變溫變壓的優(yōu)化組合對扇貝真空冷凍干燥過(guò)程影響的實(shí)驗研究

　　為了獲得調壓調溫的優(yōu)化組合對櫛孔扇貝真空冷凍干燥過(guò)程的品質(zhì)、能耗和時(shí)間的綜合影響,在前期研究的基礎上,本文對兩次變溫和一次變壓的溫度和壓力組合參數進(jìn)行了五因素四水平的正交組合試驗,并以能耗、凍干時(shí)間和復水率等三指標的綜合加權平分值為指標,得出了各溫度和壓力條件影響凍干能耗及品質(zhì)的主次關(guān)系為:加熱板高溫2>干燥室低壓>加熱板高溫1>加熱板低溫>干燥室高壓,各因素的最佳組合是加熱板高溫1為42℃,高溫2為30℃,干燥室低壓為25Pa,加熱板低溫為25℃,干燥室高壓為80 Pa,在這個(gè)優(yōu)化組合工藝條件下,扇貝的復水率達到83.7%,與16組實(shí)驗中的最佳相比,復水率提高了12.20%,能耗下降了2.17%,干燥時(shí)間縮短了20%。

　　關(guān)鍵詞：櫛孔扇貝;冷凍真空干燥;兩次變溫;一次變壓;優(yōu)化組合;綜合加權平分值

　　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(mén)、瓣腮綱、珍珠貝目Pterioida、扇貝科Pectinidae、扇貝屬。中國廣大海域都有生產(chǎn), 為了增加產(chǎn)品的附加性, 常將扇貝閉殼肌制成干品/干貝0, 又稱(chēng)瑤柱。真空冷凍干燥技術(shù)自出現以來(lái), 因其獨特的干燥性質(zhì), 在食品、醫藥和生物制品等工業(yè)中得到了廣泛應用[1-3] 。但是真空凍干消耗能量大、過(guò)程時(shí)間長(cháng)等缺點(diǎn)在很大程度上阻礙了其進(jìn)一步推廣應用,因此, 采取適當措施提高真空冷凍干燥速率, 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(cháng)期受到科研工作者重視的問(wèn)題。研究發(fā)現影響凍干速率的因素有很多, 除了物料本身的性質(zhì)外, 主要還有外部條件, 如加熱板溫度、干燥室壓力等。人們對這些參數與凍干速率之間的關(guān)系已經(jīng)做了很多研究[4] 。調壓變溫干燥是一種比較新的干燥方式[5] , 在果蔬加工、種子干燥方面取得了一定的進(jìn)展, 但主要是應用在固定床及流化床方面,且在凍干過(guò)程中適時(shí)改變加熱板溫度還少見(jiàn)報道。

　　本實(shí)驗室進(jìn)行了貝柱調壓的實(shí)驗研究, 實(shí)驗結果表明, 在凍干過(guò)程中適時(shí)調壓比在恒定壓力下干燥的凍干時(shí)間減少10%以上, 在羅非魚(yú)的變溫變壓冷凍干燥的實(shí)驗研究中, 經(jīng)過(guò)一次調溫和一次調壓的干燥能耗可以進(jìn)一步減少, 以扇貝為原料進(jìn)行了真空冷凍干燥過(guò)程參數對其升華干時(shí)間的影響, 對扇貝進(jìn)行的兩次變溫和一次變壓的單因素實(shí)驗研究顯示, 可以較大地縮短干燥時(shí)間和降低干燥能耗[6-10] 。為了進(jìn)一步獲得組合參數變化對扇貝凍干時(shí)間和凍干能耗的影響, 并對變溫變壓工藝參數進(jìn)行優(yōu)化組合, 本文在前期研究的基礎上進(jìn)行了二次變溫和一次變壓的調溫調壓物料轉換溫度點(diǎn)的優(yōu)化組合實(shí)驗研究, 擬找出最優(yōu)的高低溫度調節點(diǎn)和高低壓力點(diǎn)組合, 以期為真空冷凍干燥變溫變壓工藝的研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

