（制冷及低温工程专业论文）黄蚬真空冷冻干燥工艺的实验研究.pdf

上海海洋大学硕士学位论文 黄蚬真空冷冻干燥工艺的实验研究 摘要 随着我国经济的增长和生活节奏的加快，快速方便食品越来越受到欢迎，特 别是高质量的婴儿食品和保健食品的需求量急剧增加，高档餐饮业也在各地应运 而生。这些都给冻干食品的推广普及提供了广阔的市场。 近年来，中国渔业产量的不断提高，产量逐年递增，到2 0 0 7 年底已经增长到 5 4 7 5 万吨。据统计，自1 9 9 0 年起我国水产品年产量就已跃居世界第一，并连续 1 5 年成为世界渔业第一大国。然而，作为一个水产大国，我国的水产品加工技术 与发达国家相比存在较大差异。但我国的水产品有着数量大、品种多、质量高、 价格低的特点，这些优势将弥补技术上的缺陷，使我国的水产品加工技术在国际 市场上同样具有较强的竞争力。 水产品由于其风味独特，含有丰富的蛋白质等营养物质，一直深受广大消费 者的喜爱，但这些营养物质在高温条件下，很容易发生变化，致使食品腐败变质。 因此，水产品的低温脱水加工技术，能较好地保持水产品原有的品质，延长水产 品的保质期，并且方便长途运输、贮藏和消费。 本文理论分析了真空冷冻干燥的基本原理和特点。通过对水产品的特点剖析， 总结出水产品真空冷冻干燥中前处理、预冻、升华干燥及解析干燥四个过程的工 艺特点和技术参数。同时，在对鱼、虾、贝三大类水产品进行差异分析后，阐述 了不同种类水产品真空冷冻干燥工艺上的区别，并归纳出水产品冻干过程中存在 的问题和技术难点。 对黄蚬的物理特性和生物特点进行分析后，制定出黄蚬真空冷冻干燥的工艺 路线及工艺操作步骤。根据实验条件将黄蚬冻干过程转化为一维稳态问题，并建 立了黄蚬真空冷冻干燥传热传质物理模型。由热通量公式和水分升华速率公式化 简得冻干所需理论时间公式，代入实验条件及黄蚬的特性参数，得黄蚬冻干所需 理论时间。此外，还根据升华水分迁移的特点和预实验结果，确定实验厚度为5 m m 。 实验使用d s c 差式扫描量热仪对黄蚬共晶点进行测量，设定扫描仪的降温速 率为5 m m ，温度扫描范围为0 4 5 ，由d s c 曲线可知，黄蚬的共晶点温 度范围为2 0 一2 3 。真空冷冻干燥实验中，冻结终温一般为共晶点以下5 7 ，因此，确定本实验中黄蚬预冻阶段的板层温度设定为3 0 。 i 上海海洋大学硕士学位论文 通过对黄蚬进行1 2 次不同真空度下的真空冷冻干燥，比较了不同真空室压力 对黄蚬冻干速率及干品品质的影响，综合黄蚬冻干速率、干品水分含量及复水性 等几方面分析，提出了黄蚬的冻干工艺条件为：预冻终点温度为3 0 ，真空室压 力为3 5 p a 叫0 p a ，解析阶段板层温度设为3 0 时，整个冷冻干燥过程用时约1 6 5 个小时，干品黄蚬水分含量为2 1 ，复水率高达9 3 5 6 ，且复水后的黄蚬增加了 呈味氨基酸，具有海鲜特有的鲜香味，除水分外皆具有冻干黄蚬加工前的物理特 征。 由于本论文不仅研究了真空度和板层温度对黄蚬真空冷冻干燥的影响，并且 为了测试真空冷冻干燥环境下黄蚬的干燥速率，对电子天平及冻干机的真空接头 进行改装，搭建了真空冷冻干燥天平系统和温度测量装置，为了更准确地记录各 时刻黄蚬的质量变化和脱水情况，我们还进行了天平数据线的连接。搭建后的试 验台能满足课题的要求，为冻干过程中各阶段的升华速率的研究提供了良好的试 验平台，有利于研究黄蚬冻干的优化工艺，同时也有助于各阶段冻干时间的确定， 从而降低了能耗和成本，达到了设计的目的。 本文对3 0 3 5 p a 、3 5 4 0 p a 、4 0 4 5 p a 、4 5 5 0 p a 的真空度范围分别进行了升华干 燥，比较了四种不同真空度下黄蚬升华阶段质量变化情况，研究结果表明在相同 的初始条件下，真空度为3 5 p a 4 0 p a 时，黄蚬升华各阶段的质量下降均最快，为 4 1 7 9 1 1 ，4 0 p a - _ 4 5 p a 、4 5 p a - 5 0 p a 、3 0 p a _ 3 5 p a 的条件下升华速率依次递减。 此外，对解析干燥阶段黄蚬的脱水速率也进行了研究，分别对3 0 、4 0 、 5 0 三种工况下解析干燥过程中黄蚬的质量变化进行比较。由解析阶段黄蚬质量 变化曲线可知，4 5 小时结束解析是比较经济合理的。实验结果表明，解析温度同 干燥速率成正比，当解析干燥阶段加热温度为5 0 时，黄蚬脱水速率最快，为 1 2 9 l l 。从保持产品品质和节约能耗角度来分析，5 0 是比较适宜黄蚬真空冷冻干 燥的解析温度。 通过理论分析和实验数据对比，最终确定了黄蚬真空冷冻干燥的优化工艺为： 预冻温度3 0 。升华干燥阶段的真空箱压力控制在3 5 4 0 p a ，解析干燥阶段温度为 5 0 。在这样的实验条件下升华和解析干燥速率最快，分别4 1 7g l l 和1 2 9 m 。 