中試脈沖噴動床微波凍干山楂干燥特性與品質特性研究

郭政銘,王博,王玉川*,劉繼光

1(江南大學 食品學院,江蘇 無錫,214122)2(江蘇大學 食品與生物工程學院,江蘇 鎮江,212013)3(山東公社聯盟食品有限公司,山東 臨沂,276000)

凍干是一種被工業界普遍接受的優質干燥方法,廣泛應用于生物制品[1]、醫藥制品[2]、高附加值農產品[3]等產品的干燥加工。但是,以熱輻射、熱傳導為原理的傳統凍干(conventional freeze-drying, CFD)也是一種高能耗、重污染、低效率及高成本的單元操作,產品體積越大,這種劣勢越突出。由外及里的熱量傳遞方式及熱質傳遞方向相反是導致傳統凍干加工周期長的主要原因。因此,凍干熱源替代及熱質傳遞調控成為凍干技術的重要研究方向。

研究證明,微波輔助凍干(microwave freeze-drying,MFD)能夠實現凍干熱質傳遞方向一致,消除熱量傳遞阻力,且具有提高凍干速率、縮短凍干周期、降低凍干成本及低碳環保的顯著優勢。但是,MFD也存在干燥產品均勻性差及低壓氣體放電導致品質劣變嚴重等突出問題,進而限制了MFD技術的商業化應用。通過涂抹[4]、滲透[5]高介電損耗的材料、采用不同預處理方式[6]及轉筒結構[7]可以改善MFD干燥特性及產品品質。但是這些研究仍然存在一定的局限性,無法解決MFD干燥均勻性的問題。

脈沖噴動床微波凍干(pulse-spouted bed microwave freeze-drying, PSBMFD)結合了脈沖噴動床干燥與MFD優勢,有效解決凍干倉內微波場強分布不均勻導致凍干產品局部過熱等問題。通過萵苣[8]、玉米[9]、土豆塊[9]、香蕉[9]、山藥[10]等果蔬凍干實驗研究,證明PSBMFD能夠顯著縮短凍干周期,降低能耗,提高產品均勻性。為盡快將PSBMFD技術規?；瘧?課題組通過凍干倉、微波加熱腔、微波功率檢測與控制等關鍵部件創新設計,開發了中試PSBMFD設備,解決中試PSBMFD產品均勻性問題。本文在課題組中試PSBMFD設備研制的基礎上,以山楂為研究對象,研究中試PSBMFD工藝參數,分析干燥時間、能耗、均勻性及產品品質,并與CFD進行對比,評估中試PSBMFD技術與設備商業化應用的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山楂:品種為大金星,山東省濰坊市,水分含量為(77.52±0.72)%。

主要實驗試劑:DPPH、ABTS、沒食子酸、Na2CO3、福林酚試劑、無水乙醇、NaOH、超純水、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、石蠟,國藥集團化學試劑有限公司。

儀器與設備:2 450 MHz中試PSBMFD設備、電加熱凍干設備,實驗室自制;BCD-205D2低溫冰柜,珠海格力集團股份有限公司;E5062A矢量網絡分析儀,美國Agilent公司;DSC3差示掃描量熱儀,瑞士梅特勒公司;GZX-9140MBE電熱恒溫鼓風干燥箱,上海博訊實業有限公司醫療設備廠;CR-400色差計,日本柯尼卡美能達公司;UV-2600紫外可見分光光度計,日本京都島津有限公司;SU8100冷場發射掃描電子顯微鏡,日本Hitachi公司;TA.XTC-18質構儀,上海保圣實業發展有限公司:Super nose電子鼻,上海瑞豐國際貿易有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理

凍干前,將山楂用自來水進行清洗、挑選,去核后浸入20 g/L NaCl溶液5 min進行護色,瀝干水分后放入-36 ℃冰柜凍結24 h備用。在本實驗中,山楂分為3批,用于CFD和中試PSBMFD,具體計劃見表1。

