蔬菜干燥在我國歷史悠久,我國勞動人民在幾千年生產實踐中創(chuàng)造、積累和總結了利用自然界條件來干燥蔬菜的豐富寶貴經驗和方法。如:風干、曬干、陰干、烘干、焙干等。有史可考,在一千多年前我國出版的《齊民要術》中,就有關于蔬菜干制方法的記載。其中《種椒》篇:“天晴時摘下,薄布,曝之令一日即干,色赤椒好。若陰時收者,色黑失味?!睅浊甑睦米匀唤鐥l件來干制蔬菜的古老原始傳統(tǒng)方法,在民間一直沿用至今。
世界現代干燥工業(yè)發(fā)展于二十世紀初期。我國現代蔬菜干燥工業(yè)開始于1958年,在上海市試車投產,并當年出口東南亞。隨著時代進步,科學技術發(fā)展,現代蔬菜干燥技術已獲得很大進展。特別在我國改革開放后,蔬菜加工業(yè)得到飛躍式蓬勃發(fā)展,脫水菜產品出口量累年遞增。據國家統(tǒng)計局發(fā)布:1992年全國出口脫水菜產品為1.8萬噸,增長到2003年全國出口脫水菜產品達22.4萬噸。脫水菜產品出口迅猛增長,不但促進了蔬菜加工業(yè)的快速發(fā)展,同時也帶動了蔬菜干燥技術、設備水平日新月異提高。新的干燥方式不斷更新,新的干燥技術不斷涌現。如:太陽能干燥、熱力干燥、噴霧干燥、微波介電干燥、遠紅外輻射干燥、氮氣干燥、冷凍干燥、真空干燥等等。而干燥器的類型規(guī)格更為浩繁,枚不勝舉。真可謂百花齊放,百家爭鳴。
采用各種不同類型的
干燥設備和技術,所加工出來的脫水菜產品質量差異很大,如:真空冷凍干燥脫水菜產品質量較佳。介電輻射干燥脫水菜產品質量則次之。熱力干燥脫水菜產品質量再次之。而古老原始傳統(tǒng)干制蔬菜法質量zui差。真空冷凍干燥技術是在真空容器內無氧的狀態(tài)下進行干燥,能較好地保存蔬菜色素、營養(yǎng)成分、熱敏性和低熔點及芳香風味揮發(fā)物質,能較好地保持脫水菜低含水率和速溶性、復水性的良好性能,能較好地保證脫水菜的上乘優(yōu)良的產品質量。真空冷凍干燥技術也并非十全十美,還有不盡人意的不足之處,如設備投資過大、能耗多、產量低、干燥費用和成本過高等缺點,還需進一步深入研究,從中尋找出理想、更*的干燥技術。
真空冷凍升華干燥是在三相點壓力Po=610.5Pa,三相點溫度為+0.0098℃狀態(tài)下,固態(tài)冰直接轉化為汽態(tài)。而真空冷凍干燥蔬菜則是在蔬菜共晶點溫度以下和相應的三相點壓力,冰晶才能得到升華。實際上,因蔬菜共晶點以下溫度過低,不能使升華快速進行,干燥速率較低。為了加速干燥,普遍干燥工藝都采用加熱措施來滿足冰晶加速升華所需的升華熱,提高干燥速率,加熱工藝溫度一般為50℃。真空冷凍干燥的另一優(yōu)勢是同步加熱,加熱均勻。因真空容器內任何截面各點上的溫度都相等,沒有溫差,而形成等溫場,真空度越高,其等溫場度越強。所以真空容器內很快就會形成50℃的等溫場。在50℃等溫場內冰晶會很快熔化為液態(tài)。從理論上講,加熱措施改變了冰晶升華*的條件,因50℃已遠遠高于蔬菜共晶點溫度(菠菜-6℃),冰已熔化為水,所以冰晶不可能全部直接升華為汽態(tài),而只有極少量的冰晶在熔化完前直接升華為汽態(tài)。因在50℃溫度下,冰晶熔化速率遠遠大于冰晶升華速率。故而說在加熱措施方法的真空冷凍干燥蔬菜,僅是在粗真空狀態(tài)下,以蒸發(fā)干燥為主的干燥方法而已。而在三相點溫度(物料共晶點溫度)和相應的三相點壓力條件下干燥,才屬真正的純升華干燥。