关键词：黄蚬，真空冷冻干燥，真空度，解析温度，工艺研究 上海海洋大学硕士学位论文 s t u d yo nv a c u u mf r e e z e - d r y i n gt e c h n o l o g yo f a b s t r a c t w i mt h ef a s te c o n o m yg r o w i n ga 1 1 d l es p e e d i n gu po fr h y 廿l i no fp e o p l e sl i v m g ， c o n v e l l i e n c ef o o dh a sb e c o m em o r ea i l dm o r ep o p u l a ld e m 锄d sf o rb a b yf o o d 觚d 劬c t i o m lf o o d 谢t 1 11 1 i 曲q 砌埘a r er i s i n gs i 鲥f i c a n t l y 1 1 1 ed e v e l o p m e mo ft o p g r a d e c a t e r i n gi sb o o m i n g t h e 世o r dal a r g ep o t e n t i a lm a r k e tf o rt l l ep o p u l a r i z a t i o no f 五r e e z e d r i e df o o d i i lr e c e n ty e a r st h ef i s h e r i e so u t p u to fc l l i l l ak e e p si n c r e 舔i n g ，w h i c hh a sr e a c h e d 5 4 ，7 5 0 ，0 0 0t o n si i l2 0 0 7 a c c o r d i n gt 0s t a t i s t i c s ，o u r 彻r t i o n s 锄u my i e l do fa q 岫t i c p r o d u c t sh a sb e e nw o r l d 、i d en o 1s i n c e19 9 0 ，趾dc h i n ah a sr e m a i n e d 弱t h eb i g g e s t 丘s h 硎e sc o u l l 仃yi i lt 1 1 ew o r l df 0 r15y e a r s l o u 曲t e c l l l l o l o g i e so na q 岫t i cp r o d u c t s p r o c e s s i n g 洫c 1 1 i n as t i nr e m a m a tt l l es 伽啊n gs 切r g e 觚dt h e r ee x i s t sab i gg a pc o m p a r e d w i t l la d v a l l c e dc o 州e s ，o t h e ra d v 嘲g e so fd o m e s t i ca q u a t i cp r o d u c t s ，e g ，l l i 曲 q u a j i 够a 1 1 dl o w 皿c ec a j lf e t c hu p l et e c l l l l o l o g ) rl i i i l i t a t i o na tac e r c a i ne x t e 她w l l i c h m a k ec l l i r l e s e 仔e e z ed r i e df o o d1 1 i g m yc o m p e t i t i v emt l l ei n t e m a t i o r 脚m a r k e t a q u a t i cp r o d u c t sh a v eg o o d 伽滟孤da b 眦d a n tn u t r i t i o n a lc o m p o n e n t s n e s e i m t r i t i o r l a lc o m p o i l e n t s ，h o 、e v e r ，a r eu n s t a b l eu n d e r l em 曲t e m p e r a ：t u r ec o n d i t i o 玛 w l l i c h1 e a d st ot h ef o o ds p o i l a g e t h e r e f o r et h e 印p l i c a t i o no f1 0 wt e m p e m t u r e d e h y d r a t i o nt e c h n o l o g i e si si i l l p o r 锄i tc a nk e e pt h eo r i g i n a lq 砌i t ) ro fa q u a t i c p r o d u c t s ， e x t e n dt h e i rs h e l fl i v e sa n d 甜r o r dc o n v e l l i e n c ef o r l o r 培一d i s t a n c e 缸a n s p o r t a t i o n ，s t o r a g ea n dc o n s u m p t i o n t h ep r i n c i p l e s 龇l df e a t u r e so fv l c u 哪f 沁e z e - d r y i n