速溶茶冷凍干燥最佳凍干曲線的研究

張 欣

(天津醫(yī)科大學(xué)，天津300070)

茶是我國(guó)的傳統(tǒng)飲料，深受人們喜愛(ài)。隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，速溶茶以及以速溶茶為原料的飲品越來(lái)越受到人們的追捧和青睞。針對(duì)茶的色香味等敏感特性，生產(chǎn)速溶茶的工藝要求更高，尤其在干燥過(guò)程中，干燥方式及干燥參數(shù)均會(huì)對(duì)速溶茶的速溶性、感官性狀和營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味具有較大的影響。目前，速溶茶多采用噴霧干燥技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，但是其干燥溫度較高，對(duì)風(fēng)味品質(zhì)影響較大，亟待開(kāi)發(fā)新型速溶茶干燥技術(shù)。冷凍干燥又稱真空冷凍干燥、冷凍升華干燥，它是將含水物質(zhì)先凍結(jié)到冰點(diǎn)以下，使水分變成固態(tài)冰，然后在較高的真空度下，將冰直接轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，物料即被干燥［1-2］。冷凍干燥技術(shù)可以較好地保留速溶茶的原汁原味，提高其溶解性和營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味?；诖耍菊撐臄M研究冷凍干燥過(guò)程中綠茶提取液濃度、溶液厚度、凍干溫度、干燥時(shí)間、壓強(qiáng)對(duì)速溶茶水分含量的影響，確定速溶茶冷凍干燥的最佳工藝條件，為速溶茶工業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西湖龍井 北京吳裕泰茶業(yè)股份有限公司;蒸餾水 自制。

真空冷凍干燥裝置 美國(guó)VirTis 公司生產(chǎn)的UniTop SL600 小型真空冷凍干燥裝置，干燥面積為0.6m2，冷阱最低溫度為-54℃，其干燥室即作為預(yù)冷的冷凍室，又作為干燥的加熱室，不另置冷凍室，整機(jī)示意圖如圖1 所示。

圖1 UniTop SL600 凍干機(jī)示意圖Fig.1 UniTop SL600 freezer sketch

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 速溶茶的凍干實(shí)驗(yàn) 將綠茶和水按質(zhì)量比1∶10的比例混合，在80℃條件下微波提取30min，將提取液和茶葉分離，茶葉用同樣的方法再提取一次，兩次的提取液合并，用離心機(jī)澄清，利用膜分離技術(shù)進(jìn)行反滲透濃縮，然后將濃縮液置于凍干室中進(jìn)行冷凍干燥，最后將干燥成品包裝。作為關(guān)鍵工序的冷凍干燥，其干燥操作過(guò)程為:先將濃縮液置于凍干室內(nèi)，開(kāi)制冷機(jī)將物料凍結(jié)，然后開(kāi)冷阱捕冷，再抽真空，最后加熱干燥，解除干燥室真空，取出產(chǎn)品包裝。

1.2.2 共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)的測(cè)定:采用電阻法［3］。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)凍速率對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

預(yù)凍速率影響物料凍結(jié)時(shí)形成冰晶體的大小，但是，由于大部分機(jī)器不能進(jìn)行預(yù)凍速率的控制，因此只能以預(yù)凍溫度和裝箱時(shí)間來(lái)決定預(yù)凍的速率。實(shí)驗(yàn)證明:預(yù)凍速率大，則綠茶提取液形成的冰晶體晶粒越小，干燥后越能反映產(chǎn)品原來(lái)的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品質(zhì)地、速溶性、均勻性越好。本實(shí)驗(yàn)為了提高預(yù)凍速率，將凍干箱預(yù)先降至較低溫度，然后再讓物料進(jìn)箱，預(yù)凍溫度為-40℃。

2.2 綠茶提取液濃度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

綠茶提取液的濃度在冷凍干燥過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)、成本控制有直接影響，濃度越大，水分含量越小，除去這些水分所需的能耗和凍干時(shí)間越少，茶粉產(chǎn)率越高，因此，通過(guò)濃縮使綠茶提取物溶液達(dá)到最適濃度至關(guān)重要。目前普遍采用真空濃縮等技術(shù)進(jìn)行綠茶提取物的濃縮，但是該技術(shù)會(huì)直接影響茶液的色澤和香味。本實(shí)驗(yàn)采用膜濃縮方法，綠茶提取液濃度可以達(dá)到20%，由于膜濃縮是在常溫下操作，茶液的香味沒(méi)有損失，產(chǎn)品的品質(zhì)好。

