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蕨菜真空干燥特性与工艺参数的试验研究
车刚1、2 ，汪春2，温海江3 李成华2
（1黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163311； 2沈阳农业大学工程学院，沈阳110161；
3 黑龙江农副产品加工机械化研究所，佳木斯 154004）
摘 要：考察干燥因素对蕨菜真空干燥特性及其品质的影响，用二次正交旋转组合设计的实验方法，建立了蕨菜Vc含量、干燥速率、复水比和耗能量的数学模型。探讨干燥温度、真空度、物料层厚度对试验指标的影响。并利用贡献率法，确定各因素在二次非线形模型中的主次顺序。试验结果综合分析表明，真空度对影响蕨菜制品的品质最大，干燥温度次之，物料厚度的影响最小。并优化确定了温度在58.5℃、真空度为0.080MPa、物料厚度3层时，蕨菜的品质最高。
关键词：真空干燥；蕨菜；品质；试验研究
Study on the character and Technology Parameter of Vacuum Drying Pteridium Aquilinum
CHE Gang1 WANG Chun2 WEN Hai-jiang3 LI Cheng-hua2
（1．Heilongjiang August First land Reclamation University，Daqing163319， China；
2．Shenyang Agriculture University，Shenyang 110161，china）
Abstract：The experiment of parameter for vacuum drying had been done under different experimental condition; it determines the relation between parameters and vacuum drying rate, moisture content. The math model of vacuum drying Pteridium Aquilinum had been established with nonlinear regressional orthogonal design. Utilizing method of contribution-rate, the order of the drying parameters has been confirmed and some theoretical basis had been provided for designing reasonable drying parameters. Experimental results show that vacuum is better drying parameters than drying temperature and thickness of Pteridium Aquilinum. And quality is better under 58.5℃, 0.080MPa and three layer material working condition.
Key words: Vacuum drying, Peridium aquilium, Quality, Experimental study
1 引言
蕨菜是一种具有极高食用价值和药用价值的山野植物，素有“山菜之王”之美誉。但是由于季节和自身特性的影响，蕨菜的鲜贮十分困难。因此蕨菜的脱水干燥是其保藏的必要处理环节。目前，随着社会对人类健康的日益重视，真空保鲜处理技术，正成为果蔬保鲜技术研究的热点之一。真空干燥具有干燥温度低，干燥速度快，产品的膨化性能和复水性好，在缺氧环境能有效地杀灭嗜氧性细菌和某些有害微生物，减少蕨菜的氧化作用，细菌指标符合要求。既能提高制品品质，保留原料的风味和营养成分；又可以达到高效节能这一目的。因而在果蔬贮藏中具有较好应用前景[7]。目前尚未见到真空干燥因素对蕨菜品质的影响的报道。为此，本试验采用低温真空干燥技术对蕨菜进行处理，研究不同干燥因素（干燥温度、真空度、物料层厚度）对蕨菜营养成分Vc含量、干燥速率、复水比和耗能量的影响规律。以探索真空处理对蕨菜干燥的效果及较优的干燥工艺，为提高蕨菜的经济价值，大幅度减少了资源的损耗性浪费，提高蕨菜的高附加值提供贮藏依据。
2试验装置及方法
2.1试验设备
真空干燥实验箱结构如图1所示。
2.2试验方法
本试验蕨菜干燥过程的工艺过程为：采收→分选、修整→清洗→预烫→晾干→干燥。
为保证蕨菜的色泽及Vc等营养成分的保存，在干燥前需预处理，采用100℃水漂烫三分钟，加MgSO4。预烫后，用滤纸吸收样品外表水分，切成50mm左右的小段，称200克数份装入干燥盘待用。试验中样品水分测定采用称重法测定，在每次测量重量时校正测量误差值（0.5％）。称重时间间隔为干燥前段时间20分钟一次，后段10分钟一次。称重时扣除升温和抽放真空时间，直至含水率小于8％为止。