gt e c h n 0 1 0 9 yw e r ei i l 仃o d l l c e di i l n l i sa n i c l e t h r o u 曲m e 删y s i so fc h a r a c t e r so fa q u a t i cp r o d u c t s ，位t e c m q u c f e a t u r e sa n dp a r 锄e t e r so fp r e t r e a t m e n t ，p r e 一丘e e z e ，s u b l i m a t i o nd d r i n ga i l dd e s o 印t i o n d 巧i n gi nm ev a c u u m 丘e e z e d d r 洫gp r o c e s sw e r ec o n c l u d e d i i la d d i t i o 玛a c c o r d i i l gt o r e s u l t so fc o m p a r i s o n 锄o n gf i s ks l l r i i n pa l l ds h e l m s l l ，d i 毹r e mt e c l l i l o l o g i e so f v a c u 啪 行e e z e d i ) r i n g i i lv 撕o u s a q u a t i cp r o d u c t s w e r e i l l u s t r a t e d t b c h l l i q u e d i 币c u l t i e sw e r ea l s os u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot 1 1 ea r l a l y s i so fp h y s i c a la r l db i o l o g i c a lc h a r a c t e r so fc d 柏f c “肠口舭口 i 上海海洋大学硕士学位论文 加删匆，t h ef r e e z e - d r y i n gp r o c e s ss c h e m ew a sp r o p o s e d t h ed r y i n gp r o c e s sw a s r e g 莉e d 嬲a0 n e - d i m e n s i o 删s t e a d ys t a t ep r o b l e m t h eh e a ta n dm a s s 咖1 s f e rm o d e l f o r 丘e e z e d r y i n gw a l sb u i n t h e o r e t i c a lt i m ee q u a t i o nw 嬲o b t a i n e d 丘o mh e a tf l u x e q 嘣i o n 砒l dm o i s t u r es u b l i m a t i o nv e l o c i 够e q u a t i o n w i t l le x p e r i m e n 诅lc o r l d i t i o n s 龇l d c h 觚l c t e r i s t i cp 猢e t e r so f 而纪“肠口“陀口加材沈，m et l l e o r e t i c a lt i r n ec a i lb e c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt 0 c h a r a c t e r so fs u b l h em o i s t u r e 仃a i l s f e ra i l dr e s u l t so f p r e - e x p e d m e n t s ，t h e 枷t i a lt h j c 蛔e s so fs t a c l ( i n g 而缸材肠口姗阳抛砒w a sd e t e 咖i 1 1 e d t ob e5n u n t h ed i f 诧r e n t i a ls c 删n gc a l o 血n e t e rw a su s e dt om o i l i t o rt h ee u t e c t i cp o i n to f 而配材肠口班口乃p “冼1 t h ec o o l i n gr a t ew a u ss e 砌e da t5 m i i lw m l et h et e m p e r a n 鹏 s c 舢血g 舳g ew a so 4 5 f r o mt l l ed s cc u e ，舭t e m p e r a n 鹏r 觚g eo fe m e c t i c p o i n to fc d 而f c “肠口砒口办p 砒w 嬲s p e c u l 砷e dt 0b e - 2 0 、2 5 s i l l c et h ee n d n e e z i n g 锄：1 1 p e r a t l l r e i s g e n e r a l l y 5 l o 、e rt l l a nt l l