渦流管制冷常壓冷凍干燥懷山藥技術(shù)分析

任麗影，任廣躍*，楊曉童，張 偉，段 續(xù)，張樂道，朱文學(xué)

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

渦流管制冷常壓冷凍干燥懷山藥技術(shù)分析

任麗影，任廣躍*，楊曉童，張 偉，段 續(xù)，張樂道，朱文學(xué)

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

搭建一套渦流管制冷常壓冷凍干燥裝置，選用懷山藥作為凍干實(shí)驗(yàn)材料，以渦流管為制冷源，對(duì)凍干規(guī)律進(jìn)行研究，分別考察渦流管進(jìn)口壓力、物料厚度、給熱模式、物料形狀等因素對(duì)干燥過程影響。結(jié)果表明：在干燥處理過程中，物料性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)干燥速率影響較大。通過適當(dāng)減小物料厚度和采用對(duì)流輻射耦合變溫給熱模式均可提高干燥速率。干燥室內(nèi)溫度略高于物料三相點(diǎn)溫度時(shí)，渦流管制冷常壓冷凍干燥過程仍可以進(jìn)行。對(duì)懷山藥而言，當(dāng)冷氣流率0.4～0.5、進(jìn)口壓力0.3 MPa時(shí)，制冷效率最佳。

常壓冷凍干燥；渦流管；懷山藥；干燥速率

懷山藥（Chinese yam）為薯蕷科（Dioscoreaceae）多年生纏繞草質(zhì)藤本植物，藥用部位為其根莖，是我國著名的“四大懷藥”之一[1]。以河南武陟、溫縣為道地產(chǎn)區(qū)，其富含淀粉、蛋白質(zhì)、游離氨基酸等營養(yǎng)成分，以及黏性多糖（包括黏液質(zhì)及糖蛋白）、尿囊素、淀粉酶、膽堿、膽甾醇、麥角甾醇、多酚氧化酶等多種活性成分[2]。因其營養(yǎng)價(jià)值和活性作用以及細(xì)長的塊莖，深灰色厚實(shí)的表皮，形似棍棒且耐貯存而獲得“鐵棍懷山藥”、“懷參”的美稱，被視為山藥中珍品。由于黏液多糖、淀粉、水分含量較高，使得懷山藥在存儲(chǔ)過程中易腐爛變質(zhì)。干燥是保證懷山藥營養(yǎng)價(jià)值的重要手段[3]。

冷凍干燥（freeze drying，F(xiàn)D）是目前獲得高品質(zhì)干制品最好的一項(xiàng)干燥技術(shù)[4]，其干燥機(jī)理是將含濕物料進(jìn)行預(yù)凍結(jié)，物料所含水分在低于水的三相點(diǎn)的低溫低壓條件下不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，可以較好地 保持食品物料的色、香、味和形及生物物料的活性等，從而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、醫(yī)藥和材料等領(lǐng)域[5]。而常規(guī)凍干技術(shù)需要在高真空條件下加熱，由于沒有對(duì)流，傳熱效率很低，處理懷山藥等高含水率物料往往需要30 h以上的干燥時(shí)間[6]。此外，冷凍干燥過程中的大功率制冷機(jī)組、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)使凍干運(yùn)行成本極為高昂，存在設(shè)備精密復(fù)雜和能耗高等缺點(diǎn)，其推廣應(yīng)用受到極大限制[7-8]。

為了提高真空冷凍干燥處理的干燥速率，降低成本，除對(duì)凍干技術(shù)的工藝進(jìn)行改進(jìn)外，也應(yīng)該探索研究新型的冷凍干燥技術(shù)。1959年Meryman等[9]首次提出了常壓冷凍干燥（atmospheric freeze drying，AFD）技術(shù)，其干燥機(jī)理是在常壓或接近常壓條件下，對(duì)物料采取特定手段進(jìn)行除濕，使低溫空氣中的水蒸氣分壓力低于升華界面上的飽和蒸汽分壓力，冷凍物料中的水分得以升華，即在沒有真空的條件下進(jìn)行冷凍干燥。AFD技術(shù)與真空冷凍干燥相比，不需要配備真空裝置，從而可大幅度降低凍干成本，具有良好潛在的應(yīng)用前景。然而目前的相關(guān)研究表明AFD技術(shù)干燥效果并不理想，產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定[10-13]，主要原因是AFD除濕手段單一，除濕效果較差，冰晶在干燥過程中容易熔化。此外，AFD裝置通常由用來降低溫度的機(jī)械熱泵系統(tǒng)和用來除濕的冷凝器所組成，且為了使環(huán)境水蒸氣分壓足夠低，蒸發(fā)器溫度通常非常低，導(dǎo)致設(shè)備成本較高。高效節(jié)能的除濕方式及穩(wěn)定的冷氣流場是AFD技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

