变温变压的优化组合对扇贝真空冷冻干燥过程影响的实验研究
为了获得调压调温的优化组合对栉孔扇贝真空冷冻干燥过程的品质、能耗和时间的综合影响,在前期研究的基础上,本文对两次变温和一次变压的温度和压力组合参数进行了五因素四水平的正交组合试验,并以能耗、冻干时间和复水率等三指标的综合加权平分值为指标,得出了各温度和压力条件影响冻干能耗及品质的主次关系为:加热板高温2>干燥室低压>加热板高温1>加热板低温>干燥室高压,各因素的最佳组合是加热板高温1为42℃,高温2为30℃,干燥室低压为25Pa,加热板低温为25℃,干燥室高压为80 Pa,在这个优化组合工艺条件下,扇贝的复水率达到83.7%,与16组实验中的最佳相比,复水率提高了12.20%,能耗下降了2.17%,干燥时间缩短了20%。
关键词：栉孔扇贝;冷冻真空干燥;两次变温;一次变压;优化组合;综合加权平分值
栉孔扇贝学名Chlamys ( Azumapecten) Farreri, 俗名干贝蛤( 其闭壳肌制成) 、海扇, 属软体动物门、瓣腮纲、珍珠贝目Pterioida、扇贝科Pectinidae、扇贝属。中国广大海域都有生产, 为了增加产品的附加性, 常将扇贝闭壳肌制成干品/干贝0, 又称瑶柱。真空冷冻干燥技术自出现以来, 因其独特的干燥性质, 在食品、医药和生物制品等工业中得到了广泛应用[1-3] 。但是真空冻干消耗能量大、过程时间长等缺点在很大程度上阻碍了其进一步推广应用,因此, 采取适当措施提高真空冷冻干燥速率, 缩短干燥时间是提高真空冷冻干燥生产率, 减少能耗, 降低成本的关键, 也是长期受到科研工作者重视的问题。研究发现影响冻干速率的因素有很多, 除了物料本身的性质外, 主要还有外部条件, 如加热板温度、干燥室压力等。人们对这些参数与冻干速率之间的关系已经做了很多研究[4] 。调压变温干燥是一种比较新的干燥方式[5] , 在果蔬加工、种子干燥方面取得了一定的进展, 但主要是应用在固定床及流化床方面,且在冻干过程中适时改变加热板温度还少见报道。
本实验室进行了贝柱调压的实验研究, 实验结果表明, 在冻干过程中适时调压比在恒定压力下干燥的冻干时间减少10%以上, 在罗非鱼的变温变压冷冻干燥的实验研究中, 经过一次调温和一次调压的干燥能耗可以进一步减少, 以扇贝为原料进行了真空冷冻干燥过程参数对其升华干时间的影响, 对扇贝进行的两次变温和一次变压的单因素实验研究显示, 可以较大地缩短干燥时间和降低干燥能耗[6-10] 。为了进一步获得组合参数变化对扇贝冻干时间和冻干能耗的影响, 并对变温变压工艺参数进行优化组合, 本文在前期研究的基础上进行了二次变温和一次变压的调温调压物料转换温度点的优化组合实验研究, 拟找出最优的高低温度调节点和高低压力点组合, 以期为真空冷冻干燥变温变压工艺的研究和生产实践提供参考。
实验仪器、材料与方法
本试验采用军事医学科学院实验仪器厂生产的的LGJ-18 型冷冻干燥机, 并进行适当改造, 以便能进行干燥室压强的调节。其结构图与文献[6] 同, 通过真空调节阀来实现不同的真空度。装置自带数据采集, 有三个测温探头, 分别用来测冷阱温度, 加热板温度和物料温度, 实验中将物料测温探头置于物料中心位置。一个测压探头, 置于真空冷冻干燥室内, 不需另配测温表和测压表。真空冷冻干燥过程的结束主要采用温度趋近法判断, 由于加热方式采用板式导热, 当物料温度接近加热板温度并稳定不变时, 即可认为干燥过程结束[ 10] 。
实验材料是栉孔扇贝, 购于湛江市水产品批发市场, 干燥前在BD-370LT-86L-I 型海尔超低温保存箱中于- 35 e 下预冻。
实验调节方法和操作步骤
采用两次变温, 一次变压的调节方法, 即: 干燥开始时将加热板设为高温, 并以物料中心温度作为调温调压的参考点, 当物料中心温度为1 e 时[10], 对加热板温度进行第一次变温, 调温至相对低温, 当物料中心温度为5 e 时[10] , 对加热板进行第二次变温,将温度相对调高, 同时, 干燥室的压力也由原来的较高压力调至较低压力, 并在电表上读取干燥开始时、升华阶段和干燥结束时的能耗, 同时记录升华干燥结束时和整个干燥结束时的时间。由预实验可知, 当物料温度达到5 e 时, 扇贝中没有明显的冰晶存在, 可认为升华干燥阶段结束。
(1) 采用两次变温与一次变压的组合调节方法,改变真空冷冻过程的工艺参数, 能明显缩短干燥时间和减少干燥能耗; 且跟进冻干过程适时调节温度和压力, 有利于综合性能指标的提高。适时调温调压, 有利于在不同的干燥阶段建立传热和传质平衡体系, 在平衡条件下产品的能耗, 干燥时间和复水率的综合性能最好。
(2) 通过五因素四水平的正交试验, 得出了各工艺参数影响冻干能耗品质的主次关系为: 加热板第二高温> 干燥室低压> 加热板第一高温> 加热板低温> 干燥室高压, 且干燥室的高压调节对结果影响不大, 各因素的最佳组合是E4B2C1D3A2, 即加热板第二高温为30 e , 第一高温为42 e , 干燥室低压为25Pa, 加热板低温为25 e , 干燥室高压为80 Pa。
(3) 优化后的组合工艺参数实验结果与正交实验中的最好结果进行对比分析表明, 干品的复水率提高了12.20% , 能耗下降了21.7%, 冻干时间缩短了20.00%。同时表明, 这样的参数组合可以使扇贝冻干过程的各个阶段都能处于传热传质的平衡状态。实验结果能为同类产品的冻干装置的设计和冻干过程参数的调节提供参考。
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
基金项目: 广东省科技厅项目(200610040); 广东海洋大学自然科学基金项目(1012147)
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