基于能耗分析的真空冷冻干燥食用菌汤块制备中试
2021-09-02史德芳范秀芝殷朝敏冯翠萍程世伦
史德芳,范秀芝,殷朝敏,姚 芬,冯翠萍,程世伦,高 虹
基于能耗分析的真空冷冻干燥食用菌汤块制备中试
史德芳1,4,范秀芝1,4,殷朝敏1,4,姚 芬1,4,冯翠萍2,程世伦3,高 虹1,4※
(1. 国家食用菌加工技术研发分中心,湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所,武汉 430064;2. 山西农业大学食品科学与工程学院,太谷 030801;3. 湖北省食用菌冻干食品工程技术研究中心,钟祥兴利食品股份有限公司,钟祥 431900;4. 林下经济湖北省工程研究中心,武汉 430064)
为了降低冷冻干燥过程中能耗、推动冻干技术在食品中的应用,该研究应用在线调控预冻-冷冻干燥一体化设备进行食用菌汤块制备中试研究。对实际生产中冻结阶段(预冻温度、装盘物料厚度)、升华阶段(干燥仓压强、加热板温度)、解析阶段(水分转换点、升温工艺)等工艺进行了试验分析及优化,得出了适宜食用菌汤块冻干的节能工艺条件。提出了解析阶段的分步阶段升温法,并对解析阶段冻干曲线进行了拟合分析。结果表明,预冻温度设定为-35 ℃,装盘物料厚度为15 mm,干燥仓压强为25 Pa,汤块含水率为83.1%;升华阶段加热板温度为-10 ℃,解析阶段起始点为1 148 min,汤块含水率为9.2%,解析阶段采用分步阶段升温工艺(-10℃→2.5℃(70 min)→15℃(70 min)→27.5 ℃(70 min)→40℃(144 min))为较优选择,在此条件下,制备的汤块成品率为99.2%,感官品质指标综合分值为8.37,能耗为1.75 kW·h/kg,汤块含水率为4.3%。Boltzmann模型能较好表征解析阶段的冻干过程。该研究为冻干过程参数优化和能耗分析提供参考,为冻干技术应用于方便食品开发提供了技术依据。
干燥;能耗;食用菌汤块;冻干工艺;中试
0 引 言
方便食品以其食用及携带方便等特点受到了广大消费者的青睐,已逐渐成为世界食品发展的主流趋势之一[1]。随着人们生活水平的提高和对自身健康的追求,在购买方便食品时越来越注重其营养特性。食用菌因其具有营养丰富、风味独特的原料特性和富含纤维素、多糖、麦角甾醇等功效成分常被用作开发优质方便食品的食用原料[2]。
冻干加工食品具有保质、增值的技术特点,同时能够最大限度地降低对原料营养成分的破坏损耗[3],已广泛应用于食用菌方便食品的制备和生产中[4-6]。而冷冻干燥过程的高能耗是限制其更广泛应用的主要障碍,因此如何降低冷冻干燥过程的时间和能耗,同时又可以很好保持产品的外观和品质成为冻干生产中最需要关注的问题。为此许多学者对真空冷冻干燥的参数优化[7]、过程分析[8]和冻干机理[9-11]等方面进行了研究并取得了一些进展,相关研究成果更多体现为小试试验的理论分析、模型推演和经验总结。这些成果在实际生产应用中存在诸多的问题[12],如存在考虑因素不足、计算模型过度理论化和模型适用范围小等缺点[13]。在模型设计中存在大量的显性或隐性影响因素,而实际操作中只有物料量、干燥仓压强及加热板温度等因素可以控制[14]。因此,冻干生产过程的能耗问题还需要结合冻干物料特性和具体冻干过程进行深入解析。
实际生产中物性参数及冻干工艺过程参数对真空冷冻干燥过程能耗及产品品质都有显著的影响[15]。冻干工艺主要包括预冻、升华干燥、解析干燥3个阶段,升华和解析是冻干过程中的两个重要阶段,而升华阶段可除去全部水分的90%左右,解析阶段使得冻干产品含水率降至5%以下。在满足产品的冻干品质的前提下,合理调控过程参数(温度、压强等)、减少冻干时间是降低能耗、增强产品市场竞争力的关键步骤。