本文采用二次回归正交旋转组合试验方法进行研究。影响蕨菜真空干燥的主要因素有温度、真空度，切分状态、原料品种和物料层厚度。为了确定主要因素及其范围，在单因素试验基础上将温度X1，真空度X2和物料层厚度X3作为主要试验因素，试验指标为干燥后蕨菜的Vc含量，干燥速率，复水比和耗能量。其中Vc含量测定采用—二氯靛酚法，复水比即复水后沥干重量与脱水蕨菜干样重量的比值，耗能量采用数字电度表测定。三因素二次正交旋转组合试验因素水平编码如表1所示。
3 蕨菜真空干燥特性试验
3.1真空干燥温度对干燥的影响试验
在不同的干燥温度下，蕨菜的含水量变化和干燥速率如图2和图3所示。
在真空度和物料层厚度一定的工况下，随干燥温度的提高，干燥时间缩短。在50℃时干燥时间比较长， 70℃时干燥速度比60℃时要快，在2小时水分值达到7.2％，从干燥速率上来看，50℃时的速率最小，60℃、70℃在恒速干燥阶段速率值相差不大，分别在1.04％/min和1.15％/min。
3.2真空度对干燥速率的影响试验
不同真空度对干燥速率的影响如图4和图5所示。
在60℃干燥温度下，当蕨菜含水率为8％时，0.05MPa大约需要220分钟，0.06MPa需要180分钟，0.07MPa时为140分钟，0.09MPa需要用时120分钟。由图5可知，在恒速干燥阶段，蕨菜在0.09MPa、0.07MPa、0.06MPa和0.05Mpa时的干燥速率分别为：1.362％/min、1.248％/min、0.96％/min、0.752％/min。从试验结果分析看出，真空度越大，在恒速干燥阶段的降水速率越大，这与理论分析传质规律相符合。真空干燥物料的水分传导主要是依靠压力差。
3.3物料层厚度对干燥影响试验
试验不同厚度下的干燥试验结果如图6和图7所示。在70℃、0.07MPa工况下，1#、2#和4#（#代表搁板上物料的层数）达到8％含水量时所需时间分别是200分钟、330分钟和460分钟，随着干燥物料厚度的增加，干燥时间变长，4＃的干燥时间最长达7.5小时，主要是因为物料层与层之间存在不良导体层（在真空状态下，介质的传热效率差），如果采用双面加热，或借用红外加热源来进行加热，效果会得到改善。由图7可知，物料1层时，干燥速率最大，
2层时次之，4层时其干燥速率最小。可见对于真空干燥来讲，物料层的厚度对于脱水速率的影响最大。
4 蕨菜真空干燥试验结果与评价
4.1 数学模型的建立
根据23次试验数据，应用DPS数据处理系统（浙江大学，唐启义，2003）求得各试验因素与干制品Vc含量、干燥速率、复水比、耗能量间关系在编码空间的回归方程分别为：
分别对回归方程及回归系数进行F检验，四种回归数学模型均在0.05水平上高度显著，且回归数学模型的各项系数也均达到不同程度的显著水平。说明回归方程拟合得好，说明数学模型（1）~（4）具有较高的精度，误差能够控制在较小的范围内。
利用贡献率法计算出试验因素对干制品Vc含量影响的贡献分别为：△1=0.90 △2=0.99 △3=0.88；对干燥速率影响的贡献分别为：△1=0.94 △2=0.75 △3=1.17；对复水比影响的贡献分别为：△1=0.79 △2=0.96 △3=0.68；对能耗影响的贡献分别为：△1=1.04 △2=1.52 △3=0.98，综合评价可得试验因素x1，x2和x3对蕨菜品质影响的大小顺序为：△2>△1>△3， 即真空度>干燥温度>物料厚度。
4.2综合评价与优化
评价干燥工况的优劣主要考虑两个方面：一是干制品的品质，二是生产效率及能源消耗。蕨菜的干燥质量主要从其色泽、营养成分的保存、复水、口感来鉴别。干制品的品质又可以利用理化指标（生理指标、生化指标）来衡量。真空干燥蕨菜的试验研究不仅从品质的角度出发，还应着重考虑生产率的提高。制约生产率提高的因素主要是水蒸气的排除速度，即可用小时去水量的多少衡量。能源消耗主要考虑动力电的消耗量。具体不同工况的评价指标结果如表2所示。
表2 蕨菜真空干燥的评价
采用目标函数法进行优化。将蕨菜真空干制品的四个回归方程作为目标函数，各设计变量的试验范围为优化的边界约束条件： （ =1，2，3），利用Matlab进行单目标优化。再根据各目标函数优化结果，结合实际工况进行加权评价，确定最佳参数组合方案为温度为58.5℃、真空度为0.080Mpa、物料厚度3层时，蕨菜真空干制品的Vc含量的最优值为193.6 mg/100g，干燥速率最优值为1.34％/min，复水比最优值为3.61，耗能量最优值为10.77 kw?h。
5 结 论
⑴ 真空干燥过程中，干燥温度、真空度和物料层厚度是影响干燥工艺的主要因素。其恒速干燥阶段在整个干燥过程中占很大比例。干燥终了平衡水分能达到4%（Wb）。蕨菜真空干燥是一种较优的干燥工艺。
⑵ 真空干燥蕨菜在60℃、70℃时，其恒速干燥阶段速率值相差不大；随着真空度越大，在恒速干燥阶段的降水速率越大；但蕨菜层的厚度对于脱水速率的影响最大。真空干燥蕨菜的水分传递主要是依靠其压力剃度和温度剃度。
⑶ 探讨干燥温度、真空度、物料层厚度对营养成分含量（Vc）、干燥速率、复水比和耗能量的影响规律，建立了真空干燥蕨菜的四种数学模型。利用贡献率法确定了对蕨菜品质影响因素的大小顺序为：真空度>干燥温度>物料厚度。
⑷采用优化法确定温度在58.5℃、真空度为0.080Mpa、物料厚度3层时，蕨菜真空干燥后的品质高。为综合评价较佳干燥工艺和蕨菜加工生产奠定基础。
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