全 文 ： 文章编号:ISSN1005-9180 (2003)04-0006-04
青蒜真空冷冻升华干燥技术的研究
包建强1 , 杨永明2
(1.上海水产大学 , 上海 200090;2.上海绿苑淀粉有限公司 , 上海 200063)
[摘要] 本文主要研究了青蒜的真空冷冻升华干燥的工艺流程。并通过对物料冻干曲线的分析 , 从真空
度 、 物料体积的大小和预冻速度等方面探讨了对冻干速率和冻干成品品质的影响 , 还测定了冻干品的复水
性 、 得率等。研究发现在一定范围内 , 真空度越低 , 冻干速率越慢。物料体积的大小 , 会影响物料的冻干
速率。物料不能太厚 , 也不能太薄 , 应在保证质量的前提下 , 选择一个能耗最低的物料厚度。青蒜冻干的
得率为 10.55%。青蒜冻干产品的复水率为 85%～ 87%。
[ 关键词] 真空冷冻升华干燥 , 冻干曲线 , 真空度 , 复水率
[ 中图分类号] TS255.3;TS205.7 [文献标识码] A
Study on the Vacuum Freeze-Drying Technics of Green-garlic
BAO Jian-qiang , YANG Yong-ming
(1.Shanghai Fisheries University , Shanghai 200090;2.Shanghai Green-Garden Amy lum Ltd., shanghai 200063)
Abstract:The vacuum freeze-drying technics of green-garlic were studied.The effects of vacuum volume of materiel
and the speed of freeze on quality of finished product were discussed.For green-garlic dried by vacuum freeze-drying ,
the obtain rate is 10.55% and the rate of turn over liquid is 85%～ 87%.
Keywords:Vacuum freeze-drying , Curve of freeze-drying , Vacuum , The rate of turn over liquid
真空冷冻干燥简称冷干是先把要加工的物料冷
冻后 , 在不解冰的情况下进行升华干燥的处理工
艺。经冷干的物质 , 酶化作用微弱 , 原先的化学 、
生理性能基本不变 , 物质脱水后 , 呈多孔结构 , 体
积基本不变 , 容易复原 , 尤其优异的是 , 冷干后的
物质可保存数年不变质[ 1] 。
真空冷冻干燥技术最早出现在 1811 年 , 而实
际使用是在 1909 年沙克尔 (Shackell)试验用冷冻
干燥的方法保存菌种 、病毒和血清 , 取得较好的效
果。1935年第一台商用冻干机问世 , 这时冻干的产
品有培养基 、荷尔蒙 、维生素等。1940年冻干人血
浆进入市场。随着第二次世界大战的爆发 , 1942年
冻干技术开始应用于医药行业 。1930年弗洛斯道夫
最先开始了真空冷冻干燥食品的实验 。最原始的真
空冷冻干燥技术和设备出现在丹麦[ 2] 。
真空冷冻干燥食品是一种在真空状态下以升华
方式除去水分的食品 , 与常规干燥方法 (如烘干 、
熔干 、抄干 、 热空气干制 、 红外及微波干燥)相
比 , 冷干食品可以基本上保持新鲜食品的营养素及
色香味等 , 冷干工艺是先将食品在常压下速冻至-
20℃, 然后在真空环境下升华 , 冷干食品能保持稳
定的食品结构和营养 , 其组织像海绵一样疏松 , 复
水率高。冷干食品的色 、 香 、 味均较好 , 并基本保
持原形且重量轻 。肉类食品可轻 60%, 蔬菜可轻
90%, 水果可轻 70%～ 90%, 给运输和人们的携带
带来了很大的方便 , 冷干食品长时间保存不变质 ,
在常温下保存可达数年之久[ 3] 。
冷干食品与速冻食品 、深度冷藏食品相比 , 可
免除冷藏链环节 , 这对于冷藏链发展尚落后的我国