表1 實驗計劃Table 1 Experimental plan

1.2.2 凍干設備

中試PSBMFD設備由凍干倉、微波(頻率2 450 MHz)加熱系統、捕水系統、制冷系統、真空系統、脈沖噴動系統及控制系統組成(圖1),裝機功率17.8 kW,其中,微波功率9 kW,制冷6 kW,真空2.2 kW,極限真空10 Pa,從常壓到133 Pa抽氣時間<5 min,捕水器溫度-45～-35 ℃,凍干倉材質為玻璃,直徑300 mm,高1 000 mm,裝載量(山楂)>10 kg/批次,微波功率調節范圍30%～100%,噴動時間間隔0～99 min,噴動時間0.1～99 s,當物料噴動時,微波加熱系統停止,噴動結束,真空恢復正常后,微波加熱系統重新運行,出料口設置光纖溫度傳感器測量樣品溫度,凍干倉外壁上中下位置設置紅外溫度傳感器測量凍干倉溫度,并控制對應微波發生器輸出功率。

1-進料口;2-微波加熱腔;3-微波凍干倉;4-微波凍干樣品;5-微波發生器;6-氣體分布器;7-紅外溫度傳感器;8-出料口;9-光纖溫度傳感器;10-氣固分離器;11-微波凍干真空閥;12-真空傳感器;13-放氣閥;14-捕水器;15-制冷機組;16-真空機組;17-脈沖噴動閥;18-氣體儲罐;19-調壓閥;20-氮氣瓶;21-控制柜;22-電加熱凍干真空閥;23-凍干倉;24-凍干倉門;25-電加熱板; 26-凍干料盤;27-凍干機架圖1 中試脈沖噴動床微波凍干設備與傳統電加熱凍干設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot-scale pulse-spouted bed microwave freeze-drying and conventional freeze-drying equipment

CFD設備包括凍干倉(直徑0.6 m,長0.8 m)、電加熱系統、捕水系統、制冷系統、真空系統及控制系統,其中捕水系統、制冷系統、真空系統、控制系統與中試PSBMFD設備共用(圖1),加熱系統包括3層加熱板(長0.5 m,寬0.4 m),單層加熱板功率1 kW,加熱板設置溫度傳感器,控制加熱板溫度,樣品盤內設置溫度傳感器,測量樣品溫度。

1.2.3 實驗步驟

實驗按照下述2種模式進行。

中試PSBMFD凍干參數設置如下:捕水器溫度(-40±2) ℃,真空度40 Pa,噴動頻率10 min/次,噴動時間0.1 s/次,根據處理物料的量和預實驗確定了中試PSBMFD的微波加載方案,微波功率分段設定0～0.5 h:0 W;0.5～1.5 h:5 kW,1.5～2 h:6 kW;2～4.5 h:6.8 kW,4.5～5 h:5.6 kW;5～6 h:4.8 kW。啟動制冷系統,當捕水器溫度達到-40 ℃,打開進料閥,將凍結10 kg山楂放入凍干倉,關閉進料閥,啟動真空泵,當真空度達到40 Pa,啟動運行程序,凍干過程開始。當物料溫度達到50 ℃,凍干過程結束,打開出料閥,將干燥的山楂裝入鋁箔袋、密封,用于下一步分析。

CFD真空系統與捕水系統參數與中試PSBMFD設置相同,根據處理物料的量和預實驗確定了CFD加熱板的升溫方案,加熱板溫度分段設定如下:0～0.5 h:0 ℃;0.5～1 h:20 ℃,1～2 h:30 ℃;2～3 h:40 ℃, 3～4 h:50 ℃;5～18 h:60 ℃。啟動制冷系統,當捕水器溫度達到-40 ℃,打開凍干倉門,將凍結4 kg山楂均勻放在2個托盤內,然后放入凍干倉,凍干過程結束,將物料裝入鋁箔袋、密封,用于下一步分析。

1.2.4 介電特性測定

介電特性的測定參考姜佳惠[11]的方法。將新鮮山楂搗碎均質后放入玻璃皿待測,用冰箱和水浴鍋控制樣品溫度(-20～50 ℃),測量探頭和物料表面緊密接觸,并通過公式(1)計算穿透深度(dp)[12]:

