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      真空冷凍干燥在花卉方面的應(yīng)用

      放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2005-10-11
          經(jīng)過干燥、保色加工整理而成的干燥花,既存鮮花之形、色、資、韻,又取干花之經(jīng)久不凋,越來越受到人們的喜愛,它非常適合于光線較暗的咖啡廳、酒店以及家庭裝飾。真空冷凍干燥是近年興起的干燥花卉的新方法,用此干燥技術(shù)干燥較大的花朵植株,能夠基本保持干燥花的形狀、色澤和芳香,無污染,具有深入研究的前景。
          冷凍干燥的基本原理
          真空冷凍干燥是先將物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下,使物料中的水分變成固態(tài)的冰,然后在適當(dāng)?shù)恼婵斩认,使冰直接升華為水蒸汽。再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器(捕水器)將水蒸汽冷凝,從而獲得干燥制品的技術(shù)。
          水的相平衡關(guān)系是研究和分析含水物料凍結(jié)干燥原理的基礎(chǔ),當(dāng)冰周圍的蒸汽壓低于610.5Pa時,冰加熱升溫可以直接升華為水蒸汽,這就是升華干燥的理論基礎(chǔ),真空冷凍干燥的最基本的工作原理也就在于此。
          操作過程
          冷凍干燥過程分為預(yù)凍、升華干燥、解析干燥3個過程。由于鮮花是由莖稈、葉、花蕊、花瓣組成,各個部分的含水率不同,若研究植株各部分的干燥效果,應(yīng)首先測定各部分的含水率,并通過儀器分別測量出它們各自的共熔點(diǎn)和共晶點(diǎn)。
          1.預(yù)凍過程
          預(yù)凍是植株在凍結(jié)干燥之前,作為單獨(dú)的操作,用一般的凍結(jié)方法預(yù)先將鮮花凍成一定的形狀。在真空冷凍干燥中,材料凍結(jié)的最高溫度是影響凍干產(chǎn)品質(zhì)量及能耗的重要因素。預(yù)凍溫度必須低于共晶溫度,否則會造成產(chǎn)品表面起泡、制品收縮等不良現(xiàn)象發(fā)生。一般情況下,制品冷凍的最低溫度低于共晶溫度5~10℃即可。但凍結(jié)溫度也不能制定過低,否則,就會出現(xiàn)投資大、能耗高等問題。
          另外,預(yù)凍速率也是影響干燥速率和產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素。慢速冷凍時升華速率較快,快速凍結(jié)時干燥時間較長。比較合適的降溫速率應(yīng)該在保證物料質(zhì)量不受影響的前提下,采用比較慢的降溫速率。
          2.升華干燥過程
          要維持升華干燥的不斷進(jìn)行,必須滿足兩個基本條件,即熱量的不斷供給和生成蒸汽的不斷排除。干燥過程是由周圍逐漸向內(nèi)部中心干燥的,干燥過程中的傳熱驅(qū)動力為熱源與升華界面之間的溫差,而傳質(zhì)驅(qū)動力為升華界面與冷阱之間的蒸氣分壓差,溫差越大,傳熱速率就越快,蒸汽分壓差越大,傳質(zhì)速率就越快。
          在升華干燥中,加熱溫度不能超過物料的共熔點(diǎn)溫度,若溫度過高,導(dǎo)致冰晶熔化,會影響制品質(zhì)量。此外,升華干燥過程中的加熱方式直接影響了物料溫度分布、升華界面溫度、升華界面水蒸汽通量和干燥時間等重要過程參數(shù)。
          3.解析干燥過程
          解析干燥是升華干燥之后,去除分布在物料的基質(zhì)內(nèi)以游離態(tài)或結(jié)合水形式存在水分的過程。物料的解析干燥一般要依靠比升華溫度高得多的溫度來完成。
          高溫低壓有利于解析干燥進(jìn)行,對解析干燥時間不占主要地位的物料干燥,如冷凍的番茄片,其中可以凍結(jié)成冰的結(jié)構(gòu)水和大量游離水,約占95%,解析干燥時間很短,凍干周期主要取決于升華干燥時間。這時,提高干燥速率的考慮措施就應(yīng)以升華干燥為主。
          無論升華干燥還是解析干燥,對冷阱溫度的要求都是相似的,文獻(xiàn)表明:當(dāng)冷阱溫度低于-50℃時,再過多地降低冷阱溫度,對縮短干燥時間意義不大。目前,冷阱溫度一般設(shè)為-45~50℃。
          真空冷凍干燥花的過程及特點(diǎn)
          1.真空冷凍干燥花的特點(diǎn)
          (1)原料來源廣泛,到目前為止,世界各國經(jīng)常使用的干燥花植物種類約有2000~3000種。
          (2)姿態(tài)自然質(zhì)樸,不僅具有植物的自然風(fēng)韻,而且最大限度地保持了植物固有的形狀和色澤。
          (3)使用管理方便,不僅可以在較長的時間里保持其形態(tài)和色彩,而且儲存、銷售期長。
          (4)復(fù)水性能好,食用花復(fù)水之后,可保持其原有的美麗形狀,引起人們的食欲。
          (5)它的收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用其他方法干燥得到的干燥花,能夠最大限度地保持新鮮時的形態(tài)。
