冷冻干燥法（精选7篇）
冷冻干燥法 篇1
0 引言
中国是荔枝原产国,荔枝栽培面积和年产量分别占全世界的81%和80%[1],其栽培面积与年产量均居世界第一[2]。荔枝味道甜美可口,含有丰富的糖分、钙、磷、多种维生素以及少量的脂肪、蛋白质、铁等,具有滋补和药用价值,享有“果中珍品”“岭南果王”等美誉[3]。但是,由于荔枝成熟于盛夏高温季节,采收期集中,给贮运保鲜工作带来诸多困难,素有“一日色变,二日香变,三日味变,四日色香味尽去”的特点而影响远运及商品价值[4]。传统的荔枝加工方法主要有速冻、罐藏和干制,传统方法技术含量低,营养成分损失大[5]。因此,急需通过深加工解决荔枝的保值、增值问题。
真空冷冻干燥技术能够极大限度地保持物料原有的颜色、气味和形状,极大程度地保留了营养成分,提高了荔枝干的质量且便于长途运输和长期贮藏,明显优于传统荔枝加工方法;但能耗过高已成为真空冷冻干燥技术大规模工业应用的技术瓶颈[6],真空冷冻干燥过程中的能耗问题已成为当前研究的热点问题。因此,本文通过试验研究了荔枝真空冷冻干燥工艺参数(干燥室压强、荔枝干厚度、加热板温度)对能耗的影响,目的在于促进我国真空冷冻干燥产业的快速发展,为荔枝果实加工新产品的研发提供新的思路,对提高荔枝的附加值提供有益的参考。
响应面(response surface methodology, RSM)是一种有效的多变量系统寻求优的试验策略[7],与以往采用的正交设计方法不同,响应面分析法通常是利用中心组合试验拟合出一个完整的二次多项式模型,在试验设计与结果表述方面更加优良。因此,在研究真空冷冻干燥系统中工艺参数对目标参数的影响或优化时,采用了响应面分析方法[8,9]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
市售荔枝,产地广东,品种为妃子笑,其果大、肉厚、色美、核小、味甜,品质风味优良。
1.2 试验仪器和设备
FD-5真空冷冻干燥机(如图1所示),北京博医康技术公司;XMT数显调节仪,浙江余姚市检测仪表厂;79725电热恒温干燥箱,沈阳林频实验设备厂。
1.3 方法
1.3.1 共晶点温度测定
采用电阻法[10]测定。本试验采用简易的电阻法测量荔枝共晶点温度,测量原理如图2所示。将荔枝进行缓慢冻结,在电阻突变点的温度为-23℃,即预处理后荔枝的共晶点温度为-23℃。
1.3.2 生产工艺流程
工艺流程:原料挑选→清洗→去核→切分→装盘预冻→真空冷冻干燥→干品分析。
1.3.3 试验指标的测定方法
物料在真空条件下,当干燥升华至接近终点时,物料最高温度与板温间会维持一定的温差不变,即为干燥升华终点。真空冷冻干燥过程的能耗采用单相电度表进行测量,在冻干开始和结束的时间点分别记录电表的读数。真空冷冻干燥过程的能耗是指干燥阶段结束时电表读数减去开始时电表读数后即为干燥过程的能耗[11]。
2 试验设计
2.1 试验安排
在对荔枝冻干工艺条件优选初步摸索的基础上,选取最终冻结温度小于-30℃,升华阶段物料最高温度控制为40℃,板温温度段下降幅度为5℃。根据单因素试验及分析,在保证产品质量的前提下,选取合适范围的加热板温度、物料厚度和干燥室压强为自变量,每个变量取3个水平,如表1所示。
对各因素取值作线性变换[11],即
X1=(Z1-35)/5 X2=(Z2-6)/2
X3=(Z3-50)/10
2.2 试验结果
本试验采用Design Expert 8.0统计分析软件设计了3因素3水平共17个试验点的响应面分析试验[12],以能耗为考察指标,响应面试验方案及结果如表2所示。试验号13～17为中心试验,其余为非中心试验,中心点进行5次重复试验, 用于估计试验误差。
2.3 能耗响应曲面数值分析
根据表2试验结果,用Design Expert 8.0 统计分析软件进行多元回归分析,经回归拟合后,得到能耗的二次多项回归方程为
y=18.26-0.7X1+1.3X2-0.35X3-0.13X1X2-
0.025X1X3+0.025X2X3+0.76X12+0.46X22+
0.26X32 (1)
回归方程各因素对指标的贡献率为[13]
通过比较因子贡献率Δj的大小,即可判定各试验因素对试验指标影响的主次顺序。荔枝真空冷冻干燥系统各影响因素的因素贡献率如表3所示。
加热板温度、物料厚度和干燥室压强3个因素的贡献率分别为△1=2.27,△2=2.25,△3=1.88。根据因素贡献率可知:加热板温度对冻干机能耗影响是主要的,其次是物料厚度,而干燥室压强对冻干机能耗影响最小。
对该模型进行方差分析,结果如表4所示。
从表4方差分析结果来看,F回>F0.01,说明模型显著;F拟<F0.01,说明失拟不显著,模型拟合程度良好。该模型可用于预测真空冷冻干燥过程中的能耗。
对表2中的试验数据进行分析得回归模型系数的显著性检验,结果如表5所示。
由表5回归模型系数显著性检验结果可知,加热板温度、物料厚度和干燥室压强的一次项以及加热板温度、物料厚度二次项对冻干机能耗均具有极显著影响;干燥室压强二次项对冻干机能耗有显著影响;交互项对冻干机能耗则影响不显著。
2.4 能耗响应曲面图分析
根据回归方程,把X3固定在零水平,即X3=0,即得X1和X2因素对能耗的影响如图3所示。