本研究从冻干食用菌汤块的中试过程入手,选定冻结阶段(冻结温度、装盘物料厚度)、升华阶段(干燥仓压强、加热板温度)、解析阶段(水分转换点、分段升温)等为主要研究对象,通过生产试验研究,考察冻干过程参数对冻干能耗及产品品质的影响。以期为冻干技术开发食用菌方便食品及冻干过程节能降耗提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
食用菌汤料(未冻干),该配方和工艺参考专利技术[16],并执行Q/ZXL002S企业标准,钟祥兴利食品股份有限公司生产。具体工艺流程如下:
1)香菇发酵物制备:香菇菌种经活化、种子培养后,无菌接入发酵罐(BIOTECH-50BS,上海保兴生物设备工程公司)中进行液态发酵;发酵培养基:蔗糖1 kg,玉米粉0.5 kg,豆粉0.5 kg,麸皮0.5 kg(煮汁过滤后加入滤液)。发酵条件为:发酵转速300 r/min,发酵温度28 ℃,发酵时间120 h。下罐后香菇菌丝体生物量(以干质量计)35 g/L。发酵物用闪式提取器(ZHBE-50T,河南智晶生物科技有限公司)的刀头破碎菌丝体细胞,电机转速:4 300 r/min,处理时间为4 min;
2)酶解:选取优质香菇18 kg清洗烘干,经多功能超微粉碎机(ZNC-300,北京永恒鑫盛科技公司)处理至平均粒径为16m,香菇超微粉加1.5倍水浸润1 h,调节pH值4.8,加入风味酶(南宁庞博生物工程有限公司)0.1%,保温55 ℃,酶解2.5 h后调节pH值4.3,加入5'-磷酸二酯酶0.6%,保温62 ℃酶解1.2 h,获得酶解液;
3)熟化:发酵浆状物和香菇酶解液各取40 kg放入真空微波干燥机(WBZ-25,贵阳新奇微波工业责任有限公司)进行熟化,微波功率16 kW,微波频率(2 450±50) Hz,真空度-0.07 MPa,处理时间20 min。并除去部分水分,含水率为31%;
4)物料调配:取新鲜杏鲍菇3.5 kg和蛹虫草4 kg,经预处理和蒸汽漂烫;鸡蛋液1.5 kg、菠菜1.2 kg熟化后和杏鲍菇、蛹虫草依次加入熟化基料中,添加食盐质量分数2%,糊精4.5%和姜0.35%、胡椒0.15%、肉桂0.1%、丁香0.15%、陈皮0.25%调制口味后,装盘冻干。
1.2 试验设备
预冻-冷冻干燥一体化装备(GD-10,江阴新申宝科技有限公司),该设备主要技术参数:有效干燥面积:10 m2;最大捕水量:160 kg;真空抽气速率:大气压→10 Pa时间小于20 min;冷却水(<25 ℃)流速:20 T/h;总功率:56 kW;板层降温参数:20~-40 ℃时间小于60 min;加热方式:直接加热;操作方式:自动控制或手动控制。
该设备由预冻、冻干、制冷、真空、捕集等各单元集成,装料后可以开展预冻及冻干一体化操作,通过自动控制模式能够在线参数实时检测和数据采集。
1.3 试验仪器
示差量热扫描仪(DSC200F3,耐驰科学仪器公司);水分快速测定仪(MJ33,梅特勒托利多公司)。
1.4 试验方法
1.4.1 试验设计
从降低中试能耗的角度出发制备食用菌汤块,通过对冻干过程3个阶段的可控参数(温度、时间、压强)进行优化调节,确定适宜的冻干工艺过程。具体如下:将制备好的食用菌汤料(未冻干)装入干燥仓内,依据设备降温参数和前期预试验结果,设定冷阱温度-40 ℃开始冻结,分别对物料冻结阶段的冻结温度和装盘物料厚度、升华干燥的干燥仓压强、加热板温度以及解吸干燥的分段升温控制等在预试验的基础上进行优化分析,选出食用菌汤块适宜冻干工艺。
1.4.2 预冻阶段试验
测定食用菌汤料的共晶点,选择适宜的预冻温度;考察冻结过程中不同装盘厚度10、15、20、25 mm物料对冻结温度的影响。
1.4.3 升华阶段试验
1)设定料板加热温度0 ℃,考察不同干燥仓压强140、70、35、25、15 Pa对冻干汤块崩解温度和时间的影响。