從真空冷凍干燥蔬菜試驗過程中觀察到,干燥初期,蔬菜水分遷移以液態(tài)遷移為主要遷移勢,而在干燥中后期,蔬菜水分遷移以汽態(tài)遷移為主要遷移勢。因在干燥初期,50℃溫度下,冰晶熔化速率大于同溫度下冰晶升華速率,導致蔬菜水分以液態(tài)被真空泵抽吸出來(抽出許多小水珠)。冰晶熔化完后便進入干燥中期。蔬菜內冰晶熔化的水屬于游離水,結合力不強,易于向蔬菜表面遷移擴散,始終能保持蔬菜表面濕潤。其干燥與熱力干燥恒速干燥階段相似。故蔬菜水分以汽態(tài)被真空泵抽吸出來(抽出大量水蒸氣)。而在干燥后期,即進入解析干燥階段。由于90﹪的蔬菜被排除,少量熔化的水分又重被蔬菜干物質吸附結合,加上毛細管壁上的單分子層吸附水和極性基團不結晶的吸附水,它們結合能*,除去它們非常難,導致被真空泵抽吸出來的水蒸氣極少(抽出的水蒸氣量)。
真空冷凍干燥的動力是以壓力(副壓)為主要干燥動力。因在冰晶速熔后,真空容器內迅速形成等溫場,沒有溫差,也就不存在溫度梯度。由于真空容器內空氣分子量極少,也就沒有足夠的載濕體及時將濕分載走排除,造成升華、汽化的水蒸氣在蔬菜表面形成的氣膜層不斷增厚。氣膜層增厚使?jié)穸忍荻葴p弱。氣膜向真空泵抽吸方向緩慢移動,則降低速度梯度。氣膜層在蔬菜表面不斷增厚,使氣膜厚度層中的密度接近蔬菜內水分密度,嚴重影響密度梯度的干燥動力。除壓力干燥動力外,其它干燥動力的消失降低直接影響干燥速率。只有增強其它干燥動力,才能加速干燥。
針對提高干燥動力的研究課題,進行了多種探索研究。用提高真空度的措施來提高干燥速率是不可取的。因提高真空度需要增加真空泵機組,投資過大,是不經濟的。主要提高真空度其作用是有限度的。用提高工藝溫度來提高干燥速率也是不可取的。因溫度高于蔬菜崩解(熔點)溫度時,即會造成蔬菜內溶液沸騰,使蔬菜細胞壁和組織結構嚴重破損。又使溶液中微粒被蒸汽流帶走逸失。還會使蔬菜被燒焦、變色、變味變質。主要是使蔬菜組織起泡發(fā)糠,嚴重影響脫水菜的復水性和產品質量。在真空冷凍干燥蔬菜試驗觀察中,發(fā)現其干燥速率取決于排濕速率。的方法是強化排濕來提高干燥速率。
真空容器內載濕體(空氣分子),是排濕緩慢的主要癥結。于是就選用增加載濕體來進行探索嘗試。在試驗中,考慮到蔬菜是在氧分子極少的真空容器內進行干燥。所以首先選用我單位(開封空分集團)工程師仇壯的發(fā)明<氮氣干燥法>,所采用的中性氣體氮氣來作為新的載濕體來進行試驗。從試驗中觀察到,當氮氣直接輸入真空容器內,真空容器內的真空度立即消失。又觀察到氮氣凡流經的蔬菜很快脫水,氮氣流經不到的蔬菜仍然濕潤。此法失敗。
