山楂浆抽真空冻结干燥的实验研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:彭润玲

  山楂营养丰富, 食用不便, 冻干加工成山楂粉, 可作为食品添加剂。为保存营养成分, 节能降耗, 降低产品成本, 开展了对山楂浆抽真空自冻结, 优化干燥工艺的实验研究, 给出了冻干参数对冻干速率, 冻干时间, 冻干成本的影响, 为山楂的深加工开辟了一条新途径。

  山楂物产丰富, 营养成分很多, 含有大量维生素C, 可加工入药; 有养神、镇静、助消化的功能, 可以加工成保健食品。但是, 没经加工的山楂口感太酸, 不便食用; 而加工山楂的办法又太少, 目前还只限于山楂罐头、山楂糕、山楂片等几种方法。因此, 一方面造成果农丰产不丰收,山楂卖不出去, 以致果农砍掉山楂树( 辽宁电视台报道) ; 而另一方面消费者又吃不到可口的山楂制品。

  冻干法可以将山楂鲜果打成浆, 冻干成粉,保持其营养成分基本不变, 实现长期贮存和长途运输。但冻干产品成本太高, 给国内消费带来困难。本文开展山楂浆抽真空自冻结 , 优化干燥工艺的方法, 实现节能降耗, 缩短干燥时间, 降低产品成本的目的, 开辟一条山楂加工的新途径。

1、山楂浆物性参数的测定

1.1、共晶点和共熔点温度的测定

  选用电阻测定法, 自制的测量装置如图1 所示。测量结果表示在图2和图3中。从图中可以明显看出, 山楂浆的共晶点温度为-20℃, 共熔点温度为-14℃。

共晶点和共熔点温度的测量装置

1. 电阻指示仪 2. 温度指示仪 3. 物料 4. 热电偶 5. 不锈钢电极 6. 夹紧装置

图1 共晶点和共熔点温度的测量装置

1.2、含水率的测定

  利用OHAUS公司生产的MB45型水分测定仪, 对秋季上市的同一品种鲜山楂打浆后及时测量, 取3 次测量结果的平均值, 确定实验用的山楂浆的含水率为73.60%。

山楂浆共熔点温度测量曲线

图2 山楂浆共晶点温度测量曲线 图3 山楂浆共熔点温度测量曲线

2、山楂浆抽真空冻结的实验研究

2.1、实验设备及方法

  采用GLZ-0.4型实验室用冻干机, 图4给出了该机的结构示意图。真空系统主泵为1 台D16c型双级旋片式真空泵, 抽速为17 m3/h, 开气镇阀极限压力为6×10-3 Pa, 关气镇阀极限压力为3×10-3 Pa, 泵内装N62 油。制冷系统为复叠式制冷缩机组; 搁板为间冷式, 最低温度控制在- 60℃; 捕水器为直冷式, 最低温度可达- 75℃。冻干室内装有压力调节阀, 可调节真空度; 室内装有3 块搁板, 总面积为0.4m2, 每块搁板上均装有测温探头, 物料内留有测温探头。压力测量选用两块仪表, CPCA- 110Z 型电容薄膜式绝对压力变送器, 量程为0.2 ~0.2 ×103 Pa, ZDR- I 型数显电阻真空计, 测量范围在1×105~1×10- 1 Pa 之间。整机为计算机自动控制, 具有设定冻干曲线, 实时显示,记录存贮, 随时调阅修改, 彩色打印输出等功能。实验方法是将装有山楂浆的料盘放在搁板上, 不必制冷搁板, 只给捕水器制冷到- 20℃之后,开启真空泵直接抽真空。随着压力降低, 山楂浆内水分蒸发, 外界不提供蒸发潜热, 而物料本身自然降温而实现冻结。

2.2、物料厚度对真空冻结的影响

  图5 给出了山楂浆厚度分别为3 mm, 5 mm,7 mm, 9 mm 和12 mm 的抽真空冻结过程时间与温度关系的实验曲线。从图中可以看出, 山楂浆厚度不仅影响降温速率, 还影响其最终冻结温度。厚度太小, 降温速率快, 而达到的最终冻结温度较高; 厚度太大, 降温速率慢, 而达到最终冻结温度也高。显然, 有一个最佳厚度, 即7 mm 厚时, 降温速率较快, 可达4.9℃ /min, 最终冻结温度最低, 可达- 34.7℃。

GLZ- 0.4型冻干机结构示意图

1.冻干箱 2.水汽凝结器(冷阱)  3.阱泵阀 4.真空泵 5.箱阱蝶阀 6.真空调节阀 7.循环泵 8.电加热器 9.板式换热器 10.高温调温阀 11.箱供液阀 12.阱供液阀 13.蒸发冷凝器 14.供液阀 15.低温机 16.高温机

图4 GLZ- 0.4型冻干机结构示意图

 山楂浆厚度对抽真空自冻结的影响初始含水率对山楂浆液抽空冻结的影响

图5 山楂浆厚度对抽真空自冻结的影响 图6 初始含水率对山楂浆液抽空冻结的影响

2.3、物料初始含水率对真空冻结的影响

  选用浆料厚度为7 mm, 含水量分别为75.62%、73.60%、66.85%、58.93%的鲜山楂浆, 装在玻璃皿中, 放在冻干箱的搁板上, 测温探头放在物料中,偏于物料底部, 关好冻干箱门。待捕水器制冷到- 20℃之后, 开启真空泵。在抽真空过程中记录物料温度随时间的变化如图6 所示。结果表明,山楂浆初始含水率不仅影响降温速率, 而且还影响最终冻结温度。初始含水率越低, 降温速率越慢, 最终温度越高, 越不易冻结。

2.4 抽真空冻结实验现象分析

  观察抽真空冻结实验发现, 抽真空开始后物料表面有起气泡和飞溅现象。起泡和飞溅的激烈程度与物料厚度和含水率都有关系。厚度越厚, 起泡和飞溅越小, 几乎成正比关系; 含水量越高, 起泡和飞溅越强烈。物料厚度太薄( 图5 中3 mm) , 含水率太低( 图6 中58.93%) , 冻结最终温度高于山楂浆共晶点温度时, 不能够采用抽真空法自冻结,否则冻干产品的品质会受到影响。

  在抽真空自冻结过程中, 物料所含自由水分迅速蒸发, 实际上已经开始了干燥过程, 使得整个干燥时间缩短, 同时节省了制冷压缩机的能量消耗, 实现了节能的目的。

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