从图3可以看出,随加热板的温度升高,冻干机能耗逐渐降低,这主要是由于加热板温度低,传质推动力就小,所需干燥时间就会增加[14]。加热板温度升高,热通量也随着增加,荔枝的界面温度上升,提高了传质推动力,使水蒸气的逸出速度加快,干燥时间缩短。因此,干燥过程中得能耗也就随着下降。
根据回归方程,把X2固定在零水平,即X2=0,即得X1和X3因素对能耗的影响如图4所示。
从图4可以看出,随干燥室压力增大,冻干机能耗先降低后缓慢升高,这主要是由于在升华阶段压强升高,荔枝的有效导热系数增大,有利于界面温度上升[15],使干燥时间缩短,而在解吸阶段为了使剩余的水蒸汽从荔枝中逸出,必须使荔枝内外形成较大的蒸汽压差。所以,这个阶段压强大反而增加了冻干机的能耗。
根据回归方程,把X1固定在零水平,即X1=0,即得X2和X3因素对能耗的影响如图5所示。
从图5可以看出,随荔枝厚度的增加,冻干机能耗也随着增加,这主要是由于荔枝厚度的增加增大了冷冻层与干燥层的平均传热阻力和水蒸气从升华界面逸出的平均传质阻力[16],导致传到升华界面的热量及水蒸气的逸出速率减小,使干燥时间大幅度增加,因此干燥过程中的能耗也就随着增加。
通过统计分析软件Design Expert 8.0模拟得到优化编码水平为X1=0,X2=-1,X3=1,经过转化得出此优化条件为:加热板温度35℃,物料厚度4mm,干燥室压力为60Pa。
3 结论
1)在使用FD-5真空冷冻干燥机条件下,通过研究加热板温度、物料厚度和干燥室压强3个因素对冻干机能耗的影响规律,建立数学模型。经方差分析,其相关性较好,可用于预测荔枝真空冷冻干燥过程中的能耗。
2) 通过响应面分析得到了冻干参数对能耗的影响规律。利用因素的贡献率表明,加热板温度对能耗的影响是主要的,其次是物料厚度和干燥室压强。
3) 通过二次通用旋转组合试验与分析,确定了真空冷冻干燥荔枝的最佳工艺条件参数组合: 当加热板温度35℃,物料厚度4mm,干燥室压力为60Pa时单位质量耗电量达到最小。
摘要：为了确定荔枝真空冷冻干燥的工艺参数,采用电阻法测量荔枝真空冷冻干燥的物料共晶点,并应用响应面法,以冻干品生产能耗为指标进行评定考察冻干效果,优化荔枝真空冷冻干燥工艺。结果表明:荔枝真空冷冻干燥物料的共晶点温度为-23℃,干燥室压力为60Pa、物料厚度为4mm、加热温度为35℃,应用该优化技术工艺可最大限度地降低生产能耗。
关键词：荔枝,真空冷冻干燥,优化,耗电量
冷冻干燥法 篇2
溶胶-凝胶法是较早采用的制备Ti O2纳米粒子的方法,该方法在水解过程中能促进晶核的生长和颗粒的聚集,并且制作简单、操作安全便利、合成温度低、条件易于控制,得到的产物具有良好的均一性和高纯度[4,5]。
钛酸丁酯、叔丁醇,分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司;无水乙醇,分析纯,沈阳新兴试剂厂;冰醋酸,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;盐酸,分析纯,鞍山智奥化学试剂研究所;水,蒸馏水。
1.1.2 主要实验仪器
FD-1-50型真空冷冻干燥机,上海比朗仪器有限公司;Tecnai G220 S-Twin透射电子显微镜,美国产;Mettler Toledo TGA/SDTA 851差热分析仪,美国产;GSL-101BI激光颗粒分布测量仪,辽宁仪表研究所有限责任公司。
1.2 TiO2冷凝胶的制备
1.2.1 TiO2湿凝胶的制备
采用钛酸丁酯为前驱体,无水乙醇为溶剂,室温下将11.35 g钛酸丁酯和3 ml冰醋酸混合后加入到12.6 ml无水乙醇的烧杯中,一起搅拌均匀,得到透明溶液a;将浓盐酸滴加到2.4 ml的蒸馏水和4.8 ml的无水乙醇配成的溶液中,并调节p H值为1,充分搅拌得到溶液b;在剧烈搅拌的条件下,将溶液b以12滴/min的速率缓慢滴加到溶液a中,滴加完毕后,继续搅拌2 h左右,最后得到淡黄色的半透明湿凝胶[5]。
1.2.2 凝胶陈化及干燥过程
将Ti O2湿凝胶在室温条件下陈化12 h,使凝胶网络结构更加结实和均匀;将陈化后的Ti O2湿凝胶放入-30℃的条件下冷冻1 h,放入真空冷冻干燥机里冷冻干燥24 h;再将得到的样品放入60℃烘箱里再干燥1 h,最后制得Ti O2冷凝胶。
1.3 测试方法
(1)TEM测试
采用美国产Tecnai G220 S-Twin透射电子显微镜,将粉末状样品放入20 ml试样瓶中,超声分散10 min,采用铜网抄取分析样品的微观结构和形貌。
(2)差热分析
采用美国Mettler Toledo TGA/SDTA 851差热分析仪,空气气氛,升温速度20℃/min。冷凝胶的比表面积及孔径分布在AUTOSORB-1MP BET自动吸附仪上测定,吸附质为N2,测定前样品在200℃真空脱附3 h,利用BET法计算比表面积。
(3)粉体粒度分布测试
采用GSL-101BI激光颗粒分布测量仪进行冷凝胶粉体的粒度分布测试。
2 结果与讨论
2.1 TiO2冷凝胶材料的微观结构分析
采用真空冷冻干燥方法制得的Ti O2冷凝胶的微观形貌见图1。
由图1可见,TiO2冷凝胶呈均匀的海绵状多孔结构,尺寸为纳米级介孔结构,孔径约为2~5 nm,可能是因为当溶剂在孔中结晶时钛网络结构遭到破坏,得到粉末状冷凝胶。中南大学的胡久刚等[8]采用常压干燥法制备的Ti O2气凝胶的平均孔径为9.9 nm,为块状的气凝胶,虽然性能要略优于冷凝胶,但低成本、高效的粉末状冷凝胶更适用在建筑领域中应用。冷冻干燥过程的原理[9]实际上是升华干燥的过程,湿凝胶内部孔隙中的溶剂直接从固态升华到气态,从而避免液相的出现,因此可以有效阻止孔隙干燥过程产生的毛细管压力,防止孔塌陷,保持材料原有的结构形貌。
