前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的發泡處理和微波輔助的冷凍干燥研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要:為解決傳統方法制作藍莓食品工藝中藍莓營養物質的損耗問題，冷凍干燥處理方式逐漸興起，但準備時間長，能耗高的缺點限制了其廣泛應用。該文以提高冷凍干燥效率為目標，通過發泡處理的方式對藍莓果醬的傳質過程進行強化，并采用微波加熱的方法對傳熱過程強化，在實現對果醬制作過程能耗降低的同時得到營養價值較高的產品。結果表明，發泡處理可以將干燥時間降低42.2%，而微波加熱的方式對未發泡處理和發泡處理后物料的干燥時間都有縮減，且吸波材料的輔助可以顯著提升微波加熱對發泡處理物料的干燥效率。
關鍵詞:冷凍干燥；微波加熱；發泡；傳質傳熱
藍莓作為營養價值極高的水果，因為其豐富的花青素和維生素的含量受到廣大人民的喜愛。事實上，藍莓中含有的各類有機酸也使其具有一定的醫學價值，可用于消炎、感染癥狀的消除。除此之外，藍莓中還有較多果膠、抗氧化等成分，是保健品行業的寵兒[1-3]。然而藍莓外果皮薄、肉嫩多汁，含水率超過80%，因此極易腐爛。所以藍莓多以鮮食為主，或以熱加工的方式對藍莓果實進行加工，如制成藍莓蛋糕、藍莓醬等。但熱加工的藍莓中的植物化學物質受到熱燙的影響較大，存在極大的營養物質的損失。食品非熱加工技術是指在食品行業中通過非傳統加熱的方法來主要進行殺菌與鈍酶的技術，這種技術不僅有利于保持食品中功能性成分的生物活性，且還有利于保持色、香、味及營養成分,避免傳統熱殺菌技術導致營養物質被破壞、顏色加深、揮發性風味成分損失等問題。其中，冷凍干燥法是將果漿中的水分在低溫環境下凝結為固態的冰，并在低壓環境中將冰的升華點降低，再以吸附水解吸的方式實現對果漿原料中水分的去除，這種方法大大降低了果漿中有效物質的損耗，成為食品加工行業中應用較為廣泛的加工工藝[4]。然而冷凍干燥方法也具有明顯的缺陷，對果漿的冷凍處理需要維持較長的時間，能源消耗較高，經濟成本較大。上述問題都是限制其大規模應用的關鍵所在。所以對冷凍干燥法進行改良是十分有意義的[5]。
1.實驗材料與裝置
本實驗中藍莓果漿由當地生鮮超市購買藍莓經過打漿通過篩網進行過濾得到，
2實驗結果
2.1共晶點測試
在冷凍干燥法中，預凍溫度對材料的影響很大，預凍溫度高于果漿的共晶點時則果漿中的水分不能被完全轉化為冰，使得后續的步驟被影響，導致果漿在后期處理的表面硬化等問題；而預凍溫度過度低于共晶點時則會增大工藝的能耗。為錨定合適的預凍溫度，需要對果漿的共晶點進行測試[6]。本實驗對果漿共晶點的測試分為4步：1.對冷凍干燥機進行預處理，對冷凍干燥機的冷阱腔進行清潔處理并干燥。2.預凍處理，使冷阱腔整體環境溫度降至-54?C。3.取適量果漿置于冷阱腔，連接測試系統，并檢查是否數據是否順利傳輸。4.對果漿的溫度和電阻率進行記錄，當果漿的電阻率顯示趨于穩定狀態時，所得到的溫度即為本次實驗所得果漿共晶點溫度。經過上述步驟處理得到果漿的電阻率-時間和溫度-時間曲線如圖1，從圖中可以看出當相對電阻率(r/r0)達到相對最高值時，果漿溫度幾乎保持較大程度的穩定，此時溫度穩定在-21.1℃，有理由得出本次實驗制備得到藍莓果漿的共晶溫度在-21.1℃左右。據文獻顯示，預凍溫度一般設置為果漿共晶溫度以下的15?C左右[7]，因此，本次實驗選用預凍溫度為-38?C，預凍處理總時間為7h。
