升温方式对真空冷冻干燥过程的影响

张雅琦， 陶乐仁,2*， 桂 超,3

（1. 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2. 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；3. 新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003）

真空冷冻干燥技术因其突出的优势，目前已在食品、医药和生物等领域得到广泛应用，但其干燥过程中存在的监控不精确、理论研究不充分和干燥能耗高等问题仍然制约着该技术的发展与应用[1]，因此缩短冻干时间、提高干燥速率、降低能耗已成为研究热点。国内外已有许多学者对冻干工艺的优化进行研究，但主要考虑预冻温度、预冻速率、干燥箱压力和物料厚度等参数对冻干制品的影响[3-5]。

陈林和等[6]以杨梅为研究对象，利用研究冻干过程中各阶段终点的判断，得出杨梅冻干优化工艺参数。郭树国等[7]以猕猴桃为研究对象，分析了干燥箱压力、切片厚度、搁板温度与制品品质与单位耗电量的关系，从而确定了猕猴桃切片真空冷冻干燥工艺的最优参数组合。周頔等[8]以苹果为实验对象，比较不同前处理方式对冻干效率和样品品质的影响，获得最佳前处理方式。

采用真空冷冻干燥方式处理血管进行移植具有较大的应用前景[9-10]。本文以猪主动脉为研究对象，结合样品温度、质量和力学性能分析，探讨不同升温方式对缩短干燥时间的影响，旨在为真空冷冻干燥技术在实际应用中节能降耗提供借鉴。

1 实验

1.1 材料和设备

材料：新鲜猪主动脉血管。

设备：上海田枫TF-SFD-2 型冻干机；TA.XT plus 物性测试仪，拉伸测试使用探头型号为A/MTG，穿刺测试使用探头型号为P2N。

1.2 实验方法

1.2.1 真空冷冻干燥

将新鲜猪主动脉血管洗净后置于4℃生理盐水中稳定12 h，取出后将其剪成长20 mm 尺寸大致相同的血管段。实验分两组进行，记作A 组和B 组，每组10 个样品，依次编号，竖直放置于搁板上。每组取其中两个样品分别进行称重和测温。

两组实验均采用快速冷冻方式，样品预冻结温度为－40℃，干燥箱压力为10 Pa。A 组一次干燥温度为－20℃，二次干燥温度为10℃，以质量不再发生变化作为干燥结束终点。B 组样品采用多阶段升温方式，干燥温度依次设定为－20、－10、0、10℃，以单位时间内脱水率变化极小（单位时间内脱水质量比不足1%）作为各阶段结束终点。

1.2.2 脱水率计算

采用自制无接触称重装置，避免多次开箱门取样称重外界环境对实验过程造成不良影响，保证实验的完整进行。每隔20 分钟称重一次。脱水率计算如式（1）所示。

式中：φi为样品逐时脱水率，%；m0为样品初始质量，g；mi为逐时称重质量，g。

1.2.3 力学性能测试

分别对新鲜样品和冻干复水后样品进行拉伸和穿刺测试。将样品沿轴向和周向剪成长20 mm，宽3 mm血管条用于拉伸测试，拉伸过程中以样品被拉断作为拉伸结束。拉伸前测量两夹具间血管的初始长度，宽度和厚度，按式（2）计算拉伸应力。

式中：Γ为某时刻拉伸应力，MPa；P为某时刻的拉伸力，N；W0为两夹具间血管段的宽度，mm；H0为两夹具间血管段的厚度，mm。

将血管剪成片状用于穿刺，以刺针穿透血管作为穿刺结束。

2 结果与分析

2.1 冷冻干燥曲线

A、B 两组样品干燥阶段温度变化如图1 所示。从图中可以看出，两组样品均预冻至－45℃左右，干燥开始后样品温度均很快达到搁板温度。A 组样品干燥过程中升温两次，即一次干燥和二次干燥，一次干燥时间持续较长，长达50 h，B 组样品经过四次升温，总时间为35 h 左右，较A 组明显缩短。

图1 A、B 两组干燥过程温度变化图

2.2 脱水率

图2 所示为两组样品的脱水率随时间的变化图。A、B 两组样品最终脱水率分别为74.56%和70.67%。从图中可见，A 组样品的脱水速率在一次干燥阶段逐渐降低，一次干燥阶段后期10 h 脱水率仅提高约3.6%，而B 组样品各阶段脱水速率均保持较高水平。

图2 干燥过程脱水率

图3 冻干后外观图

2.3 外观形态

冻干结束后两组样品的形态外观如图3 所示。从图3 可以看出，两组样品表面均光滑未见褶皱，形态保持完好。

2.4 力学性能测试

从图4 可以看出，两组样品冻干后其最大轴向拉伸应力较新鲜样品均有一定程度增加，A 组样品增加45.1%左右，B 组样品增加40.4%左右。应变均有所降低，A 组样品应变相比减小2.3%左右，B 组应变减少0.1%。

从图5 可以看出，冻干复水后两组样品的最大周向拉伸应力变化趋势与轴向一致，最大周向拉伸应力较新鲜样品均增大，A 组样品较新鲜样品增大约10.2%，B 组样品增大约11.4%。两组样品的应变均减小，A 组减小约7.6%，B 组减小约7.7%。

图4 最大轴向拉伸应力与应变图

图5 最大周向拉伸应力与应变图

从图6 可以看出，两组样品的最大穿刺力较新鲜样品均出现增大，A 组样品增大12.0%左右，B 组样品增大13.9%左右，说明冻干后血管的硬度增加，这是由血管弹性的变差和组织的重叠造成的。

可见，血管在冻干后其力学性能都会发生一定程度的变化。从图中可以看出，A、B 两组样品的力学性能较为接近，也就是说，采用阶段升温和完全一次干燥方式，最终样品在力学性能方面并无明显差异。

图6 最大穿刺力对比图

3 结论

本文针对干燥过程中的升温方式，采用多阶段升温，利用自制无接触称重装置记录干燥过程中的质量变化，并结合样品脱水率、外观形态和力学性能，探讨与传统地通过一次干燥和二次干燥进行冻干相比，采用多阶段升温方式的可行性。实验结果表明，采用多阶段升温进行干燥明显缩短了干燥时间，且脱水率同样达到较高水平。两种方式所得样品表面均光滑无褶皱，符合冻干样品的质量要求，且力学性能无明显差异，均与新鲜样品较为接近。因此冻干过程中采用多阶段升温方式干燥在保证样品品质的同时，缩短了干燥时间，这对优化冻干工艺降低能耗具有一定的参考意义。