2.2 TiO2冷凝胶材料的BET分析(见图2、图3)
由图2可见,由冷冻干燥方法制备的Ti O2冷凝胶的吸附-脱附等温线出现较狭窄的滞后环,吸附-脱附曲线几乎平行。该吸附曲线基本属于第Ⅳ类型,具有多分子层吸附和毛细管凝结现象。滞留回环的吸附分支曲线在较高的相对压力下也未表现出极限吸附量,吸附量随着压力的增加而递增,表明该样品具有狭长型孔状结构[10]。经多点BET法测得Ti O2冷凝胶的比表面积为222.0 m2/g。
通过BJH方法对计算出的PSD曲线进行了分析。图3显示,Ti O2冷凝胶在2~5 nm范围内有较大体积的孔分布,最可几孔直径为2.41 nm,孔容为0.116 ml/g。采用BET测试的胶体结构要比TEM观察到的结构(图1)复杂得多。
2.3 TiO2冷凝胶的激光粒度分析
由于电镜分析是对样品局部区域的观测,为了更加清楚全面地表达样品的形貌,对样品进行了激光粒度分析(见图4)。
由图4可以看出,TiO2冷凝胶粉体的粒度分布范围相对较窄,颗粒形状较规则,颗粒尺寸小于400μm,其中大部分颗粒分布在38.19μm。因此,这种粉末状Ti O2加入到建筑外墙涂料中制备功能性建筑涂料是非常适宜的。
2.4 Ti O2冷凝胶的热分析
图5为TiO2冷凝胶的TGA/SDTA曲线。
在TGA曲线上,240~400℃之间热重曲线陡直下降,有明显的失重,对应的是物质的脱水和Ti O2冷凝胶制备过程中残留有机物的挥发,相应的在SDTA曲线上有1个小的吸热峰;从380℃开始,热重曲线趋于平缓。在SDTA曲线上,在350~400℃出现1个较宽的放热峰,为晶型转变,Ti O2由无定形向锐钛矿晶型转变;在600~800℃出现1个更宽一些的吸热峰对应于锐钛矿型二氧化钛转晶为金红石晶型。热分析结果表明,Ti O2冷凝胶具有较好的热稳定性,从600℃开始,二氧化钛从锐钛矿相转变为金红石相。
3 结语
采用溶胶-凝胶法和冷冻干燥工艺制备了新型的Ti O2冷凝胶材料。冷冻干燥法不同于传统的干燥工艺,其设备简单,安全性高,制得的Ti O2冷凝胶热稳定性好,比表面积达到222.0 m2/g,孔容为0.116 ml/g,平均孔径为2~5 nm。湿凝胶在未经干燥的状态下主要由超过90%的孔和少于10%的固体组成,因此,在整个干燥过程中,降低孔隙中的表面张力就是最关键的一环,因为表面张力广泛存在于多孔材料的孔壁气液界面上。冷冻干燥在低压和低温状态下进行,比较容易升华孔隙中大蒸汽压的叔丁醇溶剂,以此避免液-气蒸发界面,降低孔隙内的表面张力。该方法可以大大缩短整个制备时间,节省高价的改性溶剂,为实现工业化生产奠定基础。
在建筑领域中,将Ti O2冷凝胶加入到混凝土中制成光催化混凝土,或者加入到外墙涂料中,可以使大气污染物降解,净化环境。这类材料在建筑领域中的应用将会更加广泛。
摘要：以钛酸丁酯为钛源,采用溶胶-凝胶法制备TiO2湿凝胶,再用冷冻干燥方法进行干燥处理,最终制得纳米级超细粉体,亦称为TiO2冷凝胶。采用TEM、BET氮气吸附法、热重/差热分析(TGA/SDTA)、激光粒度分析方法对样品的宏观与微观形貌和结构进行了表征。测试结果表明,制备的TiO2冷凝胶是一种纳米级的多孔超细粉体,比表面积为222.0 m2/g,孔体积为0.116 ml/g,平均孔径为2～5 nm;热分析结果表明,TiO2冷凝胶具有较好的热稳定性,从600℃开始,TiO2从锐钛矿相转变为金红石相。
关键词：溶胶-凝胶法,冷冻干燥,TiO2冷凝胶,N2吸附,孔结构
参考文献
[1]Fujishima A,Zhang X T,TrykD A.TiO2 photocatalysis and relat-ed surface phenomena[J].Surface Science Reports,2008,63(12):515-582.
[2]Fujishima A,Honda K.Electrochemical photolysis of water at asemiconductor electrode[J].Nature,1972,238(5358):37-38.
[3]姚武.绿色混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006:144-150.
[4]Huang Z,Maness P C,Blake D M,et al.Bactericidal mode of titanium dioxide photocatalysis[J].J.Photochem and Photobio A:chem.,2000,130:163-170.
[5]杨依隆,辛秀兰,胡代强,等.溶胶-凝胶法制备TiO2凝胶的影响因素及方法进展[J].北京工商大学学报(自然科学版),2007,25(3):9-13.
[6]Scherer G W.Effect of drying on properties of silica gel[J].J.Non-Cryst.Solids,1997,215(2):155-168.
[7]史非.常压干燥制备SiO2气凝胶及其结构、性能研究[D].大连:大连理工大学,2007.