2.2發泡處理對冷凍干燥的影響
為探究發泡處理對冷凍干燥實驗的影響，本實驗制備了發泡處理后的果漿物料和未經過發泡處理的果漿物料，為了消除其他因素帶來的影響，實驗采取控制變量法對誤差進行消除，兩者的成分都采用120g藍莓果漿+4g分離乳清蛋白+2g果膠。不同的是，未發泡處理的物料經過以0.5小時轉速設置未200r/min的均勻攪拌處理，而發泡處理則是使用打蛋器持續攪拌0.5小時。取攪拌完成后的果漿10g，將物料置于模具，在低溫環境下塑形得測試物料。發泡處理和未發泡處理的物料。在實驗開始之前需要對制備得到的物料進行干燥處理，物料在模具中脫出后置于低溫環境下保存，為單獨研究發泡處理對冷凍干燥的影響，兩者均采用輻射加熱的方式對物料進行加熱。設定輻射熱源的溫度和干燥室的壓力分別為穩定的30?C，15Pa。實驗步驟如下所示：1.連接電腦與干燥設備，開始運行LabVIEW，實驗開始前先行啟動風機系統和循環控溫系統，溫度穩定至設定溫度（-38?C）后向干燥室中冷阱內加入適量體積的液氮。2.將干燥室與真空系統連接并打開真空泵，使用真空泵對干燥室內壓力進行調節，穩定至設定壓力（15Pa）后進入數據采集階段，數據采集前干燥室環境需要保持穩定均一。3.完成1，2步驟后，關閉風機和三通閥使干燥室短暫獨立，將制備好的物料從存放處取出并迅速重連干燥室與外部系統，重新開啟風機并等待干燥室環境穩定至設定環境（-38?C）完成預熱后，關閉風機，調節三通閥使干燥室與真空系統暫時隔離；將樣品組件從深冷冰柜中取出，快速地移至干燥室；調節三通閥使干燥室與真空系統再次連通，開啟風機。4.開啟熱源，調節輸出功率。5.運行程序，開始數據采集。6.等待物料質量趨于平穩時關閉熱源，停止干燥過程，導出采集數據。果漿經過發泡處理后，原本內部較為均勻無孔隙的流體在較大速度的發泡下與空氣充分接觸形成內部孔隙率極大的泡沫體系，為探究發泡處理后的物料在冷凍干燥中呈現什么樣的狀態，記錄在干燥室環境下兩種物料的含水率變化。根據測試結果可知，發泡物料干燥時間大大降低，未發泡物料的在趕時間達到了22500s左右，而經過發泡處理后干燥時間降低至13000s左右，干燥效率提升了42.2%。綜合來看，對原料進行發泡處理能夠大幅度縮短物料的干燥時間，這大大降低了干燥過程所需的能量消耗。并且，處理過程時間的降低也表明了物料中有益成分的流失較少[8]?；谖矬w的傳熱理論，體積較小的物體往往具有更好的傳熱效果[9]，然而發泡樣品的干燥時間相比于未發泡樣品仍有所縮短。這說明了發泡處理得到的多孔結構有利于水蒸氣的遷移，增大了多孔介質有效擴散系數，有效減小了傳質阻力，促進了傳質過程，從而強化了冷凍干燥過程[10]。
2.3微波加熱對冷凍干燥的影響
對于冷凍干燥過程而言，其溫度的傳遞主要以導熱和輻射兩個形式進行。同時，熱量傳遞的阻力主要來自于加熱板和物料間的不良接觸，和熱量自表面傳遞到內部的熱量損失[11]。在冷凍干燥過程中，導熱和輻射皆是干燥效率的主要影響因素，而微波可以實現整體加熱，而不是通過溫度梯度來傳遞熱量，避免了傳熱阻力的產生。然而微波加熱的效果與物質吸波能力有關，對于藍莓果醬而言，其吸波能力較差的部分是其有效固體基質[12]。為研究微波加熱對冷凍干燥的影響，實驗采用相同干燥室環境下和相同功率的微波加熱源對物料進行測試，未發泡物料和發泡物料的含水率。我們可以歸納出兩個結論，其一是相比正常加熱源而言，微波加熱對于未發泡與發泡物料的干燥效果均有一定的促進作用；其二則是微波加熱對于發泡處理后物料的干燥促進較低，干燥時間降低程度較小。這可能是發泡物料本身的干燥時間較短，導致微波加熱對干燥效果的提升不明顯[13]。但值得注意的是，微波加熱仍然比正常加熱過程具有更好的干燥效果，同時也降低了干燥過程的能耗[14]。
