真空冷凍干燥白菊的試驗(yàn)研究

劉鴻雁，高陽，王亞，李強(qiáng)

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

真空冷凍干燥白菊的試驗(yàn)研究

劉鴻雁，高陽*，王亞，李強(qiáng)

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

以食用白菊為研究對(duì)象，在LGJ-25C型真空冷凍干燥機(jī)上對(duì)其進(jìn)行真空冷凍干燥工藝的研究。首先通過熱電阻法測(cè)取白菊的共晶點(diǎn)為-20℃，共熔點(diǎn)為-8℃；隨后通過改變擱板加熱溫度，研究不同加熱溫度對(duì)白菊最終含水量、干燥時(shí)間、顏色及形狀的影響，結(jié)果表明加熱擱板溫度45℃為最佳擱板溫度；最后得出真空冷凍干燥法干燥白菊的最佳工藝路線為將白菊預(yù)凍6h，然后放入干燥室中升華干燥15h，再解析干燥14h，解析干燥時(shí)加熱溫度為45℃。研究結(jié)果可為白菊的實(shí)際冷凍干燥生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

真空冷凍干燥；凍干法；食用花；白菊

白菊花除了具有觀賞價(jià)值外，由于富含揮發(fā)油、氨基酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1-3]，早已成為入肴佳品。其食用方法很多，最常見的是泡茶，或制成菊花粥、菊花酒等[4]。

白菊除了鮮食外，多數(shù)制成干花保存。而鮮花干燥的難點(diǎn)在于溫度不能過高，否則容易氧化，顏色差、變形嚴(yán)重且營(yíng)養(yǎng)成分流失多。因此合理選擇干燥方法非常必要。近年，真空冷凍干燥技術(shù)在鮮花干燥領(lǐng)域越來越受到青睞。這是因?yàn)檎婵绽鋬龈稍锓椒ㄔ诟哒婵蘸偷蜏叵逻M(jìn)行操作，物料不易氧化、熱敏性成分、色澤、風(fēng)味不易變[5]。此外，真空冷凍干燥技術(shù)利用升華原理去除濕份，干燥產(chǎn)品外形變化小，因此這種方法非常適合有護(hù)形和護(hù)色要求的鮮花干燥。

目前，部分學(xué)者對(duì)干燥鮮菊進(jìn)行了研究。郭彥萃等[6]通過對(duì)矢車菊、切花菊、菊芋、非洲菊4種花的真空冷凍干燥研究，得出了最佳真空冷凍干燥工藝。Lin Sheng Dun等[7]做了紫錐菊真空冷凍和冷熱風(fēng)干燥的研究，發(fā)現(xiàn)咖啡酸衍生物和總酚含量受干燥方法的影響。而關(guān)于白菊真空冷凍干燥技術(shù)的研究鮮見相關(guān)報(bào)道。

本研究以白菊（品種為：神馬）為原料，在LGJ-25C型真空冷凍干燥機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究真空冷凍干燥操作參數(shù)對(duì)白菊干燥特性及品質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為白菊的實(shí)際干燥操作提參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為市場(chǎng)采購的白菊，試驗(yàn)時(shí)選用無蟲害，無腐爛的盛開期花朵，舌狀花瓣完全展開?；ú木捎没^部分，保留2 cm左右的莖桿。

1.2 主要儀器與設(shè)備

LGJ-25C型冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠；JA1003型電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；ZK-1BS型電熱真空干燥箱：天津市中環(huán)試驗(yàn)電爐有限公司生產(chǎn)。