ee u t e c t i cp o 毗t l l e p l a t e t e m p e r a t u r eo f 而纪甜肠口“馏口加甜比i i lt t l ep r e - 仔e e z es t a g ei nt l l i se x p 面m e n tw 鹊 s e t t l e da t 3 0 1 1 1 ev a c u 啪触e z e d r ) r i n g 、v a sp e 墒肌e dl2t i m e su n d e rd i 腩r e n tv a c u 啪d e g r e e s e 仃e c t so fd i 脏r e mv a c u u mc h 锄b e rp r e s s u r e s0 n 也e 舶e z 啦r a t ea n d “e dp r o d u c t q u a l i t ) ，o fc d ，6 f c 甜肠口。f ，p 口办e z f 如w e r ec o m p a 陀d b a s e do nt h ea n a l y s i so ff k e z i n g r a t e 、m o i s t u r ec o n t e n to fd d e dp r o d u c ta n dr e h y d r a t i o nr a t i o ，t l l eo p t i m i z e dp r o c e s s i n g c o n d i t i o n s 、r ed e t e m l i n e d r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt 1 1 ef b e z i n gt e m p e r a t u r ew 硒3 0 t 1 1 ev a c u 啪c h 锄b e rp r e s s u r ew a s k e p tb e 眦e n3 5 - 4 0p ad 吨t h es u b l i m a t i o n s t a g ea n dt h ep l a t et e m p e r a t u r ew 嬲m a i n t a i n e da t3 0 i i u r i n gt h ed e s o r p t i o ns t a g e t h e w h o l ef r e e z e d r y i n gd u r 缸i o nw 硒l6 5 h t h em o i s t u r ec o m e n to f l ed r i e dc o ，6 耙甜肠 口姚船加砒w a s2 1 a i l di t sr e h y d r a t i o nr a t i or e a c h e d9 3 5 6 ，n l ec o n t e n t so f f l a v o r 锄m oa c i d sw e r ei n c r e a s e di nt h er e h y d r a t e dp r o d u c t s ，w h j c h 、s t r e n g t l l e n e dt h e s e af o o d 劬g r 觚c e a up h y s i c a lf e a t u r e so fp r o d u c t se x c l u d i i l gt h em o i s t u r ec o n t e m r e m a i n e dt h es 锄e i l la d d i t i o nt ot l l ee 行e c t so fv a c m 吼d e g r e ea 1 1 dp l a t et e i n p e r a t u r eo nt h ev a c u 岫 f 沁e z e d r y h l go f ? d ，6 缸材肠口“，口加z 托拓，t 1 1 ei 蛔i 1 1 9r a t eo fc d r 6 勿2 妇口z ，口厅p z 眈u n d e r t l l ec o n d i t i o no ff r e e z e d r y i i l gw e r ea l s oi 1 1 v e s t i g a t e di nt l l i s 咖d y 、，a c l n m lf i t t i i l g so f e l e c 仃。血cb a l 锄c ea n d 丘e e z ed r y e rw e r er e f i 骶dt op r o d u c et ：h ev a c u u 啪丘e e z ed r ) ，i n g b a l a n c es y s t e m 趾dt e m p e r a t u r em o i l i t o r i i 玛e q u i p m e n t d a t aca _ b l e so ft ：h eb a l a n c e 、v e r e c o r u l e c t e d 乜oi n o i l i t o rt i l ec h a n g e so f 、v e i g h ta i l dd e h y d r a t i o no fc d ，_ 6 f c “肠口。