微波真空冷冻干燥的工艺及设备问题

食品科技食品技术微波真空冷冻干燥的工艺及设备问题董铁有，李素云，张建龙，朱文学河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳471003）制冷量不足的问题、真空系统的抽真空能力问题以及整个系统的安全操作问题等理论、工艺和设备问题，并提出了解决问题的相应的设计、工艺、合理的操作规程等基本技术方法和手段，也为改进和优化微波真空冷冻干燥工艺和设备提供了依据。
0前言应用微波真空冷冻干燥技术将有助于延长食品的保质期、保持食品原有的风味和营养成分以及食品原料的生理活性、增强保健食品的功能性、提高基金项目：河南省自然科学研宄基金项目（0211062000）；教育部及河南省人事厅留学回国人员资助项目\"河南省教育厅创新人才基金项目。
产品加工及储藏。
农产品的附加值等，因而在高档食品、保健功能性食品和农产品加工业中具有广阔的用武之地。但是由于该工艺所需的设备是技术含量很高的高技术产品，所以设备投资较大。另外与微波真空冷冻干燥工艺密切相关的不同的食品物料的理化特性参数和工艺参数还很不齐全，相关的设备和理论研究还不是很成熟，所以限制了该技术在我国食品工业中的应用⑴。毫无疑问，这些问题的解决将会有力地推动微波真空冷冻干燥技术在我国的应用和推广。
本研究以己有的一台微波真空冷冻干燥实验装置为基础，对微波真空冷冻干燥装置的结构和使用食品技术食品科技问题以及微波真空冷冻干燥工艺问题进行探讨。
1微波真空冷冻干燥的特点微波真空冷冻干燥是将高效的微波辐射加热技术和真空冷冻干燥技术相结合的有应用价值的一项新技术。微波真空冷冻干燥就是利用微波辐射处于冻结状态的被干燥物料，在高频交变电磁的作用下使物料（主要是水）分子发生振动和相互磨擦从而将电磁能转化为物料中的水分升华所需要的升华潜热。微波真空冷冻干燥除了具有普通的真空冷冻干燥所具有的优点外，还具有其它特殊的优势。
1.1干燥速度快范围内的电磁波。微波的传输特性就在于遇到障碍物（被照射物或被加热物）会发生反射、透射和吸收现象，这些现象的强弱与物质本身的性质有关/01.正是由于微波所具有的透射性，微波可以直接穿透物料，实现其内外的均衡加热，不像传统真空干燥那样通过加热元件将热传递给托盘，再由托盘传递到被加热物料。采用微波加热，可以大大缩短加热时间，其干燥速度和热效率是常规加热方法的4\"20倍。
微波的穿透能力可用穿透深度乐来表示，所谓穿透深度是指入射能量衰减到1/e的深度，其值可按下式计算：！r*相对介电常数tan介质损耗角因数。
由此可见，穿透深度与波长成正比（亦即与频率成反比），与相对介电常数和介质损耗因数的平方根成反比。如95\"的水在频率915MHz的微波照射下，穿透深度是29.5cm，而在2450MHz的微波照射下，只有4.8cm，但真正完全用数学模型来描述真空冷冻干燥过程是比较困难的。这主要是因为在微波真空冷冻干燥的传热传质过程为非稳态的固-汽相变过程，而且还要涉及到各种被冻干物料的密度、导热系数、传质系数、水分含量等物性参数，量多、面广，并且这些数据还很不健全。此外，与微波冷冻干燥有关的测量原理和方法、测量仪表等方面都有很多课题需要深入研宄，而微波真空冷冻干燥仅需要12C就可以了。但这并不意味着对任何物料的干燥都可以进行微波真空冷冻干燥。如对于一些含水率达8595的高含水率的物料如果完全用微波真空冷冻干燥法将所有的水分脱去是不经济的，而且效率也不高。
正确的做法是将水分预先降至3060，再用微波食品科技真空冷冻干燥脱去剩余的水分。例如对于一些含水率较高的汤料，应先进行浓缩、预冻等前处理，然后进行干燥。总之，微波冷冻干燥可以和其它的干燥方法相结合，以优化干燥工艺、降低能耗和成本。对于食品物料应根据不同的种类制定不同的微波真空冷冻干燥工艺，并对工艺参数进行优化设计，以大限度地降产品成本。由于不同种类的物料的介电常数不同，使得干燥室在其它条件相同的情况下表现出的微波反射特性不同M，因此更换被加工物料品种时应同时调整微波系统的有关参数，以大限度地发挥微波真空冷冻干燥设备的优势。
2.3设备问题及对策微波真空冷冻干燥设备主要由制冷系统、真空系统、微波加热系统、电气控制和微机数据采样系统等组成（见），是微波技术与制冷技术和真空技术结合的产物。
I.真空冷冻干燥电加热工作舱；2.浦集器；3.a热板；4.制冷压缩机组；5.真空泵；6.真空冷冻干燥微波加热工作舱；7.真空度数据采集系统；8.加热板温度数据采集系统；9.物料参数（质量）数据采集系统；10.捕集器混度数据采集系统；11.微波系统数据；12.微机控制系统；13.连结法兰微波真空冷冻干燥实验装置示意图微波真空冷冻干燥设备容易出现的也是突出的问题是耗能大、易泄漏微波、温度不易控制等，这些都严重地影响了该技术的推广使用。这些问题主要有以下几方面：2.3.1微波加热系统问题主要指微波加热的均匀性、温度的可控性和安全性。微波加热的均匀性会影响到物料的干燥速度以及干燥后成品质量的均匀性。许多微波设备的厂家宣称，微波具有加热的均匀的特点。然而微波有其加热均匀的一面，也有加热不均匀的一面。前者体现在对单个物料来说，微波是整体加热，不存在从外部到内部逐步升温的问题，加热均匀性较好。但是如果物料的尺寸较大或物料层厚度较大，如超过了穿透深度H+，那么在个体物料的内部或物料层厚度上就会有能量分布的不均匀问题。此外微波能在干燥室经过入射、反射*，无论改善到何种程度，仍存在有微波能量分布的不食品技术均匀问题要获得尽可能均匀的加热效果，除了解决干燥室腔体形状、尺寸设计和耦合问题以外，还要在物料的铺放形式、输送方式设计等方面充分考虑和发挥微波的辐射、吸收特性，从而改善干燥的均匀性。
