提高食品冷冻干燥工艺效率途径的研究

摘要

本文选用新鲜牛肉为研究对象，分别对冷冻干燥传质控制模型下的干燥时间及干燥速率进行了数学计算和不同工艺条件下的干燥速率进行了实验研究。 本文首先介绍了真空冷冻干燥过程特点以及食品质体结构特点，在食品的冻干过程中所面临的主要问题就是干燥时间长，耗能大的问题，针对此提出了缩短干燥时间的热质传递一致性理论。 使用DSC差式扫描量热仪测得牛肉的共晶点温度范围，并确定牛肉冻干的冻结温度为-25℃。并利用STATORIUS快速卤素水分测定仪MA100测得所选牛肉的含水量为70％。 从理论推导入手，推导出单侧加热单侧扩散升华干燥过程的传质控制过程中干燥时间的理论计算公式。然后在不同工艺条件下进行冷冻干燥实验，绘制预冻阶段和升华干燥阶段的冻干曲线。 分别在0.8cm/h的冷冻速率和1.3cm/h的冷冻速率下进行冷冻干燥实验，并绘制冻干过程中牛肉质量和含水量的曲线。预冻结速度较快时，升华干燥的速率也较慢，反之，预冻结速度较慢时，升华干燥的速率较快。当升华干燥到8h时，其质量分别为3.32g和3.87g，含水量分别为9.6％和22.4％。对牛肉中的水蒸气扩散系数进行计算，其值分别为0.0187㎡/S和0.0132㎡/S，可见慢速冻结更有利于干燥阶段牛肉内部水蒸气的逸出。原因为冻结速度较慢时，所形成冰晶比较大，扩散阻力小，其干燥速率比快速冷冻食品的干燥速率快。对垂直肌纤维切片与平行肌纤维方向切片牛肉进行冷冻干燥实验，并绘制冻干过程中牛肉质量和含水量的曲线。当升华干燥到8h时，其质量分别为3.32g和5.25g，含水量分别为9.6％和34.7％。而其质扩散系数的D的值分别为：0.0187㎡/S和0.0073㎡/S，可见垂直肌纤维方向切片更有利于干燥阶段牛肉内部水蒸气的逸出，因而将能更好的缩短干燥时间。 根据不同的物料放置方式进行冷冻干燥速率的对比实验，一组按照冻结时的放置方式进行升华干燥，一组在升华干燥开始前进行翻转，进行冷冻干燥实验，并绘制冻干过程中牛肉质量和含水量的曲线。当升华干燥到6h时，未翻转牛肉片与翻转后牛肉片的质量分别为4.75g和3.154g，含水量分别为27％和4.9％。而且翻转后牛肉的干燥过程在进行到6h时含水量已经很低，其后的变化不再明显，表明已经基本可以进入解析干燥阶段。求得二者的水蒸气扩散系数D分别为：0.0187㎡/S和0.0229㎡/S，即翻转后将更有利于于水蒸气的逸出。分析原因为：在冻结阶段，冰晶主要集中在物料的下表面，而翻转后冰晶集中在上表面，由于牛肉在干燥阶段质传递方向为由下而上的，所以翻转后更有利于水分的蒸发。 通过比较分析，当冷冻速度较慢时，其冰晶形成较大，有利于水蒸气的扩散；垂直于肌肉纤维方向切片比平行于肌肉纤维方向切片更有利于热质的传递；冻结时物料的放置方式与升华干燥时物料的放置方式相反，可以保持热质传递的一致性，缩短干燥时间，提高干燥效率。 结合实验结果和理论公式进一步推导出牛肉升华干燥时间与厚度的线形关系。 根据以上研究结论，可以通过减缓预冻速度，改变升华干燥时物料的放置方式，并保持垂直肌肉纤维方式进行切片等途径来保证在冻干过程中的热湿传递的一致性，从而缩短冻结干燥的时间，达到提高冻干效率，减少能耗的目的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章 引言

1.1 真空冷冻干燥技术简介

1.1.1 基本原理与一般过程

1.1.2 干燥系统的组成

1.1.3 真空冷冻干燥特点与应用领域

1.2 国内外研究现状

1.2.1 真空冷冻干燥技术学术领域的发展

1.2.2 理论模型

1.2.3 工艺参数的优化

1.2.4 物性参数的确定

1.2.5 干燥装置的开发

1.2.6 真空冷冻干燥中的测量技术

1.2.7 真空冷冻干燥应用领域的拓展

1.3 本论文主要研究内容

第二章 食品冻干燥过程分析

2.1 食品的质体结构组成

2.1.1 常规的冻干工艺过程分析

2.3 一致性理论的提出

第三章 食品冻干过程热质传递过程计算分析

3.1 所用模型及主要假设条件

3.2 单侧加热单侧扩散升华干燥过程的传质控制模型

3.2.1 传质过程分析

3.2.2 由物料的升华界面到干燥层外表面的传质过程

3.2.3 由物料干燥层外表面到冷阱的传质过程

3.2.4 一次干燥的进程和残余含水量

第四章 提高食品冻干过程效率的实验研究

4.1 实验设备组成

4.2 实验方法与工况

4.2.1 实验步骤

4.2.2 实验方案

4.2.3 实验工况及物料相关参数

4.3 实验结果与分析

4.3.1 预冻速度对干燥效率的影响

4.3.2 纤维方向对干燥效率的影响

4.3.3 放置方式对干燥效率的影响

4.4 小结

第五章 不同工艺条件下牛肉冻干参量αm与D的确定

5.1 不同预冻速度下牛肉参量αm与D的确定

5.2 不同纤维方向切片牛肉参量αm与D的确定

5.3 不同放置方式牛肉参量αm与D的确定

5.4 升华干燥时间的计算及有关理论预测

第六章 提高食品冷冻干燥节能降耗的措施

6.1 原材料处理阶段

6.2 冻结终点的控制和冻结后的处理

6.3 在真空干燥箱内加装搅拌装置

6.4 改变物料托盘的结构和导热性以有利于传热和传质

6.5 除去已干层

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 需要进一步研究的内容

7.3 展望

参考文献

致谢