          (6)冷凍干燥設(shè)備投資費(fèi)用較大,操作費(fèi)用較高,導(dǎo)致其成本高。
          2.真空冷凍干燥花的實(shí)踐
          為探索干燥花加工新技術(shù),李保國等人做了紫色補(bǔ)血草、黃色萬壽菊、紅色月季花的冷凍干燥試驗(yàn),測定了它們各部分的平均含水率,試驗(yàn)中預(yù)凍溫度為-65℃,真空度設(shè)為10Pa。采用真空冷凍干燥鮮花,花的外形保持較好,有的顏色會稍有變化。月季和補(bǔ)血草的莖、以及補(bǔ)血草的花朵基本未收縮變形,萬壽菊和月季的花瓣稍有變形。月季花顏色比鮮花顏色變深稍暗,黃色的萬壽菊顏色變淺,紫色的補(bǔ)血草凍干后顏色基本不變。而采用熱風(fēng)干燥,當(dāng)干燥溫度選為50℃時,干花會產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮變形,此外,李寶國在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),干燥后的鮮花香味不及鮮花濃郁,而且整個干花植株變脆,容易折斷和破碎。
          徐成海做了補(bǔ)血草和文竹的冷凍干燥試驗(yàn),得到的補(bǔ)血草都保持了原來的形狀,花的顏色自然、逼真。可以看出,采用合適的凍干設(shè)備,再進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究,就可以大大縮短冷凍干燥時間,進(jìn)行批量生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)商品化的要求。
          朱文學(xué)研究了品種為洛陽紅的牡丹花的凍干試驗(yàn),可以看出,花蕊和花瓣的共晶和共熔溫度較高,莖和葉的共晶和共熔溫度較低,選擇預(yù)凍溫度和升華界面溫度時應(yīng)以莖的共晶溫度和共熔溫度為依據(jù)。朱文學(xué)發(fā)現(xiàn),不同的干燥條件,牡丹花干燥的效果不同。在預(yù)凍溫度為-15℃、加熱溫度為20℃時,干燥12小時,莖葉基本干透,但花瓣還比較潮濕且出現(xiàn)局部褪色現(xiàn)象,達(dá)不到干燥要求。在預(yù)凍溫度為-30℃、加熱溫度為0℃時,干燥45小時后,發(fā)現(xiàn)整個植株基本干透,干后花瓣顏色比鮮花稍暗,莖稈基本未收縮變形,葉和花瓣稍有變形。與李保國得到的結(jié)論相似,干后的植株也存在變脆、容易折斷和破碎的現(xiàn)象。因此,朱文學(xué)認(rèn)為,不進(jìn)行預(yù)處理的牡丹雖然在一定的條件下能夠干燥,而且能夠基本保持外形、顏色和花香,但干花達(dá)不到鮮花的效果,且干燥時間長,因此,應(yīng)著重研究牡丹花的預(yù)處理工藝,開發(fā)增加植株韌性、減小脆性的技術(shù),以保證后繼加工和觀賞。
          為了更深入地了解干燥花的特性,張正勇還在掃描電鏡下,對牡丹的枝、葉、花瓣等的微形態(tài)進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)牡丹植株各部分存在較大的結(jié)構(gòu)差異,而這種結(jié)構(gòu)差異必將影響其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程,導(dǎo)致各部分具有不同的干燥特性,從而影響植株干燥的整體效果。牡丹的花瓣表面細(xì)胞排列致密,因而水分不易排出,干燥速度較慢。莖桿表面呈豎條狀紋理結(jié)構(gòu),內(nèi)部呈中空篩網(wǎng)狀導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。葉的正表面表皮細(xì)胞排列整齊致密,無氣孔器,表皮細(xì)胞呈圓形;背表面有均勻分布的氣孔。由于莖桿和葉片具有篩網(wǎng)狀導(dǎo)管結(jié)構(gòu)和氣孔,因而所含水分容易排出,干燥速度較快。顯微結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果與凍干試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的,它使得對于燥花的研究從宏觀世界進(jìn)入了微觀世界,這對于干燥花加工工藝的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。
          3.冷凍干燥花卉應(yīng)注意的事項(xiàng)
          真空冷凍干燥技術(shù)干燥花卉是一種全新的干花制作技術(shù),雖然在食品和藥品干燥方面已經(jīng)有了大量的研究和應(yīng)用,但由于花卉有別于食品和藥品,干燥指標(biāo)主要是花卉的形狀和色澤,因此不能夠完全采用食品和藥品的干燥工藝,而須要針對花卉的不同生物學(xué)特性及干花的商品要求進(jìn)行干燥工藝的研究和改進(jìn)。參考國內(nèi)外的文獻(xiàn),目前冷凍干燥花卉存在的主要問題是鮮花的預(yù)處理工藝不成熟,而未經(jīng)過預(yù)處理的花材經(jīng)過真空冷凍干燥之后,普遍存在植株變脆、容易折斷和破碎的問題,因此,進(jìn)一步研究的方向是對花材干燥前的預(yù)處理工藝的研究和進(jìn)一步優(yōu)化真空冷凍干燥工藝。
       
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