實(shí)驗儀器、材料與方法

　　本試驗采用軍事醫學(xué)科學(xué)院實(shí)驗儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的的LGJ-18 型冷凍干燥機, 并進(jìn)行適當改造, 以便能進(jìn)行干燥室壓強的調節。其結構圖與文獻[6] 同, 通過(guò)真空調節閥來(lái)實(shí)現不同的真空度。裝置自帶數據采集, 有三個(gè)測溫探頭, 分別用來(lái)測冷阱溫度, 加熱板溫度和物料溫度, 實(shí)驗中將物料測溫探頭置于物料中心位置。一個(gè)測壓探頭, 置于真空冷凍干燥室內, 不需另配測溫表和測壓表。真空冷凍干燥過(guò)程的結束主要采用溫度趨近法判斷, 由于加熱方式采用板式導熱, 當物料溫度接近加熱板溫度并穩定不變時(shí), 即可認為干燥過(guò)程結束[ 10] 。

　　實(shí)驗材料是櫛孔扇貝, 購于湛江市水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng), 干燥前在BD-370LT-86L-I 型海爾超低溫保存箱中于- 35 e 下預凍。

實(shí)驗調節方法和操作步驟

　　采用兩次變溫, 一次變壓的調節方法, 即: 干燥開(kāi)始時(shí)將加熱板設為高溫, 并以物料中心溫度作為調溫調壓的參考點(diǎn), 當物料中心溫度為1 e 時(shí)[10], 對加熱板溫度進(jìn)行第一次變溫, 調溫至相對低溫, 當物料中心溫度為5 e 時(shí)[10] , 對加熱板進(jìn)行第二次變溫,將溫度相對調高, 同時(shí), 干燥室的壓力也由原來(lái)的較高壓力調至較低壓力, 并在電表上讀取干燥開(kāi)始時(shí)、升華階段和干燥結束時(shí)的能耗, 同時(shí)記錄升華干燥結束時(shí)和整個(gè)干燥結束時(shí)的時(shí)間。由預實(shí)驗可知, 當物料溫度達到5 e 時(shí), 扇貝中沒(méi)有明顯的冰晶存在, 可認為升華干燥階段結束。

　　(1) 采用兩次變溫與一次變壓的組合調節方法,改變真空冷凍過(guò)程的工藝參數, 能明顯縮短干燥時(shí)間和減少干燥能耗; 且跟進(jìn)凍干過(guò)程適時(shí)調節溫度和壓力, 有利于綜合性能指標的提高。適時(shí)調溫調壓, 有利于在不同的干燥階段建立傳熱和傳質(zhì)平衡體系, 在平衡條件下產(chǎn)品的能耗, 干燥時(shí)間和復水率的綜合性能最好。

　　(2) 通過(guò)五因素四水平的正交試驗, 得出了各工藝參數影響凍干能耗品質(zhì)的主次關(guān)系為: 加熱板第二高溫> 干燥室低壓> 加熱板第一高溫> 加熱板低溫> 干燥室高壓, 且干燥室的高壓調節對結果影響不大, 各因素的最佳組合是E4B2C1D3A2, 即加熱板第二高溫為30 e , 第一高溫為42 e , 干燥室低壓為25Pa, 加熱板低溫為25 e , 干燥室高壓為80 Pa。

　　(3) 優(yōu)化后的組合工藝參數實(shí)驗結果與正交實(shí)驗中的最好結果進(jìn)行對比分析表明, 干品的復水率提高了12.20% , 能耗下降了21.7%, 凍干時(shí)間縮短了20.00%。同時(shí)表明, 這樣的參數組合可以使扇貝凍干過(guò)程的各個(gè)階段都能處于傳熱傳質(zhì)的平衡狀態(tài)。實(shí)驗結果能為同類(lèi)產(chǎn)品的凍干裝置的設計和凍干過(guò)程參數的調節提供參考。

　　Abstract: A novel technique was developed for freeze-drying of scallop in vacuum.In the technique,the sample experienced two temperature adjustments,and one pressure regulation.The impacts of the freeze-drying conditions,such as the sample temperature,heating rate,and pressure,on energy consumption and quality of the dried scallop were evaluated.The freeze-drying conditions in vacuum were optimized via the orthogonal combination of test.As compared with conventional freeze-drying,the newly-developed technique resulted in a rehydration rate of the scallop dried under the optimized conditions,up to 83.7%(an increase by 12.20%),a 2.17% reduction of energy consumption,and a 20% decrease of drying time.

　　Keywords: Scallop,Vacuum freezer drying,Twice temperature changed,Once pressure changed,Technological optimization,Synthetic weighted

　　基金項目: 廣東省科技廳項目(200610040); 廣東海洋大學(xué)自然科學(xué)基金項目(1012147)

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