1.3 方法

1.3.1 共晶點(diǎn)的測(cè)量

采用電阻法測(cè)量共晶點(diǎn)，測(cè)量原理是濕物料在凍結(jié)過程中，電阻值發(fā)生突變時(shí)的溫度即為共晶點(diǎn)。原因是隨著濕物料中水分的凍結(jié)，可移動(dòng)帶電離子數(shù)減少，物料電阻增大，導(dǎo)電性下降，當(dāng)物料中的水分全部?jī)鼋Y(jié)成冰時(shí)，帶電離子停止定向移動(dòng)，物料的電阻值突然增大，此時(shí)物料的溫度即為共晶點(diǎn)[8]。試驗(yàn)白菊的電阻變化通過萬用表測(cè)量，物料溫度由表面溫度測(cè)量?jī)x表測(cè)量。試驗(yàn)首先將花材放入冷凍干燥機(jī)，然后將萬用表的表筆和表面接觸溫度儀表的測(cè)量探頭插入花材中，隨后開啟干燥機(jī)進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，隨著冷凍溫度的降低，記錄白菊電阻和冷凍溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)電阻值突然增大時(shí)，記錄此時(shí)的溫度，即為白菊的共晶點(diǎn)。

1.3.2 共熔點(diǎn)的測(cè)量

共熔點(diǎn)的測(cè)量原理與共晶點(diǎn)的測(cè)量原理相同，操作時(shí)測(cè)量完全凍結(jié)物料在溫度上升過程中的電阻值，當(dāng)電阻值突然減小時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度就是共熔點(diǎn)溫度。

1.3.3 凍干曲線的測(cè)定

將試驗(yàn)花材稱重后放置冷凍干燥機(jī)冷阱的物料盤中，溫度探頭插入花材中心。開啟壓縮機(jī)，用快速冷凍法進(jìn)行花材預(yù)冷凍，待花材凍結(jié)后，將物料拿出冷阱，置于凍干機(jī)的干燥室內(nèi)，開啟真空泵，然后加熱擱板，進(jìn)行升華干燥和解析干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用單因素變量法，控制加熱擱板溫度分別為25、30、35、40、45℃，同時(shí)記錄白菊溫度、擱板溫度等數(shù)據(jù)，直至試驗(yàn)結(jié)束。

1.3.4 干基含濕量的測(cè)定

白菊干基含濕量計(jì)算公式如下：

式中：x為干基含水量，（kg水/kg干物料）；mw為濕物料中水的重量，kg；md為干物料重量，kg。

白菊干基濕含量的測(cè)定通過采用高精度電子天平測(cè)量干燥前后的質(zhì)量來獲得。首先，干燥開始前，測(cè)量試驗(yàn)花材的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行凍干試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量花材質(zhì)量，隨后將其放入真空干燥箱烘至絕干后，測(cè)量干花質(zhì)量。

1.3.5 外形及品質(zhì)分析

對(duì)不同干燥工藝條件下，干燥后花材的外形和顏色進(jìn)行評(píng)定。外形采用游標(biāo)卡尺測(cè)量干燥前后花冠大小[9]；花材顏色采用比色法[10]對(duì)比干燥前后的顏色變化。

花冠縮小率按下式計(jì)算：

式中：d1為花材干燥前的直徑，mm；d2為花材干燥后的直徑，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 共晶點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與討論

降溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線，見圖1。

由圖1降溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線可見，白菊的凍結(jié)過程可分為3個(gè)階段，第一階段為晶核形成階段，電阻隨溫度下降變化很??；第二階段為大冰晶成長(zhǎng)階段，電阻隨溫度下降變化明顯增大；第三階段為共晶階段，電阻值隨溫度下降發(fā)生突變。根據(jù)馬寧[11]對(duì)食品物料共晶溫度測(cè)試的研究結(jié)論，選擇電阻變化率小于1 MΩ/℃時(shí)的溫度為共晶區(qū)的下限溫度，電阻變化率大于5 MΩ/℃時(shí)的溫度為共晶區(qū)的上限溫度，所以白菊的共晶區(qū)間為：-20℃～-16.5℃。為了使物料中水分完全被凍結(jié)，選取上限溫度為共晶點(diǎn)，即-20℃為白菊共晶點(diǎn)溫度。為了保證預(yù)凍時(shí)物料全部?jī)鼋Y(jié)，一般冷凍溫度低于共晶點(diǎn)溫度5℃～10℃[12]。

