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第14卷 第1期 1998年 3月 农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE Vol . 14 No. 1 M ar. 1998 收稿日期: 1997- 03- 04 1998- 01- 20修订 李云飞,副教授,博士,上海市军工路516号 上海理工大学425信箱, 200093 循环压力下真空冷冻干燥青菜试验研究 李云飞 (上海理工大学) 王成芝 (东北农业大学) 吴明 (吉林农业大学) 摘 要 用大葱和胡萝卜作实验材料,在产品感官质量约束下,进行恒压与循环压力下真空冷 冻干燥的模糊优化试验研究,得出导热和辐射两种加热方式下,除去单位水分所用干燥时间较 短的工艺参数以及温度分布。对于真空冷冻干燥散放颗粒状物料,以辐射加热方式循环压力为 最佳。 关键词 青菜 冷冻 干燥 时间 真空冷冻干燥青菜具有色、 香、 味具佳、 形态不变,复水快等特点。 然而,加工成本高限制 了它的推广应用,优化其加工工艺,降低能耗是开发应用此项目的关键。 在真空冷冻干燥中, 散放颗粒物料的干燥特性与液体物料不同。散放颗粒物料表面积大,颗粒之间孔隙也大,在 真空冷冻干燥中有充分的水分扩散表面和通道。 若颗粒较小,其传质阻力也很小,因此,在干 燥过程中传热性能优劣变为控制其干燥速率的关键1。 本文以方便食品中常用的调味菜(大葱、 胡萝卜)为对象,应用模糊数学方法,用减少单 位水分所用的干燥时间长短衡量能耗高低。在感官质量约束下,找出加热板温度、 高低压循 环时间周期以及单位面积装料量的最佳组合参数,探讨加热方式对干燥时间及感官质量的 影响程度。 1 试验设备、 材料与方法 1. 1 主要试验设备 循环压力下真空冷冻干燥试验是在改装后的西德产AL PHA - I5 型真空冷冻干燥机上 完成,物料初始含水率和剩余含水率分别在HG101- 1型通风干燥箱和DZ- 88型真空干 燥箱上测得,物料重量采用FA 1104- 2型电子分析天平测取。 1. 2 材料与方法 试验用大葱的含水率为83. 9%;胡萝卜的含水率为89. 02 %。每次试验前,将新鲜干净 大葱切分成段 (10 15 mm ), 胡萝卜切分成5 mm5mm5mm的丁块。在导热方式下恒 压真空冷冻干燥试验中,试验材料放在直径约120 mm的铝盒中;在辐射加热方式下循环气 流穿过料层试验中,材料放在与铝盒直径约相同的带有筛孔的容器中。 试样感官质量由7人 小组打分评价,对大葱和胡萝卜丁分别采用3因素和4因素正交试验,感官评价指标为形 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 态、 色泽、 风味和口感。 复水试验采用20清水,经5m in浸泡后去除物料表面附着水,用复 水前后重量比表示,即: S= G+W G (1) 式中 S复水比; G复水前物料的重量, kg; W复水中物料吸收水分的重 量, kg。 2 试验结果与分析 2. 1 导热方式下恒压与循环压力真空冷冻干燥大葱试验 表1是大葱正交试验方案及测试指标。 结果显示,影响单位水分干燥时间的主次因素顺 序是:加热板温度、 单位面积装料量、 高低压循环时间比。较优水平为:加热板温度75、 单 位面积装料量7. 1 kg?m 2、 高低压循环时间比 15?65。 与液体物料真空冷冻干燥相比,虽然固 体颗粒物料真空冷冻干燥中不会发生融化沸腾与飞溅现象,但加热板温度过高将使产品感 官质量下降,主要表现为材料形态收缩变形。为此,对表1真空冷冻干燥试验样品设定4个 模糊约束集标准,即A 1( 形态一般即可)、A 2( 色泽要好)、A 3( 风味要好)、A 4( 口感要好 ), 设 定目标集标准mf(除去单位水分所用干燥时间要尽量短)。 采用Zadeh极大集法将目标函数转变为论域y上的模糊集2,表2是模糊约束矩阵,是 由评价小组对感官质量定性打分转换而来3, 5。目标集标准mf可据下式算出 m f= sup ( f ) - f(y) sup (f ) - inf( f) (2) 式中 sup(f)目标函数中最大值; inf(f)目标函数中最小值; f(y)目标函数值。 表1 大葱恒压与循环压力真空冷冻干燥正交试验 (10 1000 Pa) Tab.1 O rthogonal test of freeze2drying for onion at constant pressure and cyclic pressure 序 号 因 素 加热板温度 ? 循环时间比 装料量 ?kgm- 2 指 标 复水比 剩余含水率 ?% 干燥时间 ?h 14510 Pa恒压3. 56. 3126. 010. 8 24515?657. 15. 56745. 417. 7 34530?6510. 65. 97156. 227. 5 46010 Pa恒压7. 15. 84473. 516. 3 56015?6510. 65. 79264. 722. 8 66030?653. 54. 86635. 88. 5 77510 Pa恒压10. 64. 03395. 221. 3 87515?653. 52. 9244. 07. 5 97530?657. 13. 06584. 313. 3 作新的模糊约束集A: A=A1A2A3A4 A= 0. 6?1 + 0. 8?2 + 0. 6?3 + 0. 6?4 + 1?5 + 0. 8?6 + 0. 4?7 + 0. 1?8 + 0. 7?9 922第1期李云飞等:循环压力下真空冷冻干燥青菜试验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 在权重分配约束为0. 4,目标(单位水分干燥时间)为0. 6情况下,对模糊约束A和目标 mf进行凸模糊判决D A= 0. 4A+ 0. 6m f = 0. 24?1+ 0. 5973?2+ 0. 4328?3+ 0. 6299?4+ 0. 8939?5+ 0. 6254?6+ 0. 6972?7 + 0. 4927?8 + 0. 88?9 表2 模糊约束矩阵 Tab.2 Fuzzy restricted matrix y123456789 A10. 60. 80. 80. 61110. 70. 7 A2111110. 80. 710. 7 A31110. 7110. 40. 10. 7 A41110. 7110. 710. 7 mf00. 4260. 