而言 , 具有特别重要的意义。目前国际市场对冷干
食品的需求也呈逐步上升的趋势 , 在我国 , 开发冷
干食品不仅可以改善食品的保鲜质量 , 充实国内市
6 REFRIGERATION No .4 , 2003 , Dec .Vol.22(Total No .85)
收稿日期:2003-9-2
场 , 弥补食品季节性的短缺 , 而且可以出口创汇 。
真空冷冻干燥技术的基本原理:
水的三种聚集态 (称相态)即固态 、 液态和气
态。三种相态之间到平衡时必有一定的条件称为相
平衡关系 , 水相平衡关系是研究和分析含水食品冷
冻干燥原理的基础。
物质分子间的相互位置随着温度 , 压力的改变
而逐渐变化 , 直到量变引起质变 , 产生聚集态的转
化。随着压力的不断降低 , 冰点的变化不大 , 而沸
点则愈来愈低 , 愈来愈靠近冰点。当压力下降到某
一值时 , 沸点即与冰点相重合 , 固态冰就可以不经
液态而直接转化为气态 , 这时的压力称为三相点压
力 , 其相应的温度称为三相点温度。水的三相点压
力为 610.5 Pa , 三相点温度为 0.0098℃, 在压力低
于三相点压力时 , 固态的冰可直接转化为气态的水
蒸气 , 为升华现象 , 水分升华时所吸收的潜热量称
为升华潜热或升华热。如果压力高于 610.5 Pa , 从
固态冰开始 , 等压加热升温的后果 , 必须要经过液
态才能到达气态 , 如果压力低于 610.5 Pa固态冰加
热升温的结果将直接化为气态 , 冷冻干燥最基本的
原理就在于此 , 故冷冻干燥又称冷冻升华干燥。含
水食品的冷冻干燥就是在水的相平衡关系中三相点
以下区域内 , 所进行的低温低压干燥。
1 材料与方法
1.1 材料:青蒜
1.2 实验设备
1.2.1 真空冷冻干燥机:
东京某器械株式会社生产的 EYELA＊FD-520
型冷冻干燥机 , 属间歇式升华干燥机。
1.2.2 数字温度巡回检测仪:
某仪表厂生产的 PROCOS -Ⅶ 型数字温度巡回
检测仪。
1.2.3 热风烘干箱:
本次实验中我们作了青蒜的烘干实验 , 与冻干
实验进行比较。
1.3 方法
实验数据见表 1。将物料置于干燥室内 , 低温
冷冻至-20℃～ -30℃, 然后抽真空 , 加热至物料
中心温度大约为 35℃以上恒定 , 则实验结束 。
表 1 实验数据表
参数 青蒜
真空度(托) 0.10 0.50
冷冻时间(min) 60 80
抽真空时间(min) 20 12
加热时间(min) 440 360
2 结果与讨论
2.1 成品的得率
因为本次实验是直接将物料冷冻到-20℃以
下 , 此时物料中的水分已经全部冻结成冰 , 并直接
加热 , 因此我们认为物料中的水分是完全由冰直接
升华成水蒸气 , 而物料中的其他成分基本无损失 。
计算公式:
得率=干燥后的物料重量/干燥前的物料重量
×100%
图 1 青蒜冷冻干燥得率
2.2 复水率
将干燥后的物料样品分别称重后 , 放入常温水
中浸泡 10 分钟后取出 , 分别称重 , 再重复上述过
程 , 分别得出在常温水条件下 10min 、 20min 、
30min时的复水率 , 基本上认为样品不再吸水[ 4] 。
计算公式:
复水率=(吸水后物重-吸水前物重)/ 吸水
后物重×100%
7
2 00 3年 1 2月
第 22 卷第 4期(总 85 期) 制 冷
表 2 青蒜的复水率 (%)
青蒜(1) 1 2 3 4 5 6 7 8 平均
10 min 87.1 86.1 85.4 85.3 83.6 85.5 87.0 86.9 85.86
20 min 88.2 86.3 85.2 86.6 86.3 84.8 87.2 87.0 86.45
30 min 87.2 86.9 85.8 87.1 87.4 85.8 88.2 86.9 86.91
由表 2可以看到青蒜的复水率基本在 85%～
87%之间 , 由于差别不大 , 实际操作中复水时间建
议用 10 min。
2.3 冻干温度曲线分析
从几次实验的冻干温度曲线图 (图 2)上看
出 , 各实验大体可分为三个阶段:①温度曲线迅速