圖1 降溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線（共晶點(diǎn)測(cè)定）Fig.1 Variation of White Chrysanthemum resistance with temperature dropping（measurement of eutectic point）

2.2 共熔點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與討論

升溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線，見圖2。

圖2 升溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線（共熔點(diǎn)測(cè)定）Fig.2 Variation of White Chrysanthemum resistance with temperature rising（measurement of eutectic melting point）

由圖2升溫時(shí)白菊電阻隨溫度的變化曲線可見，升溫時(shí)電阻變化曲線與圖1降溫時(shí)時(shí)電阻變化曲線不同，原因是冰晶熔解過程與結(jié)晶過程不是完全可逆的。根據(jù)程遠(yuǎn)霞[13]等對(duì)食品物料共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)溫度測(cè)定的試驗(yàn)研究，本試驗(yàn)選擇電阻變化率小于-5 MΩ/℃時(shí)的溫度作為共熔區(qū)的上限溫度，電阻變化率大于-1 M Ω/℃時(shí)的溫度作為共熔區(qū)的下限溫度，所以白菊的共熔點(diǎn)范圍為-8℃～-1℃。為了保證白菊不熔化，取上限溫度作為物料的共熔點(diǎn)，即為-8℃。

2.3 凍干試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 白菊干基濕含量的變化規(guī)律

不同擱板溫度下白菊最終干基濕含量的對(duì)比圖，見圖3。

圖3 不同擱板溫度下白菊最終干基濕含量的對(duì)比圖Fig.3 The chart of drying moisture content at different shelf temperature for White Chrysanthemum

在凍干機(jī)保持高真空度（10 Pa）以及花材的初始干基濕含量相同情況下，調(diào)節(jié)擱板溫度，對(duì)白菊進(jìn)行凍干試驗(yàn)，研究不同擱板溫度對(duì)花材最終濕含量的影響。預(yù)試驗(yàn)時(shí)擱板溫度為50℃，花材出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，影響干花品質(zhì)，因此擱板溫度分別取為25、30、35、40、45℃，經(jīng)過相同干燥時(shí)間，干燥花材最終濕含量柱狀圖見圖3。由圖可見，隨著擱板溫度的增加，白菊濕含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)擱板溫度為45℃時(shí)白菊濕含量達(dá)到最低，原因是隨著擱板溫度的升高，增加了傳熱推動(dòng)力，有利于水分的逸出，加快干燥速率，45℃時(shí)最終干基濕含量達(dá)到最低值，說明解析階段擱板溫度越高越利于水分的排出。后期試驗(yàn)可考慮梯度更小的擱板溫度區(qū)間，如：45、46、47、48、49 ℃，以確定更加精確的最佳擱板溫度。

2.3.2 白菊干燥時(shí)間的變化規(guī)律

為了將花材干燥到儲(chǔ)藏所需安全水分，又將初始濕含量相同的鮮花在不同擱板溫度下進(jìn)行了凍干試驗(yàn)，達(dá)到儲(chǔ)藏安全水分所需干燥時(shí)間的對(duì)比柱狀圖見圖4所示。

圖4 不同擱板溫度下白菊干燥時(shí)間的對(duì)比圖Fig.4 The chart of drying time at different shelf temperature for White Chrysanthemum

由圖可見，加熱擱板溫度越低，所需干燥時(shí)間越長(zhǎng)，最低擱板溫度25℃時(shí)所需干燥時(shí)間比45℃多16 h。這是因?yàn)閿R板溫度低，花材干燥速率小，因此干燥時(shí)間長(zhǎng)。

2.4 外形及品質(zhì)分析

2.4.1 外形變化及分析

不同加熱擱板溫度下，對(duì)干花的外形進(jìn)行比較，干燥前后花冠尺寸變化。

表1 不同干燥條件下的白菊直徑Table 1 White Chrysanthemum diameter of different drying conditions

