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槟榔芋真空冷冻干燥特性研究及其工艺优化

吴小辉  
【摘要】: 槟榔芋属天南星科,多年生草本植,具有丰富的营养价值。芋的深加工研究受到了广泛的关注。本试验先对槟榔芋真空冷冻干燥过程几个关键点进行研究,包括预冻温度、升华界面最高限制温度、冷冻干燥终点的判断、冷冻干燥温度的控制,初步确定槟榔芋冷冻干燥基本工艺流程;再通过单因数试验结合传热传质理论分析,确定影响干燥速率、物料收缩率以及物料复水值等指标的因素;接下来对指标影响因素进行优化组合试验,建立以各指标为基准的动态数学模型,同时确立最佳工艺;最后对冷冻干燥动力学进行研究,以期为槟榔芋冷冻干燥工艺提供理论依据和数据参考。 首先,本试验研究对槟榔芋真空冷冻干燥过程的几个关键点进行研究。发现槟榔芋的共晶点温度为-28℃、共熔点温度为-23℃,考虑生产试验操作中温度的损耗,物料预冻温度设置为-40℃,在升华阶段控制物料温度不超过-23℃;由于冻干机为间歇式,采用温度趋近法对物料干燥终点判断;通过对槟榔芋温度控制冻干曲线的分析,采用在物料升华阶段,尽量控制升华界面的温度接近但又不超过共熔点温度,在物料解吸干燥阶段,尽量提高温度,但物料最高限制温度不超过80℃。由以上初步确定冷冻干燥的基本工艺流程。 其次,本试验研究了影响槟榔芋真空冷冻干燥过程的主要工艺参数。通过对工艺参数(干燥室绝对压力、升华加热温度、物料厚度)和指标(干燥速率、体积收缩率及复水值)的曲线回归方程以及表示离散度大小R2的分析,发现解吸加热温度对各指标的影响均很小,从能耗上考虑,选择解吸加热温度固定为60℃。而其他因素对干燥速率、体积收缩率及复水值等指标的影响是显著的。 再次,本实验利用二次回归通用旋转组合设计试验,得出了槟榔芋真空冷冻干燥过程中各工艺参数(绝对压力x1、升华加热温度x2、物料厚度x3)同主要指标(真空冷冻干燥速率y1、物料体积收缩率y2、物料复水值y3)间的动态数学模拟关系,在α=0.05显著水平上剔除不显著的因素项后,建立以各指标为基准的动态数学模型,如下: 同时确定以真空冷冻干燥速率为指标,槟榔芋真空冷冻干燥的优化工艺参数为绝对压力为110 Pa,升华加热温度为37.5℃,物料厚度为3 mm;以物料体积收缩率为指标的优化工艺参,绝对压力为10 Pa,升华加热温度为15℃,物料厚度为3 mm。以物料复水值为指标优化工艺参数,绝对压力为105 Pa,升华加热温度为34℃,物料厚度为5.5 mm。 最后,选用干燥动力学上最常用的经典扩散模型、指数模型和Page方程分别进行分析研究,选择最优的动力学模型指导生产实践。通过对这三种模型在不同厚度、不同升华温度、不同绝对压力下的方程线性关系比较,发现t—-ln(MR)曲线和lnt—ln(-lnMR)曲线的线性方程R2值均接近于1,所拟合的趋势线均很可靠。但lnt—ln(-lnMR)曲线的线性方程R2值均更为接近1,说明Page方程更适合作为槟榔芋真空冷冻干燥的动力学模型;最后得到槟榔芋真空冷冻干燥动力学模型。,2.429 0.051 0.228 2, 0.317 0.104 0.2012即MR = e? rt N其中,r = e ? + x ?xN = + x ?x。对该模型进行验证,认为模型可以较好的表示槟榔芋真空冷冻干燥过程中水分比的变化。


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