基于能耗分析的真空冷凍干燥食用菌湯塊制備中試

史德芳，范秀芝，殷朝敏，姚 芬，馮翠萍，程世倫，高 虹

基于能耗分析的真空冷凍干燥食用菌湯塊制備中試

史德芳1,4，范秀芝1,4，殷朝敏1,4，姚 芬1,4，馮翠萍2，程世倫3，高 虹1,4※

（1. 國家食用菌加工技術研發(fā)分中心，湖北省農業(yè)科學院農產品加工與核農技術研究所，武漢 430064；2. 山西農業(yè)大學食品科學與工程學院，太谷 030801；3. 湖北省食用菌凍干食品工程技術研究中心，鐘祥興利食品股份有限公司，鐘祥 431900；4. 林下經濟湖北省工程研究中心，武漢 430064）

為了降低冷凍干燥過程中能耗、推動凍干技術在食品中的應用，該研究應用在線調控預凍-冷凍干燥一體化設備進行食用菌湯塊制備中試研究。對實際生產中凍結階段（預凍溫度、裝盤物料厚度）、升華階段（干燥倉壓強、加熱板溫度）、解析階段（水分轉換點、升溫工藝）等工藝進行了試驗分析及優(yōu)化，得出了適宜食用菌湯塊凍干的節(jié)能工藝條件。提出了解析階段的分步階段升溫法，并對解析階段凍干曲線進行了擬合分析。結果表明，預凍溫度設定為-35 ℃，裝盤物料厚度為15 mm，干燥倉壓強為25 Pa，湯塊含水率為83.1%；升華階段加熱板溫度為-10 ℃，解析階段起始點為1 148 min，湯塊含水率為9.2%，解析階段采用分步階段升溫工藝（-10℃→2.5℃（70 min）→15℃（70 min）→27.5 ℃（70 min）→40℃（144 min））為較優(yōu)選擇，在此條件下，制備的湯塊成品率為99.2%，感官品質指標綜合分值為8.37，能耗為1.75 kW·h/kg，湯塊含水率為4.3%。Boltzmann模型能較好表征解析階段的凍干過程。該研究為凍干過程參數(shù)優(yōu)化和能耗分析提供參考，為凍干技術應用于方便食品開發(fā)提供了技術依據(jù)。

干燥；能耗；食用菌湯塊；凍干工藝；中試

0 引 言

方便食品以其食用及攜帶方便等特點受到了廣大消費者的青睞，已逐漸成為世界食品發(fā)展的主流趨勢之一[1]。隨著人們生活水平的提高和對自身健康的追求，在購買方便食品時越來越注重其營養(yǎng)特性。食用菌因其具有營養(yǎng)豐富、風味獨特的原料特性和富含纖維素、多糖、麥角甾醇等功效成分常被用作開發(fā)優(yōu)質方便食品的食用原料[2]。

凍干加工食品具有保質、增值的技術特點，同時能夠最大限度地降低對原料營養(yǎng)成分的破壞損耗[3]，已廣泛應用于食用菌方便食品的制備和生產中[4-6]。而冷凍干燥過程的高能耗是限制其更廣泛應用的主要障礙，因此如何降低冷凍干燥過程的時間和能耗，同時又可以很好保持產品的外觀和品質成為凍干生產中最需要關注的問題。為此許多學者對真空冷凍干燥的參數(shù)優(yōu)化[7]、過程分析[8]和凍干機理[9-11]等方面進行了研究并取得了一些進展，相關研究成果更多體現(xiàn)為小試試驗的理論分析、模型推演和經驗總結。這些成果在實際生產應用中存在諸多的問題[12]，如存在考慮因素不足、計算模型過度理論化和模型適用范圍小等缺點[13]。在模型設計中存在大量的顯性或隱性影響因素，而實際操作中只有物料量、干燥倉壓強及加熱板溫度等因素可以控制[14]。因此，凍干生產過程的能耗問題還需要結合凍干物料特性和具體凍干過程進行深入解析。

實際生產中物性參數(shù)及凍干工藝過程參數(shù)對真空冷凍干燥過程能耗及產品品質都有顯著的影響[15]。凍干工藝主要包括預凍、升華干燥、解析干燥3個階段，升華和解析是凍干過程中的兩個重要階段，而升華階段可除去全部水分的90%左右，解析階段使得凍干產品含水率降至5%以下。在滿足產品的凍干品質的前提下，合理調控過程參數(shù)（溫度、壓強等）、減少凍干時間是降低能耗、增強產品市場競爭力的關鍵步驟。

