扇贝真空冷冻干燥过程中变温变压工艺的研究

郑立静 关志强 李 敏

(1 广东海洋大学工程学院 湛江 524025；2 茂名学院 茂名 525000)

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。我国广大海域都有生产，特别是北方海域，山东长岛、威海、蓬莱、石岛、文登和辽宁大连、长山岛等地是主产地。

栉孔扇贝经济价值很高，除在沿海产地常年可以吃到鲜贝外，为了保鲜和运输方便，多数将其闭壳肌取出冷冻后运销各地，称为冻扇贝柱或冻鲜贝。为增加产品的附加性，将扇贝闭壳肌制成干品“干贝”，“干贝”是海产八珍之一，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推广应用[4]，因此，采取适当措施提高干燥速率，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，并做了大量工作。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，外部条件主要有加热板温度、干燥室压力等[5]。人们对这些参数与冻干速率之间关系已经做了很多研究。

1978年Mellor[6]提出了循环压力冻干法以缩短干燥时间，即在前半周期提高干燥时的压力以增加气体的导热，在后半周期则迅速降低干燥室压力，给水蒸气的逸出提供良好的条件。采用循环波动的真空压力可达到比恒压过程快的冻干速率[7-8]，而冻干速率取决于冰晶的升华速率和水蒸汽的扩散速率。研究表明，在影响冻干速率的若干因素中，干燥室压力是主要的因素之一，它对冻干过程的传热和传质具有相反方向的影响。当真空压力较高时，可以使已干层的导热能力提高，增强了升华界面的传热，故可加速冰晶的升华，但却使升华界面与真空室间的传质压差减小，因而减弱水蒸汽的扩散，即真空压力对冻干速率有加速和减弱的双重影响[5]。显然，必存在某一真空压力，兼顾两种相反的倾向，而使冻干速率达到最佳[9]。因此若在升华干燥过程中采用高压，增强传热，加速升华；解析干燥阶段采用低压加速水蒸汽的扩散，可以达到更高的干燥速率，从而缩短干燥时间、降低能耗。近几年，很多干燥工艺都采用了循环压力法，例如对荔枝、龙眼、青菜等的研究。

在干燥领域，变温干燥是一种比较新的干燥方式，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[10]。对于真空冷冻干燥，自上个世纪以来，国内外许多科技工作者对真空冷冻干燥的传热传质过程进行了理论探讨。近几年人们对工艺参数的研究很多，例如，大连轻工业学院对海参的工艺参数的研究[11]，东北农业大学对黑加仑工艺参数的研究[12]，河南科技大学通过正交试验得到的真空冷冻干燥鱼香肉丝的最佳工艺[13]，另外还有对土豆胡萝卜、猕猴桃等的研究。但在这些研究中，对于变温干燥工艺的研究还较少甚至是空白的，尤其是采用两次变温。

在真空冷冻干燥过程中，升华干燥是真空冷冻干燥过程中的关键工序，升华首先从产品的表面开始，在干燥进行了一段时间之后，在冻结产品上形成了一层已干燥的产品，产生了干燥产品与冻结产品之间的交界面。交界面随着干燥的进行不断深入，加热温度要逐渐降低，以保证已干层的品质，直到升华完毕交界面消失[14]，随着升华结束，干燥进入解吸阶段，为了进一步降低产品内的残余水分含量，必须提高干燥箱的真空度及加热板的温度。据此，若在干燥刚开始时采用较高干燥温度，当物料中心达到某一温度时，对干燥温度进行调节，使得物料温度逐渐降低。进入解吸干燥阶段，再次调节干燥温度以加快干燥速率。

1 实验仪器、材料与方法

1.1 实验设备

图1 真空冷冻干燥装置Fig.1 The device of vacuum freeze-drying

试验采用军事医学科学院实验仪器厂出的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。其结构见图1，添加了一个真空泵、一个缓冲箱、一个真空调节阀。原设备的真空泵可使真空室的压强达8Pa左右，添加的真空泵可使缓冲箱的压强为200Pa左右，这样与外界大气压就形成了两级压差，通过真空调节阀来实现不同的真空度[15]。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[16]。

1.2 实验材料

试验的研究对象为味道鲜美、营养价值高的栉孔扇贝。购于湛江市水产品批发市场，干燥前在海尔超低温保存箱-35℃下预冻。

1.3 实验方法

1.3.1 调节方法和操作步骤

1)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39℃，当物料中心温度分别在-8℃、-5℃、-2℃、1℃时，对加热板温度进行第一次变温，调温至28℃，当物料中心温度为5℃时，对加热板进行第二次变温，调温至36℃，同时，干燥室的压力也由原来的80Pa调至25Pa。