2)设定干燥仓压强为25 Pa,考察不同加热板温度-20、-10、0 ℃对崩解现象的影响。
1.4.4 解析阶段试验
利用在线监控和数据采集系统,通过对前期冻干食用菌汤块生产过程所得数据和资料进行总结分析,经考察后选择5种冻干解析工艺条件:
A:-10 ℃→40 ℃(物料升温时间280 min,下同);
B:-10 ℃→15 ℃(140 min)→40 ℃(175 min);
C:-10 ℃→7 ℃(93 min)→24 ℃(93 min)→40 ℃(152 min);
D:-10 ℃→2.5 ℃(70 min)→15 ℃(70 min)→27.5 ℃(70 min)→40 ℃(144 min)。
E:-10 ℃→0 ℃(56 min)→10 ℃(56 min)→20 ℃(56 min)→30 ℃(56 min)→40 ℃(154 min)。
1.4.5 解析阶段冻干工艺分析
采用多项式、Boltzmann和Guass模型对最优解析工艺进行拟合分析,考察食用菌汤块在解析阶段的冻干曲线变化规律。为温度,℃;为解析时间,min。
多项式:=++2(1)
式中,和为拟合系数。
Boltzmann模型
式中0、1和2为拟合系数。
Guass模型
式中0、、和e为拟合系数。
1.4.6 指标测定
1)共晶点和共熔点测定[17]:本试验用差示扫描量热仪,取5 mg试样经匀浆处理放置于铝坩埚中,氮气中以20 ℃平衡1 min,以5 ℃/min的速率从20 ℃冷却到-60 ℃,在-60 ℃保温1 min,以5 ℃/min升温速率从-60 ℃升温到20 ℃,得到DSC曲线;
2)温度测定用温度传感器,压强测定用压力传感器。
本试验采用温度趋近法来判断冻干是否结束,物料达到加热板设定温度,探头温度连续10 min保持不变[18];
3)能耗[15]:记录食用菌汤块冷冻干燥用电能耗,以1 kg水分所消耗的能量表示,单位为kW·h/kg;
4)成品率:根据Q/ZXL002S企业标准和出厂要求,100 kg食用菌汤块冻干成品。
成品率=(汤块总质量-残次品质量)/汤块总质量×100%(4)
5)感官评价:参考刘湾[19]的方法结合真空冷冻干燥过程参数对汤块产品要求开展感官评价,选取7名具有食用菌加工食品研发经验的人员,分别从色泽、外形、口感风味、冲调性4项评价指标对感官品质进行描述,单项最高分为10分,最低为1分,取平均值加权后计算总分。评价标准如表1所示。
表1 食用菌汤块的感官评定标准
1.4.7 数据处理
试验数据采用Origin 2019b软件绘制及拟合曲线,采用Matlab R2016a对曲线进行拟合,每次试验重复3次,解析起始点分析进行了10次重复,取其平均值。
2 结果与分析
2.1 食用菌汤块的物料特性
在真空冷冻干燥过程中,物料冻结最终温度是影响真空冷冻干燥物料品质及能耗的重要因素。物料冻结最终温度过低,在冻干生产中造成能源浪费;相反,物料冻结温度过高,容易导致局部发生融化现象。因此,选择合适的冻结温度是真空冷冻干燥工序中首先应该确定的重要参数。共晶点和共融点对于确定冻结温度和升华温度具有十分重要的参考意义[20]。本研究中的食用菌汤料含有纤维类,蛋白质类,有机盐和糖等溶质,是一种多元的混合液体。采用差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)分析食用菌汤料的共晶点、共熔点温度结果如图1所示。
由图1可知,食用菌汤料在从20~-60 ℃的降温过程中在-10.1~-15.7 ℃中间有一个较窄的放热峰,峰面积-244.8 J/g,峰值6.5 min/-11.5℃,起始点6.2 min/-10.1 ℃,终止点7.4 min/-15.7 ℃,峰宽度0.9 min(37.000%),峰高度4.697 mW/mg。在从-60 ℃到20 ℃的升温过程中在-3.2~8.5 ℃之间有一个较宽吸热峰,峰面积-269.1 J/g,峰值29.8 min/3.8℃,起始点28.4 min/-3.2 ℃,终止点30.7 min/8.5℃,峰宽度1.8 min(37.000%),峰高度2.669 mW/mg。汤块的理论共晶点、共熔点温度分别处于-15.7、-3.2 ℃左右,为进一步优化冻结工艺提供依据。