從分析試驗失敗的原因中,又制定新的試驗方案。其一是要保證真空容器內的真空度不消失,zui少能保證真空度不*消失。采用間斷性向真空容器內輸入氮氣,使真空容器內真空度值上下起伏。其二是保證氮氣流經蔬菜,使蔬菜同步干燥。采用在真空容器內氮氣進口處安裝空氣湍流裝置。試驗結果非常令人滿意,排濕明顯加快,干燥速率成倍提高。美中不足的是,生產氮氣的制氧設備投資很大,不宜采用。另一方面氮氣干燥蔬菜容易造成大量細胞壁破損(切片觀察)。因氮氣的相對濕度為零,濕度梯度達到zui大值,其濕度干燥動力過大使細胞壁大量破損。故采用氮氣作載濕體是不可取的。
在氮氣作載濕體的試驗基礎上,又嘗試將空氣作載濕體的探索試驗。先將空氣預熱到其工藝溫度,間斷性向真空容器中輸入。輸入空氣時其真空度降低,停止輸入空氣時其真空度又恢復到工藝真空度水平。真空度的升降使蔬菜處于一個緩蘇過程,更利于蔬菜干燥。輸入空氣的量、時間和間隔時間的關鍵在于:視冰晶升華、熔化汽化速率和各干燥期及氣膜狀態(tài)而定。輸入空氣的試驗同樣取得快速排濕,干燥速率成倍提高,而產品質量比預想的好,經化驗檢測真空冷凍干燥和間斷輸入空氣的真空冷凍干燥的兩法生產脫水菜產品質量相比,幾乎相同,無多大差異。從間斷輸入空氣的真空冷凍干燥蔬菜試驗結果,可以證明該方法是成功的,可行的。
從眾多探索干燥蔬菜試驗中觀察到,蔬菜凡在50℃以下工藝溫度和快速干燥,其產品質量都比較好。就是處在有氧的環(huán)境中,只要脫水快速,同樣可以獲得較好質量的脫水菜。間斷輸入空氣的真空冷凍干燥蔬菜試驗結果也可以證明這個觀點。從這些試驗中得到啟發(fā),真空冷凍干燥蔬菜是以蒸發(fā)干燥為主,那么是否能將預凍結晶的蔬菜在產量高,裝機容量大的熱力干燥設備上進行干燥呢?這種大膽的設想,促使我開始進行艱難漫長的學習、試驗嘗試、探索研究。經過二十余年在幾個省市地區(qū)各種熱力干燥設備上進行百余次試驗,終于在隧道熱力干燥設備試驗出較理想的凍干脫水菜。經化驗檢測,隧道熱力干燥設備試驗出的凍干脫水菜與真空冷凍干燥設備生產出的凍干脫水菜相比,其色素、主要有效成分保存率、細胞破損率、干品含水率、速溶性和復水性等指標非常接近,差異不大,甚至可以相互媲美。而隧道比真空產量高、能耗少、干燥費用成本低、競爭力強等優(yōu)勢。
快速冷凍干燥蔬菜的新方法,即是在隧道熱力干燥設備上生產出凍干脫水菜的方法。所指的快速而是對真空冷凍干燥相對而言。所指的隧道并非是指原傳統(tǒng)的隧道熱力干燥設備。因原傳統(tǒng)的隧道熱力干燥設備在設計上存在許多缺陷和不足,不具備快速干燥*的條件和功能。在隧道熱力干燥設備上必須保證干燥快速,才能生產出高質量的凍干脫水菜。所以必須對原隧道設備進行大變革改進。變革改進的主要有:采用正面送熱風、安裝湍流裝置、采用雙煙道動態(tài)自動調節(jié)排濕、設置了廢熱再利用通道,增添了遠紅外熱輻射,并制定了相應的工藝:工藝溫度50℃,預凍溫度-45℃,熱空氣流速為3~5m/s等等。經變革改進的隧道設備,能使預凍結的蔬菜在電磁場中快速干燥。
注:該新方法已被國家局*。發(fā)明號:ZL97104621.2主分類號:F26B15/18。名稱:隧道快速干燥設備及方法。并于2002年3月份被國家有關部委評為《國家重點發(fā)明》