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本文理论分析了真空冷冻干燥的基本原理和特点。通过对水产品的特点剖析,总结出水产品真空冷冻干燥中前处理、预冻、升华干燥及解析干燥四个过程的工艺特点和技术参数。同时,在对鱼、虾、贝三大类水产品进行差异分析后,阐述了不同种类水产品真空冷冻干燥工艺上的区别,并归纳出水产品冻干过程中存在的问题和技术难点。
对黄蚬的物理特性和生物特点进行分析后,制定出黄蚬真空冷冻干燥的工艺路线及工艺操作步骤。根据实验条件将黄蚬冻干过程转化为一维稳态问题,并建立了黄蚬真空冷冻干燥传热传质物理模型。由热通量公式和水分升华速率公式化简得冻干所需理论时间公式,代入实验条件及黄蚬的特性参数,得黄蚬冻干所需理论时间。此外,还根据升华水分迁移的特点和预实验结果,确定实验厚度为5mm。
实验使用DSC差式扫描量热仪对黄蚬共晶点进行测量,设定扫描仪的降温速率为5℃/min,温度扫描范围为0℃-45℃,由DSC曲线可知,黄蚬的共晶点温度范围为.20℃-23℃。真空冷冻干燥实验中,冻结终温一般为共晶点以下5-7℃,因此,确定本实验中黄蚬预冻阶段的板层温度设定为-30℃。
通过对黄蚬进行12次不同真空度下的真空冷冻干燥,比较了不同真空室压力对黄蚬冻干速率及干品品质的影响,综合黄蚬冻干速率、干品水分含量及复水性等几方面分析,提出了黄蚬的冻干工艺条件为:预冻终点温度为-30℃,真空室压力为35Pa-40Pa,解析阶段板层温度设为30℃时,整个冷冻干燥过程用时约16.5个小时,干品黄蚬水分含量为2.1%,复水率高达93.56%,且复水后的黄蚬增加了呈味氨基酸,具有海鲜特有的鲜香味,除水分外皆具有冻干黄蚬加工前的物理特征。
由于本论文不仅研究了真空度和板层温度对黄蚬真空冷冻干燥的影响,并且为了测试真空冷冻干燥环境下黄蚬的干燥速率,对电子天平及冻干机的真空接头进行改装,搭建了真空冷冻干燥天平系统和温度测量装置,为了更准确地记录各时刻黄蚬的质量变化和脱水情况,我们还进行了天平数据线的连接。搭建后的试验台能满足课题的要求,为冻干过程中各阶段的升华速率的研究提供了良好的试验平台,有利于研究黄蚬冻干的优化工艺,同时也有助于各阶段冻干时间的确定,从而降低了能耗和成本,达到了设计的目的。
本文对30-35Pa、35-40Pa、40-45Pa、45-50Pa的真空度范围分别进行了升华干燥,比较了四种不同真空度下黄蚬升华阶段质量变化情况,研究结果表明在相同的初始条件下,真空度为35Pa-40Pa时,黄蚬升华各阶段的质量下降均最快,为4.17g/h,40Pa-45Pa、45Pa-50Pa、30Pa-35Pa的条件下升华速率依次递减。
此外,对解析干燥阶段黄蚬的脱水速率也进行了研究,分别对30℃、40℃、50℃三种工况下解析干燥过程中黄蚬的质量变化进行比较。由解析阶段黄蚬质量变化曲线可知,4.5小时结束解析是比较经济合理的。实验结果表明,解析温度同干燥速率成正比,当解析干燥阶段加热温度为50℃时,黄蚬脱水速率最快,为1.2g/h。从保持产品品质和节约能耗角度来分析,50℃是比较适宜黄蚬真空冷冻干燥的解析温度。
通过理论分析和实验数据对比,最终确定了黄蚬真空冷冻干燥的优化工艺为:预冻温度-30℃。升华干燥阶段的真空箱压力控制在35-40Pa,解析干燥阶段温度为50℃。在这样的实验条件下升华和解析干燥速率最快,分别4.17 g/h和1.2g/h。