抽真空自冻结实验研究

    冷冻干燥过程中制品的冻结方法有:冻干机内搁板冻结、冷库冻结、抽真空自冻结[1]等。冻干液态原料的生产用医药冻干机,多采用干燥箱内搁板冻结,而冻干固态食品的冻干机多采用冻干机外冻结(冷库和冻结器)。这两种冻结方式都需要制冷系统,因此,增加了设备投资和运转费用;而真空自冻结克服了上述缺点,同时在抽真空自冻结过程中蒸发了一些水分[2],从而缩短了干燥时间,节约了能源[3-4]。

    为了确定什么样的物料适合抽真空自冻结,影响抽真空自冻结的主要因素有哪些。本研究采用了液态物料(水,生物酶溶液),浆态物料(螺旋藻,山楂浆),固态物料(豆腐,海参)三种不同类型的物料做了大量的抽真空自冻结试验,研究了真空室压力、物料含水量和尺寸对降温速率和冻结最终温度的影响规律。通过回归分析,建立了冻结最终温度与真空室压力、降温速率和尺寸之间的数学模型。

    1 实验

    1.1 实验器材

    主要实验设备:北京速原中天科技有限公司产GLZ-014冷冻真空干燥机;江苏天宇试验型LGS-2冷冻干燥机;上海悦丰仪器仪表有限公司产TDL-5A低速大容量离心机;OHAUSMB45卤素水分测定仪。

    实验材料:钝顶螺旋藻(离心清洗后含水量93.91%)、纯水、山楂浆(含水量75.62%)、生物酶溶液(含水量95.57%)、豆腐(含水量54.10% ~84.48%)、海参(含水量92.96%)。

    1.2 实验方法

    采用不同的物料分别设计了单因素5水平实验。抽真空之前放好物料以及温度探头,从抽真空开始记录物料温度随时间和压力的变化,到温度几乎不再下降为止。

    试验过程中,抽真空均是在捕水器的温度降到-40℃后进行的,真空度的测量用CPCA-100Z型电容薄膜式绝对压力变送器,温度的测量采用P-t 100温度传感器,测温探头放在物料底部中心位置。

    2 实验结果与分析

    2.1 真空室压力的影响

    装纯水深度为7 mm,真空室极限压力不同时,抽真空自冻结过程温度随时间的变化如图1所示。随着压力的增加,曲线的变化趋平缓,可冻结的最终温度升高,冻结的平均速率减小,但在冻结初始阶段五条曲线几乎重合,降温速率的差别不大。这是因为在降温初始阶段,水还没有冻结,蒸发快(对于水有沸腾现象),吸收的热量大,物料降温速率快,水温和压力达到三相点(0101℃,610 Pa[5])时开始冻结。冻结后冰开始升华,此时真空室压力还在继续下降,冰升华速率很快,冰升华要吸收升华潜热,所以冰的温度还会继续下降,但此时的降温速率受真空室内压力的影响较大,当冰的温度对应的饱和蒸气压接近真空室压力时,冰的温度不再下降。