下降阶段 —预冻阶段②温度曲线趋于平缓阶段—升
华阶段③温度曲线迅速上升阶段—解吸阶段 。
(1)预冻阶段
物料的中心温度从 10℃降到 -20℃左右约 45
min。其中从冰点到青蒜的共晶点温度 (-1 ～ -
2.5℃)只用了 10 min , 温度下降很快 , 因此物料
中形成小冰晶 , 有利于冷冻干燥后可较好的保持产
品原来的结构。当温度达到-20℃后抽真空。刚开
始时 , 无外界热源加热 , 升华潜热全部来自于冻结
的物料 , 因此物料中心温度急剧下降 , 从曲线上看
到一个凹谷 。抽真空 20 min , 真空度达到青蒜的三
相点压力 , 开始加热 , 在这个阶段 , 无论物料温
度 , 底板温度 , 干燥室温度都急剧下降 。
(2)升华阶段
在本次研究中 , 我们用 40℃的加热源加热底
板 , 室内真空度为 0.10托 , 曲线变化迅速 , 随后
曲线变化比较平缓 , 此时冻干室内的温度和压力都
在青蒜三相点 (-2.5℃, 0.1托)要求之下 。当温
度达到其共融点温度 , 升华阶段结束。从图 2看 ,
若产品温度低于共晶点温度太多 , 升华速率低 , 若
高于共融点温度 , 产品融化 , 影响产品质量和干燥
过程。因此 , 作为加热源的加热底板的功率必须控
制好。否则会影响产品质量[ 6] 。
(3)解吸阶段
产品温度在 30 ～ 40℃之间 , 而搁板温度略高
于产品温度几度 。因实验采取压力为 0.10 托 , 因
此在解吸阶段 , 产品迅速升温 , 所需要热量较多 ,
而压力太低不利于传热 。在产品温度与搁板温度相
差不变后 , 保持 1小时 , 使物料中的水分尽量蒸发
后 , 冻干过程结束 。
2.4 物料体积对冻干速率的影响
由图2可以看到 , 物料体积小的青蒜 , 在升华
阶段的初始 , 其曲线处于图的下方 , 由于压力 、加
热底板的功率相同 , 这现象说明 , 物料体积小的青
图 2 不同长度青蒜的冻干温度曲线
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图 3 13 mm 长青蒜在 0.1 托及 0.5 托压力时的冻干温度
蒜 , 升华的冰量多。由于我们希望 , 物料中的水份
尽可能的在升华阶段失去 , 这现象是受欢迎的。同
时 , 也可以从图 1看到 , 物料体积小的青蒜冻干过
程结束的时间短 , 这对生产有指导意义 。
2.5 真空度对冻干速率的影响
由图 2的冻干温度曲线可以看出 , 在不同真空
度 (0.1 ～ 0.5托)下 , 0.1托真空度下冻干速率要
比0.5托真空度下的冻干速率慢。但一般认为 , 压
力越高 , 冻干速率越慢[ 5] 。这与我们所得的结论相
反 , 这是因为压力对冻干速率的影响由相反的两个
因素起作用:
(1)在物料共融点温度以下 , 升华温度越高 ,
升华水汽越多 , 所需热量越大 。因此 , 压力高 , 相
应提高了干层导热系数 , 表面对流作用也就越大 ,
因此升华水汽快 , 即冻干速率大。
(2)升华通过干层到外部的水汽溢出速度与界
面和表面之间的压力差 (即界面温度所对应的饱和
压力与干燥室的真空度之差)有关。压差大 ,有助
于水蒸汽溢出 ,压差越小 ,溢出越慢 ,冻干速率也越
小。即真空度越小 ,压差越大 ,水蒸气溢出越快。
利用这两种相反因素相互的作用 ,我们采取调
压升华干燥的方法 ,即前半周期提高箱内压力 ,以增
加气体的对流换热和干燥层的导热 ,在后半期箱内
压力迅速降低 ,升华界面与外表面之间形成较大压
差 ,水蒸汽迅速溢出 ,从而提高了冻干产品的速率 。
3 结论
(1)在一定范围内 , 真空度越低 , 冻干速率越
大;真空度越高 , 冻干速率越小 。
(2)物料体积的大小 , 会影响物料的冻干速
率 。物料不能太厚 , 也不能太薄 , 应在保证质量的
前提下 , 选择一个能耗最低的物料厚度。
(3)青蒜冻干的得率为 10.55%。
(4)青蒜冻干产品的复水率为 85%～ 87%。
4 参考文献
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