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四环冻干机—牛肉的冻干

更新时间:2023-12-29 点击次数:257
牛肉的冻干


冻干的牛肉复水后能保持制品原有的风味和营养价值,可用于在宇航、登山、航海、探险、军队野战等特殊场合,也可以用于方便食品的制作。宁夏大学的孔令圆研究了干切熟牛肉的低耗高速冻干工艺。


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牛肉冻干实验设计


在之前的研究中已确定了干切牛肉冷冻的共晶点、共熔点和熔点分别为-21℃,-18℃和-3℃。在干切牛肉冷冻干燥单因素试验中发现,在整个冷冻干燥过程中,干燥室压强对干燥速率的影响在共晶点和熔点两个温度点会发生明显变化,这是干切牛肉特殊的物料特性决定的。所以实验中将冷冻干燥整个过程以共晶点和熔点为分界点分为三个阶段 (即预冻终温到共晶点为阶段Ι,共晶点到熔点为阶段Ⅱ,熔点到升华干燥结束为阶段Ⅲ)。以这三阶段压强及物料厚度对干燥能耗和生产效率的影响进行了四因素五水平二次回归正交组合试验(见表 7-12),从而研究干燥室压强和物料厚度对干燥速率及能耗的影响。

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实验研究中选取半膜性肌、背部最长肌等部位制作的干切牛肉,剔除熟牛肉上附着的脂肪及结缔组织,切成长50mm,宽40mm,厚度6~30mm 的块状,试验前测得含水率为53.4%~56.8%,近似取55%。切好的牛肉摆放在托盘中备用,填装系数为α=0.8。

根据冻干机实际可控压强并结合生产中生产效率的要求,确定了干燥室压强上限为120Pa,下限为20Pa;物料厚度上限为30mm,下限为6mm。


通过预冻过程中制冷温度、冻结速率对预冻耗能和干燥耗能影响的研究,确定了试验采用慢速冻结方式进行,预冻终温为-32℃。在冷阱开启时即将摆放于托盘中的物料于中心和表面插上温度探针置于冷冻板上进行预冻,在物料中心输出温度为-32℃后,再冻结1h结束预冻。


预冻结束后,物料由冷冻板移至加热板下方(即称重秤上),关闭干燥仓门,开启真空泵,实验开始并开启在线称重系统,当真空度降至设定值时开启加热板加热,设定上加热板温度恒定为 80℃。当温度探针输出值为-21℃ (共晶点)时升华阶段Ι结束。第一次变压干燥进入升华阶段Ⅱ,当温度探针输出值为-3℃(熔点)时,物料中大部分游离水已经脱除,认为升华干燥结束。第二次变压干燥转入阶段Ⅲ(解析干燥),当物料中心温度和表面温度相同且物料重半个小时内无变化时认为干燥结束。实验过程中记录实验开始、两次变压的时间、三相电表读数,用于计算各阶段能耗和干燥时间。


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牛肉冻干低耗工艺优化


根据四因素五水平二次回归正交实验设计,安排27次实验,其中中心点重复3次,实验结果见表7-13。

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分析结果表明,在实验范围内,影响干燥速率的因素顺序为:物料厚度、阶段Ι干燥室压强、阶段Ⅱ干燥室压强、阶段Ⅲ干燥室压强;这是因为阶段Ι主要是水分的升华阶段,湿物料中65%左右的水分都是在这个阶段除去的,较低的干燥室压强可以大大提高水分的升华速率,是提高干燥速率的主要途径。影响单位水分能耗的因素顺序为:物料厚度、阶段Ⅲ干燥室压强、阶段Ι干燥室压强、阶段Ⅱ干燥室压强。这是因为在冷冻干燥过程中阶段Ⅲ为解析阶段,主要干燥结合水,占总水分的10%左右,但是干燥时间却比阶段Ι更长,因此选取合适的阶段Ⅲ干燥室压强,缩短干燥时间,对降低能耗有关键作用。


采用SAS软件对上述实验数据进行回归分析,可以看出阶段Ⅲ干燥室压强和物料厚度的交互作用对干燥速率和能耗的影响都十分显著(见图 7-15)。由图7-15可以看出,薄物料干燥速率受阶段Ⅲ干燥室压强的影响较厚物料小得多,而阶段Ⅲ干燥室压强较小时,干燥速率随物料厚度的增大而降低,干燥速率在物料厚度最厚和阶段Ⅲ干燥室压强最大时达到最大,这是因为阶段Ⅲ是冷冻干燥的解析阶段,对于干切牛肉来说主要是传热来决定干燥速率的,而增大干燥室压强有利于传热的进行;而厚物料的表面积(包括上表面和侧表面)大于薄物料,表面积的增大有利于水蒸气的逸出而增大干燥速率。如图7-16所示,随着阶段Ⅲ干燥室压强的增大和物料厚度的增加,单位水分能耗有所降低,且在物料较厚的情况下,增大干燥室压强能够显著降低单位水分能耗,这是因为上面所说的干燥速率随着物料厚度和干燥室压强的增加而增大,因而缩短了干燥时间,从而降低了单位水分能耗。

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实验研究的目的是为了找到能保证干燥速率又不显著增加能耗的最佳工艺操作条件,因干燥速率是主要考虑因素,单位水分能耗是次要考虑因素,故选取干燥速率权重λ1=0.7,


单位水能耗权重λ2=0.3。对综合加权值进行回归分析,并取最大值,得出低耗高速最佳过程操作条件为:三阶段干燥室压强20Pa(-1.546),44.18Pa(-0.8070),120Pa(1.546),物料厚度30mm (1.546),此时干燥速率为142.69g/h,单位水分能耗为34357.94kJ/kg。


每个优化结果分别进行3次平行实验,具体实验条件及测定结果见表7-14,从实验结果看,优化的最大干燥速率条件比整个干燥过程采取同一压强要高约 20%左右,而干燥条件每除去1kg水分能节约 25%的能耗,可见优化后的操作条件无论是对提高干燥速率还是降低干燥能耗作用都是非常明显的,说明分阶段采取不同的干燥室压强对提高干燥速率和降低干燥能耗都有显著作用。尤其是低耗高速的优化结果 (实验 3),在保证干燥速率的情况下(仅下降了4.6%)又降低了单位水分能耗(21%),对冷冻干燥过程参数的调节更具有实际参考价值。

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