f ，口 p 甜如 上海海洋大学硕士学位论文 m o r ea c c m a t e l y t 1 1 er e f i t t e de x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e np r o v e dt ob es u i 切b l ef o rt l l e r e s e a r c h ，w m c hc a nh e l pt 0d e t e m i n et l l ed d ，i r 唱t i m ea td i a e r e ms t a g e s 觚dc o 枷b u t e t ot l l er e d u c t i o no fe n e 唱yc o s t s u b l i m a t i o nw a sp e 响珊e du r l d e rf o u rv a c u 啪d e 伊e er a n g e s ，i e 3 0 一3 5p 如3 5 4 0 p a ，4 0 一4 5p aa n d4 5 - 5 0p a w e i g h tc h a l l g e so fc d 而如“肠口“膨口胁“如i i lm es u b l i m a t i o n s t a g eu n d e rm e s ef o u rm g e s 、e r ec o m p a r e d r e s u l t sl 珀v es h o 、nt l l a tu n d e rm es 锄e “t i a lc o n d i t i o n ，t ：h eq u a l i t yo fc d 而f c “肠口矩理口加“沈i i lt h es u b l i m a t i o ns t a g ed e c r e a s e d m o s tm p i d l y ( 4 1 7 鳓w h e nm ev a c u 啪c h 锄b e rp r e s s w e 麟3 5 _ 4 0p a n e s u b l i i i l a t i o nr a t ew a s 伊a d u a l l yd e c r e a s e du i l d e r4 0 4 5 甩4 5 5 0p a 觚d3 0 - 3 5 飚 r e s p e c t i v e l y d e h y d r a t i o nr a t e so f ，6 纪甜肠口z f ，口办p 。f 昆i 1 1t h ed e s o r p t i o nd 巧i n gs l a g e 、v e r e 酊s os t u d i e d w e i g h tc h a n g e so fc d ，6 配甜肠口。f ，口办p z ，d 匆u n d e r3 0 、4 0 a n d5 0 w e r ec o i n p a r e d r e s u l t sl 埘v es h o w nt l l a tt h eo p t i l l 1 i z e dd e s o 印t i o nd u r a r t i o nw 弱4 5 h o u r s f u n l k n n o r e ，l ed e s o r p t i o nt e m p e r a _ c u r ew a s i 1 1d i r e c tr a t i ow i lt h ed r y i n gr a t e t h ed e h y d r a t i o nr a t i ew 舔凤e s t ( 1 2 9 1 1 ) w r h e n l eh e a t i n gt e r n p e r a t l 肛e 、勰5 0 d u r i n gd e s o 印t i o nd r y i n gs t a g e f r o mt h ea n g l eo fq u a l i t ) ，k e e p i l l g 肌de n e r g ys a v i l l g ， 5 0 i st h eo p t i m i z e dd e s o 印t i o nt e n l p e r a t u r ef o rt 1 1 ev a c u u m1 j r e e z ed r y i n go fc d ，6 f c “肠 t h r o u 曲t h e o r e t i c a ja n a l y s i sa i l dd a ：t ac o m p 撕s o n ，t l l eo p t i m a l lt e c h l l i q u e sw e r e d e t e n i l i n e d t h ep r e - 丘e e z et e m p e r a t u r e ：- 3 0 ；t h ev a c u u mc h 锄b e rp r e s s u r ed 面n g t 1 1 es u b l i m a t i o ns t a g e ：3 5 - 4 0 p a ；t h et e