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摘要:为解决传统方法制作蓝莓食品工艺中蓝莓营养物质的损耗问题，冷冻干燥处理方式逐渐兴起，但准备时间长，能耗高的缺点限制了其广泛应用。该文以提高冷冻干燥效率为目标，通过发泡处理的方式对蓝莓果酱的传质过程进行强化，并采用微波加热的方法对传热过程强化，在实现对果酱制作过程能耗降低的同时得到营养价值较高的产品。结果表明，发泡处理可以将干燥时间降低42.2%，而微波加热的方式对未发泡处理和发泡处理后物料的干燥时间都有缩减，且吸波材料的辅助可以显著提升微波加热对发泡处理物料的干燥效率。
关键词:冷冻干燥；微波加热；发泡；传质传热
蓝莓作为营养价值极高的水果，因为其丰富的花青素和维生素的含量受到广大人民的喜爱。事实上，蓝莓中含有的各类有机酸也使其具有一定的医学价值，可用于消炎、感染症状的消除。除此之外，蓝莓中还有较多果胶、抗氧化等成分，是保健品行业的宠儿[1-3]。然而蓝莓外果皮薄、肉嫩多汁，含水率超过80%，因此极易腐烂。所以蓝莓多以鲜食为主，或以热加工的方式对蓝莓果实进行加工，如制成蓝莓蛋糕、蓝莓酱等。但热加工的蓝莓中的植物化学物质受到热烫的影响较大，存在极大的营养物质的损失。食品非热加工技术是指在食品行业中通过非传统加热的方法来主要进行杀菌与钝酶的技术，这种技术不仅有利于保持食品中功能性成分的生物活性，且还有利于保持色、香、味及营养成分,避免传统热杀菌技术导致营养物质被破坏、颜色加深、挥发性风味成分损失等问题。其中，冷冻干燥法是将果浆中的水分在低温环境下凝结为固态的冰，并在低压环境中将冰的升华点降低，再以吸附水解吸的方式实现对果浆原料中水分的去除，这种方法大大降低了果浆中有效物质的损耗，成为食品加工行业中应用较为广泛的加工工艺[4]。然而冷冻干燥方法也具有明显的缺陷，对果浆的冷冻处理需要维持较长的时间，能源消耗较高，经济成本较大。上述问题都是限制其大规模应用的关键所在。所以对冷冻干燥法进行改良是十分有意义的[5]。
1.实验材料与装置
本实验中蓝莓果浆由当地生鲜超市购买蓝莓经过打浆通过筛网进行过滤得到，
2实验结果
2.1共晶点测试
在冷冻干燥法中，预冻温度对材料的影响很大，预冻温度高于果浆的共晶点时则果浆中的水分不能被完全转化为冰，使得后续的步骤被影响，导致果浆在后期处理的表面硬化等问题；而预冻温度过度低于共晶点时则会增大工艺的能耗。为锚定合适的预冻温度，需要对果浆的共晶点进行测试[6]。本实验对果浆共晶点的测试分为4步：1.对冷冻干燥机进行预处理，对冷冻干燥机的冷阱腔进行清洁处理并干燥。2.预冻处理，使冷阱腔整体环境温度降至-54˚C。3.取适量果浆置于冷阱腔，连接测试系统，并检查是否数据是否顺利传输。4.对果浆的温度和电阻率进行记录，当果浆的电阻率显示趋于稳定状态时，所得到的温度即为本次实验所得果浆共晶点温度。经过上述步骤处理得到果浆的电阻率-时间和温度-时间曲线如图1，从图中可以看出当相对电阻率(r/r0)达到相对最高值时，果浆温度几乎保持较大程度的稳定，此时温度稳定在-21.1℃，有理由得出本次实验制备得到蓝莓果浆的共晶温度在-21.1℃左右。据文献显示，预冻温度一般设置为果浆共晶温度以下的15˚C左右[7]，因此，本次实验选用预冻温度为-38˚C，预冻处理总时间为7h。