本研究從凍干食用菌湯塊的中試過程入手，選定凍結階段（凍結溫度、裝盤物料厚度）、升華階段（干燥倉壓強、加熱板溫度）、解析階段（水分轉換點、分段升溫）等為主要研究對象，通過生產試驗研究，考察凍干過程參數(shù)對凍干能耗及產品品質的影響。以期為凍干技術開發(fā)食用菌方便食品及凍干過程節(jié)能降耗提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

食用菌湯料（未凍干），該配方和工藝參考專利技術[16]，并執(zhí)行Q/ZXL002S企業(yè)標準，鐘祥興利食品股份有限公司生產。具體工藝流程如下：

1）香菇發(fā)酵物制備：香菇菌種經活化、種子培養(yǎng)后，無菌接入發(fā)酵罐（BIOTECH-50BS，上海保興生物設備工程公司）中進行液態(tài)發(fā)酵；發(fā)酵培養(yǎng)基：蔗糖1 kg，玉米粉0.5 kg，豆粉0.5 kg，麩皮0.5 kg（煮汁過濾后加入濾液）。發(fā)酵條件為：發(fā)酵轉速300 r/min，發(fā)酵溫度28 ℃，發(fā)酵時間120 h。下罐后香菇菌絲體生物量（以干質量計）35 g/L。發(fā)酵物用閃式提取器（ZHBE-50T，河南智晶生物科技有限公司）的刀頭破碎菌絲體細胞，電機轉速：4 300 r/min，處理時間為4 min；

2）酶解：選取優(yōu)質香菇18 kg清洗烘干，經多功能超微粉碎機（ZNC-300，北京永恒鑫盛科技公司）處理至平均粒徑為16m，香菇超微粉加1.5倍水浸潤1 h，調節(jié)pH值4.8，加入風味酶（南寧龐博生物工程有限公司）0.1%，保溫55 ℃，酶解2.5 h后調節(jié)pH值4.3，加入5'-磷酸二酯酶0.6%，保溫62 ℃酶解1.2 h，獲得酶解液；

3）熟化：發(fā)酵漿狀物和香菇酶解液各取40 kg放入真空微波干燥機（WBZ-25，貴陽新奇微波工業(yè)責任有限公司）進行熟化，微波功率16 kW，微波頻率（2 450±50） Hz，真空度-0.07 MPa，處理時間20 min。并除去部分水分，含水率為31%；

4）物料調配：取新鮮杏鮑菇3.5 kg和蛹蟲草4 kg，經預處理和蒸汽漂燙；雞蛋液1.5 kg、菠菜1.2 kg熟化后和杏鮑菇、蛹蟲草依次加入熟化基料中，添加食鹽質量分數(shù)2%，糊精4.5%和姜0.35%、胡椒0.15%、肉桂0.1%、丁香0.15%、陳皮0.25%調制口味后，裝盤凍干。

1.2 試驗設備

預凍-冷凍干燥一體化裝備（GD-10，江陰新申寶科技有限公司），該設備主要技術參數(shù)：有效干燥面積：10 m2；最大捕水量：160 kg；真空抽氣速率：大氣壓→10 Pa時間小于20 min；冷卻水（<25 ℃）流速：20 T/h；總功率：56 kW；板層降溫參數(shù)：20～-40 ℃時間小于60 min；加熱方式：直接加熱；操作方式：自動控制或手動控制。

該設備由預凍、凍干、制冷、真空、捕集等各單元集成，裝料后可以開展預凍及凍干一體化操作，通過自動控制模式能夠在線參數(shù)實時檢測和數(shù)據(jù)采集。

1.3 試驗儀器

示差量熱掃描儀（DSC200F3，耐馳科學儀器公司）；水分快速測定儀（MJ33，梅特勒托利多公司）。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗設計

從降低中試能耗的角度出發(fā)制備食用菌湯塊，通過對凍干過程3個階段的可控參數(shù)（溫度、時間、壓強）進行優(yōu)化調節(jié)，確定適宜的凍干工藝過程。具體如下：將制備好的食用菌湯料（未凍干）裝入干燥倉內，依據(jù)設備降溫參數(shù)和前期預試驗結果，設定冷阱溫度-40 ℃開始凍結，分別對物料凍結階段的凍結溫度和裝盤物料厚度、升華干燥的干燥倉壓強、加熱板溫度以及解吸干燥的分段升溫控制等在預試驗的基礎上進行優(yōu)化分析，選出食用菌湯塊適宜凍干工藝。