(1)

式中:c,f,ε′和ε″分別代表真空中的光速(3×108m/s)、電磁波頻率(2 450 MHz)、介電常數和介電損耗因子。

1.2.5 共晶點的測定

共晶點的測定采用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)分析法。取3 mg山楂放入坩堝中密封,溫度以10 ℃/min的速率從25 ℃降至-40 ℃,平衡2 min后再以相同的速率升溫至30 ℃。N2流速50 mL/min。共晶點從熱流圖中讀出。

1.2.6 水分含量測定

水分含量的測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中的直接干燥法。

1.2.7 硬度測定

采用TA-XTplus質構儀測量干山楂樣品質地,使用2 mm圓柱探針(P/2)進行穿刺測試。測量參數:測試前速度1.5 mm/s,測試速度1 mm/s,測試后1.5 mm/s,觸發力10 g,應變距離50%。每個樣品重復10次。

1.2.8 相對感官密度測定

對感官密度的測定參考WANG等[13]的方法,用視相對密度(apparent relative density,ARD)表示。計算如公式(2)所示:

(2)

1.2.9 復水能力測定

參考WANG等[8]的方法進行測定并進行少量修改。取2 g的山楂置于250 mL燒杯,注入200 mL 95 ℃的去離子水,浸泡3 min。取出瀝干、冷卻后稱重。復水能力按照公式(3)計算:

(3)

式中:RR,復水比;Rh,復水后的質量,g;Rq,復水前的質量,g。

1.2.10 收縮率的測定

收縮率主要根據公式(4)計算:

(4)

式中:V0、V分別代表干燥前后的山楂體積,cm3。V0和V需先計算ARD,根據樣品質量除以ARD得出。

1.2.11 色澤測定

(5)

1.2.12 微結構測定

采用掃描電子顯微鏡觀察凍干山楂在5 kV加速電壓下的微觀結構,放大倍數為50倍與500倍。

1.2.13 總酚及抗氧化能力的測定

總酚測定參考QIU等[14]的方法。取0.2 g山楂,磨粉后加入40 mL 80%(體積分數,下同)乙醇浸提1 h,在4 000 r/min離心20 min,取上清液備用。取澄清上清液 1 mL,2 mL的10%福林酚試劑,2 mL 75 g/L的Na2CO3溶液混勻,用80%乙醇定容至10 mL,在25 ℃下避光反應1 h后,于765 nm測定吸光值。

DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除率參考XU等[15]的方法。

1.2.14 干燥均勻性

參照T/NTJGXH 055—2019《典型物理場組合干燥果蔬制品》測定產品的均勻性。使用相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)和均勻度(uniformity degree, UD)對干燥樣品的均勻性(水分含量、色差、收縮率)進行評價,結果以百分比表示,計算如公式(6)～公式(8)所示:

(6)

(7)

UD/%=(1-RSD)×100

(8)

1.2.15 風味測定

采用電子鼻對新鮮、CFD和中試PSBMFD的山楂進行風味分析。取2 g左右的樣品放于40 mL的密封瓶中,在37 ℃的烘箱中靜置20 min,待氣味完全釋放后進行測定。在測定前,電子鼻需要清洗1 200 s。其他的測定參數:測定時間100 s,兩個樣品之間的清洗時間120 s。氣體流動速度1 L/min。每個樣品測定3次。

1.2.16 能耗測量

在干燥過程中產生的能耗用電表測定,分別測定真空系統,制冷系統和加熱系統的電能消耗情況,單位為 kW/h。

1.3 數據分析

所有的實驗數據用SPSS 20和Origin 2022進行分析繪圖,除了特別說明外實驗數據進行3次重復。

2 結果與分析

2.1 山楂共晶點和介電特性分析

在物料凍干過程中,干燥物料的品質及能耗受凍結最終溫度的影響。溫度過高會導致局部融化,過低會導致能耗的浪費。山楂作為一種蘊含蛋白質、多糖、纖維、有機酸等多元物質的混合體,其共晶點的分析對工藝參數的設置具有重要意義。如圖2所示,山楂的共晶點為-12.17 ℃。一般要求物料的預凍溫度低于共晶點的5～10 ℃,同時考慮到膠體與鹽分等物質對水分的束縛作用,將凍結溫度設置在-30 ℃。