渦流管制冷技術(shù)自Ranque[14]發(fā)明以來，得到了飛速的發(fā)展，它能夠把壓縮氣體分離為冷熱兩股溫度不同氣流。由于渦流管裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、易于維修、無運(yùn)動(dòng)部件且溫度變化范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用到醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域[15-16]。因此，本研究搭建了基于渦流管制冷常壓冷凍干燥裝置，將渦流管用作AFD除濕冷源，直接降低物料表面的蒸汽分壓，使干燥器中的水蒸氣分壓低于物料內(nèi)部水的三相點(diǎn)壓力，提供對(duì)流換熱流體介質(zhì)，不需要水汽凝結(jié)器來捕捉水蒸氣，有利于降低能耗，節(jié)約成本；以懷山藥為實(shí)驗(yàn)材料，分析了干燥處理參數(shù)對(duì)AFD技術(shù)的影響，為AFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏中應(yīng)用提供理論依據(jù)，為低耗、高效、綠色凍干技術(shù)提供新的解決途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

懷山藥為河南溫縣道地產(chǎn)區(qū)所產(chǎn)新鮮鐵棍懷山藥，含水量為87.5%，購于河南省洛陽當(dāng)?shù)爻?，個(gè)體完整、粗細(xì)均勻、無機(jī)械損傷、肉質(zhì)潔白。

1.2 儀器與設(shè)備

渦流管制冷常壓冷凍干燥裝置如圖1所示。該裝置主要由空氣壓縮機(jī)、渦流管制冷系統(tǒng)、干燥箱裝置、在線測量系統(tǒng)等部分組成。

圖1 常壓冷凍干燥裝置系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic layout of the atmospheric freeze-drying system

工作過程：由壓縮機(jī)1壓縮出來的高壓空氣先經(jīng)過干燥過濾器2去除水蒸氣和其他雜質(zhì)，得到潔凈的干燥空氣，再通過恒溫水槽3以保持溫度恒定，然后經(jīng)調(diào)壓閥4進(jìn)入渦流管11內(nèi)將高壓氣體分離成冷、熱兩股氣流[17]。冷氣流進(jìn)入干燥室15，對(duì)物料進(jìn)行干燥處理。渦流管制冷系統(tǒng)中冷氣端的氣流溫度和流量可通過熱氣端的調(diào)節(jié)閥10進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足實(shí)驗(yàn)中低溫氣流場的要求，且渦流管冷氣端的出口溫度控制在±0.6 ℃的范圍內(nèi)。干燥室15正面設(shè)計(jì)成帶有機(jī)玻璃制成的透明窗，可以隨時(shí)觀察干燥室內(nèi)干燥情況，干燥室內(nèi)的溫度可通過調(diào)整熱氣端的調(diào)節(jié)閥10開度大小進(jìn)行控制。在干燥室裝有PID溫度調(diào)節(jié)器，用來控制輻射加熱板和傳導(dǎo)加熱板的溫度。物料的實(shí)時(shí)溫度采用T型鎳銅熱電偶在線測量。物料放置在干燥室鋁制托盤內(nèi)，可用傳導(dǎo)和輻射兩種給熱模式，其中傳導(dǎo)給熱采用電加熱方式，輻射給熱采用遠(yuǎn)紅外鹵素輻射板加熱方式，加熱溫度在0～110 ℃之間可控。流量調(diào)節(jié)閥5用來維持系統(tǒng)氣流的穩(wěn)定。金屬浮子流量計(jì)8、13分別用來測量渦流管熱端出氣流量和冷端出氣流量。實(shí)驗(yàn)中在渦流管進(jìn)口處（位于干燥室側(cè)面中上部）、冷端出口（位于干燥室另一側(cè)面中下部）以及熱端出口處分別布置合適的測點(diǎn)。采用高精度壓力表14測量進(jìn)氣壓力，采用標(biāo)定過的鎳銅熱電偶測量溫度。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

新鮮懷山藥經(jīng)清洗、去皮處理后，在室溫條件下制備成兩組樣品：一組為塊狀物料（10 mm×10 mm×5 mm）；另一組為片狀物料（厚度2、3、4、5 mm，直徑10 mm），備用。