2.2 冻结阶段分析
预冻是真空冷冻干燥工艺中必不可少的环节,预冻温度直接影响冻干后物料的结构和品质[20-21]。冻干过程中,被干燥物料的湿装载量是衡量冻干产能的主要指标,也是决定冻干能耗的关键因素。在本试验中具有不同装盘厚度物料的冻结温度随时间的变化如图2所示。
由图2可知,汤块厚度薄,传热传质速率快,干燥时间短,而汤块厚度越薄使得单位面积上物料量少,降低了设备产能;厚度较大时,降温速率较慢。不同厚度物料最终的冻结温度为-34 ℃。为了使得汤块中的水分完全冻结,据DSC分析数据可知预冻温度一般要求低于物料理论共晶点温度5~10 ℃[18],再考虑盐分和胶体对自由水的束缚作用的影响,预冻温度设定为-35 ℃可满足要求。
从图2可知,随着冻干时间的延长,在0~-12 ℃范围内不同厚度的物料通过冰晶生成区的速率不同,不仅影响后续冻干过程的传热传质热力学效应,而且影响对产品的多孔结构和复水性[9-10,15]。分析可知,厚度小曲线斜率变大,降温速率快,达到最终冻结温度所用时间短;厚度大,相应的时间延长。综合考虑冻干能耗和生产能力,选择厚度为15 mm较合适,冻结结束时汤块含水率为83.1%。
2.3 升华阶段分析
2.3.1 不同干燥仓压强对冻干汤块崩解现象影响
干燥仓压强是影响冻干效果和能耗的重要参数。它的高低与升华、解吸过程的传热、传质速率关系密切。
升华阶段主要除去汤块中的自由水,设定适宜压强主要是加快升华阶段水汽的蒸发、缩短工作时间[7]。
升华阶段当抽真空达到一定的真空度后,真空度越高(即:干燥仓压强越低),传质速率越快,水分升华速率越快,而传热速率则越低,传热方式逐步变为主要依靠热传导为主。不同干燥仓压强对冻干汤块崩解温度和时间的影响如图3所示。
在提高冻干能效的前提下,选择合适的真空度要避免汤块自身发生“坍塌”现象。由图3可知,随着仓内压强降低,水分子平均自由程呈几何倍数增加,升华速度显著加快。分离出来的水分子形成定向的流动,物料升温明显。呈现出3个特点:1)初期物料升温快,随着真空度的提高,水分升华速率提高,受传质过程控制;2)随着升华时间延长,传热过程逐渐占据主导,真空度越高,传热相对越慢;3)当升华时间至240~250 min时,真空度高的物料先发生崩解现象(汤块物料呈线性升温趋势),如压强处于15 Pa下的物料崩解以后升温较快。另外,当压强低于25 Pa时,由于内部气体逸出过快,在物料的表面出现许多不规则的凸起,影响汤块成品外观形态感官品质。经本试验获得适宜的干燥仓压强为25 Pa。
2.3.2 冻干过程中加热板温度的逼近试验
采用适宜较高的加热温度能够降低冻干能耗,减小制冷负荷[22]。为了加快干燥速度,在避免汤块发生融化崩解的前提下,尽量提高升华界面温度[23]。但加热时搁板温度在升华阶段必须以维持物料不发生融化崩解为最高限。加热板温度对汤块升温的影响如图4所示。
由图4可知,通过逼近试验(选择加热温度的上限),物料在-20、-10、0 ℃的加热温度下相应升温速率也在提高。图4c所示,当物料温度达到-6.2 ℃的时,物料变得有粘性而塌陷发生崩解现象。这时的冻干曲线相比较前面的发生了2个明显的变化:1)升华时间为240~246 min的时候,样品发生了崩解,汤块物料温度曲线变为直线,可能是物料溶化导致其介电常数迅速增大,传热系数发生了显著提高所致;2)压强曲线呈现出了波动变化现象。
