番茄真空冷冻干燥工艺的研究

　　番茄含有多种维生素和其它营养成份, 味道酸甜鲜美, 一直是人们喜爱的果蔬。但番茄皮薄汁多,容易损伤腐烂, 给运输和保存带来了一定的困难。真空冷冻干燥由于整个过程是在低温低压下进行, 与其它干燥方法相比, 能最大限度地保存物料原有的物理化学和生物性状, 很适合番茄的加工。

　　物料的真空冷冻干燥是一个传热传质同时进行的复杂过程, 影响因素众多, 而且时间长能耗高。要生产合格的冻干产品, 减少能量消耗, 必须对其规律进行深入研究, 选择合理的工艺参数控制生产。不同的物料冻干机理不同, 冻干工艺也有差异, 为此, 本文采用了理论与实验相结合的方法, 建立番茄的冻干模型,从理论上计算升华干燥所用的时间, 通过在小型冻干机上的反复实验, 确定番茄真空冷冻干燥的工艺流程和冻干曲线。

1、实验研究

　　番茄的冻干设备采用我们自行设计制造的小型实验用蔬菜冻干机。该机主要由冻干箱、水汽凝结器、制冷系统、真空系统、加热系统和测控装置六部分组成, 如图1 所示。物料、电加热器、冷阱温度均采用标定过的铜—康铜热电偶测量, 测温精度可达±0. 3℃; 冻干箱内压力测量选用RZJ-53B 型真空热偶规, 其最佳量程在10～100Pa; 物料重量测量采用经过改装的YP600型电子天平, 测量精度±0. 2g。

图1　冻干实验装置

　　实验用番茄选择成熟质硬的新摘番茄, 经过一定的预处理后, 横切成4mm、6mm 和8mm 的薄片,进行冻干实验。实验测量得到不同物料厚度下的冷冻干燥曲线, 结果如图2 所示。

图2　番茄冻干曲线

2、冻干理论模型

　　番茄中可以冻结成冰的结构水和大量游离水,约占95% , 解析干燥的时间很短, 冻干周期主要取决于升华干燥的时间, 因此, 本模型仅研究番茄的升华干燥阶段。

　　番茄干燥传热模型如图3所示。干燥的番茄为片状, 热量以辐射的形式传递到番茄上, 在番茄的内部, 热量以热传导方式经干燥层表面传递到升华面,水汽由升华面向外扩散。

图3　番茄冻干传热模型曲线

　　为了简化分析, 作如下假设:

　　① 升华干燥阶段是传热控制过程, 即干燥层导热能力小于质量的扩散能力, 干燥速度由传导热量的速度决定。

　　② 番茄片的直径远远大于其厚度, 可视为无限大平板的传热, 故在界面和表面上呈一维热流和质量流。在干燥过程中, 升华仅发生在平行于物料表面的X 界面上, 不断后移的升华面程度下不变。

　　③ 相界面移动非常慢, 番茄中温度和水汽浓度分布很快达到平衡。

　　④ 番茄的物性是均匀的, 在升华过程中保持不变, 可视为常数。

　　对于上述局化后的准稳态常物性模型有下列方程式成立。