m p e r a 臼鹏d u r i n gt h ed e s o r l 砸o ns t a g e ：5 0 h i g h e s ts u b l i m a t i o na i l dd e s o 印t i o nr a t e s 、e r eo b s e r v e du n d e rs u c hc o n d i t i o 邶，w m c h r e a c h e d4 1 7g l la n d1 2 9 l l ，r e s p e c t i v e l y k e yw o i 己d s ： ，6 配“肠口讹口抛甜如，v a c u l 瑚i 沁e z e d d ，i 1 1 9 ，d e 孕e eo fv a c 啪， d e s o 印t i o nt e m p e r a t u r e ，t e c c a lr e s e a r c h v 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：历尔壤 日期硼暑年岁月夕日 学位做储虢磊会壤指剥嗽：侈砧 日期：乃砖年y 月，日日期：腓j 月巧日 | 上海海洋大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、意义及内容 1 1 1 课题的研究背景 随着科学的发展，各种各样的脱水技术走近了我们的生活，如：热风干燥、 冷风干燥、喷雾干燥、真空冷冻干燥等，这些脱水技术各有其不同的特点，针对 食品保鲜和保质期而言真空冷冻干燥是佼佼者。 真空冷冻干燥技术诞生于1 8 1 1 年，当时用于生物体的脱水，1 9 1 9 年沙克尔创 建了真空冷冻干燥方法，保存了菌种、病毒和血清，使真空冷冻干燥技术得到了 广泛应用【l 】。真空冷冻干燥技术最早应用于医药方面，主要用于血清、血浆、疫苗、 酶、抗生素、激素等药品的生产【2 】。同时，也用于生物化学、免疫学和细菌学等临 床检验药品的干燥【3 】。它可以使药品不变质，可以长期保存。容易实现药剂定量准 确，容易进行无菌化操作，可以大批量无菌化生产。 经过几十年的发展，冻干食品在欧、美、日已进入消费的方方面面，消费比 例越来越大。目前冻干食品的年消费量，美国是5 0 0 万t ，日本3 6 0 万t ，法国1 5 0 万t 。 美国和日本市场上出售的脱水食品中，冻干食品己占到4 0 以上1 4 j 。目前，世界上 共有规模较大的冻干食品企业约1 3 0 家，其中日本有2 5 家，年产值1 7 0 0 亿日元，日 本市场的真空冷冻干燥食品主要有：咖啡、红茶、绿茶类、蔬菜类、蘑菇类、果 实类、海藻类、加工食品、熟食品、酿制品和特殊用途食品【5 】。在大多数欧洲国家 的商店里，都可以找到真空冷冻干燥食品，但从冻干食品的消费现状来看，零售 业只占一定比例，而主要用于食品工业、汤料工业、快餐和公用事业部门，也可 用于军队食品供给及其他即食食品。 近二三十年来，真空冷冻干燥技术除在应用范围和应用水平上有了较大提高 外，在理论研究水平上也有了较快的发展。国内外研究者根据不同的物料，提出 了很多种描述真空冷冻干燥的数学模型，冻干理论和工艺的研究正在向着深入和 广泛的方向发展。1 9 6 7 年s a i l d 2 l l l 等提出了冻干冰界面均匀后移的稳态模型( u l 模型) ，实验证明能较好地计算出升华阶段所需的时间。1 9 6 8 年d y e r 等又提出了 热量由搁板通过冷冻层，冻干室内气体通过已干层以及在辐射条件下的准稳态冻 干模型。1 9 7 9 年u t c h 丘e d l d 等提出了冻干的吸附一升华模型，给出了数值解【6 j 。 上海海洋大学硕士学位论文 我国于二十世纪5 0 年代引进真空冷冻干燥技术，当时主要应用于医药及生物 制品，6 0 年代末期，开始在食品工业中应用【7 一。广东、北京、上海、大连等地建 立了冻干食品生产基地，当时主要用于军需供给和战略储备，但后来由于形势原 因以及当时的冻干食品成本高、缺乏市场，这些基地相继拆除例。直到8 0 年代后期， 一些外商看中了中国丰富的原料市场，开始在大陆投资建厂生产冻干食品，产品 主要外销。9 0 年代以后，我国脱水蔬菜出口量约占世界总产量的2 3 ，每年出口量 以3 0 的速度增加【1 0 1 。随着我国经济的增长和生活节奏的加快，快速方便食品越 来越受到欢迎，特别是高质量的婴儿食品和保健食品的需求量急剧增加，高档餐 饮业也在各地应运而生。这些都给冻干食品的推广普及提供了广阔的市场，冻干 人参、蜂王浆、中草药、珍贵的动植物等，在国内外己有相当的声誉【l 卜1 4 j 。 随着社会不断地进步，真空冷冻干燥技术作为一门涉及多领域的交叉学科， 也逐步应用到各个行业，越来越贴近于我们的生活。经过几十年发展，该技术已 经成为食品加工业的先驱，此外，在一般民用食品中也确立了稳固地位，如：干 燥咖啡、速溶茶、果汁、多种果蔬、汤料等i l5 。 近年来，中国渔业产量的不断提高，产量逐年递增，水产品加工业也取得了 突破性进展。已形成冷藏、罐藏、调味食品、鱼糜制品等几十个产业门类，成为 推动渔业生产可持续发展的重要动力。