2)实验操作步骤

由预实验可知，当物料温度达到5℃时，扇贝中没有明显的冰晶存在，可认为升华干燥阶段结束。

实验取贝柱厚度取为10mm，采用两次变温、一次变压，即开始时将真空室压力设为80Pa，加热板温度设为39℃，当物料温度分别在-8℃、-5℃、-2℃、1℃时将加热板温度调至28℃，当物料中心温度达到5℃时将加热板温度调至36℃，真空室的压力调为25Pa。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干燥结束时的时间。另外，在升华结束前加热板温度一直保持39℃，当物料温度达到5℃时将加热板温度调至36℃作为对比。

1.3.2 检测方法

1)残余含水量的测定

实验采用常压干燥法, 将冻干后重M1的制品放入105℃的烘箱中干燥直至恒重, 称其质量为M0,则其剩余含水率为湿基含水率：w=(M1-M0)/M1

物料的最终含水率在2.5%～4.0%范围内时，数据有效。

2)复水率及复水速率的测定

复水性好坏是冻干样品的重要特点之一，将干制品M1放在40℃水中，每隔10min取出并用滤纸吸干表面水分，然后用电子秤进行称量，测得M2，共测量4组数据。计算公式如下：

复水率(%)=((M2-M1)/M2)×100

复水速率=(Mt-Mt-1)/t

t —复水时间；Mt—复水 t 时后物料的质量；Mt-1—复水 t 时前的物料质量。

3)能耗的测定

由电表直接测定。

2 实验结果与分析

2.1 产品的感官分析

干燥后的贝柱，颜色雪白，形态上与新鲜贝柱几乎一样，保持了原有的风味特点，口感好。复水后贝柱形态、色泽、口味与新鲜贝柱都非常接近。

2.2 结果与分析

图2 物料冻干曲线Fig.2 The curves of materials’ freeze-dried

图2是物料的中心温度随时间变化曲线，可以看出，每条曲线都能看出明显的升华阶段和解析阶段。在-2℃调温时，物料的升华阶段时间最长，1℃调温时升华时间最短；对比组的干燥总时最长，1℃调温时干燥总时最短，这与时间记录相符合。五种工艺条件下的残余含水率(湿基)如表1所示。

表1 不同调温条件下的干燥样品残余含水率Tab.1 Residual moisture content of dry samples under different temperature conditions

在不同的条件下，将物料干燥至最终含水率都处于2.5%～4.0%之间，则实验数据有效。

复水率是表明冻干产品的重要指标，在一定时间内产品的复水率高则表明产品品质较好；降低过程能耗、缩短干燥时间又是优化真空冷冻干燥试验的主要目的之一。因此，判断冻干工艺是否较好的主要指标就是复水率、干燥过程能耗与时间。

几种工艺下得到的产品的复水率、干燥时间及能耗分别如表2、3所示。干燥样品复水曲线和复水速度曲线分别如图3和图4所示。

表2 不同调温条件下样品的复水率Tab.2 Reconstitution rate of samples under different temperature conditions

图3 产品复水率曲线Fig.3 Reconstitution rate of products

图4 产品复水速率曲线Fig.4 Reconstitution rate of products

表3 不同调温条件下的干燥时间和能耗测定值Tab.3 The drying time and energy consumption measured under different temperature conditions

由表1-3以及图3可以看出，对比组实验的复水率最低，并且总能耗也很高，这表明：与其它组相比，对比组的冻干产品品质最差，干燥工艺也不理想。因此，实验中所采用的两次调温是合理的，验证了参考文献[10]所提出来的理论。-8℃、-5℃调温时，产品的复水率较其它两组低。-2℃调温时，升华时间、总干燥时间、升华能耗、总能耗都是最高的。1℃调温时，产品的复水率是最高的，并且干燥总时、干燥各阶段能耗都最少。由图3可以直观的看出1℃时的复水率明显高于其它工艺条件下的产品，并且由图4可以看出，1℃时的复水速率也是最高的，综合考虑，1℃调温得到的产品品质是几组中最好的。

在干燥过程中，-8℃、-5℃、-1℃调温时，加热板温度都能从39℃降到28℃，并且在28℃保持一段时间升华阶段才会结束，干燥进入解析阶段。前面提到在真空冷冻干燥过程中，升华干燥是真空冷冻干燥过程中的关键工序，升华干燥产生的交界面随着干燥的进行不断深入，加热温度要求逐渐降低，以保证已干层的品质，直到升华完毕交界面消失，升华干燥结束。1℃调温时，在升华干燥结束之前加热板温度一直处于降温状态，升华阶段结束时，加热板温度也未降到28℃，只降至32～34℃左右，与文献中所述一致，这就是1℃复水率最高的原因，因其整个升华阶段相对于其它三个工艺条件温度最高，所以其升华阶段时间最少。

