劉鴻雁，高陽，王亞，李強

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

真空冷凍干燥白菊的試驗研究

劉鴻雁，高陽*，王亞，李強

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

以食用白菊為研究對象，在LGJ-25C型真空冷凍干燥機上對其進行真空冷凍干燥工藝的研究。首先通過熱電阻法測取白菊的共晶點為-20℃，共熔點為-8℃；隨后通過改變擱板加熱溫度，研究不同加熱溫度對白菊最終含水量、干燥時間、顏色及形狀的影響，結(jié)果表明加熱擱板溫度45℃為最佳擱板溫度；最后得出真空冷凍干燥法干燥白菊的最佳工藝路線為將白菊預(yù)凍6h，然后放入干燥室中升華干燥15h，再解析干燥14h，解析干燥時加熱溫度為45℃。研究結(jié)果可為白菊的實際冷凍干燥生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

真空冷凍干燥；凍干法；食用花；白菊

白菊花除了具有觀賞價值外，由于富含揮發(fā)油、氨基酸、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)[1-3]，早已成為入肴佳品。其食用方法很多，最常見的是泡茶，或制成菊花粥、菊花酒等[4]。

白菊除了鮮食外，多數(shù)制成干花保存。而鮮花干燥的難點在于溫度不能過高，否則容易氧化，顏色差、變形嚴重且營養(yǎng)成分流失多。因此合理選擇干燥方法非常必要。近年，真空冷凍干燥技術(shù)在鮮花干燥領(lǐng)域越來越受到青睞。這是因為真空冷凍干燥方法在高真空和低溫下進行操作，物料不易氧化、熱敏性成分、色澤、風(fēng)味不易變[5]。此外，真空冷凍干燥技術(shù)利用升華原理去除濕份，干燥產(chǎn)品外形變化小，因此這種方法非常適合有護形和護色要求的鮮花干燥。

目前，部分學(xué)者對干燥鮮菊進行了研究。郭彥萃等[6]通過對矢車菊、切花菊、菊芋、非洲菊4種花的真空冷凍干燥研究，得出了最佳真空冷凍干燥工藝。Lin Sheng Dun等[7]做了紫錐菊真空冷凍和冷熱風(fēng)干燥的研究，發(fā)現(xiàn)咖啡酸衍生物和總酚含量受干燥方法的影響。而關(guān)于白菊真空冷凍干燥技術(shù)的研究鮮見相關(guān)報道。

本研究以白菊（品種為：神馬）為原料，在LGJ-25C型真空冷凍干燥機上進行試驗，研究真空冷凍干燥操作參數(shù)對白菊干燥特性及品質(zhì)的影響，試驗結(jié)果可為白菊的實際干燥操作提參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為市場采購的白菊，試驗時選用無蟲害，無腐爛的盛開期花朵，舌狀花瓣完全展開?；ú木捎没^部分，保留2 cm左右的莖桿。

1.2 主要儀器與設(shè)備

LGJ-25C型冷凍干燥機：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠；JA1003型電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；ZK-1BS型電熱真空干燥箱：天津市中環(huán)試驗電爐有限公司生產(chǎn)。

1.3 方法

1.3.1 共晶點的測量

采用電阻法測量共晶點，測量原理是濕物料在凍結(jié)過程中，電阻值發(fā)生突變時的溫度即為共晶點。原因是隨著濕物料中水分的凍結(jié)，可移動帶電離子數(shù)減少，物料電阻增大，導(dǎo)電性下降，當物料中的水分全部凍結(jié)成冰時，帶電離子停止定向移動，物料的電阻值突然增大，此時物料的溫度即為共晶點[8]。試驗白菊的電阻變化通過萬用表測量，物料溫度由表面溫度測量儀表測量。試驗首先將花材放入冷凍干燥機，然后將萬用表的表筆和表面接觸溫度儀表的測量探頭插入花材中，隨后開啟干燥機進行冷凍試驗，隨著冷凍溫度的降低，記錄白菊電阻和冷凍溫度數(shù)據(jù)，當電阻值突然增大時，記錄此時的溫度，即為白菊的共晶點。