[8]胡久刚,陈启元,李洁,等.常压干燥法制备TiO2冷凝胶[J].无机材料学报,2009,24(4):685-689.
[9]华泽钊.冷冻干燥新技术[M].北京:科学出版社,2006:17-35.
冷冻干燥工艺曲线的制定 篇3
1 影响因素
理想的冻干曲线受诸多因素制约，如制品成分、性质、浓度、升华面积和共熔点，热传导的介质和方式、凝结器的温度、冷凝器面积和制冷能力以及系统的真空度和设备的性能等。最佳的冻干曲线要对上述因素进行综合分析，并多次实验才能获得。以下我们来具体分析一下影响冻干曲线的因素。
1.1 制品品种：
制品种类不同，共熔点也不同，共熔点低的制品要求预冻的温度低，加热时导热搁板的温度亦相应要低些。不同制品对残余水分的要求也不同。残余水的含量要求低的制品，冻干时间较长，反之，冻干时间可相应缩短。一些大分子链状化合物在冻干过程中的某一特定温度下，制品会出现收缩卷曲现象，冻干快状物变形并与容器的底部脱离，影响热传导，导致出现冻干缺陷。
1.2 制品容器的装量：
通常装量的影响可有两个方面，一是整个冻干机干燥箱总装量的多少，二是每一个制品容器内装量的多少。但无论是干燥箱体内总的药品溶液装量的越多，还是每一个制品容器内装量越多，冻干的时间均越长。
1.3 制品容器的种类：
底部平整和较薄的玻璃瓶传热较好，底部不平整且厚者传热较差，需要的干燥时间较长。金属容器的传导性能较好，利于冻干。但托盘冻干原料制品时，因底部面积较大，不容易保持平整。如托盘材料较薄，在干燥时因受热变形，也会影响冻干过程。
2 冻干曲线的设计参数
2.1 预冻速率：
多数情况下制品的预冻速率不同能通过设备有效地控制(冻干设备的最大制冷能力是不变的)。因此只能以预冻干燥箱体的方式来决定预冻速率。若要预冻速率快，干燥箱体应预先降至较低的温度再让制品进箱。反之，可在制品进箱后再对箱体降温。
2.2 预冻最低温度：
理论上预冻的最低温度必须低于制品的共熔点温度。如果预冻的最低温度高于制品的共熔点温度，制品不能完全固化，在真空干燥时液体会沸腾，造成冻干失败。因每种制品的共熔点是不一样的，预冻最低温度必须根据制品的种类、溶液的浓度等因素，通过实验确定。
2.3 预冻时间：
制品的装量较多且所用容器底厚也不平整，或不采用把制品直接放在干燥箱板层上冻干时，要求预冻的时间长一些。为使箱内每一瓶(盘)制品完全冻实，一般要求在制品的温度达到预定最低温度后保持1～2h。
2.4 冷凝器降温时间：
冷凝器在预冻的阶段，尽管预冻尚未结束，只要设备的冷冻能力有富裕，抽真空开始之前就可以开始降温。究竟在系统抽真空开始前何时开始对冷凝器降温?这需由冻干机的设备的降温性能来决定。一般要求在预冻结束，开始抽真空时，冷凝器的温度应达到-40℃左右。
2.5 抽真空时间：
预冻结束时即为开始抽真空的时间。通常要求半小时左右时间内，箱体内的真空就能达到10Pa。在抽真空的同时，打开干燥箱体冷凝器之间的真空阀，真空泵和真空阀门打开的时间应一直持续到冻干结束。
2.6 预冻结束时间：
预冻结束，就停止干燥箱体搁板层的降温，通常，在抽真空的同时或真空度抽到规定要求时，即停止导热板层的降温。
2.7 干燥过程加热的时间：
一般认为开始加热的时间就是升华干燥开始的时间(实际上抽真空开始时升华既已开始)，干燥过程中开始加热是在真空度达到10Pa时。
2.8 对干燥箱体内真空进行控制的时间：
箱体内进行真空控制的目的是改进干燥箱体内热量的传递，通常在第一阶段干燥时使用，待制品升华干燥结束后既可停止控制。在干燥的第二阶段，系统应恢复到能得到的最高真空度，恢复高真空状态使用时间的长短由制品的品种、装量和调定的真空度数值来决定。
2.9 不同冻干阶段制品加热的最高许可温度：
导热搁板加热的最高许可温度应根据制品理化性质而定。在制品升华干燥时，导热搁板的加热温度可超过制品的最高许可温度，因这时制品仍停留在低温阶段，提高搁板温度可提高升华干燥速度。冻干后期导热搁板温度须下降到与制品的最高许可温度一致。此时，由于传热产生的温差，板层的实际温度可比制品的最高许可温度略高。
桑果真空冷冻干燥技术研究 篇4
1材料与方法
1.1供试材料
桑果由山西省蚕业科学研究院基地提供,品种为广东大十。
1.2 试验方法
1.2.1 主要实验器材
真空冷冻干燥机(NB-30FM型,郑州南北仪器制造厂生产);共晶、共熔温度测试仪(GJR-Ⅱ型,洛阳工学院研制);高精度数字万用表
1.2.2 冻干工艺流程
桑果(挑选新鲜无碰压,成熟度为八到九成)→预处理(清洗)→沥水→装盘(物料单层平放,单机物料湿重为1.3kg±)→ 预冻(冻结终温-33~-28℃)→冷冻干燥(物料最高温度为35℃,终水分为3%)→出仓→称重→检测→包装
1.2.3 共晶点温度与共熔点温度测定
采用电阻法测试［４］。
1.2.4 检验方法
水分:常压烘箱干燥法;感观:以10人对口感和外观进行评分,取平均分［５］。
2 结果与分析
2.1 共晶点温度与共熔点温度的测定