2.2发泡处理对冷冻干燥的影响
为探究发泡处理对冷冻干燥实验的影响，本实验制备了发泡处理后的果浆物料和未经过发泡处理的果浆物料，为了消除其他因素带来的影响，实验采取控制变量法对误差进行消除，两者的成分都采用120g蓝莓果浆+4g分离乳清蛋白+2g果胶。不同的是，未发泡处理的物料经过以0.5小时转速设置未200r/min的均匀搅拌处理，而发泡处理则是使用打蛋器持续搅拌0.5小时。取搅拌完成后的果浆10g，将物料置于模具，在低温环境下塑形得测试物料。发泡处理和未发泡处理的物料。在实验开始之前需要对制备得到的物料进行干燥处理，物料在模具中脱出后置于低温环境下保存，为单独研究发泡处理对冷冻干燥的影响，两者均采用辐射加热的方式对物料进行加热。设定辐射热源的温度和干燥室的压力分别为稳定的30˚C，15Pa。实验步骤如下所示：1.连接电脑与干燥设备，开始运行LabVIEW，实验开始前先行启动风机系统和循环控温系统，温度稳定至设定温度（-38˚C）后向干燥室中冷阱内加入适量体积的液氮。2.将干燥室与真空系统连接并打开真空泵，使用真空泵对干燥室内压力进行调节，稳定至设定压力（15Pa）后进入数据采集阶段，数据采集前干燥室环境需要保持稳定均一。3.完成1，2步骤后，关闭风机和三通阀使干燥室短暂独立，将制备好的物料从存放处取出并迅速重连干燥室与外部系统，重新开启风机并等待干燥室环境稳定至设定环境（-38˚C）完成预热后，关闭风机，调节三通阀使干燥室与真空系统暂时隔离；将样品组件从深冷冰柜中取出，快速地移至干燥室；调节三通阀使干燥室与真空系统再次连通，开启风机。4.开启热源，调节输出功率。5.运行程序，开始数据采集。6.等待物料质量趋于平稳时关闭热源，停止干燥过程，导出采集数据。果浆经过发泡处理后，原本内部较为均匀无孔隙的流体在较大速度的发泡下与空气充分接触形成内部孔隙率极大的泡沫体系，为探究发泡处理后的物料在冷冻干燥中呈现什么样的状态，记录在干燥室环境下两种物料的含水率变化。根据测试结果可知，发泡物料干燥时间大大降低，未发泡物料的在赶时间达到了22500s左右，而经过发泡处理后干燥时间降低至13000s左右，干燥效率提升了42.2%。综合来看，对原料进行发泡处理能够大幅度缩短物料的干燥时间，这大大降低了干燥过程所需的能量消耗。并且，处理过程时间的降低也表明了物料中有益成分的流失较少[8]。基于物体的传热理论，体积较小的物体往往具有更好的传热效果[9]，然而发泡样品的干燥时间相比于未发泡样品仍有所缩短。这说明了发泡处理得到的多孔结构有利于水蒸气的迁移，增大了多孔介质有效扩散系数，有效减小了传质阻力，促进了传质过程，从而强化了冷冻干燥过程[10]。
2.3微波加热对冷冻干燥的影响
对于冷冻干燥过程而言，其温度的传递主要以导热和辐射两个形式进行。同时，热量传递的阻力主要来自于加热板和物料间的不良接触，和热量自表面传递到内部的热量损失[11]。在冷冻干燥过程中，导热和辐射皆是干燥效率的主要影响因素，而微波可以实现整体加热，而不是通过温度梯度来传递热量，避免了传热阻力的产生。然而微波加热的效果与物质吸波能力有关，对于蓝莓果酱而言，其吸波能力较差的部分是其有效固体基质[12]。为研究微波加热对冷冻干燥的影响，实验采用相同干燥室环境下和相同功率的微波加热源对物料进行测试，未发泡物料和发泡物料的含水率。我们可以归纳出两个结论，其一是相比正常加热源而言，微波加热对于未发泡与发泡物料的干燥效果均有一定的促进作用；其二则是微波加热对于发泡处理后物料的干燥促进较低，干燥时间降低程度较小。这可能是发泡物料本身的干燥时间较短，导致微波加热对干燥效果的提升不明显[13]。但值得注意的是，微波加热仍然比正常加热过程具有更好的干燥效果，同时也降低了干燥过程的能耗[14]。