1.3.2 共熔點的測量

共熔點的測量原理與共晶點的測量原理相同，操作時測量完全凍結(jié)物料在溫度上升過程中的電阻值，當電阻值突然減小時，對應(yīng)的溫度就是共熔點溫度。

1.3.3 凍干曲線的測定

將試驗花材稱重后放置冷凍干燥機冷阱的物料盤中，溫度探頭插入花材中心。開啟壓縮機，用快速冷凍法進行花材預(yù)冷凍，待花材凍結(jié)后，將物料拿出冷阱，置于凍干機的干燥室內(nèi)，開啟真空泵，然后加熱擱板，進行升華干燥和解析干燥試驗。試驗過程中采用單因素變量法，控制加熱擱板溫度分別為25、30、35、40、45℃，同時記錄白菊溫度、擱板溫度等數(shù)據(jù)，直至試驗結(jié)束。

1.3.4 干基含濕量的測定

白菊干基含濕量計算公式如下：

式中：x為干基含水量，（kg水/kg干物料）；mw為濕物料中水的重量，kg；md為干物料重量，kg。

白菊干基濕含量的測定通過采用高精度電子天平測量干燥前后的質(zhì)量來獲得。首先，干燥開始前，測量試驗花材的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，然后進行凍干試驗，試驗結(jié)束后，測量花材質(zhì)量，隨后將其放入真空干燥箱烘至絕干后，測量干花質(zhì)量。

1.3.5 外形及品質(zhì)分析

對不同干燥工藝條件下，干燥后花材的外形和顏色進行評定。外形采用游標卡尺測量干燥前后花冠大小[9]；花材顏色采用比色法[10]對比干燥前后的顏色變化。

花冠縮小率按下式計算：

式中：d1為花材干燥前的直徑，mm；d2為花材干燥后的直徑，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 共晶點試驗結(jié)果與討論

降溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線，見圖1。

由圖1降溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線可見，白菊的凍結(jié)過程可分為3個階段，第一階段為晶核形成階段，電阻隨溫度下降變化很小；第二階段為大冰晶成長階段，電阻隨溫度下降變化明顯增大；第三階段為共晶階段，電阻值隨溫度下降發(fā)生突變。根據(jù)馬寧[11]對食品物料共晶溫度測試的研究結(jié)論，選擇電阻變化率小于1 MΩ/℃時的溫度為共晶區(qū)的下限溫度，電阻變化率大于5 MΩ/℃時的溫度為共晶區(qū)的上限溫度，所以白菊的共晶區(qū)間為：-20℃～-16.5℃。為了使物料中水分完全被凍結(jié)，選取上限溫度為共晶點，即-20℃為白菊共晶點溫度。為了保證預(yù)凍時物料全部凍結(jié)，一般冷凍溫度低于共晶點溫度5℃～10℃[12]。

圖1 降溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線（共晶點測定）Fig.1 Variation of White Chrysanthemum resistance with temperature dropping（measurement of eutectic point）

2.2 共熔點試驗結(jié)果與討論

升溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線，見圖2。

圖2 升溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線（共熔點測定）Fig.2 Variation of White Chrysanthemum resistance with temperature rising（measurement of eutectic melting point）

由圖2升溫時白菊電阻隨溫度的變化曲線可見，升溫時電阻變化曲線與圖1降溫時時電阻變化曲線不同，原因是冰晶熔解過程與結(jié)晶過程不是完全可逆的。根據(jù)程遠霞[13]等對食品物料共晶點和共熔點溫度測定的試驗研究，本試驗選擇電阻變化率小于-5 MΩ/℃時的溫度作為共熔區(qū)的上限溫度，電阻變化率大于-1 M Ω/℃時的溫度作為共熔區(qū)的下限溫度，所以白菊的共熔點范圍為-8℃～-1℃。為了保證白菊不熔化，取上限溫度作為物料的共熔點，即為-8℃。