圖2 山楂的DSC熱流圖Fig.2 DSC heat flow map of hawthorn

山楂的介電性質決定了其吸收微波的能力,圖3為新鮮山楂的介電常數(ε′)和介電損耗因子(ε″)隨溫度的變化規律。隨著溫度的升高,ε′與ε″呈現先升高后降低的變化趨勢。在低于0 ℃時,介電常數和介電損耗因子都隨著溫度的增加而持續升高直至穩定。而在后期,隨著溫度的增加,ε′與ε″則持續降低。這和姜佳惠[11]的發現一致,草莓的介電特性隨著溫度的變化呈現先上升后下降的趨勢,這可能是物料中水分的形態變化導致的。因此,根據介電特性變化對微波功率進行調控,在干燥初始階段,介電損耗因子處于低狀態,微波功率相對較高。在干燥中期,大部分的自由水升華,在初期基礎上進一步提高微波功率。而在干燥末期,為了避免熱失控的現象,降低了微波功率。本實驗中微波功率的設置符合介電特性的變化特點,驗證了方案的合理性。同時,根據圖4可知,山楂在凍結狀態下具有更大的穿透深度,隨著溫度的上升,穿透深度從9.34 cm下降到5.17 cm。在較高的溫度下,其穿透深度仍在1 cm以上,而去核后的山楂果實壁厚約為4～6 mm,因此在干燥過程中一般不會出現干燥不徹底的情況,由此可見微波源是代替電熱板作為凍干熱源的良好選擇。

圖3 山楂介電特性與溫度關系Fig.3 Relationship between dielectric properties and temperature of hawthorn

圖4 微波穿透深度與溫度關系Fig.4 Relationship between microwave penetration depth and temperature

2.2 中試PSBMFD山楂干燥特性分析

山楂及微波凍干倉外壁的溫度變化曲線與微波輸出功率如圖5所示。對物料的溫度變化曲線進行分析發現,在干燥前期,在前4 h物料溫度從-21.6 ℃上升至-6.3 ℃,溫度上升速率較慢,在4 h后上升速率較快,從-6.3 ℃上升至60 ℃,這是因為在干燥前期,山楂的干燥處于升華干燥階段,在此階段山楂中水分的除去主要是通過冰晶升華的方式,因為在升華干燥階段,山楂中的水分主要是以冰的狀態存在,所以山楂的介電損耗因子較低,能量主要用于水分的脫除,升溫較慢,而在干燥后期,干燥進入解析干燥階段,山楂中的未凍結水具有較高的介電損耗因子,且在干燥后期,水分含量較低,少量的微波能也可以使物料溫度快速上升。因此,在干燥后期,需要對微波加載功率進行調整以控制物料的溫度,防止微波功率較高導致物料升溫過快,產生“熱失速”現象,使產品發生局部焦糊的情況,影響產品品質。

圖5 中試PSBMFD山楂溫度與微波功率變化Fig.5 The temperature and microwave power variation of pilot-scale PSBMFD hawthorn

