冻干西兰花的真空冷冻干燥加工工艺及机理

西兰花又称嫩茎花椰菜、青花菜，属十字花科芸苔属甘蓝变种，原产意大利。西兰花富含蛋白质、糖、脂肪、多种维生素和矿物质，营养成分齐全，具有很高的市场价值，是我国出口创汇的主要蔬菜种类之一。其食用部分是幼嫩的花梗与花蕾，采收后在常温下绿色易黄花、失水变软，从而严重影响其商品价值。因此，对西兰花进行真空冷冻干燥加工工艺研究，提高产品质量，扩大产品出口，提高农业生产效益，满足市场需求具有现实意义。本文探讨了西兰花的真空冷冻干燥过程中干燥工艺参数及其特性，旨在为西兰花的产业化冻干提供参考依据。 


1 实验材料、设备和方法 

实验材料 西兰花：市售 
实验设备 
LG-100冻干仓、WN自控速冻库、LG-0.2实验用冻干机、HQ –72全自动水分检测仪等。 

2 方法 

工艺流程：新鲜原料→分选→清洗→切割→漂烫→沥水→装盘→冻结→升华干燥→解析干燥→挑选计量→包装→成品 

操作要点：西兰花的冻干可以分为预处理、冻结、升华干燥、解析干燥和后处理五个阶段。 


西兰花冻干的预处理 


原料挑选：应选择菜株颜色浓绿鲜亮,花球表面无，花蕾紧密结实，手感较沉重，无病虫伤残，成熟度、大小基本一致且勿过老者为宜； 

清洗：将合格的原料进行清洗，洗净表面泥沙及污物，以确保产品的质量； 

切割：将清洗干净沥水后的西兰花切割成花蕾3～4cm，茎半径0.5～1cm的小球；

漂烫与冷却：漂烫可以钝化蔬菜中的酶，杀死虫卵和微生物，减少氧化和不良风味产生，使西兰花颜色鲜绿。因此，将切割后的西兰花置于温度95～100℃中浸烫2 min后，立即进入0～5℃的冷水中进行降温冷却，冷却时间越短越好； 

沥水与装盘：经冷却后西兰花小球表面会滞留一些水滴，这对冻结是不利的，容易使冻结后的西兰花球相互结在一起，不利于下一步的真空干燥。在震动沥水机上进行震动沥水，除去表面水滴后将西兰花均匀摊放在不锈钢料盘上，装盘量为10～12Kg／㎡，装料厚度为3～4㎝。 


冻结 
冻结过程中应把握好冻结温度和冻结速率[1]。为确定西兰花的真空冷冻干燥工艺，首先应知道其共晶点温度。西兰花因品种、产地、含水量不同共晶点温度也略有差异，共晶点温度根据阿仑尼罗斯原理液体导电靠离子，西兰花结冰时电阻无穷大，用电阻法测定西兰花的共晶点温度。随着温度的降低，电流在不断减小，当西兰花的温度降低到-10~-15℃时，电流趋近于0，说明此时的西兰花已全部冻结。因此可以确认西兰花的共晶点温度为-10~-15℃。在实际生产中，冻结的温度一般比共晶点温度低15℃，西兰花冻结温度在-25~-30℃之间。   西兰花的冻结过程是个放热过程，需要一定时间。在库温保持-35℃时，冻结3h左右较为适宜，冻结速率一般为0.1～1.5℃/min。 

升华干燥 
西兰花在升华干燥过程中，由于需要不断地补充升华潜热，在保持升华界面温度低于共晶点温度的条件下，不断地供给热量。实验证明，1g冰变成1g蒸汽大约需要吸收2803J的热量，因此是一个吸热的过程[2]。同时升华干燥的过程又是一个传热传质的过程。西兰花在升华干燥过程中传热和传质沿同一条途径进行，但方向相反[2]（图一）。被干燥西兰花的
加热是通过已干层的辐射来进行，而内部冻结层的温度则决定于传热和传质的平衡条件。干燥过程中的传热传质过程是互相影响的，随着升华的不断进行，多孔干燥层的增厚，供给的热量相应有所增加[3]。一般将升温的速率控制在0.1～0.2℃/min范围，直到完成中心部分的升华，这一过程大约需要10～11h左右，真空度在70～90Pa之间，此时西兰花的含水量为11%左右。 

解析干燥 
在升华干燥结束后，为了进一步除去西兰花细胞中没有冻结的结合水，这些水分的吸附能量高，如果不给予足够的热量，它们不能被解析出来，因此这个阶段的物料温度应足够高，西兰花的最高温度是50℃，为使水蒸气有足够的推动力逸出，应在西兰花的内外形成较大的压差，因此，这个阶段应有较高的真空度50～70Pa。这一过程大约需要2h，含水量可达到3%左右，符合加工产品的质量要求。根据以上的分析、实验和生产，得出一条比较合理的西兰花球真空冷冻干燥工艺曲线。 
    
后处理 
干燥结束后，应立即根据产品的等级、保存期限、客户要求等进行分级，计量，检查等后处理及充氮或真空包装。干燥后的西兰花吸水性强，为防止产品吸潮而变质，尽量缩短拣选的时间，降低空气湿度(＜45%)和环境温度(＜20℃)。  

冻结速率对干燥效果的影响 
制品的冻结速率对干燥效果也有很大影响[4]。从冰点到制品的共晶点温度之间需要快速冷却，否则容易使蛋白质变质，生命体死亡。快速冷却时冰晶还来不及生长就被冻结，所形成的晶粒细且数量多。这样的冰晶在升华时速度慢，但干后溶解快，能反映出产品原来的结构；反之，缓慢冷却产生的冰晶较大，不利于升华，但干后溶解慢。所以需要试验一个合适的冷却速率，西兰花一般为0.1～1.5℃/min。以得到较高的存活率、较好的物理性状和溶解度，且有利于干燥过程中的升华。 

加热介质温度对干燥效果的影响 

在真空度不变的情况下，如果传入的热量不能弥补升华所需的相变热，物料的温度将会下降，造成固体冰的状态脱离升华线，使升华失败。如果传热过大，升华的水蒸气不能及时传递出来，将物料内部压力升高，造成固态冰溶解，使升华失败。现有试验条件下，真空度维持不变，设定隔板温度时就要考虑现有设备能达到的真空度。并且不能保证，每次试验能达到真空度都会一致，所以隔板温度的设定不能太高。在此过程中，如能进行自动化控制热能随升华线变化，维持传热与传质的平衡，将会使冷冻干燥顺利进行。 


真空度对干燥效果的影响 
真空系统的作用是排出从干燥室中抽出的不可凝性气体和空气，以建立能保持制品升华速率的真空度。高真空度有效地降低了水蒸气气流的阻力，同时在干燥过程中由于没有空气的存在，也避免了氧化作用。在大多数的生产应用中，要实现冷冻干燥，水汽凝结器真空度应抽到3.5pa或更低，一般可将干燥箱内压力控制在13～130Pa之间。