如表1所示，隨著擱板溫度的升高，花冠縮小率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但擱板溫度達(dá)到35℃以后收縮率變化不大，這說明真空低溫下干燥，加熱溫度升高對(duì)花材外形收縮的影響越來越小。試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)擱板溫度為25℃時(shí)外側(cè)花瓣出現(xiàn)輕微鼓泡及皺縮現(xiàn)象，隨著溫度的增大，鼓泡現(xiàn)象逐漸減弱，至45℃時(shí)鼓泡消失。原因在于，從花材結(jié)構(gòu)上來看，花瓣的上下表皮細(xì)胞在形狀和排列方式上存在較大差異，使水蒸氣在上下兩個(gè)升華界面的逸出速度不同，同時(shí)花瓣內(nèi)還有少量空氣，抽真空時(shí)壓力降低，擱板溫度越低，傳熱推動(dòng)力越小，導(dǎo)致氣體不能及時(shí)逸出，花瓣就出現(xiàn)了鼓泡現(xiàn)象[6]。此外，擱板溫度低也會(huì)引起升華期間熱量不足，升華不充分導(dǎo)致冰晶融化，進(jìn)而引起花瓣鼓泡甚至爆破現(xiàn)象[14-15]。

2.4.2 顏色分析

不同加熱擱板溫度下，采用比色法[10]對(duì)白菊干花的顏色進(jìn)行比較，見表2。

表2 不同干燥條件下的干白菊顏色Table2 WhiteChrysanthemum colorofdifferentdryingconditions

如表2所示，隨著加熱擱板溫度的升高，花材中心花瓣和外層花瓣顏色褐變?cè)絹碓捷p，加熱擱板溫度分別為40℃和45℃時(shí)為顏色變化最小。濕熱環(huán)境是褐變產(chǎn)生的原因，而在這兩個(gè)溫度下，花材失去了絕大部分的水分，環(huán)境里濕度也低，故褐變極小，此外干燥室高真空度，幾乎不發(fā)生氧化變色，加之花瓣中的色素較穩(wěn)定，較少分解維持原色。

2.5 最佳凍干曲線

白菊凍干曲線見圖5。

圖5 白菊凍干曲線（真空度10 Pa擱板加熱溫度45℃）Fig.5Thecurveofvacuumfreeze-dryingforWhiteChrysanthemum

在不同干燥條件下，對(duì)白菊進(jìn)行凍干試驗(yàn)，并根據(jù)2.4外形及品質(zhì)的變化結(jié)果，得到最佳凍干工藝為：先將花材預(yù)凍6 h，升華干燥15 h，再以45℃的加熱擱板溫度進(jìn)行解析干燥14 h。凍干曲線如圖5所示，由物料溫度變化曲線可見，其干燥過程可分為兩個(gè)階段，預(yù)凍6 h后白菊進(jìn)入第一干燥階段，即升華干燥階段，這個(gè)階段主要去除白菊內(nèi)部經(jīng)過預(yù)凍以冰晶形式存在的水分，在高真空及加熱條件下，冰晶升華為蒸汽并由真空排氣通道排出到設(shè)備外部。升華階段除去整個(gè)干燥過程中的大部分水分，15 h后，升華干燥結(jié)束進(jìn)入第二干燥階段，即解析干燥階段，由于物料和擱板溫度梯度大，物料溫度上升較快，最后趨于擱板溫度。由于解析干燥階段主要去除的是毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上吸附的水分，這部分水分吸附作用強(qiáng)，難于去除，因此干燥時(shí)間較長(zhǎng)，約需14 h。

3 結(jié)論

1）采用電阻法測(cè)取白菊的共晶點(diǎn)為-20℃，共熔點(diǎn)為-8℃。

2）加熱擱板溫度分別為 25、30、35、40、45 ℃下，對(duì)白菊的真空冷凍試驗(yàn)結(jié)果表明，從干基濕含量、干燥時(shí)間、花冠大小及顏色變化角度分析，加熱擱板溫度45℃為最佳擱板溫度。