在干燥過程中,微波凍干倉外壁上部與中部的溫度高于其下部溫度,這是因為物料主要集中于下部,低溫物料導致其附近的空氣變冷,而冷空氣的分子密度相對較大下沉于凍干倉的底部,室溫與凍干倉壁間熱傳導存在阻力,且微波凍干倉的腔體較大,氣體流動較慢,冷空氣分子與上部的熱空氣對流效果不顯著,導致了凍干倉外壁上部和中部的溫度相對較高。隨著微波功率和干燥時間的增加,凍干倉外壁測量點的溫度呈現上升趨勢,而凍干倉外壁下部的溫度上升較快,這是因為噴動增加了凍干倉內的空氣流動,促進了倉內的熱量傳遞。在此過程中,凍干倉外壁上部與中部的溫度仍然高于外壁下部的溫度,這主要是因為山楂被高速氣流噴起,在中心區域呈噴泉狀態落下,在此過程中,含水量較多的山楂集中于凍干倉底部,含水量較少的山楂集中于凍干倉上部,下部的物料吸收微波能主要用于水分的除去,因此導致下端的測量點溫度較低。然而隨著干燥的進行,物料的溫度與凍干倉外壁的溫度最終趨于一致,這說明中試PSBMFD有助于改善微波輻射的均勻性。李琳琳[10]的研究發現,相較于單一的MFD,脈沖噴動系統的加入能增加溫度的均勻性,緩解微波吸收不均勻的現象。這和本實驗的結果一致。

此外,對CFD和中試PSBMFD的干燥時間進行了分析。研究發現,CFD達到干燥終點需要15.5 h,中試PSBMFD達到干燥終點需要5.83 h。研究證明,中試PSBMFD能夠降低62.39%干燥時間。這和LI等[9]使用915 MHz作為微波源對山楂進行凍干得到的結果相似,和CFD相比,MFD能縮短74.59%的時間。研究證明,相較于CFD,中試PSBMFD具有耗時更低的優勢,能有效降低山楂凍干周期,提升干燥效率,同時脈沖噴動系統的加入提升了溫度的均勻性。干燥效率的提升有助于提高生產效率,因此PSBMFD更適用于山楂的商業化生產。

2.3 CFD與中試PSBMFD山楂品質特質分析

山楂的收縮率、色差、硬度、復水能力、ARD如表2所示。在色澤方面,CFD山楂的ΔE為3.45,而中試PSBMFD山楂的ΔE為6.24,這表明CFD相較于中試PSBMFD更能保護山楂原有的色澤,這主要是因為在噴動的過程中,樣品之間發生摩擦,從而導致顏色變化較大。LI等[9]的研究發現,在噴動過程中顏色的變化還與樣品的尺寸相關,更大的尺寸會增加樣品之間的摩擦,對色澤產生更大的影響。

表2 不同干燥方式下的山楂品質特性的影響Table 2 Effect of the quality characteristics of hawthorn under different drying methods

收縮率方面,無論CFD山楂還是中試PSBMFD山楂都有不同程度的收縮,分別為14.30%、24.48%。在王玉川[16]的研究中發現,萵苣切片的收縮率為28.9%,這和本實驗結果相近。盡管2種凍干方式制備的山楂在體積上都有不同程度的收縮,但是從感官的角度來看是可以接受的。

硬度方面,中試PSBMFD和CFD山楂的硬度分別是20.83、18.86 N。和CFD山楂相比,中試PSBMFD山楂的硬度增加了10.45%,這和WANG等[17]的研究結果一致。這可能是因為中試PSBMFD的干燥速率較高,水分遷移的過程中無機鹽與其他溶質聚集到表面,且在干燥的過程中容易發生局部收縮,因此具有較高的硬度[18]。

在復水能力方面,CFD山楂的復水比為3.29,而中試PSBMFD山楂為3.12。雖然CFD山楂的復水能力略高于PSBMFD山楂,但是兩者沒有顯著性差異(P>0.05)。這表明中試PSBMFD對山楂的損傷和CFD相當。LI等[19]和WANG等[17]的研究結果發現,MFD對山藥和萵苣的復水能力沒有顯著影響,這和本實驗的研究結果相同。

在ARD方面,CFD和中試PSBMFD山楂的ARD分別為0.326 2、0.358 7 g/cm。CFD山楂的ARD低于中試PSBMFD山楂,這和HUANG等[20]的研究結果不同,在該研究中使用托盤式的MFD重組水果片的體積密度低于CFD的重組水果片。該研究與本實驗的差異主要是和微波加載方案有關,在本實驗的條件下,山楂吸收了更大的能量,內部發生膨化,增加了ARD。