32130. 64980. 82310. 50590. 89530. 75451 从上式凸模糊判决中可知,第5号试验方案处于较优水平。 与正交试验优化获得的较优 水平相比,加热板温度由75降至60,单位面积装料量由7. 1 kg?m 2增至 10. 6 kg?m 2。 对大葱的正交试验表明,对于散放颗粒物料的真空冷冻干燥循环压力优于恒压。 2. 2 辐射加热方式下循环压力真空冷冻干燥胡萝卜丁试验 1, 2.辐射加热,循环气流穿过料层中部 3, 4.辐射加热,恒压 图1 容器边缘处与中心处胡萝卜丁温度分布 Fig. 1 The temperature distribution in the edge of container and the center of carrot 试验方案与结果列于表3,部分样品的感官 质量模糊矩阵列于表4。在无感官质量约束下,影 响单位水分干燥时间的主次因素为:辐射加热板 温度、 气体流向、 单位面积装料量和高低压循环时 间比,其较优水平为:辐射加热板温度80、 循环 气流穿过料层中部、 单位面积装料量5 kg?m 2、 高 低压循环时间比30?65。 与导热加热方式真空冷冻干燥相比,气体流 向和装料量对单位水分干燥时间影响程度突出 了,其原因是循环气流穿过料层中部时,使真空冷 冻干燥速率最慢的中心处颗粒发生位移和抖动, 大大地改善了干燥中的传热传质效果(图 1) 。 同上述方法一样,用模糊约束A和凸模糊判 决D分析如下: A=A1A2A3A4 = 0. 7?1 + 0. 7?3 + 0. 8?4 + 0. 7?5 + 0. 8?7 + 0. 8?8 D= 0. 4A+ 0. 6m f= 0. 5875?1 + 0. 88?3 + 0. 4054?4 + 0. 7029?5 + 0. 32?7 + 0. 5476?8 上式分析表明3号试验方案较优,其优化水平与正交优化水平一致。 032 农业工程学报1998年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表3 胡萝卜丁循环压力真空冷冻干燥试验方案与结果 Tab.3 Test for carrot under cyclic pressure 序 号 因 素 气流方向循环时间比 装料量 ?kgm- 2 加热板温度 ? 指 标 复水比 剩余含水率 ?% 干燥时间 ?h 1穿流15?655605. 47234. 814. 5 2穿流15?6510804. 7594. 025. 3 3穿流30?655805. 184. 211. 75 4穿流30?6510606. 01425. 131. 0 5不穿流15?655804. 43693. 813. 0 6不穿流15?6510605. 22644. 435. 5 7不穿流30?655605. 94715. 516. 0 8不穿流30?6510804. 124. 628. 0 表4 胡萝卜感官质量模糊约束矩阵 Tab.4 Fuzzy restricted matrix of carrot quality y134578 A10. 810. 810. 81 A20. 710. 8110. 8 A31110. 711 A40. 80. 70. 810. 80. 8 mf0. 512510. 14230. 704900. 3794 3 小 结 真空冷冻干燥散放颗粒状物料时,以辐射加热方式循环压力为最佳。 由于物料的颗粒较 小,不但升华表面积大,而且水蒸气扩散孔隙也多,使质量传递性能与干燥过程时间关系较 小。 辐射加热板对散放颗粒堆的表层传热较好,而对深层颗粒传热较差,特别在真空状态下, 上层散放颗粒对下层颗粒相当于一层隔热层,使下层颗粒干燥过程非常缓慢。 采用循环压力 法,按一定周期向真空室内散放颗粒堆充入气体,使热量传递不但有辐射作用,而且也有对 流作用。本试验研究结果为:辐射加热板温度为80;单位面积装料量为5 kg?m 2; 循环气 流直接穿过散放颗粒堆中部;高低压循环时间比为30?65。 参考文献 1 H G Kessler. Heat and mass transfer in freeze drying of m ixed granular particles .Freeze D rying and A dvanced Food Technology, 1975. 223238 2 张振良.应用模糊数学.重庆:重庆大学出版社, 1991. 7276 3 姬长英.感官模糊综合评价中权重分配的正确制定.食品科学, 1991(3): 910 4 吕志俭等.应用模糊数学评价食品的感官质量.食品科学, 1986(3): 15 5 贺纯秀等.章丘大葱系列产品加工技术研究.山东食品发酵, 1992(2): 57 132第1期李云飞等:循环压力下真空冷冻干燥青菜试验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Freeze-Drying of Green Vegetables Under Cyclic Pressure Li Yunfe i (S hanghai U niversity of S cience and T echnology,S hanghai) W ang Chengzhi (N orth2east A g ricultural U niversity) W u M ing (J ilin A g ricultural U niversity) Abstract U nder the control of organoleptic quality, the freeze2drying test of green onion and carrot w as conducted at constant pressure and cyclic pressure. By use of fuzzy opti2 m ization, the m ini mum ti me required to remove unit w ater of the samples and the temper2 ature profile in the bed of the samplesw ere found for both models of heat conduction and radiation.To freeze2drying granular materials, like green onion and carrot, the opti