2.3 凍干試驗結(jié)果與討論

2.3.1 白菊干基濕含量的變化規(guī)律

不同擱板溫度下白菊最終干基濕含量的對比圖，見圖3。

圖3 不同擱板溫度下白菊最終干基濕含量的對比圖Fig.3 The chart of drying moisture content at different shelf temperature for White Chrysanthemum

在凍干機保持高真空度（10 Pa）以及花材的初始干基濕含量相同情況下，調(diào)節(jié)擱板溫度，對白菊進行凍干試驗，研究不同擱板溫度對花材最終濕含量的影響。預(yù)試驗時擱板溫度為50℃，花材出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，影響干花品質(zhì)，因此擱板溫度分別取為25、30、35、40、45℃，經(jīng)過相同干燥時間，干燥花材最終濕含量柱狀圖見圖3。由圖可見，隨著擱板溫度的增加，白菊濕含量呈現(xiàn)下降趨勢，當擱板溫度為45℃時白菊濕含量達到最低，原因是隨著擱板溫度的升高，增加了傳熱推動力，有利于水分的逸出，加快干燥速率，45℃時最終干基濕含量達到最低值，說明解析階段擱板溫度越高越利于水分的排出。后期試驗可考慮梯度更小的擱板溫度區(qū)間，如：45、46、47、48、49 ℃，以確定更加精確的最佳擱板溫度。

2.3.2 白菊干燥時間的變化規(guī)律

為了將花材干燥到儲藏所需安全水分，又將初始濕含量相同的鮮花在不同擱板溫度下進行了凍干試驗，達到儲藏安全水分所需干燥時間的對比柱狀圖見圖4所示。

圖4 不同擱板溫度下白菊干燥時間的對比圖Fig.4 The chart of drying time at different shelf temperature for White Chrysanthemum

由圖可見，加熱擱板溫度越低，所需干燥時間越長，最低擱板溫度25℃時所需干燥時間比45℃多16 h。這是因為擱板溫度低，花材干燥速率小，因此干燥時間長。

2.4 外形及品質(zhì)分析

2.4.1 外形變化及分析

不同加熱擱板溫度下，對干花的外形進行比較，干燥前后花冠尺寸變化。

表1 不同干燥條件下的白菊直徑Table 1 White Chrysanthemum diameter of different drying conditions

如表1所示，隨著擱板溫度的升高，花冠縮小率呈現(xiàn)增大的趨勢，但擱板溫度達到35℃以后收縮率變化不大，這說明真空低溫下干燥，加熱溫度升高對花材外形收縮的影響越來越小。試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)擱板溫度為25℃時外側(cè)花瓣出現(xiàn)輕微鼓泡及皺縮現(xiàn)象，隨著溫度的增大，鼓泡現(xiàn)象逐漸減弱，至45℃時鼓泡消失。原因在于，從花材結(jié)構(gòu)上來看，花瓣的上下表皮細胞在形狀和排列方式上存在較大差異，使水蒸氣在上下兩個升華界面的逸出速度不同，同時花瓣內(nèi)還有少量空氣，抽真空時壓力降低，擱板溫度越低，傳熱推動力越小，導(dǎo)致氣體不能及時逸出，花瓣就出現(xiàn)了鼓泡現(xiàn)象[6]。此外，擱板溫度低也會引起升華期間熱量不足，升華不充分導(dǎo)致冰晶融化，進而引起花瓣鼓泡甚至爆破現(xiàn)象[14-15]。