如图1 1 所示，1 9 4 9 年我国水产品年产量 只有5 2 4 万吨，到改革开放初期，增长相对比较缓慢，但在1 9 7 8 年之后，我国水 产品年产量涨幅较大，到1 9 9 9 年已经跃升为4 1 2 2 万吨，之后产量逐年递增，到 2 0 0 5 年底已经增长到5 1 0 1 万吨，去年已增长至5 4 7 5 万吨。可见我国水产品年产 量相当大，据统计，自1 9 9 0 年起我国水产品年产量就已跃居世界第一，并连续1 5 年成为世界渔业第一大国【l 制。 冒 r 咖 址 廿 量 也 * 上海海洋大学硕士学位论文 然而，作为一个水产大国，我国的水产品加工技术仍处于起步阶段，发展速 度与发达国家相比存在较大差异。但我国可用于冻干的水产品有着数量大、品种 多、质量高、价格低的，这些优势将弥补技术上的缺陷，使我国的冻干食品在国 际市场上同样具有较强的竞争力。 我国传统的名贵海产品如干贝、海参、鱼翅等，大多采用干制的方法加工而 成。研究表明，采用传统的自然风干或人工热风干燥加工上述海产品时，水溶性 及热敏性等营养活性物质有一定损失，同时，制品的体积缩小严重，复水较难， 还易出现表面结壳龟裂脂肪氧化，导致产品表面变色等质量缺陷，影响了制品质 量的均一性和耐藏性【1 7 】。如果采用真空冷冻技术来加工水产品，便能有效克服上 述问题，不仅可以保证成品品质的均一性，还可改善其外观和内在品质，提高经 济效益。 1 1 2 课题的研究意义 水产品由于其风味独特，含有丰富的蛋白质等营养物质，一直深受广大消费 者的喜爱，但这些营养物质在高温条件下，很容易发生变化，致使食品腐败变质。 因此，水产品的低温脱水加工技术，能较好地保持水产品原有的品质，延长水产 品的保质期，并且方便长途运输、贮藏和消费。 本课题对水产品的结构特点和生物特性进行分析后，总结出水产品真空冷冻 干燥中前处理、预冻、升华干燥及解析干燥四个过程的工艺特点和技术参数。同 时，在对鱼、虾、贝三大类水产品进行差异分析后，阐述了不同种类水产品真空 冷冻干燥工艺上的区别，并针对上述分析归纳出水产品冻干过程中存在的一些问 题和技术难点。然后，以黄蚬为例，通过对其理论模型的研究，计算出黄蚬冻干 所需的理论时间，并实验研究获得黄蚬真空冷冻干燥适宜的箱体真空度、解析温 度、及升华和解析阶段的干燥速率，从而得出黄蚬真空冷冻干燥的最佳工艺，为 工业生产提供了理论基础和技术参数，从而为改变我国目前出口蚬肉大多采用速 冻小包装方式的现状奠定了基石，解决了冻品品质与生鲜蚬肉相比有明显差异， 且食用相对不便的问题，使干品结构、风味及品质均与生鲜品相近，复水性极好， 大大提高了产品的附加值，进而改变出口价格偏低的问题。随着经济的发展，人 民生活水平的提高，“安全、营养、方便”的水产品已经成为2 1 世纪的新要求。 1 1 3 课题研究的主要内容 本论文对通过对水产品的结构特点和生物特性进行分析，得出水产品真空冷 冻干燥的特点及技术参数，并着重对黄蚬冻干最佳工艺进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 本文通过对水产品的特点剖析，总结出水产品真空冷冻干燥中前处理、 预冻、升华干燥及解析干燥四个过程的工艺特点和技术参数。同时，在对鱼、虾、 上海海洋大学硕士学位论文 贝三大类水产品进行差异分析后，阐述了不同种类水产品真空冷冻干燥工艺上的 区别。最后，针对上述分析归纳出水产品冻干过程中存在的一些问题和技术难点。 ( 2 ) 本文根据黄蚬的物理特性和生物特性，结合实验条件，拟合出黄蚬真空 冷冻干燥的理论模型，并计算出黄蚬冻干所需理论时间。 ( 3 ) 本文在传统的冻干研究测试的理论基础上设计了天平称量系统，并搭建 了实验台。主要包括天平系统的设计连接及天平数据线的制作等。 ( 4 ) 本文采用d s c 差式扫描量热法对黄蚬结晶过程进行模拟，从而得出黄 蚬的共晶点，进而确定第一阶段的预冻温度。 ( 5 ) 本文采用单因素实验，改变真空冷冻干燥机的箱体真空度，获得黄蚬冻 干适宜的真空度范围。 ( 6 ) 本文搭建真空冷冻干燥天平测量系统，对黄蚬真空冷冻干燥时升华阶段 不同真空度下及解析阶段不同解析温度下的质量变化进行测量，最终计算出黄蚬 真空冷冻干燥各阶段的干燥速率。 1 1 国内外真空冷冻干燥研究的发展动态口町 1 2 1 学术发展的动态 真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产 品深加工等领域有着广泛的应用。因此，国内外对这项技术都相当重视。国内有 中国化工学会化学工程委员会，每两年召开一次全国性干燥技术学术交流会，会 上都有多篇冻干技术的文章发表；再有，中国制冷学会第六专业委员会每四年召 开一次全国性真空冷冻于燥学术讨论会，会上发表的文章全部是冻千方面的；中 国真空学会、农机学会、食品学会、医药、生物等方面的有关会议，都有冷冻 干燥方面的文章。 国外方面，国际干燥学会每两年召开一次学术交流会，i d s 9 8 国际会议上， 美国密苏里罗拉大学a l i 印i s 教授获得了“杰出冷冻干燥奖”，获奖原因是在真空 冷冻干燥基础研究方面做出了突出贡献；2 0 0 0 年国际干燥会议有3 0 多个国家和地 区参加，发表论文3 0 篇，共设5 个奖项，其中第三项为“冷冻干燥突出贡献奖”； 2 0 0 2 年第1 3 届国际干燥学术研讨会在中国北京召开，论文集共3 卷，a 卷集中收 录了冷冻干燥方面的文章，并且在研讨会上作了8 个大会专题报告，在中国干燥 技术进展的报告中两次提到东北大学在冻干眼角膜保持活性方面做出的成绩，日 本学者主动提出与东北大学相互交流参观实验室。 