1.4.2 預凍階段試驗

測定食用菌湯料的共晶點，選擇適宜的預凍溫度；考察凍結過程中不同裝盤厚度10、15、20、25 mm物料對凍結溫度的影響。

1.4.3 升華階段試驗

1）設定料板加熱溫度0 ℃，考察不同干燥倉壓強140、70、35、25、15 Pa對凍干湯塊崩解溫度和時間的影響。

2）設定干燥倉壓強為25 Pa，考察不同加熱板溫度-20、-10、0 ℃對崩解現(xiàn)象的影響。

1.4.4 解析階段試驗

利用在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對前期凍干食用菌湯塊生產過程所得數(shù)據(jù)和資料進行總結分析，經考察后選擇5種凍干解析工藝條件：

A：-10 ℃→40 ℃（物料升溫時間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 解析階段凍干工藝分析

采用多項式、Boltzmann和Guass模型對最優(yōu)解析工藝進行擬合分析，考察食用菌湯塊在解析階段的凍干曲線變化規(guī)律。為溫度，℃；為解析時間，min。

多項式：=++2（1）

式中，和為擬合系數(shù)。

Boltzmann模型

式中0、1和2為擬合系數(shù)。

Guass模型

式中0、、和e為擬合系數(shù)。

1.4.6 指標測定

1）共晶點和共熔點測定[17]：本試驗用差示掃描量熱儀，取5 mg試樣經勻漿處理放置于鋁坩堝中，氮氣中以20 ℃平衡1 min，以5 ℃/min的速率從20 ℃冷卻到-60 ℃，在-60 ℃保溫1 min，以5 ℃/min升溫速率從-60 ℃升溫到20 ℃，得到DSC曲線；

2）溫度測定用溫度傳感器，壓強測定用壓力傳感器。

本試驗采用溫度趨近法來判斷凍干是否結束，物料達到加熱板設定溫度，探頭溫度連續(xù)10 min保持不變[18]；

3）能耗[15]：記錄食用菌湯塊冷凍干燥用電能耗，以1 kg水分所消耗的能量表示，單位為kW·h/kg；

4）成品率：根據(jù)Q/ZXL002S企業(yè)標準和出廠要求，100 kg食用菌湯塊凍干成品。

成品率=（湯塊總質量-殘次品質量）/湯塊總質量×100%（4）

5）感官評價：參考劉灣[19]的方法結合真空冷凍干燥過程參數(shù)對湯塊產品要求開展感官評價，選取7名具有食用菌加工食品研發(fā)經驗的人員，分別從色澤、外形、口感風味、沖調性4項評價指標對感官品質進行描述，單項最高分為10分，最低為1分，取平均值加權后計算總分。評價標準如表1所示。

表1 食用菌湯塊的感官評定標準

1.4.7 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2019b軟件繪制及擬合曲線，采用Matlab R2016a對曲線進行擬合，每次試驗重復3次，解析起始點分析進行了10次重復，取其平均值。

2 結果與分析

2.1 食用菌湯塊的物料特性

在真空冷凍干燥過程中，物料凍結最終溫度是影響真空冷凍干燥物料品質及能耗的重要因素。物料凍結最終溫度過低，在凍干生產中造成能源浪費；相反，物料凍結溫度過高，容易導致局部發(fā)生融化現(xiàn)象。因此，選擇合適的凍結溫度是真空冷凍干燥工序中首先應該確定的重要參數(shù)。共晶點和共融點對于確定凍結溫度和升華溫度具有十分重要的參考意義[20]。本研究中的食用菌湯料含有纖維類，蛋白質類，有機鹽和糖等溶質，是一種多元的混合液體。采用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）分析食用菌湯料的共晶點、共熔點溫度結果如圖1所示。

由圖1可知，食用菌湯料在從20～-60 ℃的降溫過程中在-10.1～-15.7 ℃中間有一個較窄的放熱峰，峰面積-244.8 J/g，峰值6.5 min/-11.5℃，起始點6.2 min/-10.1 ℃，終止點7.4 min/-15.7 ℃，峰寬度0.9 min（37.000%），峰高度4.697 mW/mg。在從-60 ℃到20 ℃的升溫過程中在-3.2～8.5 ℃之間有一個較寬吸熱峰，峰面積-269.1 J/g，峰值29.8 min/3.8℃，起始點28.4 min/-3.2 ℃，終止點30.7 min/8.5℃，峰寬度1.8 min（37.000%），峰高度2.669 mW/mg。湯塊的理論共晶點、共熔點溫度分別處于-15.7、-3.2 ℃左右，為進一步優(yōu)化凍結工藝提供依據(jù)。