從圖6中可以看出,CFD山楂的內部微孔直徑相差不大,排列較為整齊,而中試PSBMFD山楂的微孔結構差異較大,且CFD山楂的微孔數量低于中試PSBMFD山楂,這主要是微波加熱特性導致的。由于微波整體加熱促使更多水蒸氣從細胞通道涌出,增加了細胞通道之間的擠壓,造成了上述現象。這和WANG等[8]的研究結果一致。此外,CFD山楂樣品的細胞表面最光滑,而中試PSBMFD的表面細胞壁更加致密,這主要因為,脈沖氣流改變山楂在微波凍干倉內位置的時候引起了山楂之間的碰撞。其次,在噴動時,氣壓的變化在山楂細胞的內外形成壓力差導致了山楂細胞間的相互擠壓,因此具有明顯的褶皺。

a-CFD×50倍;b-中試PSBMFD×50倍;c-CFD×500倍;d-中試PSBMFD×500倍圖6 不同干燥方式對山楂微觀結構的影響Fig.6 Effects of different drying methods on the microstructure of hawthorn

根據上述品質特性的分析,盡管中試PSBMFD山楂的色差和收縮率大于CFD山楂,但是其具有更高的硬度和ARD,且復水能力與CFD山楂相比沒有顯著性差異。中試PSBMFD山楂較高的硬度使其具有更強的抗碎裂性,有助于其在運輸和貯藏過程中原本形狀的維持,降低破損率,提高收益。

2.4 CFD與中試PSBMFD山楂風味分析

如圖7-a所示,和新鮮山楂相比,CFD和中試PSBMFD山楂的風味都有不同程度的降低。但中試PSBMFD山楂的整體風味強度明顯高于CFD山楂,這表明中試PSBMFD能更好地保留山楂的原有風味。S1,S5,S6,S9,S14傳感器的信號值相對明顯,意味著中試PSBMFD的樣品中烷烴、有機胺、苯酮類、芳香化合物、醇醛類物質風味較為豐裕,這和王玉川等[18]的研究結果相似,即MFD的方便面具有更濃郁的風味。這可能是因為山楂中的脂類成分在微波場的存在下更容易揮發,因此改善了樣品的風味。

a-風味響應值雷達圖;b-風味響應值PCA圖圖7 不同干燥方式對山楂風味的影響Fig.7 Effects of different drying methods on flavor of hawthorn注:C表示新鮮山楂。

通過圖7-b主成分分析發現,PC1為89.2%,PC2為6.63%。兩者相加為95.8%,這表明從樣品的風味指標中提取的主要成分能良好反映整體風味信息。從圖7-b樣品的位置分布可以發現,中試PSBMFD和CFD處理后的干山楂和新鮮樣品具有一定差距,這說明凍干對山楂的風味具有顯著的影響。但由圖7-a可知,中試PSBMFD的風味響應值更加接近新鮮山楂,這表明相較于CFD,中試PSBMFD的樣品更能保留新鮮山楂的風味,這一點和電子鼻分析的情況一致。

2.5 CFD與中試PSBMFD山楂的總酚與抗氧化能力分析

如圖8所示,不同的干燥方式對山楂的總酚和抗氧化能力有不同的影響。和新鮮山楂(C)相比,兩種凍干山楂中總酚含量都有不同程度的降低,但是相較于CFD山楂,中試PSBMFD山楂的總酚含量更高[37.03 mg/g干基,以沒食子酸當量(gallic acid equivalent,GAE)計],這和姜佳惠[11]的研究結果一致,脈沖MFD草莓中的總酚含量高于CFD。而在LI等[19]的研究發現,CFD山藥具有更高的總酚含量,這是因為總酚含量還和微波功率有關,不適的微波功率會導致總酚降解。本實驗的中試PSBMFD山楂具有更高的總酚含量表明微波加載方案較為合理。

圖8 不同干燥方式對山楂總酚含量以抗氧化能力的影響Fig.8 Effect of different drying methods on the total phenolic content of hawthorn and antioxidant capacity