4 上海海洋大学硕士学位论文 1 2 2 国内外冻干技术基础的研究动态 国内冻干理论研究最早的是华中科技大学，研究的范围如下。 ( 1 ) 低温生物学中传热传质研究：探讨生物细胞损伤机理。 ( 2 ) 多孔物质真空冷冻干燥过程中的传热传质问题：摄动法引入冻干多孔介质传 热传质问题的求解。 近几年研究冻干理论有明显进步的是东北大学、上海理工大学，研究的范围 如下。 ( 1 ) 物料在冻于机搁板上冷冻的传热模型。 ( 2 ) 角膜在降温仪内冷冻的传热模型。 ( 3 ) 脂质体和生物组织冻干过程的模拟。 ( 4 ) 冻干理论具体化、细致化、生物组织保持活性。 1 2 3 国内外冻干设备的研究动态 冻干设备可分为医药用、食品用和实验用三种类型。对医药用冻干设备非常 看重清洁和可靠；食品用冻干设备看重产量；实验用冻干设备看重功能齐全，精 度高。 目前世界上食品冻干设备生产厂家除丹麦、日本等几家外，国内冻干设备也 迅速发展，产品综合性能以类似丹麦冻干形式的设备趋于领先地位，它主要由以 下组成【1 9 j ： 干燥舱：圆形、直径2 5 0 0 i m n ，不锈钢材质。 加热系统：加热板、加热罐、循环泵、换热器、阀门。 制冷系统：压缩机组、交替扑集的水汽捕集器。 真空系统：抽空泵组、维持泵组。 融冰系统：不锈钢融冰罐。 控制系统：电气控制柜、空压机、干燥器、阀门。 附属系统：冻结室、料车、料盘、吊轨。 国内冻干设备已经实现了现代化国产医药用冻干设备达到了功能齐全、工作 可靠性能稳定、控制先进，全面贯彻执行了g m p 标准，各项技术指标都能满足生 物制品和药品冻干生产的需要。 国内最早设计医药用冻干机的是上海葛学煊工程师，1 9 5 1 年设计成功。1 9 5 3 年由上海合众、五昌机械厂和上海医疗器械厂分工制造。目前具有代表性的生产 厂家有上海东富龙、远东、北京天利公司等【2 0 1 。 国产食品用冻干设备已经实现了大型化，目前最冻干设备冻干面积单台可以 达到2 0 0 m 2 ，隧道式半连冻干设备也已经问世。食品用冻干设备也普遍采用了控 5 上海海洋大学硕士学位论文 机自动控制生产。国内最早使用的食品冻干设备1 9 6 7 年旅大冷冻食品厂日产5 0 0 k 的冻干装置【2 l 】。目前有代表的厂家有沈阳新阳、兰州科近等，第一台连续冻干设 备由沈阳冰天公司研制成功。 目前，虽然国产实验用冻于机也有了几种不同的规格，但国产冻干设备还有 许多不足，例如：主要控制元件和可靠的功能元件靠进口；连续式冻干设备太少； 实验用冻干设备功能、精度不能满足要求；互相重复的东西太多，创新性成果太 少。 在国外，无论医药用还是食品用都有多种连续式冻干设备，而且许多公司都 发展了深低温冻干设备。国外医药冻干设备出现了几种连续式冷冻颗粒深低温产 品，提高了制品的产量。冻干设备的制造商更关心节能，为节能做了不少工作。 例如装产品的料盘就有很多种，并比较了各种料盘的热传导性能，给出适应不同 物料的料盘结构。新型低温颗粒化连续式冻干设备是另一种新型低温造粒化连续 式冻干设备，其低温粉碎快速造粒器【2 2 1 。国外实验用冻干设备功能齐全，可以显 示能耗指示，水分含量测量等参数。 1 3 真空冷冻干燥技术在水产品加工中的应用现状 1 3 1 海水产品加工 李志平等人【2 3 】通过冻干实验，获得了免发海参的适宜冻干工艺。除了一般的 水产品前处理过程，包括剖腹除内脏等，他们还对海参进行了破壁和熟化处理； 选取的熟化温度为1 0 0 ，熟化时间约为1 h ，以参体能咀嚼作为评价标准。然后 将熟化后的海参捞出滤水并冷却至室温，再送入冻干机进行冻干。实验选取的海 参预冻温度为2 0 时，升华阶段的箱体真空度为8 0 p a ；解析温度不宜超过6 0 ； 约1 2 h 冻干结束，最后对冻干海参进行密封包装。由于熟化后的汤汁中含有大量 海参的营养物质，因此可过滤去杂质，用不锈钢料盘盛放，放在冻干机中一起进 行冻干，冻干所得粉末为水溶性海参营养物质。如将海参溶入浸泡过刺参的水中， 食用时味道则更佳。 海参为软体海产品，加工过程中营养物质容易大量流失，而真空冷冻干燥为 纯物理处理，脱水彻底，可以使海参的色、香、味、形及活性几乎保持不变，与 市面上出售的采用自然风干或热风干燥生产的干海参相比，且形体大而饱满，食 用时无需胀发，复水时间短；复水后外形美观；烹饪后味道较为鲜美。只要避光 密封，无需任何添加剂，就可在常温下长期保存。 6 上海海洋大学硕士学位论文 虾仁的肌纤维比较细，组织蛋白质结构松软，水分含量多，所以不仅营养价 值高，脂肪含量低，肉质鲜嫩食用起来既无鱼腥，也无骨刺和虾壳，口感好，得 到了大家的青睐。 由于虾仁大小不一，形状不规则，对于鲜虾仁进行选形分类显得尤为重要， 因为对于冻干来说，不同的装盘形式将会对冻干模型产生很大影响，如不同的排 列方式和堆放方式将影响冻干过程中水分从冻结层向已干层的迁移；排放间隙过 大就