渦流管制冷常壓冷凍干燥懷山藥技術分析

任麗影，任廣躍*，楊曉童，張 偉，段 續，張樂道，朱文學

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

渦流管制冷常壓冷凍干燥懷山藥技術分析

任麗影，任廣躍*，楊曉童，張 偉，段 續，張樂道，朱文學

（河南科技大學食品與生物工程學院，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驗材料，以渦流管為制冷源，對凍干規律進行研究，分別考察渦流管進口壓力、物料厚度、給熱模式、物料形狀等因素對干燥過程影響。結果表明：在干燥處理過程中，物料性質及內部結構對干燥速率影響較大。通過適當減小物料厚度和采用對流輻射耦合變溫給熱模式均可提高干燥速率。干燥室內溫度略高于物料三相點溫度時，渦流管制冷常壓冷凍干燥過程仍可以進行。對懷山藥而言，當冷氣流率0.4～0.5、進口壓力0.3 MPa時，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、溫縣為道地產區，其富含淀粉、蛋白質、游離氨基酸等營養成分，以及黏性多糖（包括黏液質及糖蛋白）、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]。因其營養價值和活性作用以及細長的塊莖，深灰色厚實的表皮，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，使得懷山藥在存儲過程中易腐爛變質。干燥是保證懷山藥營養價值的重要手段[3]。

冷凍干燥（freeze drying，FD）是目前獲得高品質干制品最好的一項干燥技術[4]，其干燥機理是將含濕物料進行預凍結，物料所含水分在低于水的三相點的低溫低壓條件下不經液態直接升華成氣態，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，從而廣泛應用于食品、醫療、醫藥和材料等領域[5]。而常規凍干技術需要在高真空條件下加熱，由于沒有對流，傳熱效率很低，處理懷山藥等高含水率物料往往需要30 h以上的干燥時間[6]。此外，冷凍干燥過程中的大功率制冷機組、真空系統、加熱系統的運轉使凍干運行成本極為高昂，存在設備精密復雜和能耗高等缺點，其推廣應用受到極大限制[7-8]。

為了提高真空冷凍干燥處理的干燥速率，降低成本，除對凍干技術的工藝進行改進外，也應該探索研究新型的冷凍干燥技術。1959年Meryman等[9]首次提出了常壓冷凍干燥（atmospheric freeze drying，AFD）技術，其干燥機理是在常壓或接近常壓條件下，對物料采取特定手段進行除濕，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行冷凍干燥。AFD技術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，具有良好潛在的應用前景。然而目前的相關研究表明AFD技術干燥效果并不理想，產品品質不穩定[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械熱泵系統和用來除濕的冷凝器所組成，且為了使環境水蒸氣分壓足夠低，蒸發器溫度通常非常低，導致設備成本較高。高效節能的除濕方式及穩定的冷氣流場是AFD技術發展的瓶頸。

渦流管制冷技術自Ranque[14]發明以來，得到了飛速的發展，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構簡單、工作穩定可靠、易于維修、無運動部件且溫度變化范圍大等優點，已被應用到醫藥、材料等領域[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部水的三相點壓力，提供對流換熱流體介質，不需要水汽凝結器來捕捉水蒸氣，有利于降低能耗，節約成本；以懷山藥為實驗材料，分析了干燥處理參數對AFD技術的影響，為AFD技術在農產品加工與貯藏中應用提供理論依據，為低耗、高效、綠色凍干技術提供新的解決途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

懷山藥為河南溫縣道地產區所產新鮮鐵棍懷山藥，含水量為87.5%，購于河南省洛陽當地超市，個體完整、粗細均勻、無機械損傷、肉質潔白。

1.2 儀器與設備

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、渦流管制冷系統、干燥箱裝置、在線測量系統等部分組成。

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

工作過程：由壓縮機1壓縮出來的高壓空氣先經過干燥過濾器2去除水蒸氣和其他雜質，得到潔凈的干燥空氣，再通過恒溫水槽3以保持溫度恒定，然后經調壓閥4進入渦流管11內將高壓氣體分離成冷、熱兩股氣流[17]。冷氣流進入干燥室15，對物料進行干燥處理。渦流管制冷系統中冷氣端的氣流溫度和流量可通過熱氣端的調節閥10進行調節，以滿足實驗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。干燥室15正面設計成帶有機玻璃制成的透明窗，可以隨時觀察干燥室內干燥情況，干燥室內的溫度可通過調整熱氣端的調節閥10開度大小進行控制。在干燥室裝有PID溫度調節器，用來控制輻射加熱板和傳導加熱板的溫度。物料的實時溫度采用T型鎳銅熱電偶在線測量。物料放置在干燥室鋁制托盤內，可用傳導和輻射兩種給熱模式，其中傳導給熱采用電加熱方式，輻射給熱采用遠紅外鹵素輻射板加熱方式，加熱溫度在0～110 ℃之間可控。流量調節閥5用來維持系統氣流的穩定。金屬浮子流量計8、13分別用來測量渦流管熱端出氣流量和冷端出氣流量。實驗中在渦流管進口處（位于干燥室側面中上部）、冷端出口（位于干燥室另一側面中下部）以及熱端出口處分別布置合適的測點。采用高精度壓力表14測量進氣壓力，采用標定過的鎳銅熱電偶測量溫度。