為防止酶促褐變，干燥實(shí)驗(yàn)開始前，在100 ℃沸水中燙漂，燙漂時(shí)間為60 s[18]，然后輕輕用吸水紙擦拭至無明顯水跡。然后將物料放置在溫度控制在－30 ℃冷庫內(nèi)進(jìn)行預(yù)凍結(jié)12 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將干燥箱內(nèi)溫度降到要求的溫度，然后按照給熱模式進(jìn)行調(diào)節(jié)到要求的溫度后，迅速將一定質(zhì)量的冷凍物料放入干燥箱中，開始凍干處理。

1.3.2 常壓冷凍干燥處理

1.3.2.1 進(jìn)氣壓力和冷氣流率對(duì)制冷效應(yīng)的影響

通過調(diào)節(jié)壓力和流量控制閥，使渦流管入口處獲得某一均勻穩(wěn)定的氣流，本實(shí)驗(yàn)所選定的渦流管入口進(jìn)氣壓力（絕對(duì)壓力）為0.3、0.4、0.5、0.6 MPa，并通過調(diào)節(jié)熱端閥開度來改變渦流管的冷氣流率，從而考察進(jìn)氣壓力和冷氣流率其對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響。

1.3.2.2 給熱模式對(duì)干燥過程的影響

本實(shí)驗(yàn)通過采取恒溫和變溫給熱模式為物料升華提供所需的熱量，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（表1）分別獲取恒溫和變溫給熱模式水分比隨干燥時(shí)間變化的曲線，從而考察給熱模式對(duì)干燥過程的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表Table1 Experimental schemes for drying of Chinese yam

1.3.2.3 物料厚度對(duì)干燥過程的影響

通過4 種不同厚度（2、3、4、5 mm）圓盤狀（直徑為10 mm）懷山藥片在方案5（表1）條件下獲取水分比隨干燥時(shí)間變化的曲線，從而考察物料厚度對(duì)干燥過程的影響。

1.3.2.4 物料形狀對(duì)干燥過程的影響

在方案5條件下，對(duì)圓盤狀（10 mm×2 mm）和塊狀（10 mm×10 mm×2 mm）懷山藥物料進(jìn)行AFD實(shí)驗(yàn)，獲取干基含水量隨干燥時(shí)間變化的曲線，從而考察懷山藥形狀對(duì)干燥過程的影響。

1.3.2.5 物料種類和干燥方式對(duì)干燥過程的影響

在方案5條件下，對(duì)圓盤狀（10 mm×2 mm）懷山藥片，分別進(jìn)行FD和AFD干燥實(shí)驗(yàn)，分別獲取干燥速率和能耗隨干燥時(shí)間變化的曲線，從而考察干燥方式對(duì)干燥速率和能耗的影響。

1.3.3 指標(biāo)檢測

1.3.3.1 水分檢測

物料初始含水率按GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》進(jìn)行恒質(zhì)量烘干法測定[19]。干基含水量采用式（1）計(jì)算[20]：

式中：X為干基含水量/（kg/kg）；m為濕物料的總質(zhì)量/kg；md為干物料質(zhì)量/kg。

水分比采用式（2）計(jì)算[18]：

式中：MR為水分比；Xt為t時(shí)刻物料干基含水量/（kg/kg）；X0為物料初始干基含水量/（kg/kg）；Xe為物料平衡干基含水量/（kg/kg）。

1.3.3.2 干燥速率

干燥速率采用式（3）計(jì)算：

式中：v為干燥速率/（kg/（kg·h））；Xi為ti時(shí)刻干基含水量/（kg/kg）；Xi＋1為ti＋1時(shí)刻干基含水量/（kg/kg）。

1.3.3.3 冷氣流率

冷氣流率指冷氣流體積流量與總氣流體積流量之比[17]，采用式（4）計(jì)算：

式中：μ為冷氣流率；Mc為冷氣流體積流量/（m3/h）；Mh為熱氣流體積流量/（m3/h）。

1.3.3.4 制冷效率（coeffi cient of performance，COP）COP指實(shí)際制冷量與同樣壓差條件下可逆等溫壓縮過程所消耗功的比值，采用式（5）計(jì)算：

式中：T0為渦流管入口氣流溫度/℃；Tr為渦流管冷氣流溫度/℃；P0為渦流管進(jìn)氣壓力/MPa；P1為冷氣流出口絕對(duì)壓力/MPa；k為氣體的絕熱指數(shù)，1.39。