2.4对发泡物料微波加热的改良
在2.3部分的研究中，可以看出微波加热对发泡物料的效果并不明显，这是由于相对于未发泡处理的物料，发泡处理得到的物料具有多孔结构，增加传热传质效率，导致微波的效果不明显。而发泡处理对干燥效率的巨大提升使得相较而言微波加热对物料干燥效率的提升几可忽略。为了加强微波加热对物料干燥过程的促进，本次实验设计采用吸波材料对微波加热效果进行促进。在吸波材料的选择上，本次实验选取损耗因子较大的SiC材料最为底盘的设计，将SiC材质的底盘代替干燥室中原本的石英底盘进行冷冻干燥实验，实验步骤与2.3中实验相同，进行发泡处理后的物料在SiC底盘与原本底盘上的含水率-时间曲线，其中，为表现微波加热和吸波材料对干燥效果的促进，本次实验对热源的功率做了微调，分别为辐射热源功率4W，微波加热功率2W和辐射热源功率2W，完全微波加热功率为4W。在采用了吸波性能较好的SiC底盘后，在30˚C、15Pa的干燥室环境中，为发泡物料的冷冻干燥时间都出现明显的降低，热源为辐射功率2W+微波功率2W的实验组与全微波加热4W的实验组相较于原始全辐射加热的未发泡物料相比，时间从22500s分别降低到11000s和9400s左右，功效提升了51.1%和58.2%。而采用原底盘的发泡物料和2.3中实验结论几乎相同，微波加热虽然的确对干燥效率有所提升，但效果并不明显。在底盘设计时，为了排除底盘厚度对传热的影响，SiC底盘的形状和尺寸与原底盘相同。相对于未发泡物料，发泡处理后形成的物料内部有着数量极大的微孔[15]，微孔中含有的空气无疑对导热过程有着阻碍作用，然而发泡物料巨大的孔隙空间使得物料中的水蒸气具有更低的扩散阻力和更大的扩散系数[16]，微波加热对物料整体进行同步加热的方式可以大大加速水蒸气的迁移过程，传质过程显著促进。原底盘下微波加热与辐射加热的效果近乎相同，微波加热带来的干燥效率的提升不明显，而在使用了SiC吸波材质的底盘后，干燥效率随微波加热的功率的提高而提升。当施加的微波功率分别为2W和4W时，SiC辅助的微波冷冻干燥实验结束后，探测到SiC底盘的温度分别为45˚C和55˚C，这也代表SiC底盘吸收了微波，转化成热传递给物料，更好的使物料吸收微波，缩短干燥时间，达到提高能量利用率的效果[17]。
3结论
传统的冷冻干燥法具有较高的成本和能量损失，本文通过对蓝莓果酱进行发泡处理和对加热方式的调整，实现对干燥效率的提升和降低冷冻干燥过程的能量损失。蓝莓果酱的含水率测定实验表明，发泡处理可以明显提升干燥效率，将干燥时间降低42.2%。相比于辐射加热，微波加热方式对干燥效率的提升更为明显，其中发泡处理后的干燥时间更小，但微波加热对发泡处理后物料的干燥效果的提升不太明显，使用SiC吸波材料制作的底盘可以有效提升微波加热的效率，提高干燥效率。总而言之，对果浆进行发泡处理和微波加热的方式可确实有效的增强干燥的效率。
作者:常秋 黄易安 单位:安顺学院 农学院