1.3 方法

1.3.1 原料預處理

新鮮懷山藥經清洗、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，干燥實驗開始前，在100 ℃沸水中燙漂，燙漂時間為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 ℃冷庫內進行預凍結12 h。實驗時，先將干燥箱內溫度降到要求的溫度，然后按照給熱模式進行調節到要求的溫度后，迅速將一定質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 進氣壓力和冷氣流率對制冷效應的影響

通過調節壓力和流量控制閥，使渦流管入口處獲得某一均勻穩定的氣流，本實驗所選定的渦流管入口進氣壓力（絕對壓力）為0.3、0.4、0.5、0.6 MPa，并通過調節熱端閥開度來改變渦流管的冷氣流率，從而考察進氣壓力和冷氣流率其對渦流管制冷效應的影響。

1.3.2.2 給熱模式對干燥過程的影響

本實驗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，按照實驗設計方案（表1）分別獲取恒溫和變溫給熱模式水分比隨干燥時間變化的曲線，從而考察給熱模式對干燥過程的影響。

表1 實驗設計方案表Table1 Experimental schemes for drying of Chinese yam

1.3.2.3 物料厚度對干燥過程的影響

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間變化的曲線，從而考察物料厚度對干燥過程的影響。

1.3.2.4 物料形狀對干燥過程的影響

在方案5條件下，對圓盤狀（10 mm×2 mm）和塊狀（10 mm×10 mm×2 mm）懷山藥物料進行AFD實驗，獲取干基含水量隨干燥時間變化的曲線，從而考察懷山藥形狀對干燥過程的影響。

1.3.2.5 物料種類和干燥方式對干燥過程的影響

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

1.3.3 指標檢測

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》進行恒質量烘干法測定[19]。干基含水量采用式（1）計算[20]：

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

水分比采用式（2）計算[18]：

式中：MR為水分比；Xt為t時刻物料干基含水量/（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）計算：

式中：v為干燥速率/（kg/（kg·h））；Xi為ti時刻干基含水量/（kg/kg）；Xi＋1為ti＋1時刻干基含水量/（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為渦流管進氣壓力/MPa；P1為冷氣流出口絕對壓力/MPa；k為氣體的絕熱指數，1.39。

1.3.3.5 干燥能耗

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

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

1.4 數據處理

每次實驗均做3 次平行實驗取平均值，使用Origin 8.0軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 進口壓力和冷氣流率對渦流管制冷效應的影響

按照1.3.2節方法，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，進氣壓力在0.3 MPa和0.4 MPa時，COP隨冷氣流率的增加比較快；當進氣壓力在0.5 MPa和0.6 MPa時，制冷效應在增幅上明顯減緩。冷氣流率0.5條件下，當進氣壓力由0.3MPa增至0.6 MPa時，COP由0.295減至0.237，隨進氣壓力的增加反而減小。而且，COP隨冷氣流率呈現先增加后減小的趨勢，且存在極大值。通過調節熱端閥開度來改變渦流管的冷氣流率，當冷氣流率為0.4～0.5時，COP出現最大值并且隨著進氣壓力的增加向冷氣流率減小的方向移動。可以看出，對于結構一定的渦流管，會有一個能產生最佳制冷效應的進口壓力，而不是壓力越大越好。這主要是由于進口壓力越大，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，本實驗選定渦流管進氣口的壓力調節閥將壓力調整到實驗所需要的壓力值為0.3 MPa。