2.2 凍結階段分析

預凍是真空冷凍干燥工藝中必不可少的環(huán)節(jié)，預凍溫度直接影響凍干后物料的結構和品質[20-21]。凍干過程中，被干燥物料的濕裝載量是衡量凍干產能的主要指標，也是決定凍干能耗的關鍵因素。在本試驗中具有不同裝盤厚度物料的凍結溫度隨時間的變化如圖2所示。

由圖2可知，湯塊厚度薄，傳熱傳質速率快，干燥時間短，而湯塊厚度越薄使得單位面積上物料量少，降低了設備產能；厚度較大時，降溫速率較慢。不同厚度物料最終的凍結溫度為-34 ℃。為了使得湯塊中的水分完全凍結，據(jù)DSC分析數(shù)據(jù)可知預凍溫度一般要求低于物料理論共晶點溫度5～10 ℃[18]，再考慮鹽分和膠體對自由水的束縛作用的影響，預凍溫度設定為-35 ℃可滿足要求。

從圖2可知，隨著凍干時間的延長，在0～-12 ℃范圍內不同厚度的物料通過冰晶生成區(qū)的速率不同，不僅影響后續(xù)凍干過程的傳熱傳質熱力學效應，而且影響對產品的多孔結構和復水性[9-10,15]。分析可知，厚度小曲線斜率變大，降溫速率快，達到最終凍結溫度所用時間短；厚度大，相應的時間延長。綜合考慮凍干能耗和生產能力，選擇厚度為15 mm較合適，凍結結束時湯塊含水率為83.1%。

2.3 升華階段分析

2.3.1 不同干燥倉壓強對凍干湯塊崩解現(xiàn)象影響

干燥倉壓強是影響凍干效果和能耗的重要參數(shù)。它的高低與升華、解吸過程的傳熱、傳質速率關系密切。

升華階段主要除去湯塊中的自由水，設定適宜壓強主要是加快升華階段水汽的蒸發(fā)、縮短工作時間[7]。

升華階段當抽真空達到一定的真空度后，真空度越高（即：干燥倉壓強越低），傳質速率越快，水分升華速率越快，而傳熱速率則越低，傳熱方式逐步變?yōu)橹饕揽繜醾鲗橹鳌２煌稍飩}壓強對凍干湯塊崩解溫度和時間的影響如圖3所示。

在提高凍干能效的前提下，選擇合適的真空度要避免湯塊自身發(fā)生“坍塌”現(xiàn)象。由圖3可知，隨著倉內壓強降低，水分子平均自由程呈幾何倍數(shù)增加，升華速度顯著加快。分離出來的水分子形成定向的流動，物料升溫明顯。呈現(xiàn)出3個特點：1）初期物料升溫快，隨著真空度的提高，水分升華速率提高，受傳質過程控制；2）隨著升華時間延長，傳熱過程逐漸占據(jù)主導，真空度越高，傳熱相對越慢；3）當升華時間至240～250 min時，真空度高的物料先發(fā)生崩解現(xiàn)象（湯塊物料呈線性升溫趨勢），如壓強處于15 Pa下的物料崩解以后升溫較快。另外，當壓強低于25 Pa時，由于內部氣體逸出過快，在物料的表面出現(xiàn)許多不規(guī)則的凸起，影響湯塊成品外觀形態(tài)感官品質。經本試驗獲得適宜的干燥倉壓強為25 Pa。

2.3.2 凍干過程中加熱板溫度的逼近試驗

采用適宜較高的加熱溫度能夠降低凍干能耗，減小制冷負荷[22]。為了加快干燥速度，在避免湯塊發(fā)生融化崩解的前提下，盡量提高升華界面溫度[23]。但加熱時擱板溫度在升華階段必須以維持物料不發(fā)生融化崩解為最高限。加熱板溫度對湯塊升溫的影響如圖4所示。

由圖4可知，通過逼近試驗（選擇加熱溫度的上限），物料在-20、-10、0 ℃的加熱溫度下相應升溫速率也在提高。圖4c所示，當物料溫度達到-6.2 ℃的時，物料變得有粘性而塌陷發(fā)生崩解現(xiàn)象。這時的凍干曲線相比較前面的發(fā)生了2個明顯的變化：1）升華時間為240～246 min的時候，樣品發(fā)生了崩解，湯塊物料溫度曲線變?yōu)橹本€，可能是物料溶化導致其介電常數(shù)迅速增大，傳熱系數(shù)發(fā)生了顯著提高所致；2）壓強曲線呈現(xiàn)出了波動變化現(xiàn)象。