1.3.3.5 干燥能耗

以每干燥一個(gè)單位質(zhì)量水分的耗能（包括熱能及機(jī)械消耗）（kJ/kg H2O）計(jì)算干燥過程的總脫水量，按式（6）計(jì)算[21-22]：

式中：m1為脫水質(zhì)量/kg；m為干品質(zhì)量/kg；C1為初始水分含量/%；C2為最終水分含量/%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每次實(shí)驗(yàn)均做3 次平行實(shí)驗(yàn)取平均值，使用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)口壓力和冷氣流率對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響

按照1.3.2節(jié)方法，獲得了該渦流管的COP特性曲線，如圖2所示。

圖2 不同進(jìn)氣壓力條件下COP隨冷氣流率的變化曲線Fig.2 Changes in coeffi cient of performance (COP) under different cold air fl ow rates (μ)

由圖2可以看出，進(jìn)氣壓力在0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，COP隨冷氣流率的增加比較快；當(dāng)進(jìn)氣壓力在0.5 MPa和0.6 MPa時(shí)，制冷效應(yīng)在增幅上明顯減緩。冷氣流率0.5條件下，當(dāng)進(jìn)氣壓力由0.3MPa增至0.6 MPa時(shí)，COP由0.295減至0.237，隨進(jìn)氣壓力的增加反而減小。而且，COP隨冷氣流率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且存在極大值。通過調(diào)節(jié)熱端閥開度來改變渦流管的冷氣流率，當(dāng)冷氣流率為0.4～0.5時(shí)，COP出現(xiàn)最大值并且隨著進(jìn)氣壓力的增加向冷氣流率減小的方向移動(dòng)?？梢钥闯觯瑢?duì)于結(jié)構(gòu)一定的渦流管，會(huì)有一個(gè)能產(chǎn)生最佳制冷效應(yīng)的進(jìn)口壓力，而不是壓力越大越好。這主要是由于進(jìn)口壓力越大，膨脹比就越大，渦流管的壓力損失也越大，從而使COP減小[17]。因此，本實(shí)驗(yàn)選定渦流管進(jìn)氣口的壓力調(diào)節(jié)閥將壓力調(diào)整到實(shí)驗(yàn)所需要的壓力值為0.3 MPa。

2.2 給熱模式對(duì)干燥過程的影響

King[23]提出的經(jīng)典升華冰面均勻退卻模型，認(rèn)為干燥過程為部分干燥的多孔介質(zhì)內(nèi)部水蒸氣的擴(kuò)散控制過程，物料內(nèi)部以升華界面由外向內(nèi)劃分成的凍結(jié)層和干燥層，隨著干燥過程的進(jìn)行，升華界面不斷由外向冰層內(nèi)部移動(dòng)，直至冰晶完全消失，物料升華干燥過程結(jié)束，這個(gè)過程能除去物料內(nèi)80%～90%的水分。升華冰面移動(dòng)的快慢在一定程度上反映了干燥過程的快慢。因此，在物料冷凍干燥過程中，為了保證升華界面上所產(chǎn)生的水蒸氣不斷向物料表面外的環(huán)境擴(kuò)散，環(huán)境的水蒸氣分壓力需保持低于升華界面上的飽和蒸氣壓力，還需要外界不斷向升華界面輸入升華所需的熱量[24]。

在AFD干燥室中，原料中水分的升華依賴渦流管所產(chǎn)生冷氣流場與物料升華界面之間的水蒸氣分壓差，為了提高升華速率，可采用不同的給熱模式提供冰晶所需升華熱。

圖3 恒溫（A）和變溫（B）給熱模式對(duì)干燥過程的影響Fig.3 Effect of heating models on the drying process

