人參凍干的工藝
人參直空冷凍干燥的工藝流程包括前處理、預(yù)凍、升華干燥、解析干燥、后處理。
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人參凍干前處理
在人參凍干前，將人參洗凈、整形，選直徑相當(dāng)?shù)娜藚?、在人參上用銀針穿孔。實(shí)驗(yàn)表明，這樣處理的人參干燥好，外形美觀(guān)，干燥時(shí)間短，節(jié)省能源。
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預(yù)凍
根據(jù)測(cè)得的人參共晶點(diǎn)溫度為-15℃、擱板溫度控制在0~-25℃，安驗(yàn)證明，當(dāng)溫度高于此值時(shí)，凍干人參的表面有鼓泡、抽溝、收縮等不可逆現(xiàn)象。預(yù)凍時(shí)間與人參直徑大小有關(guān)，與凍干機(jī)性能有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中選用的是直徑 30mm 左右六年生圓參，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，將人參從室溫(約為15℃)降到-20℃左右，人參的預(yù)凍時(shí)間為 3~4h，效果較好。
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升華干燥
人參在升華干燥過(guò)程中，由于需要不斷補(bǔ)充升華潛熱，在保持升華界面溫度低于共晶點(diǎn)溫度的條件下，不斷供給熱量。隨著干燥層的增厚，熱阻增加，供給的熱量也應(yīng)有所增加。這時(shí)應(yīng)注意人參的已凍干部分的溫度必須低于人參的崩解溫度，否則，產(chǎn)品將會(huì)熔化報(bào)廢。實(shí)驗(yàn)認(rèn)為人參的崩解溫度在+50℃左右。
人參的升華干燥時(shí)間受許多因素的影響，是一個(gè)傳熱、傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜過(guò)程。在此過(guò)程中，傳熱處于控制地位，干燥時(shí)，人參凍干過(guò)程的狀態(tài)模型如圖6-2所示。熱量從加熱器傳至人參表面以對(duì)流和輻射為主，因此，壓強(qiáng)對(duì)傳熱量有影響。從人參表面到升華界面熱量以熱傳導(dǎo)形式傳入。
干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)具有相似的物理機(jī)理，熱傳導(dǎo)的推動(dòng)力是溫度差，傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力是壓強(qiáng)差傳質(zhì)符合fick 定律：
式中，g為擴(kuò)散速率；d 為擴(kuò)散系數(shù)；m 為冰晶的摩爾質(zhì)量；tm為人參的升華界面溫度；r為普適氣體常數(shù)。
干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程是相互影響的，隨著升華的進(jìn)行，多孔干燥層的增長(zhǎng)，不僅要降低傳質(zhì)的效率，而且也延緩了冰界面上升華水蒸氣逸出的速率。
根據(jù)上述分析，可建立起人參真空冷凍干燥的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可整理出升華階段所需要的時(shí)間t為19.2h，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，升華干燥時(shí)間為 20~22h 比較合適。
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解析干燥
在升華干燥結(jié)束后，人參內(nèi)部的毛細(xì)管壁還吸附了一部分水，這些水分是沒(méi)凍結(jié)的，這些吸附水的吸附能量高，如果不給予足夠的熱量，它們不能解吸出來(lái)，因此這個(gè)階段的物料溫度應(yīng)足夠高，人參的最高溫度是 50℃。為使水蒸氣有足夠的推動(dòng)力逸出，應(yīng)在人參內(nèi)外形成較大的壓差。因此，這階段箱內(nèi)應(yīng)該有較高真空度。解吸干燥時(shí)間控制在8h左右較好。
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后處理
干燥結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行充氮或真空包裝，因干燥后的人參吸水性強(qiáng)，應(yīng)防止產(chǎn)品吸潮而變質(zhì)。
根據(jù)以上的分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)，得出人參冷凍真空干燥的工藝曲線(xiàn)如圖6-3 所示。