物料在冻结过程中,随着内部水分不断结冰,带电离子的数量不断减少,物料的电阻就不断增大,当物料内的水分全部冻结时,带电离子即停止定向移动,物料电阻值突然增大,此时的温度即为物料的共晶点温度。冻结的最终温度常以物料的共晶点为依据,必须达到共晶点以下才能保证物料完全冻结。
由图1可得出,当桑果的温度达到-19℃时阻值突然变化,基本恒定在一个较大值位置缓慢飘移,说明桑果内的水分全部冻结,在此阶段维持2h,取上限温度-23℃作为桑果的共晶点温度。为确保冻干品的品质,使桑果完全冻结,一般冻结的最终温度要比物料的共晶点低5~10℃［４］,因此确定桑果的最终冻结温度为-33~-28℃。
共熔点是已经冻结成冰的物料在温度升高的过程中,当达到某一温度时,固体中开始出现液态的水,电阻值突然减小所对应的温度。在干燥过程中,物料干燥层的温度必须保持在共熔点以下,否则,就不能保证水分全部以汽化形式去除。
由图2得出,桑果的共熔点温度为-20℃,因此在升华阶段前期,样品温度应控制在该熔点以下,否则会使冰晶熔化,影响冻干品的质量。
2.2 桑果干燥过程的冻干曲线
2.2.1 升华干燥
在物料内的冻结冰消失前的升华过程为第一阶段干燥,即升华干燥。由于单果质量不同,含水量上会有差异,在升华干燥阶段使用二段温控程序才能更好地确保果实干燥的一致性。在大量升华初期,板温控制在0℃,样品温度控制在-25℃,维持4h;随着样品水分的减少,冰层升华的阻力逐渐增大,这时板温控制在10℃,样品温度控制在0℃,再维持4h;当样品温度出现快速上升时,此时90% 以上的水分已去除,升华干燥的过程至此已基本结束。
图3为桑果在冷冻干燥过程中,使用二段干燥程序时样品温度、隔板温度和真空度随时间变化的曲线。该曲线表明:1在升华初期,样品温度控制在-25℃,低于共熔点-20℃,提供给样品的热量都用于样品冰晶的升华,而样品温度的提高低于共熔点温度,保证了样品在升华过程中不致于熔化,出现收缩、鼓泡、干瘪等品质缺陷;2在整个升华干燥过程中,虽然板温与样品中心温度有很大悬殊,但板温、冷阱温度和真空度基本不变,升华吸热比较稳定,因此样品中心温度相对恒定。
2.2.2 解析干燥
不含冻结冰的产品尚含有10%左右的水分,为使产品达到预定的残余含水量,必须对其进一步干燥,称之为解析干燥。一般地,冻干品的残余水分量应小于5%。
图3 中,样品温度逐渐向板温靠拢,在30℃基本达到平衡。多次实验的结果,在满足安全含水量的前提下,最高安全板温控制在35℃,并维持7h以上,冻干品才具有较长时间的保质期。
2.3 影响桑果冻干品质量与产量的因素
2.3.1 桑果成熟度
试验中,桑果成熟度为黑紫色时,其果实含水量高,表皮易破损,冻干时间长,成品外观不好;成熟度为红紫色(六七成熟)时,成品酸度高,口感较差;当成熟度为紫红色(八九成熟)时,成品外观和口感综合评价最好。说明成熟度不同的桑果,其外观和口感存在不同程度的差异。因此,只有选择接近成熟的桑果作原料,才能加工出质量品性较佳的冻干品。
2.3.2 桑果物料厚度
物料厚度设3个处理:a为物料单层平放,单机物料湿重为1.30kg;b为物料单层密紧平放,单机物料湿重为1.48kg;c为物料单层平放一层半,单机物料湿重为1.73kg。
试验结果表明:3 种不同厚度的物料在升华阶段,物料的温度变化无明显差别;进入解析阶段,物料厚度越薄,水分与结合水逸出阻力越小,呈现出升温较快现象;在解析阶段的后期即进入物料温度平衡阶段,厚度a与b的温度几乎趋于一致,厚度c的温度进入平衡阶段约滞后3h,说明物料厚度对干燥时间有较显著影响。
对不同物料厚度的冻干品质量进行对比,结果表明:物料厚度a的冻干品的外观、颜色较好,而b和c的冻干品都有个别不同程度的软化、鼓泡、干瘪现象,说明物料过厚达不到物料的完全冻结效果。因此,桑果在冷冻干燥时,以单层平放最好。
2.3.3 预冻方法
桑果放入冷阱的预冻方法有两种:一种是常温下物料与干燥箱同时降温,称为慢冻法;另一种是待干燥箱搁板温度降至-40℃左右时再将物料放入,称为速冻法。
试验结果表明,采用速冻法所需的干燥时间较慢冻法长。这是因为慢冻形成的冻结冰晶颗粒少而大,且孔道大,使物料的水分蒸发加快,相应缩小了干燥升华的时间;而速冻形成的冰晶颗粒小且多,虽然孔道多,但孔道小,阻力大,不利于水汽的排出,因而所需的干燥升华时间较长。采用速冻方法的冻干品,除冻干产量略低于慢冻方法外,其外观色泽、口感等综合评价均好于慢冻方法。
2.3.4 加热板温度
在桑果的整个干燥实验过程中,为了对比加热板不同温度对冻干成品的影响,在升华阶段分别设置了一段、二段、和三段干燥参数进行对比。设置参数一段为50℃12h时,冻干品全部出现鼓泡现象;设置参数二段为0℃、10℃15h时,干燥后的成品外观保持较好;设置参数三段为-10℃、0℃、10℃19h时,干燥曲线可以细腻化的完成冻干过程,但是在实际生产中存在耗能大、时间过长,不宜推荐使用。根据本试验结果,在升华阶段,加热板温度控制在0℃和10℃二段曲线为桑果冻干过程参数的最佳工艺条件。
2.3.5 解析干燥时间
桑果冻干品在常温下用非真空密封袋保存,室温高达32℃,一月后观察。解析干燥时间小于7h时,冻干品发生了白色霉变现象,而解析干燥时间超过7h时,冻干品没发生变化。这说明解析干燥时间对冻干品的保质期有着显著影响。
