凍干的牛肉復(fù)水后能保持制品原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可用于在宇航、登山、航海、探險(xiǎn)、軍隊(duì)野戰(zhàn)等特殊場(chǎng)合，也可以用于方便食品的制作。寧夏大學(xué)的孔令圓研究了干切熟牛肉的低耗高速凍干工藝。
牛肉凍干實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在之前的研究中已確定了干切牛肉冷凍的共晶點(diǎn)、共熔點(diǎn)和熔點(diǎn)分別為-21℃，-18℃和-3℃。在干切牛肉冷凍干燥單因素試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)冷凍干燥過(guò)程中，干燥室壓強(qiáng)對(duì)干燥速率的影響在共晶點(diǎn)和熔點(diǎn)兩個(gè)溫度點(diǎn)會(huì)發(fā)生明顯變化，這是干切牛肉特殊的物料特性決定的。所以實(shí)驗(yàn)中將冷凍干燥整個(gè)過(guò)程以共晶點(diǎn)和熔點(diǎn)為分界點(diǎn)分為三個(gè)階段 （即預(yù)凍終溫到共晶點(diǎn)為階段Ι，共晶點(diǎn)到熔點(diǎn)為階段Ⅱ，熔點(diǎn)到升華干燥結(jié)束為階段Ⅲ）。以這三階段壓強(qiáng)及物料厚度對(duì)干燥能耗和生產(chǎn)效率的影響進(jìn)行了四因素五水平二次回歸正交組合試驗(yàn)（見(jiàn)表 7-12），從而研究干燥室壓強(qiáng)和物料厚度對(duì)干燥速率及能耗的影響。
實(shí)驗(yàn)研究中選取半膜性肌、背部最長(zhǎng)肌等部位制作的干切牛肉，剔除熟牛肉上附著的脂肪及結(jié)締組織，切成長(zhǎng)50mm，寬40mm，厚度6~30mm 的塊狀，試驗(yàn)前測(cè)得含水率為53.4%~56.8%，近似取55%。切好的牛肉擺放在托盤(pán)中備用，填裝系數(shù)為α=0.8。
根據(jù)凍干機(jī)實(shí)際可控壓強(qiáng)并結(jié)合生產(chǎn)中生產(chǎn)效率的要求，確定了干燥室壓強(qiáng)上限為120Pa，下限為20Pa；物料厚度上限為30mm，下限為6mm。
通過(guò)預(yù)凍過(guò)程中制冷溫度、凍結(jié)速率對(duì)預(yù)凍耗能和干燥耗能影響的研究，確定了試驗(yàn)采用慢速凍結(jié)方式進(jìn)行，預(yù)凍終溫為-32℃。在冷阱開(kāi)啟時(shí)即將擺放于托盤(pán)中的物料于中心和表面插上溫度探針置于冷凍板上進(jìn)行預(yù)凍，在物料中心輸出溫度為-32℃后，再凍結(jié)1h結(jié)束預(yù)凍。
預(yù)凍結(jié)束后，物料由冷凍板移至加熱板下方（即稱(chēng)重秤上），關(guān)閉干燥倉(cāng)門(mén)，開(kāi)啟真空泵，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始并開(kāi)啟在線稱(chēng)重系統(tǒng)，當(dāng)真空度降至設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟加熱板加熱，設(shè)定上加熱板溫度恒定為 80℃。當(dāng)溫度探針輸出值為-21℃ （共晶點(diǎn)）時(shí)升華階段Ι結(jié)束。第一次變壓干燥進(jìn)入升華階段Ⅱ，當(dāng)溫度探針輸出值為-3℃（熔點(diǎn)）時(shí)，物料中大部分游離水已經(jīng)脫除，認(rèn)為升華干燥結(jié)束。第二次變壓干燥轉(zhuǎn)入階段Ⅲ（解析干燥），當(dāng)物料中心溫度和表面溫度相同且物料重半個(gè)小時(shí)內(nèi)無(wú)變化時(shí)認(rèn)為干燥結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、兩次變壓的時(shí)間、三相電表讀數(shù)，用于計(jì)算各階段能耗和干燥時(shí)間。
根據(jù)四因素五水平二次回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，安排27次實(shí)驗(yàn)，其中中心點(diǎn)重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7-13。
