四环冻干—山药的冻干

山药别名怀山药、山芋，四川称百苕，湖南叫野百薯，杭州学名为白药子。山药是著名的薯蓣科药用植物。山药每百克鲜品中含水分82.6g，碳水化合物14.4g、蛋白质1.5g，维生素C4mg、胡萝下素0.02mg，以及钙、铁、胆碱、黏液汁、酶、薯芋皂苷等。山药的黏液富含糖、蛋白质，内有消化酵素，可增强人体的消化能力，但易受高温破坏而丧失其作用。

山药贮存过程中要防止发霉变质，传统贮存方法主要是用硫黄粉熏后，晒干或炭火烘干。

传统的加工工艺会造成山药营养成分损失大，而且经硫黄熏蒸后，含硫化学物质残留在产品中，会引起食品安全问题。冻干山药的目的是得到营养丰富，药效不变，能长期贮存运输的山药。这种山药除药用以外，可用作为保健食品和功能食品的添加剂，制成各种糕点、休闲食品供老人、儿童食用。

近年来，随着药用、保健食品和功能食品用量的增加，对山药原粉的需求量日渐增长，尤其是山药粉出口创汇，更引起有识之士的注意。为保持山药的药效和营养成分，便于长期贮存和运输。

冻干山药的目的是得到营养丰富新鲜的山药粉。冻干山药粉的工艺包括：前处理、预冻、升华干燥、解析干燥和后处理。前处理工序是选取新鲜优质山药，经清洗和去皮后切片。切好的山药片直接摆放在冻干箱的搁板上。冷冻、升华干燥和解析干燥全在冻干箱内进行。

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预冻可分速冻和慢冻两种。为使预冻过程中形成较大冰晶，以便给升华干燥创造良好的传质条件，实验中采用慢冻。将厚8mm左右的山药片铺放在冻干箱的搁板上，将一电阻温度计插入山药片中心，另一电阻温度计放在搁板表面上，关上冻干箱门，启动制冷系统，将山药片冷冻到共熔点温度以下（测得山药共熔点温度为-18～-20℃），保持一定时间，预冻即结束。预冻时间为2.5h，效果较好。

升华干燥时，将制冷系统切换到水气凝结器上，待水气凝结器温度降至-20℃左右，即可开真空泵，对冻干箱抽真空。冻干箱真空度达到20Pa左右即可开始加热，这时一定要注意控制加热速率，应保持山药片内的温度在共熔点以下，以防止加热过快造成制品熔化。实验证明，真空度控制在50Pa左右时，传热、传质效果较好，升华速率较快。升华干燥时间为8h。

为保证产品质量，在解析干燥阶段搁板温度不要超过50℃，山药片温度不要超过40℃。解析干燥时间为2.5h。曾试验提高搁板温度到80℃，以便提高干燥速率，缩短干燥时间，试验结果发现有少量硬结小块，颜色变黄，似有烧焦现象，造成质量下降。实验得出较好的冻干曲线如图6-4所示，总计冻干过程耗费时间13h。

山药冻干的传热、传质模型采用传统的冰界面均匀退却模型（简称URIF模型），如图6-5所示。图中Q为传热；m为传质；1为干层；2为移动冰界面；3为冻结层，4为搁板。由于山药片是通过垫一些小薄木片放在搁板上的，与URIF模型中假定下搁板（x=b）处是绝热的相近似，忽略了下搁板通过冰界面的冰层的导热。这种模型可采用直角坐标系来分析计算。

式中，b为山药厚度，实验中b=0.008m；ρ为冷冻层冰的密度，ρ=800kg/m³；γ为冰升华潜热，γ=2.8×10⁶J/kg；ε为冻干物料孔隙率，定义为冻干物料孔隙体积与总体积之比，ε=0.7；λ为已干层热导率，λ=0.03W/（m·℃）［即0.03J/（s·m·℃）］;T_w为干层外表面温度，T_w=40℃；T_s为升华界面温度，T_s=-18℃；α为已干层导温系数，m²/s。

式中，c为已干层比热容，c=1800J/kg；ρ为已干层密度，ρ=350kg/m³。经计算得α=4.7×10^-8m²/s，t=8.09h。计算结果与实验值基本相符。

从式(6-4)、式(6-5)计算可知，山药的铺放厚度对升华干燥时间的影响很大。在其他参数相同的情况下，厚度从8mm增加到10mm时，所需升华干燥时间从8.09h增加到12.65h。厚度仅增加2mm，升华干燥时间却增加了4.5h。厚度从8mm减少到5mm时，所需升华干燥时间从8.09h减少到3.17h。厚度减少3mm，时间却减少了近5h。此计算值与实验结果基本相符。随着厚度的增加，预冻时间和解析干燥时间也有所增加，但不如升华干燥时间增加得多。其主要原因是厚度对传热的阻力比传质的阻力小。

为减少传质阻力，可将山药片放置在带网的托盘里，从山药片的两侧同时抽除水蒸气，相当于山药片的厚度减小1/2，升华干燥时间缩短1/2，既提高了生产效率，又实现了节能。

鲜山药经冻干后，不必人工粉碎，自动成粉。冻干后的山药极易吸潮，特别是山药粉，吸潮后能捏成团，压成块，容易变质。因此，冻干山药粉的贮运价值与冻干后处理密切相关。通常冻干产品出箱后，应该采用真空包装或真空充干燥氮气包装。在实验过程中没有及时真空包装的冻干山药在一夜之间就回潮了。采用磨口玻璃瓶，瓶中放入袋装干燥剂后存放，效果很好。