2.3.6 干燥室真空度
为了测试干燥室气压对冻干品的影响,在试验过程中,干燥室真空度采用了19~26pa和26~32pa两个处理。在干燥时间上,19~26pa比26~32pa的桑果总体干燥时间早2h达到平衡点;在冻干品外观上:19~26pa,疏松多孔,颜色均匀,26~32pa,有个别鼓泡现象,颜色加深。由此说明,干燥室的真空度19~26pa时,干燥时间短,能源消耗少,冻干品外观品性好,可作为桑果冻干工艺参数。
3 小结
1)桑果属浆果类,水分含量达84%,其果实为聚花果,由多数小核果沿果实长径中心轴集合而成,每个小核果既有相互融通的部分,也有相互独立的部分,因此在冻干加工中不适宜采用切割整形来统一外形,只能采用整果粒冷冻干燥,才能呈现松软肥大的果实外形。
2)桑果原料应挑选新鲜无破损,大小均匀,八九成熟度的同品种桑果,单层平放,厚度为2cm左右,采用速冻法进行真空冷冻干燥,冻干品外观、色泽好。
3)共晶点和共熔点是冷冻干燥过程中重要的基础参数［６］,对制定物料冻干品的工艺方案和优化控制冻干过程起着决定性作用。因此桑果在进行真空干燥前,必须要先测出桑果的实际共晶点温度和共熔点温度,才能确定桑果冻干生产的最佳工艺流程。本次试验测得桑果的共晶点和共熔点分别-23℃和-20℃,冻结的最终温度为-33~-28℃。
4)桑果的干燥过程不同于其它水果,因其皮薄含水量高,在整个干燥过程中中,真空度控制在19~26pa范围内;在升华阶段加热板采用0℃ 和10℃二段温控曲线,各维持4h;在解析干燥阶段,将加热板温度控制在35℃以下,并维持7h以上,加工出来的冻干品质量品性效果最好,保质期长。
5)关于桑果冻干品质量指标的评价尚无统一标准,本文仅从桑果冻干品的水分、口感、外观以及保存情况进行综合分析,对其它指标的评价有待进一步研究。
摘要：以大十桑果为原料,测得桑果真空冷冻干燥的共晶点和共溶点分别为-23℃和-20℃,冻结的最终温度为-33~-28℃。分析干燥过程中冻干曲线变化趋势;并对影响冻干品质量和产量因素进行测试研究。结果表明:桑果成熟度为八九成熟,装盘时单层平放,以速冻方法冻结,在升华干燥阶段采用二段温控曲线,在解析干燥阶段将加热板最高温度控制在35℃,加工出来的冻干品质量最好,保质期长。
刺梨鲜果块真空冷冻干燥工艺研究 篇5
刺梨 (Rosa roxbunghii) 为蔷薇科植物缫丝花的果实, 是滋补健身的营养珍果, 研究发现刺梨含有Vc、VB1、VB2、VB3、VB6、VB11、VE、VPP、VK1、VH、胡萝卜素和胆碱等12种维生素。其中果肉Vc含量平均为2087mg/100g;每100g果肉中含有能清除血液中氧自由基的物质—SOD (超氧化物歧化酶) 1380—54000μ。另外, 刺梨还含有十八种无机盐及微量元素。其中F e、Z n、C u、M n、S e等有保健疗效作用的元素含量较高;含有糖、酸、单宁、粗脂肪及原儿茶酸、β—谷甾醇、euscaphic acid (R—5) 、tormentic acid (R—6) 、五环三萜酸—刺梨酸、刺梨甙 (R—8) 等成份。经研究现已证实, 刺梨有防止人体各种器官发生肿癌的明显作用, 有良好的排出人体内重金属 (铅) 的功能, 有抗氧化、祛黄褐斑 (美容) 、促进消化作用, 有防治冠心病、抗心绞痛、平喘、抗菌、抗肿瘤、治疗皮肤癌和早期宫颈癌、防止胆固醇过高等多种疾病的疗效, 有抗衰老的功能。中医认为刺梨有清热解暑、消食和胃的功能, 用于暑热伤津、心烦口渴、小便短赤、饮食积滞、腔腹胀满、少食腹泻。刺梨的研究开发因而受到国内外的关注。贵州刺梨栽培已形成规模, 发展成为具有重大开发利用价值的特种地域经济植物资源。
真空冷冻干燥技术是把大量含有水物质, 预先进行降温冻结成固体, 然后在真空的条件下使水蒸气直接升华出来, 而物质本身剩留在冻结时的冰架中, 因此它干燥后体积不变, 而变得疏松多孔。真空冷冻干燥技术应用于热稳定性较差的生物活性成分的生产, 能最大程度地持活性成分的活性, 避免活性成分遭到破坏, 便于长期贮存、运输和销售, 因此冷冻干燥技术被认为是最适合生物活性成分干燥的方法之一。刺梨中所含有的SOD等物质是稳定性较差的生物活性成分, 采用一般的干燥方法, 破坏非常严重, 刺梨中的活性成分没有得到利用。因此, 采用真空冷冻干燥技术加工刺梨, 对于促进刺梨产业的发展, 提高刺梨行业的整体加工技术水平具有十分重要的意义。
省政府办公厅印发《贵州省推进刺梨产业发展工作方案 (2014-2020年) 》指出:2020年全省刺梨种植面积达到120万亩, 实现刺梨年总产值48亿元, 创建省内外知名品牌5~8个。目前市面上刺梨产品繁多, 有刺梨蜜饯、刺梨原汁、刺梨饮料、刺梨酒、刺梨茶、刺梨片等, 创建省内外知名的产品, 还需对产品品质改进。采用真空冷冻干燥技术对刺梨鲜果冻干, 比真空冷冻干燥对汁的冻干刺梨的营养更加全面, 提供优质的刺梨产品加工原料, 提高刺梨产品品质。
材料与方法