2.4對發泡物料微波加熱的改良
在2.3部分的研究中，可以看出微波加熱對發泡物料的效果并不明顯，這是由于相對于未發泡處理的物料，發泡處理得到的物料具有多孔結構，增加傳熱傳質效率，導致微波的效果不明顯。而發泡處理對干燥效率的巨大提升使得相較而言微波加熱對物料干燥效率的提升幾可忽略。為了加強微波加熱對物料干燥過程的促進，本次實驗設計采用吸波材料對微波加熱效果進行促進。在吸波材料的選擇上，本次實驗選取損耗因子較大的SiC材料最為底盤的設計，將SiC材質的底盤代替干燥室中原本的石英底盤進行冷凍干燥實驗，實驗步驟與2.3中實驗相同，進行發泡處理后的物料在SiC底盤與原本底盤上的含水率-時間曲線，其中，為表現微波加熱和吸波材料對干燥效果的促進，本次實驗對熱源的功率做了微調，分別為輻射熱源功率4W，微波加熱功率2W和輻射熱源功率2W，完全微波加熱功率為4W。在采用了吸波性能較好的SiC底盤后，在30?C、15Pa的干燥室環境中，為發泡物料的冷凍干燥時間都出現明顯的降低，熱源為輻射功率2W+微波功率2W的實驗組與全微波加熱4W的實驗組相較于原始全輻射加熱的未發泡物料相比，時間從22500s分別降低到11000s和9400s左右，功效提升了51.1%和58.2%。而采用原底盤的發泡物料和2.3中實驗結論幾乎相同，微波加熱雖然的確對干燥效率有所提升，但效果并不明顯。在底盤設計時，為了排除底盤厚度對傳熱的影響，SiC底盤的形狀和尺寸與原底盤相同。相對于未發泡物料，發泡處理后形成的物料內部有著數量極大的微孔[15]，微孔中含有的空氣無疑對導熱過程有著阻礙作用，然而發泡物料巨大的孔隙空間使得物料中的水蒸氣具有更低的擴散阻力和更大的擴散系數[16]，微波加熱對物料整體進行同步加熱的方式可以大大加速水蒸氣的遷移過程，傳質過程顯著促進。原底盤下微波加熱與輻射加熱的效果近乎相同，微波加熱帶來的干燥效率的提升不明顯，而在使用了SiC吸波材質的底盤后，干燥效率隨微波加熱的功率的提高而提升。當施加的微波功率分別為2W和4W時，SiC輔助的微波冷凍干燥實驗結束后，探測到SiC底盤的溫度分別為45?C和55?C，這也代表SiC底盤吸收了微波，轉化成熱傳遞給物料，更好的使物料吸收微波，縮短干燥時間，達到提高能量利用率的效果[17]。
3結論
傳統的冷凍干燥法具有較高的成本和能量損失，本文通過對藍莓果醬進行發泡處理和對加熱方式的調整，實現對干燥效率的提升和降低冷凍干燥過程的能量損失。藍莓果醬的含水率測定實驗表明，發泡處理可以明顯提升干燥效率，將干燥時間降低42.2%。相比于輻射加熱，微波加熱方式對干燥效率的提升更為明顯，其中發泡處理后的干燥時間更小，但微波加熱對發泡處理后物料的干燥效果的提升不太明顯，使用SiC吸波材料制作的底盤可以有效提升微波加熱的效率，提高干燥效率。總而言之，對果漿進行發泡處理和微波加熱的方式可確實有效的增強干燥的效率。
作者:常秋 黃易安 單位:安順學院 農學院