選擇較高的加熱板溫度，可以降低凍干的能耗和縮短凍干時間，提高生產率，降低生產成本。但是溫度升高到一定程度，湯塊受熱過快會失去剛性，變得具有黏性，發(fā)生崩解現(xiàn)象。值得注意的是，凍干過程中保持升華階段的傳熱平衡比較關鍵。因為在真空環(huán)境下升華過程中外部傳導熱量絕大部分用于水分的升華，只有小部分熱量用于凍結物料升溫[20]。

實際操作中考慮到設備的控溫誤差以及溫度波動影響，經過試驗選定-10 ℃為加熱板溫度適宜，能夠避免湯塊產品發(fā)生崩解，同時達到了減少制冷量，降低能耗的目的。

2.4 解析階段分析

2.4.1 解析起始點的分析

凍干過程中湯塊含水率降至一定值后，進入解析階段。物料進入解吸干燥階段，剩下的是部分未凍結的自由水和結合水，在解析階段使用較高的加熱板溫度能夠加快這部分水的析出。為了尋求湯塊凍干過程中升華階段結束點和解析階段的起始點，即水分轉換點。設定加熱板溫度40 ℃（結合產品品質要求和預試驗分析結果選擇該溫度），考察了不同起始點對食用菌湯塊在凍干過程中的溫度、壓強及含水率變化（如圖5所示）。

由圖5a可知，選擇從1 110 min開始加熱（此時食用菌湯塊含水率為11.7%），物料溫度從1 113 min開始逐步升溫，至1 136 min融化進入了線性升溫區(qū)（1 136～1 146 min區(qū)間），湯塊樣品溫度呈線性升溫趨勢（=0.6-688，2=1）且發(fā)生了崩解現(xiàn)象。

由圖5b可知，推遲至1 148 min開始升溫（此時食用菌湯塊含水率為9.2%），溫度緩慢上升，未發(fā)生崩解現(xiàn)象，一直持續(xù)至1 428 min，湯塊溫度接近40 ℃，含水率為4.3%，此為湯塊的正常解析階段。

2.4.2 解析工藝優(yōu)選

合理調控解析階段的升溫過程，在避免崩解現(xiàn)象發(fā)生的同時，降低能耗對凍干生產具有實際意義。加熱板溫度較高雖然能減少干燥時間，但是產品的出品率不高。從實際生產角度來看，解析階段一次性設定加熱板溫度40 ℃，物料升溫較快，極易造成干燥倉中局部區(qū)域的湯塊產品受熱不均勻，對產品品質均一性和穩(wěn)定性帶來不利影響。因此，本研究在解析階段通過“分步階段升溫法”來控制溫度，防止“熱失速”現(xiàn)象的發(fā)生，避免物料發(fā)生焦糊現(xiàn)象，提高產品出品率。

本研究以解析時間、感官品質指標綜合分值、成品率和單位能耗為評價指標對5種不同解析工藝的凍干流程及凍干效果進行比較如表2所示。

表2 具有不同解析工藝的凍干效果比較

注：同列不同字母表示在0.05水平差異顯著。

Note: Different letters indicate significant differences (<0.05) between different methods in the same column.

由表2可知，工藝A干燥時間最短，能耗最小，但是感官品質差，成品率低；工藝E干燥時間最長，感官品質好，成品率最高，但是能耗較大；工藝D的感官品質和成品率優(yōu)于B、C，而能耗也相對較低，工藝D為適宜的解析凍干工藝。這是因為隨著分步加熱的逐步細化操作（工藝A→B→C→D），使得單位時間內加熱功率逐步降低，熱能有效利用率較高。而采用工藝E時，盡管溫差進一步縮小，但是解析時間延長，熱能利用率反而降低，能耗增大。從實際操作來看，解析階段加熱操作的工藝選擇對總的能耗的影響還要考慮凍干物料中水分遷移擴散規(guī)律的影響作用[5,13]。

2.4.3 Boltzmann 函數(shù)參數(shù)在食用菌湯塊凍干過程中解析階段的物理意義分析

升華干燥階段結束后還需繼續(xù)對物料加熱，物料中殘留的液態(tài)水吸熱汽化變成水蒸氣，水蒸氣通過物料孔隙逸出，解析干燥階段宏觀表現(xiàn)為物料升溫過程，不僅存在液氣相變過程和水蒸氣流動過程，而且相比升華干燥階段，還存在液態(tài)水在多孔干燥層中的流動過程，即水分擴散過程[24]，因而解析干燥階段的傳熱傳質過程更加復雜。以適宜工藝條件D為食用菌湯塊凍干解析工藝，對解析過程曲線進行擬合分析。結果如表3所示。

表3凍干曲線擬合分析（工藝D）