在干燥過程中,凍干倉內的溫度以及真空等因素會影響山楂的抗氧化能力。在圖8中,中試PSBMFD山楂的ABTS陽離子自由基清除率高于CFD山楂,這主要和中試PSBMFD山楂中較高的總酚含量有關。而兩者的DPPH自由基清除率之間沒有顯著差異。上述結果表明,中試規模的PSBMFD能夠更好地保留山楂中的總酚含量和抗氧化能力。

2.6 CFD和中試PSBMFD的能耗分析

不同干燥方式的能耗占比如圖9所示。圖9-a和圖9-b顯示,真空與制冷在CFD和中試PSBMFD為主要耗能單元,而在PSBMFD中微波的能耗占比遠大于CFD中電加熱的占比。而在圖9-c中顯示,中試PSBMFD和CFD的單位成品總能耗為4.44、17.13 kW·h/kg。與CFD相比,中試PSBMFD降低了74.08%的單位能耗。這和LI等[19]的研究結果一致,在CFD和脈沖高頻微波冷凍干燥山藥中,真空與冷阱的能耗比例超過50%。LIU等[21]研究發現,將激光打孔和發酵劑組合能縮短面條34.15%的干燥時間,降低33.17%的能耗?？紤]到成本、產品質量、干燥時間等因素,中試PSBMFD在縮短干燥時間的同時,能夠維持產品的質量,尤其在生產成本方面更加突顯了中試PSBMFD在商業運用中的巨大潛力。

a-CFD凍干設備能耗占比;b-PSBMFD凍干設備能耗占比;c-不同凍干方式產品單位能耗圖9 不同凍干方式對能耗的影響Fig.9 Effect of different freeze-drying methods on energy consumption

2.7 中試PSBMFD山楂均勻度分析

根據T/NTJGXH 055—2019《典型物理場組合干燥果蔬制品》,干燥果蔬的水分含量均勻性≥85%,色差均勻性≥90%,收縮率均勻性≥88%。本實驗中凍干山楂的水分含量、ΔE、收縮率的均勻度如表3所示,所列指標的RSD<10%,UD值>90%,依次為90.45%、91.27%、96.18%,均符合行業的標準。這和王玉川[16]和LI等[19]的研究結果一致,在MFD中引入脈沖噴動能夠改善萵苣和山藥的均勻性。此外,勞艷艷[22]的研究發現,在紅外冷凍干燥中引入噴動系統也能改善物料的均勻性,均勻性與噴動時間間隔相關。在中試PSBMFD中山楂的收縮和顏色的變化都在可接受的范圍內,這表明,在企業生產中,PSBMFD能夠代替CFD作為山楂的干燥方式。

表3 中試PSBMFD山楂水分含量、ΔE及收縮率的均勻度Table 3 Uniformity of water content, ΔE, and shrinkage of hawthorn by pilot-scale PSBMFD

3 結論

本文根據物料溫度和介電特性設置了中試PSBMFD的微波加載方案,并探究了中試PSBMFD山楂的能耗、品質特性、風味及均勻度。結果表明,與CFD相比,中試PSBMFD能縮短山楂的干燥時間,降低能耗,有助于企業生產中降低成本,提高效率。在品質方面,中試PSBMFD山楂的水分含量、色差、收縮率等指標的均勻度也在期望的范圍內,復水能力和傳統凍干山楂沒有顯著差異。此外,中試PSBMFD能更好地保留山楂的原有風味。從企業生產的角度出發,綜合干燥時間、能耗及產品品質特性,中試PSBMFD具有更廣闊的商業前景。然而,PSBMFD在干燥后期溫度上升較快,不容易控制,可能會影響產品品質,對此,可以通過對山楂升華/解析干燥轉換點的研究以及溫度監測系統與微波控制系統等智能設備的研制,對干燥工藝和設備進行優化升級,保障產品質量。此外,PSBMFD商業應用還面臨高產量噴動床凍干倉設計、微波穿透深度調控、捕水器匹配及不同物料凍干工藝參數優化與智能控制等問題。