材料
刺梨鲜果, 贵州省黔南州龙里县茶香村刺梨基地。
设备
ZG-25m2型真空冷冻干燥机杭州创意真空冷冻干燥设备厂
实验方法
生产工艺流程
刺梨鲜果→挑选→清洗→切块 (去除萼片、果刺及种子) →预冻→升华干燥→解析干燥→刺梨冻干果块
操作要点
刺梨果挑选:采摘成熟期的刺梨果, 除去生果、损伤果, 虫果及其他杂物。
清洗:用水清洗干净。
切块:将刺梨鲜果去除萼片、果刺、种子等不可食部分, 切成4~6mm的果块。
预冻:将处理好的刺梨果块均匀平铺在冻干机托盘上, 放入预冻库进行快速冷冻, 预冻温度设定在-30℃以下, 在物料温度达到-30℃以下后, 保持1.5小时以上, 确保刺梨果块中水分全部冻结。
升华干燥:转换冷媒对捕水器制冷, 使捕水器温度迅速降至-50℃左右。将预冻好的刺梨果块转移到冻干仓, 观察真空度数值, 3h后开始对加热板缓慢升温, 真空度值维持在30-60pa, 此过程持续8-9小时。
解析干燥:该阶段虽然刺梨果块不存在冻结冰, 但还还有少量的水分, 为使产品达到合格的水分含量, 必须对产品进行进一步的干燥。在该阶段, 观察真空度的变化, 继续升高板层的温度, 真空度维持在10—30pa, 温度不能超过50℃, 维持到冻干结束为止。
ZG-25m2型真空冷冻干燥机装料量、冻干时间与能耗关系
将切成块状的刺梨均与铺放与冻干仓托盘上, 分别进行6个批次150kg、175kg、200kg、225kg、250kg、275kg刺梨过快的生产, 记录对每批生产各工艺过程参数, 优选出最佳的装料量、冻干时间及最低能耗。具体情况详见表1。
根据实际生产测定参数可知:ZG-25m2型真空冷冻干燥机刺梨果块最佳装料量200kg, 生产周期为16.5h左右, 每千克耗能最低。
200kg刺梨刺梨果块冻干时间、真空度及温度曲线图
冻干刺梨果块质量标准
感官指标:产品为浅黄色至黄色, 具有刺梨固有的香味及滋味。
理化指标:维生素C (以还原型抗坏血酸) ≥16000mg/100g, SOD (超氧化物歧化酶) 的含量5016.8U/g, 水分低于3%。
结论
榴莲冷冻干燥工艺技术的研究 篇6
关键词：真空冷冻干燥,榴莲,工艺
榴莲是一种巨型的热带常绿乔木, 叶片长圆, 顶端较尖, 聚伞花序, 花色淡黄, 果实足球大小, 果皮坚实, 密生三角形刺, 果肉是由假种皮的肉包组成, 肉色淡黄, 粘性多汁是一种极具经济价值的水果。榴莲性热, 可以活血散寒, 缓解痛经, 特别适合受痛经困扰的女性食用;它还能改善腹部寒凉的症状, 可以促使体温上升, 是寒性体质者的理想补品。榴莲营养价值极高, 经常食用可以强身健体, 健脾补气, 补肾壮阳, 暖和身体。
真空冷冻干燥技术也称冻干技术, 是通过对被干燥原料先进性低温速冻, 之后在高真空的冻干仓中使物料中的固态水转化为气态, 从而实现去除水分达到干燥的目的。这种加工技术可以最大程度的保持原物料的各种性质, 避免了高温加热对营养价值的破坏, 还可以达到护色的目的, 且干燥后的物料复水性较高。采用真空冷冻干燥法生产制作榴莲干, 榴莲香甜原味及营养价值不会发生变化, 果肉组织机构保持原状态, 维生素等热敏性营养物质不会被破坏, 最大限度保持榴莲口感。
1 材料与设备
市售榴莲;YRD-1501 A型真空冷冻干燥机, 宁夏永康干燥设备有限公司产;电子天平、清洗设备。
2 试验方法
2.1 工艺流程
榴莲肉→分选→切块→装盘→-4℃预冷→真空冷冻干燥→感官鉴定
2.2 预处理
2.2.1 材料的选择:选择果肉土黄色, 光泽明显, 果肉软硬适中, 肉质紧密的榴莲果肉。
2.2.2 切块装盘:将榴莲肉切为2-4cm小块, 均匀的摆放到冻干盘中。
2.2.3 预冷:将装有榴莲肉的冻干盘放入-4℃的冰柜预冷10h。
2.3 真空冷冻干燥
以榴莲肉的切块大小、隔板温度、冻干机真空度、冻干时间作为试验因素, 进行四因素三水平正交试验, 因素水平表如表1。
2.4 感官检验
对冻干后榴莲肉进行感官检验。感官指标包括色泽、气味、形态及口感 (表2) 。
3 结果与分析
3.1 试验结果
榴莲冻干后的感观品质主要包括色泽、气味、形态及口感, 是评价成品质量好坏的重要方法, 本正交试验设计结果如表3所示。冻干工艺生产的榴莲干都能保持物料的色泽和味道, 且组织状态较好。最优条件为A1B2C3D1。
3.2 结论
通过对榴莲进行真空冷冻干燥, 可以最好的保存物料的色、香、味和营养成分, 榴莲中的维生素在低温干燥下可以避免损失。本试验通过正交试验进行冻干工艺的研究, 试验结果表明, 切块大小为2cm, 隔板温度45℃, 冻干16h, 真空度达到50Pa的工艺条件下效果最好。
参考文献
[1]徐成海, 张世伟, 彭润玲.真空冷冻干燥的现状与展望[J].2008 (3) :53-52
[2]李冬梅, 尹凯丹.榴莲的保健价值和加工利用[J].中国食物与营养, 2009 (3) :32-33
[3]卜召辉, 胡庆国, 陆宁.真空微波与真空冷冻联合干燥金针菇的研究[J].包装与食品机械, 2011.29 (3) :16-19.