圖3 為圓盤狀懷山藥（10 mm×2 mm）在恒溫和變溫給熱模式下的干燥曲線。由圖3A可見，在恒溫給熱模式－15、－10 ℃以及－5 ℃的干燥過程中，干燥曲線基本均處于降速階段，并無明顯的恒速階段（為簡 化問題，忽略開始的表面冷凍階段），只有在干燥后期，物料內(nèi)的水分比比較低，干燥速率也隨著比較緩慢，曲線變得趨于平坦。在恒溫－5 ℃給熱模式下，達(dá)到干燥干基含水量所需的時(shí)間大大縮短，而在恒溫－15 ℃給熱模式下，干燥過程較為緩慢。這是因?yàn)楹銣兀?5 ℃給熱模式下，物料表面和物料中心溫度之間的溫度差較小，使得干燥時(shí)間較長。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用恒溫－5 ℃給熱模式，物料干燥過程中出現(xiàn)部分融化現(xiàn)象，產(chǎn)品略有皺縮，不能完全符合干燥質(zhì)量要求。采用恒溫－10 ℃給熱模式時(shí)，盡管也高于其共晶點(diǎn)溫度（新鮮懷山藥的共晶溫度為－20.2 ℃），未出現(xiàn)物料融化現(xiàn)象，干燥 質(zhì)量較好，干燥速率也比較快。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在高于物料共晶點(diǎn)溫度時(shí)，基于渦流管制冷效應(yīng)常壓冷凍干燥也可正常進(jìn)行。由圖3B可知，在變溫給熱模式干燥4 h后升高溫度，干燥速率有所增加。這是因?yàn)楦稍锼俾实淖兓c升華冰界面的平衡有關(guān)，在變溫模式下，物料表面和物料中心溫度之間的溫度差增大，使得干燥速率增加。當(dāng)采用12 ℃輻射變溫給熱模式時(shí)，干燥速率增加，這是因?yàn)檩椛錇槲锪咸峁崃?，使得物料?nèi)部冰核溫度提高，冰-汽界面的飽和蒸氣壓升高，加快了質(zhì)量傳遞，從而導(dǎo)致蒸汽擴(kuò)散率有微小的增加，使得干燥速率有所增加[25-26]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用方案5變溫給熱模式（12 ℃輻射）達(dá)到干燥效果的時(shí)間最短。

2.3 物料厚度對(duì)干燥過程的影響

圖4 物料厚度對(duì)干燥過程的影響Fig.4 Effect of thickness of fresh material on the drying process

從圖4可以看出，2 mm厚度的懷山藥片干燥速率比其他厚度物料明顯要快得多；物料厚度越小，干燥時(shí)間越短，干燥速率越快。這是因?yàn)槲锪系暮穸扔绊懼锪系慕邓萚27]，在干燥過程中物料吸收的能量隨著物料的增厚而降低。物料厚度的增加，不僅使使得傳質(zhì)傳熱的路徑增加，而且以至干燥過程中的傳質(zhì)傳熱阻力大為增加，從而使得干燥過程變得非常緩慢，因此，在實(shí)際應(yīng)用中得到同樣的干燥效果，需要更多的時(shí)間，或者適當(dāng)減小物料的尺寸，會(huì)加快干燥進(jìn)程，減少干燥所需的時(shí)間，根據(jù)具體物料的性質(zhì)和要求來確定合適的尺寸。從圖4可以看出，在干燥4 h之前，懷山藥片2 mm厚度的干燥速率比其他厚度物料明顯要快得多；后期由于物料水分比已非常低，干燥速率也隨之比較緩慢。文獻(xiàn)[28]表明輻射源的加入使其干燥速率比恒溫－10 ℃增加，輻射強(qiáng)度與厚度耦合作用能夠加劇物料的降水和溫度變化。干燥速率并不是簡單的與物料厚度成反比，而是隨著含水率的增加，物料厚度對(duì)干燥速率的影響也增大，這與水分在物料內(nèi)部的存在狀態(tài)有關(guān)。

圖5 懷山藥形狀對(duì)干燥過程的影響Fig.5 Effect of different shapes of fresh yam on the drying process

2.4 物料形狀對(duì)干燥過程的影響

圖5反映了圓盤狀和塊狀懷山藥對(duì)干燥速率的影響，其中在干燥前4 h過程中，干燥速率較緩慢，加入微波熱源后干燥速率較大，整個(gè)干燥過程中圓盤狀比塊狀的懷山藥干燥速率要快，這是因?yàn)閷?duì)于相同質(zhì)量的物料，圓盤狀的表面積比塊狀物料大得多，而且圓盤狀物料在干燥過程中換熱和傳質(zhì)過程都更為強(qiáng)烈。Wolff等[29]曾對(duì)不同形狀的馬鈴薯進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，得出相同尺寸時(shí)球形物料干燥過程最為迅速。

2.5 干燥方式對(duì)干燥速率和能耗的影響

圖6 干燥方式對(duì)干燥速率和能耗的影響曲線Fig.6 Effect of drying methods on drying rate and energy consumption