2.4.2 顏色分析

不同加熱擱板溫度下，采用比色法[10]對白菊干花的顏色進行比較，見表2。

表2 不同干燥條件下的干白菊顏色Table2 WhiteChrysanthemum colorofdifferentdryingconditions

如表2所示，隨著加熱擱板溫度的升高，花材中心花瓣和外層花瓣顏色褐變越來越輕，加熱擱板溫度分別為40℃和45℃時為顏色變化最小。濕熱環(huán)境是褐變產(chǎn)生的原因，而在這兩個溫度下，花材失去了絕大部分的水分，環(huán)境里濕度也低，故褐變極小，此外干燥室高真空度，幾乎不發(fā)生氧化變色，加之花瓣中的色素較穩(wěn)定，較少分解維持原色。

2.5 最佳凍干曲線

白菊凍干曲線見圖5。

圖5 白菊凍干曲線（真空度10 Pa擱板加熱溫度45℃）Fig.5Thecurveofvacuumfreeze-dryingforWhiteChrysanthemum

在不同干燥條件下，對白菊進行凍干試驗，并根據(jù)2.4外形及品質(zhì)的變化結(jié)果，得到最佳凍干工藝為：先將花材預(yù)凍6 h，升華干燥15 h，再以45℃的加熱擱板溫度進行解析干燥14 h。凍干曲線如圖5所示，由物料溫度變化曲線可見，其干燥過程可分為兩個階段，預(yù)凍6 h后白菊進入第一干燥階段，即升華干燥階段，這個階段主要去除白菊內(nèi)部經(jīng)過預(yù)凍以冰晶形式存在的水分，在高真空及加熱條件下，冰晶升華為蒸汽并由真空排氣通道排出到設(shè)備外部。升華階段除去整個干燥過程中的大部分水分，15 h后，升華干燥結(jié)束進入第二干燥階段，即解析干燥階段，由于物料和擱板溫度梯度大，物料溫度上升較快，最后趨于擱板溫度。由于解析干燥階段主要去除的是毛細管壁和極性基團上吸附的水分，這部分水分吸附作用強，難于去除，因此干燥時間較長，約需14 h。

3 結(jié)論

1）采用電阻法測取白菊的共晶點為-20℃，共熔點為-8℃。

2）加熱擱板溫度分別為 25、30、35、40、45 ℃下，對白菊的真空冷凍試驗結(jié)果表明，從干基濕含量、干燥時間、花冠大小及顏色變化角度分析，加熱擱板溫度45℃為最佳擱板溫度。

3）試驗得出白菊的真空冷凍干燥最佳工藝流程為：將花材預(yù)凍6 h，升華干燥15 h，再以45℃的加熱擱板溫度進行解析干燥14 h效果最佳。

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Experiment Study on Vacuum Freeze Drying of Edible White Chrysanthemum

LIU Hong-yan，GAO Yang*，WANG Ya，LI Qiang

（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

In this study，edible White Chrysanthemum were taken as the object of study，using vacuum freeze dryer of type LGJ-25C.First of all，the eutectic and the co-melting point of White Chrysanthemum were measured by the way of thermal resistance.The experimental result showed that the eutectic point of White Chrysanthemum was-20℃ and the co-melting point of White Chrysanthemum was-8℃.Followed，on vacuum freeze-drying machine，the final dry basis moisture content，the drying time of White Chrysanthemum，color and shape were researched by changing the heating temperature.The optimum drying White Chrysanthemum route of vacuum freeze-drying had two steps.Firstly the White Chrysanthemum was pre-freezed for 6 h in the cold trap，then the White Chrysanthemum was put into the drying chamber and sublimation dried for 15 h，deabsorption dried for 14 h.The drying process maintained high vacuum degree，and the heating temperature of deabsorption drying maintained 45℃.The research results can provide guidance for practical White Chrysanthemum freeze-drying.

vacuum freeze-drying；freeze-drying；edible flowers；White Chrysanthemum

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.026

劉鴻雁（1971—），女（滿），副教授，博士，研究方向：傳熱與傳質(zhì)。

*通信作者：高陽（1989—），女，研究生在讀。

2015-07-22