[4]崔彩云, 卢根昌, 高东江等.哈密瓜真空冷冻干燥工艺[J].食品研究与开发, 2009.30 (11) :100-102.
[5]催春芳, 童忠良.干燥新技术及应用[M].北京:化学工业出版社.2009..
[6]房星星, 肖旭霖.猕猴桃片真空冷冻干燥工艺研究[J].食品工业科技, 2008.29 (1) :186-187, 190.
[7]付晓玲.食品冷冻干燥速率分析[J].四川食品与发酵, 2003.39 (1) :50-53.
小型冷冻干燥机的使用及维护 篇7
冷冻意味着从冷冻的物质中驱出水分, 干燥是在真空状态下直接把结冰的水升华为气态达到的。冷冻干燥的目的是干燥保存易脱水的产品, 在加水以后要恢复原材料的特性。冷冻干燥技术不仅广泛应用于药品、食品行业, 对于高校实验室及研究机构的应用也越来越广泛, 例如菌种保存, 根系分泌物的干燥或者浓缩样品以增加分析敏感度等。小型冷冻干燥机是冷冻干燥安瓿、小瓶、烧瓶、血浆瓶或平皿中的脂类及液类材料的有效工具, 为实验室及技校通用设备, 可完成冷冻干燥工艺的全部过程。本实验室2006年引进了一台德国ALPHA1-4LSC小型冷冻干燥机, 现就本仪器的使用及维护保养做下介绍。
冷冻干燥原理
冻干是干燥物质的最佳方法。水有三相, O点为三相共点即融化压力曲线、蒸发压力曲线、升华压力曲线交于一点。它基于物质的升华这一物理现象, 即直接从固态转化为气态。由物理学可知 (见图1) 。
仪器的使用
预冻
少量样品可直接在冻干机的冷阱室内进行。大量样品要通过深度预冻。预冻温度取决于所做样品的冰点, 如果冰点未知, 应在-40℃下冷冻2h以上。最好过夜。如果预冻少量样品, 建议将隔板一起预冻, 以免在抽真空的过程中出现部分化霜现象。样品厚度不能超过1cm。如液层厚于1cm, 建议使用其他方法减少液体体积, 从而能够显著减少总的干燥时间。但产品预冻的厚度不应超过2cm, 否则产生不良冻干效果。腔体内的水分必须去除干净。排水阀和排气阀关闭。
主干燥
主干燥阶段也就是升华干燥阶段, 水分经过升华作用去除, 是冷冻干燥的关键阶段。在主干燥过程中产生的水蒸气不是由真空泵抽走, 而是由落在冷阱中。
主干燥的时间由以下几点决定:样品的厚度;样品的固型物含量 (产品的含水量越大所需时间越长) ;在物体干燥过程中所加的热量 (样品获得的热量越多, 升华干燥时间就短, 但过多的热量使产品发生迅速解冻, 导致冻干样品失败。因此, 板层的温度设定是关键;在样品干燥过程中所加的热量;干燥过程中干燥室里的压力。判断主干燥结束的方法:当样品温度探头实测的样品温度值与搁板温度的实测值相比, 差别在3~5℃时, 可以判断主干燥接近结束。
后干燥
一旦自由水分从产品中去除, 就要去除被分子力束缚的水, 这一过程又叫后干燥。后干燥也就是解析干燥阶段, 水分是通过解吸作用去除, 即在低温及高度真空下去除毛细作用下存留水分和以分子键结合形式存在的水分, 完成干燥, 后干燥对保存样品的稳定性及其重要。
后干燥的时间主要由以下几点决定:物料的品种和形状 (不同的物料, 物料不同的形状导致了所需要的解吸时间是不同的) ;残水含量的要求 (含水量要求低, 解吸时间长) ;冻干机的性能 (冻干机板层温差小, 真空度高, 冷凝器温度低, 则解吸时间短) 。
冻干结束及排气
冻干结束后先关闭真空泵, 打开真空橡胶密封阀门或是排水阀门使干燥室通气, 最后关机, 取出产品。取出的产品应立即封好放入干燥箱内以免样品重新吸入空气中的水分。利用室温使冷阱室的冰溶解在机器左侧的放水阀放掉除霜水。
仪器的维护和保养
仪器不仅仅会使用, 维护和保养也至关重要。要经常对冻干机和附件进行常规清洁, 冻干机不用时要求冷阱与干燥腔单独放置, 将干燥腔反放在垫子上。
冷阱室
开机前应清除冷阱室内的水分。并打开排水阀, 排水后关闭。
热交换器
薄片状热交换器用于制冷机的压缩机制冷, 热交换器在冻干机的背后, 每隔段时间都要检查是否有灰尘或污物残留, 进行必要的清洁。热交换器不干净将导致效率降低, 并会造成冻干机故障。
真空橡胶
真空橡胶密封阀要特别注意, 如果阀太硬就必须拆下来、清洁、涂上真空酯再装上去。
真空泵
真空泵应经常从观察小窗处检查真空泵是否缺油, 及时补充。空气镇流器由于经常工作, 耗油很大, 连续工作100h左右换油第一次, 以后换油间时间一般要求500至1000h换一次油。原则上应在热泵下换油。
调整和维护真空传感器
传感器内的钨丝容易与周围空气反应从而影响使用寿命, 不推荐冻干机长时间放在室温自然除霜, 这可能引起钨丝与环境空气反应。除霜和擦干冻干机后, 另外要求打开气阀30min, 去除所有可能造成钨丝损害的残留物。
结束语