3）試驗(yàn)得出白菊的真空冷凍干燥最佳工藝流程為：將花材預(yù)凍6 h，升華干燥15 h，再以45℃的加熱擱板溫度進(jìn)行解析干燥14 h效果最佳。

[1] 朱珍勇.秋冬食菊清香誘人[J].綠化與生活,2007(6)：44-44

[2] 王曉波.護(hù)眼明目話菊花[J].綠化與生活,2008(5)：39-39

[3] Lee Bong Han,Nam Tea Gyu,Park Woo Jung,et al.Antioxidative and neuroprotective effects of volatile components in essential oils from Chrysanthemum indicum Linn,flowers[J].Food science and biotechnology,2015,24(2)：717-723

[4] 廣醫(yī).美容益壽話菊花[J].山東食品科技,2001(12)：23

[5] 孔凡真.真空冷凍干燥食品的技術(shù)與設(shè)備[J].食品研究與開發(fā),2004,25(4)：90-91

[6] 郭彥萃.用真空冷凍干燥技術(shù)研制四種花卉的立體干燥花[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2006：1-57

[7] Lin Sheng-Dun,Sung Jih-Min,Chen Chung-Li.Effect of drying and storage conditions on caffeic acid derivatives and total phenolics of Echinacea Purpurea grown in Taiwan[J].Food Chemistry,2011,125(1)：226-231

[8] 朱文學(xué),董鐵有,張玉先,等.牡丹花真空冷凍干燥試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(9)：68-70,59

[9] 何葉.三種花卉干燥方法的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2007：1-46

[10]金萍.真空冷凍干燥技術(shù)在制作立體干花方面的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2008(18)：39

[11]馬寧,謝秀英,李建朝,等.食品物料共晶溫度測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào),1998,19(4)：85-89

[12]潘永康,王喜忠.現(xiàn)代干燥技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998：466-468

[13]程遠(yuǎn)霞,王國(guó)華.食品共晶、共熔溫度測(cè)定試驗(yàn)研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,10(4)：44-46

[14]董鐵有,李素云,張建龍,等.典型食品物料的共晶、共熔溫度研究[J].食品工業(yè),2005(5)：49-51

[15]李云飛,王成芝.在真空冷凍干燥中凍結(jié)溫度的測(cè)定與分析[J].低溫工程,1997(2)：39-42

Experiment Study on Vacuum Freeze Drying of Edible White Chrysanthemum

LIU Hong-yan，GAO Yang*，WANG Ya，LI Qiang

（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

In this study，edible White Chrysanthemum were taken as the object of study，using vacuum freeze dryer of type LGJ-25C.First of all，the eutectic and the co-melting point of White Chrysanthemum were measured by the way of thermal resistance.The experimental result showed that the eutectic point of White Chrysanthemum was-20℃ and the co-melting point of White Chrysanthemum was-8℃.Followed，on vacuum freeze-drying machine，the final dry basis moisture content，the drying time of White Chrysanthemum，color and shape were researched by changing the heating temperature.The optimum drying White Chrysanthemum route of vacuum freeze-drying had two steps.Firstly the White Chrysanthemum was pre-freezed for 6 h in the cold trap，then the White Chrysanthemum was put into the drying chamber and sublimation dried for 15 h，deabsorption dried for 14 h.The drying process maintained high vacuum degree，and the heating temperature of deabsorption drying maintained 45℃.The research results can provide guidance for practical White Chrysanthemum freeze-drying.

vacuum freeze-drying；freeze-drying；edible flowers；White Chrysanthemum

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.026

劉鴻雁（1971—），女（滿），副教授，博士，研究方向：傳熱與傳質(zhì)。

*通信作者：高陽（1989—），女，研究生在讀。

2015-07-22