù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)物料溫度達(dá)到5℃時(shí)，扇貝中沒有明顯的冰晶存在，可認(rèn)為升華干燥階段結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)取貝柱厚度取為10mm，采用兩次變溫、一次變壓，即開始時(shí)將真空室壓力設(shè)為80Pa，加熱板溫度設(shè)為39℃，當(dāng)物料溫度分別在-8℃、-5℃、-2℃、1℃時(shí)將加熱板溫度調(diào)至28℃，當(dāng)物料中心溫度達(dá)到5℃時(shí)將加熱板溫度調(diào)至36℃，真空室的壓力調(diào)為25Pa。并在電表上讀取干燥開始時(shí)、升華階段和干燥結(jié)束時(shí)的能耗，同時(shí)記錄升華干燥結(jié)束時(shí)和干燥結(jié)束時(shí)的時(shí)間。另外，在升華結(jié)束前加熱板溫度一直保持39℃，當(dāng)物料溫度達(dá)到5℃時(shí)將加熱板溫度調(diào)至36℃作為對(duì)比。

1.3.2 檢測(cè)方法

1)殘余含水量的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用常壓干燥法, 將凍干后重M1的制品放入105℃的烘箱中干燥直至恒重, 稱其質(zhì)量為M0,則其剩余含水率為濕基含水率：w=(M1-M0)/M1

物料的最終含水率在2.5%～4.0%范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)有效。

2)復(fù)水率及復(fù)水速率的測(cè)定

復(fù)水性好壞是凍干樣品的重要特點(diǎn)之一，將干制品M1放在40℃水中，每隔10min取出并用濾紙吸干表面水分，然后用電子秤進(jìn)行稱量，測(cè)得M2，共測(cè)量4組數(shù)據(jù)。計(jì)算公式如下：

復(fù)水率(%)=((M2-M1)/M2)×100

復(fù)水速率=(Mt-Mt-1)/t

t —復(fù)水時(shí)間；Mt—復(fù)水 t 時(shí)后物料的質(zhì)量；Mt-1—復(fù)水 t 時(shí)前的物料質(zhì)量。

3)能耗的測(cè)定

由電表直接測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)品的感官分析

干燥后的貝柱，顏色雪白，形態(tài)上與新鮮貝柱幾乎一樣，保持了原有的風(fēng)味特點(diǎn)，口感好。復(fù)水后貝柱形態(tài)、色澤、口味與新鮮貝柱都非常接近。

2.2 結(jié)果與分析

圖2 物料凍干曲線Fig.2 The curves of materials’ freeze-dried

圖2是物料的中心溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出，每條曲線都能看出明顯的升華階段和解析階段。在-2℃調(diào)溫時(shí)，物料的升華階段時(shí)間最長(zhǎng)，1℃調(diào)溫時(shí)升華時(shí)間最短；對(duì)比組的干燥總時(shí)最長(zhǎng)，1℃調(diào)溫時(shí)干燥總時(shí)最短，這與時(shí)間記錄相符合。五種工藝條件下的殘余含水率(濕基)如表1所示。

表1 不同調(diào)溫條件下的干燥樣品殘余含水率Tab.1 Residual moisture content of dry samples under different temperature conditions

在不同的條件下，將物料干燥至最終含水率都處于2.5%～4.0%之間，則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

復(fù)水率是表明凍干產(chǎn)品的重要指標(biāo)，在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的復(fù)水率高則表明產(chǎn)品品質(zhì)較好；降低過程能耗、縮短干燥時(shí)間又是優(yōu)化真空冷凍干燥試驗(yàn)的主要目的之一。因此，判斷凍干工藝是否較好的主要指標(biāo)就是復(fù)水率、干燥過程能耗與時(shí)間。

幾種工藝下得到的產(chǎn)品的復(fù)水率、干燥時(shí)間及能耗分別如表2、3所示。干燥樣品復(fù)水曲線和復(fù)水速度曲線分別如圖3和圖4所示。

表2 不同調(diào)溫條件下樣品的復(fù)水率Tab.2 Reconstitution rate of samples under different temperature conditions

圖3 產(chǎn)品復(fù)水率曲線Fig.3 Reconstitution rate of products

圖4 產(chǎn)品復(fù)水速率曲線Fig.4 Reconstitution rate of products

表3 不同調(diào)溫條件下的干燥時(shí)間和能耗測(cè)定值Tab.3 The drying time and energy consumption measured under different temperature conditions

由表1-3以及圖3可以看出，對(duì)比組實(shí)驗(yàn)的復(fù)水率最低，并且總能耗也很高，這表明：與其它組相比，對(duì)比組的凍干產(chǎn)品品質(zhì)最差，干燥工藝也不理想。因此，實(shí)驗(yàn)中所采用的兩次調(diào)溫是合理的，驗(yàn)證了參考文獻(xiàn)[10]所提出來的理論。-8℃、-5℃調(diào)溫時(shí)，產(chǎn)品的復(fù)水率較其它兩組低。-2℃調(diào)溫時(shí)，升華時(shí)間、總干燥時(shí)間、升華能耗、總能耗都是最高的。1℃調(diào)溫時(shí)，產(chǎn)品的復(fù)水率是最高的，并且干燥總時(shí)、干燥各階段能耗都最少。由圖3可以直觀的看出1℃時(shí)的復(fù)水率明顯高于其它工藝條件下的產(chǎn)品，并且由圖4可以看出，1℃時(shí)的復(fù)水速率也是最高的，綜合考慮，1℃調(diào)溫得到的產(chǎn)品品質(zhì)是幾組中最好的。

在干燥過程中，-8℃、-5℃、-1℃調(diào)溫時(shí)，加熱板溫度都能從39℃降到28℃，并且在28℃保持一段時(shí)間升華階段才會(huì)結(jié)束，干燥進(jìn)入解析階段。前面提到在真空冷凍干燥過程中，升華干燥是真空冷凍干燥過程中的關(guān)鍵工序，升華干燥產(chǎn)生的交界面隨著干燥的進(jìn)行不斷深入，加熱溫度要求逐漸降低，以保證已干層的品質(zhì)，直到升華完畢交界面消失，升華干燥結(jié)束。1℃調(diào)溫時(shí)，在升華干燥結(jié)束之前加熱板溫度一直處于降溫狀態(tài)，升華階段結(jié)束時(shí)，加熱板溫度也未降到28℃，只降至32～34℃左右，與文獻(xiàn)中所述一致，這就是1℃復(fù)水率最高的原因，因其整個(gè)升華階段相對(duì)于其它三個(gè)工藝條件溫度最高，所以其升華階段時(shí)間最少。

3 結(jié)論

1)采用兩次變溫與一次變壓的調(diào)節(jié)方法，改變真空冷凍過程的工藝參數(shù)，能明顯縮短干燥時(shí)間和減少干燥能耗。

2)對(duì)櫛孔扇貝的實(shí)驗(yàn)表明，擱板溫度的第一次調(diào)節(jié)所對(duì)應(yīng)的物料中心溫度對(duì)干燥物品的復(fù)水品質(zhì)和能耗會(huì)產(chǎn)生影響，且當(dāng)物料中心溫度為1℃時(shí)進(jìn)行第一次調(diào)溫，與其他與調(diào)溫條件相比，干燥時(shí)間最短、能耗最小、產(chǎn)品的復(fù)水品質(zhì)最好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能為同類產(chǎn)品凍干過程參數(shù)的調(diào)節(jié)提供參考。

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