3 结论

1)采用两次变温与一次变压的调节方法，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。

2)对栉孔扇贝的实验表明，搁板温度的第一次调节所对应的物料中心温度对干燥物品的复水品质和能耗会产生影响，且当物料中心温度为1℃时进行第一次调温，与其他与调温条件相比，干燥时间最短、能耗最小、产品的复水品质最好。实验结果能为同类产品冻干过程参数的调节提供参考。

[1]TANBUNAN AH,Yudistira,Kisdiyan. Freeze drying,325-331.

[2]CARAPEUE A, Henristm, Rabecki F.A study of vacuum freeze-drying of frozen wet papers[J].Drying Technology,2001,19(6):1113-1124.

[3]BAILEY MD.The use of freeze-dried fruit and vegetable juice crystals [J].Food Engineering Intermational,1989,14(6):13～14.

[4]华泽钊，李云飞，刘宝林.食品冷冻冷藏原理与设备[M].北京:机械工业出版社,1999.

[5]齐锡龄,邓宵燕, 等.液状制品循环压力真空冷冻干燥的实验研究[J].制冷学报, 1995(4):35-37. (Qi Xiling,Deng Xiaoyan, et al. Experimental study on cyclical pressure freeze drying of liquid product[J]. Journal of Refrigeration, 1995(4):35-37.)

[6]J D Mellor. Fundamental of freeze drying of Acadamic Press.London, NEW York, San Francisco,1978.

[7]P E Greenfild. Cychcal Pressure Freeze Drying[J].Chemical Engineering Science, 1974, 29: 2115-2123.

[8]R J Litchfiled, F A Farhadpove, A I Liapis. Cyclical Pressure Freeze[J]. Chemical Engineering Science,1981.36:1233-1238.

[9]彭仕文, 程尚模, 等. 真空度对冻于速率的影响[J].真空与低温,1991,3.(Peng Shiwen, Cheng Shangmo, et al.Freeze-drying rate the impact of of vacuum to the freezedrying rate[J]. Vacuum and Cryogenics,1991,3.)

[10]胡光华.罗非鱼热泵梯度变温干燥试验研究[J].现代农业装备.(Hu Guangjin. Study on the mutative gradient temperature of Tilapia by heat pump drying [J]. Modern Agricultural Equipments. )

[11]云霞, 韩学宏, 农绍庄, 等. 海参真空冷冻干燥工艺[J]. 中国水产科学, 2006,(4): 662-666. (Yun Xia, Han Xuehong, Nong Shaozhuang, et al. Study on vacuum freeze-drying of sea cucumber [J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2006,(4): 662-666.)

[12]于华宁, 时玉强, 贾署花, 等. 黑加仑真空冷冻干燥工艺研究[J]. 干燥技术与设备, 2008, (1): 24-28.(Yu Huaning, Shi Yuqiang, Jia Shuhua, et al. Study on vacuum freeze-drying of Black Currant[J]. Dying Technology &Equipment, 2008,(1): 24-28.)

[13]李素云, 董铁有, 王春杰, 等. 鱼香肉丝真空冷冻干燥工艺的研究[J].食品科技, 2004,(11): 40-43. (Li Suyun,Dong Teyou, Wang Chunjie, et al. Study on vacuum freeze-drying of Yuxiangrousi[J]. Food Science and Technology, 2004,(11): 40-43.)

[14]黄连送.荔枝真空冷冻干燥工艺研究[J].广西轻工业,2008(7): 3-4 . (Huang Liansong. Study on vacuum freeze-drying of Litchi [J]. Guang xi Journal of Light Industry, 2008(7): 3-4.)

[15]李保国, 华泽钊, 刘占杰. 鲜花真空冷冻干燥实验研究[J]. 制冷学报, 2001(4): 54-58. (Li Baoguo, HuaZezhao,Liu Zhanjie. Experimental study on vacuum freeze-drying of fresh flowers [J]. Journal of Refrigeration, 2001(4):54-58.)

[16]汪喜波, 毛志怀.生姜真空冷冻干燥过程影响因素的试验研究[J].中国农业大学学报, 2002, 7(6): 39-43.(Wang Xibo,Mao Zhihuai,Experimental study on influencing factors of vacuum freeze drying of Gingers[J]. Journal of China Agricultural University, 2002, 7(6):39-43.)