2.3 裝料厚度對(duì)凍干時(shí)間的影響

冷凍干燥過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，凍干時(shí)間是隨著物料的厚度增加而延長(zhǎng)的，物料增厚，凍干時(shí)間將大大增加，但是單位厚度所用的凍干時(shí)間卻不相同，見(jiàn)表1。

表1 不同厚度的綠茶濃縮液所需的凍干時(shí)間Table 1 Freezing time basing on different thickness of tea extraction

可見(jiàn)在冷凍干燥時(shí)，應(yīng)盡量增大物料表面積，減少厚度，以提高干燥速率，當(dāng)然，亦應(yīng)綜合考慮凍干階段的能耗和人力物力的消耗。以單位時(shí)間的出品率和單位產(chǎn)品的成本為指標(biāo)，選取綠茶濃縮液的最佳厚度為10mm，凍干時(shí)間為8.5h，此時(shí)的單位厚度所需時(shí)間最低為0.85h/mm，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 加熱溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

當(dāng)溫度升高時(shí)，完全凍結(jié)的綠茶提取液，開(kāi)始出現(xiàn)冰晶熔化，這時(shí)的溫度被稱為食品的共熔點(diǎn)［4］。本實(shí)驗(yàn)采用電阻法測(cè)定綠茶提取液的共熔點(diǎn)，其原理是當(dāng)凍結(jié)的綠茶提取液出現(xiàn)液化時(shí)，水中離子開(kāi)始移動(dòng)，導(dǎo)電性恢復(fù)，電阻會(huì)突然由大變小，此時(shí)溫度就是其共熔點(diǎn)。由表2 可見(jiàn)，當(dāng)綠茶提取液的溫度達(dá)到-17.0℃時(shí)，其電阻突然變小，即為其共熔點(diǎn)。

在綠茶提取液凍干過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制加熱擱板的溫度，以防止出現(xiàn)熔化、冒泡、崩解等現(xiàn)象［5］。其控制原則是:盡量使升華界面溫度接近且必須低于其共熔點(diǎn)，因此，在升華干燥過(guò)程中，其加熱溫度應(yīng)低于-17.0℃。但是，當(dāng)升華階段結(jié)束后，應(yīng)提高擱板溫度，使水分迅速降低至規(guī)定含水量，本實(shí)驗(yàn)將溫度控制在40℃以下以防止成品焦糊。

表2 綠茶濃縮液共熔點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果Table 2 Measurement of the eutectic point

2.5 操作壓力對(duì)凍干時(shí)間的影響

凍干室的操作壓力是影響冷凍干燥過(guò)程中傳熱傳質(zhì)的重要因素［6］，壓力越高傳熱效率越好，但不利于水蒸汽逸出;壓力越低傳質(zhì)效果越好，但傳熱性能較差，因此，為了尋求二者平衡，本實(shí)驗(yàn)找出最佳操作壓力，實(shí)驗(yàn)表明:凍干箱的合適壓強(qiáng)為0.1 ～0.3mmHg 之間。在這個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)，既利于熱量的傳遞，又利于升華的進(jìn)行。

2.6 速溶茶冷凍干燥曲線的確定

凍干曲線是凍干箱擱板溫度與時(shí)間之間的關(guān)系曲線，要想得到優(yōu)質(zhì)的凍干產(chǎn)品，必須對(duì)冷凍干燥過(guò)程的每一階段的各參數(shù)進(jìn)行全面地控制，而凍干曲線就是進(jìn)行冷凍干燥過(guò)程控制的基本依據(jù)，在多次實(shí)驗(yàn)中，我們確定了速溶茶的最佳凍干曲線，如圖2 所示，對(duì)于速溶茶的工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖2 速溶茶的冷凍干燥曲線(茶液厚度10mm)Fig.2 The freeze drying curve(thickness 10mm)

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了速溶茶冷凍干燥的最佳工藝條件:綠茶提取液濃度20%～25%，溶液厚度為10mm，共熔點(diǎn)-17℃，干燥時(shí)間8.5h，壓強(qiáng)為0.1～0.3mmHg。

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