干燥能耗（每干燥一個(gè)單位質(zhì)量水分所耗電能）是評(píng)定干燥工藝的一個(gè)重要指標(biāo)[30]。從圖6可以看出，隨著干燥過程的進(jìn)行，干燥速率逐漸降低，并無明顯的恒速干燥階段。圓盤狀（10 mm×2 mm）懷山藥物料在FD和AFD條件下的干燥速率隨著時(shí)間的延長而減緩。在干燥初期0～4 h時(shí)懷山藥片F(xiàn)D比AFD的干燥速率較快，而在干燥4 h后，AFD的干燥速率比FD的干燥速率有所增加。這是因?yàn)?，在FD過程中因在真空狀態(tài)下，使得物料干燥速率較快。因此，隨著干燥時(shí)間的延長，在AFD過程中，采用輻射及變溫式加熱模式使得干燥速率有所增加。從圖6可以看出，干燥方式對(duì)干燥速率的影響顯著。干燥能耗隨著干燥時(shí)間的延長而逐漸增加，干燥方式對(duì)干燥能耗的影響顯著，F(xiàn)D的干燥能耗為42 600 kJ/kg H2O。AFD的干燥能耗為30 552 kJ/kg H2O，比FD的干燥能耗降低了約1/3。與文獻(xiàn)[29]得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，Wolff等[29]以土豆片為待干物料，對(duì)常壓吸附劑流化床冷凍干燥和真空冷凍干燥的能耗做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，得出產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥基本一致，但較前者能量節(jié)約約1/3。因此，AFD有利于干燥能耗的降低。

3 結(jié) 論

搭建了一套基于渦流管制冷效應(yīng)的AFD處理實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置將渦流管作為常壓凍干裝置的除濕冷源，可以提供滿足AFD條件下的對(duì)流換熱冷氣流介質(zhì)，從而可直接降低物料表面的蒸汽分壓，使干燥器中的水蒸氣分壓低于物料內(nèi)部水的三相點(diǎn)壓力，實(shí)現(xiàn)常壓條件下的冷凍干燥，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空冷凍干燥技術(shù)。

對(duì)一定結(jié)構(gòu)的渦流管，可以通過調(diào)節(jié)其熱端閥開度來改變冷氣流率為0.4～0.5，進(jìn)而獲得一個(gè)特定渦流管的進(jìn)口壓力，在進(jìn)口壓力為0.3 MPa壓力條件下可獲取最佳制冷效應(yīng)。

在渦流管制冷常壓冷凍干燥過程中，物料的性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)干燥過程影響較大。通過適當(dāng)減小物料厚度和采用對(duì)流輻射耦合變溫給熱模式均可以提高干燥速率。在對(duì)流輻射耦合變溫給熱模式下，物料表面和物料中心溫度之間的溫度差增大，使得干燥速率增加，干燥過程均處于降速階段，未發(fā)現(xiàn)明顯的恒速干燥過程。干燥箱內(nèi)溫度略高于物料三相點(diǎn)溫度時(shí)，干燥過程仍可正常進(jìn)行。FD的干燥能耗為42 600 kJ/kg H2O。AFD的干燥能耗為30 552 kJ/kg H2O，AFD的干燥能耗約比FD降低了約1/3，AFD有利于干燥能耗的降低。

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Atmospheric Freeze-Drying of Chinese Yam Based on Vortex Tube Refrigeration

REN Liying, REN Guangyue*, YANG Xiaotong, ZHANG Wei, DUAN Xu, ZHANG Ledao, ZHU Wenxue (College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

A set of atmospheric freeze-drying experimental equipment was established based on vortex tube refrigeration to dry Chinese yam. Effects of inlet pressure of vortex tube, thickness and shape of fresh sample, heating mode on the drying process were investigated in the experiment. Results showed that the prop erties and internal structure of the material had considerable infl uences on the drying rate during the drying process. Drying rate was improved through reducing the thickness of fresh material and using combination of convection and radiation. When the temperature of drying oven was slightly higher than the eutectic temperature of the material, the atmospheric freeze-drying process was still manipulated. The optimal refrigeration effi ciency for Chinese yam was obtained when the inlet pressure was 0.3 MPa and the cold air fl ow rate μ was between 0.4 and 0.5.

atmospheric freeze-drying; vortex tube; Chinese yam; drying rate

TS201.1

A

1002-6630（2015）20-0007-06

10.7506/spkx1002-6630-201520002

2015-02-04

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31271972）

任麗影（1987—），女，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。E-mail：rly_ren3366@163.com

*通信作者：任廣躍（1971—），男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)。E-mail：guangyueyao@163.com