2.2 給熱模式對干燥過程的影響

King[23]提出的經典升華冰面均勻退卻模型，認為干燥過程為部分干燥的多孔介質內部水蒸氣的擴散控制過程，物料內部以升華界面由外向內劃分成的凍結層和干燥層，隨著干燥過程的進行，升華界面不斷由外向冰層內部移動，直至冰晶完全消失，物料升華干燥過程結束，這個過程能除去物料內80%～90%的水分。升華冰面移動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生的水蒸氣不斷向物料表面外的環境擴散，環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，達到干燥干基含水量所需的時間大大縮短，而在恒溫－15 ℃給熱模式下，干燥過程較為緩慢。這是因為恒溫－15 ℃給熱模式下，物料表面和物料中心溫度之間的溫度差較小，使得干燥時間較長。在實驗中發現，采用恒溫－5 ℃給熱模式，物料干燥過程中出現部分融化現象，產品略有皺縮，不能完全符合干燥質量要求。采用恒溫－10 ℃給熱模式時，盡管也高于其共晶點溫度（新鮮懷山藥的共晶溫度為－20.2 ℃），未出現物料融化現象，干燥 質量較好，干燥速率也比較快。因此根據實驗結果，在高于物料共晶點溫度時，基于渦流管制冷效應常壓冷凍干燥也可正常進行。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。這是因為干燥速率的變化與升華冰界面的平衡有關，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。當采用12 ℃輻射變溫給熱模式時，干燥速率增加，這是因為輻射為物料提供熱量，使得物料內部冰核溫度提高，冰-汽界面的飽和蒸氣壓升高，加快了質量傳遞，從而導致蒸汽擴散率有微小的增加，使得干燥速率有所增加[25-26]。因此，本實驗采用方案5變溫給熱模式（12 ℃輻射）達到干燥效果的時間最短。

2.3 物料厚度對干燥過程的影響

圖4 物料厚度對干燥過程的影響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，干燥時間越短，干燥速率越快。這是因為物料的厚度影響著物料的降水幅度[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，不僅使使得傳質傳熱的路徑增加，而且以至干燥過程中的傳質傳熱阻力大為增加，從而使得干燥過程變得非常緩慢，因此，在實際應用中得到同樣的干燥效果，需要更多的時間，或者適當減小物料的尺寸，會加快干燥進程，減少干燥所需的時間，根據具體物料的性質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[28]表明輻射源的加入使其干燥速率比恒溫－10 ℃增加，輻射強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，物料厚度對干燥速率的影響也增大，這與水分在物料內部的存在狀態有關。

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

2.4 物料形狀對干燥過程的影響

圖5反映了圓盤狀和塊狀懷山藥對干燥速率的影響，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，整個干燥過程中圓盤狀比塊狀的懷山藥干燥速率要快，這是因為對于相同質量的物料，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過程都更為強烈。Wolff等[29]曾對不同形狀的馬鈴薯進行過實驗研究，得出相同尺寸時球形物料干燥過程最為迅速。

2.5 干燥方式對干燥速率和能耗的影響

圖6 干燥方式對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（每干燥一個單位質量水分所耗電能）是評定干燥工藝的一個重要指標[30]。從圖6可以看出，隨著干燥過程的進行，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間的延長而減緩。在干燥初期0～4 h時懷山藥片FD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。這是因為，在FD過程中因在真空狀態下，使得物料干燥速率較快。因此，隨著干燥時間的延長，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，干燥方式對干燥速率的影響顯著。干燥能耗隨著干燥時間的延長而逐漸增加，干燥方式對干燥能耗的影響顯著，FD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[29]得到的實驗結果相一致，Wolff等[29]以土豆片為待干物料，對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比實驗分析，得出產品品質與真空冷凍干燥基本一致，但較前者能量節約約1/3。因此，AFD有利于干燥能耗的降低。

3 結 論

搭建了一套基于渦流管制冷效應的AFD處理實驗裝置，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條件下的對流換熱冷氣流介質，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部水的三相點壓力，實現常壓條件下的冷凍干燥，可代替傳統的真空冷凍干燥技術。

對一定結構的渦流管，可以通過調節其熱端閥開度來改變冷氣流率為0.4～0.5，進而獲得一個特定渦流管的進口壓力，在進口壓力為0.3 MPa壓力條件下可獲取最佳制冷效應。

在渦流管制冷常壓冷凍干燥過程中，物料的性質及內部結構對干燥過程影響較大。通過適當減小物料厚度和采用對流輻射耦合變溫給熱模式均可以提高干燥速率。在對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，未發現明顯的恒速干燥過程。干燥箱內溫度略高于物料三相點溫度時，干燥過程仍可正常進行。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

國家自然科學基金面上項目（31271972）

任麗影（1987—），女，碩士，研究方向為農產品加工及貯藏工程。E-mail：rly_ren3366@163.com

*通信作者：任廣躍（1971—），男，教授，博士，研究方向為農產品干燥技術。E-mail：guangyueyao@163.com