选择较高的加热板温度,可以降低冻干的能耗和缩短冻干时间,提高生产率,降低生产成本。但是温度升高到一定程度,汤块受热过快会失去刚性,变得具有黏性,发生崩解现象。值得注意的是,冻干过程中保持升华阶段的传热平衡比较关键。因为在真空环境下升华过程中外部传导热量绝大部分用于水分的升华,只有小部分热量用于冻结物料升温[20]。
实际操作中考虑到设备的控温误差以及温度波动影响,经过试验选定-10 ℃为加热板温度适宜,能够避免汤块产品发生崩解,同时达到了减少制冷量,降低能耗的目的。
2.4 解析阶段分析
2.4.1 解析起始点的分析
冻干过程中汤块含水率降至一定值后,进入解析阶段。物料进入解吸干燥阶段,剩下的是部分未冻结的自由水和结合水,在解析阶段使用较高的加热板温度能够加快这部分水的析出。为了寻求汤块冻干过程中升华阶段结束点和解析阶段的起始点,即水分转换点。设定加热板温度40 ℃(结合产品品质要求和预试验分析结果选择该温度),考察了不同起始点对食用菌汤块在冻干过程中的温度、压强及含水率变化(如图5所示)。
由图5a可知,选择从1 110 min开始加热(此时食用菌汤块含水率为11.7%),物料温度从1 113 min开始逐步升温,至1 136 min融化进入了线性升温区(1 136~1 146 min区间),汤块样品温度呈线性升温趋势(=0.6-688,2=1)且发生了崩解现象。
由图5b可知,推迟至1 148 min开始升温(此时食用菌汤块含水率为9.2%),温度缓慢上升,未发生崩解现象,一直持续至1 428 min,汤块温度接近40 ℃,含水率为4.3%,此为汤块的正常解析阶段。
2.4.2 解析工艺优选
合理调控解析阶段的升温过程,在避免崩解现象发生的同时,降低能耗对冻干生产具有实际意义。加热板温度较高虽然能减少干燥时间,但是产品的出品率不高。从实际生产角度来看,解析阶段一次性设定加热板温度40 ℃,物料升温较快,极易造成干燥仓中局部区域的汤块产品受热不均匀,对产品品质均一性和稳定性带来不利影响。因此,本研究在解析阶段通过“分步阶段升温法”来控制温度,防止“热失速”现象的发生,避免物料发生焦糊现象,提高产品出品率。
本研究以解析时间、感官品质指标综合分值、成品率和单位能耗为评价指标对5种不同解析工艺的冻干流程及冻干效果进行比较如表2所示。
表2 具有不同解析工艺的冻干效果比较
注:同列不同字母表示在0.05水平差异显著。
Note: Different letters indicate significant differences (<0.05) between different methods in the same column.
由表2可知,工艺A干燥时间最短,能耗最小,但是感官品质差,成品率低;工艺E干燥时间最长,感官品质好,成品率最高,但是能耗较大;工艺D的感官品质和成品率优于B、C,而能耗也相对较低,工艺D为适宜的解析冻干工艺。这是因为随着分步加热的逐步细化操作(工艺A→B→C→D),使得单位时间内加热功率逐步降低,热能有效利用率较高。而采用工艺E时,尽管温差进一步缩小,但是解析时间延长,热能利用率反而降低,能耗增大。从实际操作来看,解析阶段加热操作的工艺选择对总的能耗的影响还要考虑冻干物料中水分迁移扩散规律的影响作用[5,13]。
2.4.3 Boltzmann 函数参数在食用菌汤块冻干过程中解析阶段的物理意义分析
升华干燥阶段结束后还需继续对物料加热,物料中残留的液态水吸热汽化变成水蒸气,水蒸气通过物料孔隙逸出,解析干燥阶段宏观表现为物料升温过程,不仅存在液气相变过程和水蒸气流动过程,而且相比升华干燥阶段,还存在液态水在多孔干燥层中的流动过程,即水分扩散过程[24],因而解析干燥阶段的传热传质过程更加复杂。以适宜工艺条件D为食用菌汤块冻干解析工艺,对解析过程曲线进行拟合分析。结果如表3所示。
表3冻干曲线拟合分析(工艺D)