分析結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，影響干燥速率的因素順序?yàn)椋何锪虾穸?、階段Ι干燥室壓強(qiáng)、階段Ⅱ干燥室壓強(qiáng)、階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)；這是因?yàn)殡A段Ι主要是水分的升華階段，濕物料中65%左右的水分都是在這個(gè)階段除去的，較低的干燥室壓強(qiáng)可以大大提高水分的升華速率，是提高干燥速率的主要途徑。影響單位水分能耗的因素順序?yàn)椋何锪虾穸取㈦A段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)、階段Ι干燥室壓強(qiáng)、階段Ⅱ干燥室壓強(qiáng)。這是因?yàn)樵诶鋬龈稍镞^(guò)程中階段Ⅲ為解析階段，主要干燥結(jié)合水，占總水分的10%左右，但是干燥時(shí)間卻比階段Ι更長(zhǎng)，因此選取合適的階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)，縮短干燥時(shí)間，對(duì)降低能耗有關(guān)鍵作用。
采用SAS軟件對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以看出階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)和物料厚度的交互作用對(duì)干燥速率和能耗的影響都十分顯著（見(jiàn)圖 7-15）。由圖7-15可以看出，薄物料干燥速率受階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)的影響較厚物料小得多，而階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)較小時(shí)，干燥速率隨物料厚度的增大而降低，干燥速率在物料厚度最厚和階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)最大時(shí)達(dá)到最大，這是因?yàn)殡A段Ⅲ是冷凍干燥的解析階段，對(duì)于干切牛肉來(lái)說(shuō)主要是傳熱來(lái)決定干燥速率的，而增大干燥室壓強(qiáng)有利于傳熱的進(jìn)行；而厚物料的表面積（包括上表面和側(cè)表面）大于薄物料，表面積的增大有利于水蒸氣的逸出而增大干燥速率。如圖7-16所示，隨著階段Ⅲ干燥室壓強(qiáng)的增大和物料厚度的增加，單位水分能耗有所降低，且在物料較厚的情況下，增大干燥室壓強(qiáng)能夠顯著降低單位水分能耗，這是因?yàn)樯厦嫠f(shuō)的干燥速率隨著物料厚度和干燥室壓強(qiáng)的增加而增大，因而縮短了干燥時(shí)間，從而降低了單位水分能耗。
實(shí)驗(yàn)研究的目的是為了找到能保證干燥速率又不顯著增加能耗的最佳工藝操作條件，因干燥速率是主要考慮因素，單位水分能耗是次要考慮因素，故選取干燥速率權(quán)重λ1=0.7，
單位水能耗權(quán)重λ2=0.3。對(duì)綜合加權(quán)值進(jìn)行回歸分析，并取最大值，得出低耗高速最佳過(guò)程操作條件為：三階段干燥室壓強(qiáng)20Pa（-1.546），44.18Pa（-0.8070），120Pa（1.546），物料厚度30mm （1.546），此時(shí)干燥速率為142.69g/h，單位水分能耗為34357.94kJ/kg。
每個(gè)優(yōu)化結(jié)果分別進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表7-14，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，優(yōu)化的最大干燥速率條件比整個(gè)干燥過(guò)程采取同一壓強(qiáng)要高約 20%左右，而最低干燥條件每除去1kg水分能節(jié)約 25%的能耗，可見(jiàn)優(yōu)化后的操作條件無(wú)論是對(duì)提高干燥速率還是降低干燥能耗作用都是非常明顯的，說(shuō)明分階段采取不同的干燥室壓強(qiáng)對(duì)提高干燥速率和降低干燥能耗都有顯著作用。尤其是低耗高速的優(yōu)化結(jié)果 （實(shí)驗(yàn) 3），在保證干燥速率的情況下（僅下降了4.6%）又降低了單位水分能耗（21%），對(duì)冷凍干燥過(guò)程參數(shù)的調(diào)節(jié)更具有實(shí)際參考價(jià)值。