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影響人參凍干的因素
上述凍干曲線(xiàn)是直徑約為 30mm 的六年生人參的典型工藝曲線(xiàn)。對(duì)于不同大小的人參和不同性能的凍干機(jī)，凍干工藝曲線(xiàn)是有變化的，不能生搬硬套，應(yīng)根據(jù)具體情況修正。為提高人參的凍干速率，還常采用預(yù)凍前用銀針穿孔法。這里進(jìn)一步研究一下影響人參凍干的因素。
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傳熱方式的影響
人參經(jīng)過(guò)前處理后，分別放在凍干室的擱板與擱板上的竹簾之上，然后進(jìn)行凍結(jié)、干燥處理。在干燥相同時(shí)間后取出觀(guān)察，直接放在擱板上的人參，在靠近擱板側(cè)抽縮已干，另一側(cè)則未干透，折之不易斷，斷面上有糊精存在。放于竹簾上的人參干燥，外形好看，和鮮參相差不大，折斷有脆聲，斷面蜂窩狀且潔白。造成這種現(xiàn)象的原因是人參的熱導(dǎo)率近于絕熱材料，直接放于擱板上，與擱板接觸側(cè)受熱量大，熱量傳不上去，造成這部分冰晶融化，產(chǎn)生抽溝現(xiàn)象，而人參上部受熱少，整個(gè)人參的熱量分布不均勻，干燥速率亦不均勻。放于竹簾上靠對(duì)流和輻射供熱量，四周熱流均勻，分布在人參上的溫度均勻，傳熱傳質(zhì)都比較均勻，所以干燥效果好。
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人參直徑的影響
不同直徑大小的人參，干燥時(shí)所需升華時(shí)間不同，隨著半徑的增大，時(shí)間呈平方曲線(xiàn)上升，因?yàn)槿藚⒌闹睆皆酱螅捏w積越大，不考慮人參長(zhǎng)度影響，體積與半徑r的平方成正比，由此可見(jiàn)，進(jìn)行人參冷凍干燥時(shí)，需要選擇直徑相當(dāng)?shù)娜藚⑼瑫r(shí)干燥，不然在相同的升華時(shí)間內(nèi)，有的已干燥完畢，有的升華還未完成，造成質(zhì)量差異或不必要的能耗升高。因此，干燥不同直徑的人參時(shí)，應(yīng)調(diào)整升華階段時(shí)間，選用不同的凍干曲線(xiàn)。
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凍干室內(nèi)真空度的影響
人參凍干時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程是水蒸氣從冰表面升華，通過(guò)已干燥層的孔道，向真空室內(nèi)逸出的過(guò)程。因此，冷凍界面與真空室內(nèi)壓差△p越大，則水蒸氣的逸出速率越快。但真空室內(nèi)壓強(qiáng)太低，對(duì)于空間熱對(duì)流不利，傳給人參的熱量減少，升華速率下降。如果真空室內(nèi)的壓強(qiáng)太高，△p減小，傳給人參的熱量增多，會(huì)造成界面融化，干燥失敗。權(quán)衡傳熱、傳質(zhì)的平衡關(guān)系，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，凍干人參時(shí)凍干箱內(nèi)的壓強(qiáng)選擇在 13~133pa 之間為好。采用循環(huán)壓力法可提高人參的凍干速率。
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水汽冷凝器表面溫度的影響
升華過(guò)程中產(chǎn)生的大量水蒸氣是由水汽冷凝器排出的，水汽冷凝器的表面溫度直接影響著凍干室內(nèi)的真空度，影響人參的干燥速率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水汽冷凝器的表面溫度與升華界面的溫度有關(guān)。水蒸氣的流動(dòng)取決于這兩個(gè)溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力之差，降低水汽冷凝器表面的溫度可以提高水蒸氣的凝結(jié)速率，但是會(huì)增大設(shè)備的能耗和成本。實(shí)踐證明水汽冷凝器表面溫度取一30℃是經(jīng)濟(jì)可行的。
采用冷凍真空干燥技術(shù)加工的活性人參，經(jīng)鑒定，活性參無(wú)論在質(zhì)量和外形上都優(yōu)于用傳統(tǒng)方法加工的紅參、生曬參、糖參等制品。在低溫條件下加工而成的活性參，其組織細(xì)胞內(nèi)含物保留較完整，可利用度較高。將活性參用低濃度醇白酒或蒸留水浸泡，待具活性的細(xì)胞吸收水分后，可恢復(fù)鮮參狀。由于活性參是在冷凍真空低溫條件下脫水干燥的，鮮參所含酶未遭破壞，服用后易于消化吸收，可發(fā)揮更大的藥效。采用冷凍真空干燥加工的活性參與烘干參成分對(duì)比見(jiàn)表 6-1.