现在的微波冷冻干燥装置尚无法判断干燥何时已经结束这一重大缺欠。由此可能造成干燥提前结束而致使产品含水率达不到要求，也可能造成干燥时间过长而浪费能源。也有人提出采用模糊控制来控制温度，这是有待于进一步研宄的课题之一。
此外必须严格防止微波泄漏。在系统的进出口、与外界相通的部位，需要考虑微波的屏蔽或衰减，并且不使微波干扰其它检测元件的工作。这些可以通过良好的结构设计保障将微波泄漏控制在国际安全标准的范围内。
2.3.2制冷系统问题制冷系统容易出现的问题为捕水器效率低。主要是由于捕水器热交换面积小、制冷温度不够低、制冷量小等，其根本原因是制冷系统设计不合理。这个问题可以通过改进制冷系统的设计来解决，如采用双级制冷、加大制冷系统的制冷量、采用蒸发温度较低的制冷剂等，又如在蒸发温度为-40！的工况下同功率的活塞式压缩机的制冷量比螺杆式压缩机可高出300. 2.3.3真空系统问题真空系统容易出现的主要问题是耗能大、抽真空时间长和真空度不稳定。这些问题可以通过采用分级组合式抽真空系统加以解决，即分设抽气速度大的预抽机组和小功率的维持机组，预抽机组将真空度抽到预定真空度，然后用小功率的机组维持升华干燥所需要的真空度。这种配置既可保证较短的预抽时间，确保了物料的品质，同时也可大大降低机组的能耗。
2.3.4控制系统问题适当地控制干燥进程是控制系统的根本目的，现阶段的微波真空冷冻干燥设备还不能根据物料的介电常数、干燥的不同阶段采用不同的微波功率。因此应开发智能型专家控制系统。
2.4应注意的其它问题2.4.1每批干燥的物料应尽可能为同一品种，不同物料不宜混合干燥。如果必须混合干燥，可以将粉体/液体/或膏状体混合物充分混合，尽量使其尽可能达到均匀一致。
2.4.2微波具有穿透性，这并不意味着物料的尺寸没有限制，也不是意味着不同尺寸大小的物料会有相同的干燥速度。因此建议将物料预先处理成尺寸尽可能小的粒状或片状。对于圆球状产品，其直径食品科技食品添加剂Fe2+的存在使2种色素吸光度都有所增加，但是，由于所使用的是化学纯试剂，而且已吸潮，使色素液中有沉淀，过滤后仍有胶状物存在，故测出的此色素液的吸光度偏高，是否说明Fe2+离子对本色素有增色作用，还有待作进一步研宄。
4小结4.1水和乙醇等极性有机溶剂是红景天及红枣色素的有效溶剂及提取剂，而用高浓度的酸性乙醇（95/会获得较高纯度的红景天色素。用50的酸性乙醇才能获得较高纯度的红枣色素。
4.2红景天色素在可见光314nm处，红枣色素在320nm处有大吸收波长。
4.3自然光对红景天及红枣色素的影响不大，这2种色素的耐光性也都很好。
4.4红景天色素在温度2080时，其光吸收值明显增大，80以上时（90、100）其吸光度降低，表明该色素在80以下受热时，其热稳定性能良好。红枣色素具有较好的热稳定。不易受热而分解或变色。
4.5pH值对红景天色素的稳定性影响较大，该色素在酸性条件下比较稳定，在碱性条件下不稳定。PH（上接第45页）不宜超过20*；对于片状或块状的产品，其薄处厚度不宜超过15mm10.当物料必须以较大的尺寸出现时，可行的方法是在干燥接近结束时，减小微波功率，从而有效减小物料内外的温差。
2.4.3物料中决不可混入金属物。因为金属物体会扰乱腔内的场强分布，可能引起能量分布的严重不均匀问题，甚至引起电火花放电等严重影响干燥效率和产品质量问题。
2.4.4在操作中必须注意不能空载运行，即加热腔内必须有负载。如果腔内没有物料，微波经反射后形成反射波，通过耦合口返回到磁控管，从而毁坏磁控管或其它电子元件。
3结束语综上所述，微波真空冷冻干燥是一门涉及到微波技术、真空技术、低温技术、流体力学、微生物学、传热传质学和自动控制等学科较为复杂的技术，是交叉学科发展的产物。该系统易于出现的干燥不均匀问题、干燥速度问题、微波泄漏问题、制冷量不足的问题、真空系统的抽真空能力问题以及整个系统的安全操作问题等都可以通过相应的设计、工艺、合理的操作规程等技术手段加以解决。
对红枣色素的稳定性影响不大，该色素具有较好的pH值稳定性。
4.6红景天色素及红枣色素对葡萄糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖等碳水化合物及人体必需的微量元素Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+等离子比较稳定，Fe2+离子对这2种色素的影响较大，应避免与铁器接触。