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董铁有
（河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳 471003）
摘 要：以鱼香肉丝这一典型的中华菜肴为对象，研究其真空冷冻干燥工艺，进而开发中华菜肴式航天食品。通过正交实验求出了鱼香肉丝菜肴的最佳真空冷冻干燥工艺参数，即物料铺放厚度5mm、升华干燥的真空度140Pa、解析干燥的真空度30Pa、解析时加热板温度20℃。在此基础上求出的影响冷冻干燥工艺的主要因素的影响次序为：加热板温度、物料铺放厚度、升华压力和解析压力。同时还求出了其复水工艺参数，即，复水量为干制品的含水率的140%～150%，复水温度65～85℃，复水时间在20～30min左右最好。并通过本研究所建立的数学模型对鱼香肉丝的真空冷冻干燥时间进行了验证。
关键词：航天食品；中华菜肴；真空冷冻干燥；复水；数学模型
独具中国特色的中华菜肴味道鲜美、营养丰富而深受国内外消费者的欢迎。但是由于其不便随身携带，使这些深受国内外消费者喜爱的中华菜肴的消费受到了限制。因此有必要对典型的中华菜肴采用真空冷冻干燥［1］这种具有多项优势的最新型的烹饪加工技术进行研究，为开发中华菜肴加工烹饪的新工艺、新方法创造条件。
本研究以典型的中华菜肴鱼香肉丝为研究对象，为开发具有中华菜肴特色的航天食品开拓新的领域，以改善航天员的饮食结构，解决航天员的饮食和营养问题，最大限度地调节他们的食欲和情绪，增加他们的营养，保证航天员保持良好的身体状况，顺利完成航天飞行任务。同时该技术的开发和应用也可以为潜艇水兵、南北极科学考察、远洋航海及科学考察、无人区科学考察以及登山运动员等提供更加丰富的美味可口的方便食品。也可以发展成为一种新兴的出口创汇产业，将独具特色，味道纯正的中华菜肴系列高档方便食品打入国际市场。
1 实验材料与方法
1.1 材料与设备
实验物料为同一烹饪师所烹调制作的鱼香肉丝这一典型的中华菜肴。鱼香肉丝的规格尺寸为：其肉丝厚度大约为5mm、长度约为20～30mm，笋丝的厚度大约为3mm、长度约为30mm，木耳厚度约为3mm。
实验设备主要有低温冷冻冰箱、电子天平、水分快速测定仪、LG-0.2型真空冷冻干燥机、包装机及辅助材料真空镀铝薄膜等。
1.2 真空冷冻干燥工艺
实验工艺流程：
原料鱼香肉丝的预处理→低温冰箱速冻→升华、解析干燥→包装→成品。
首先按比例挑选其中一部分符合要求的肉丝、笋丝及木耳，测定其质量。用快速水分测定仪测出鱼香肉丝的水分含量，并做好记录。按照正交试验所要求的厚度铺放在料盘上，放入冰箱中冷冻12～18h，冷冻至-40℃，采用慢速冻结，以利于干燥。
真空冷冻干燥工艺中的升华干燥是除去物料中绝大部分水分的过程，这个过程要控制好料温，保证物料冻结层的温度不超过共熔点，已干层的温度不超过崩解温度或允许的最高温度（即不烧焦或变性）。同时保证其它参数符合试验的要求。冷阱的温度保持在-45℃左右。根据本课题的研究经验，在升华干燥进行5～6h后，鱼香肉丝的升华干燥基本完成。解析干燥是进一步除去鱼香肉丝中的结合水的过程，所以要给予其足够的能量才能使水分逸出。此时要提高加热板的温度，同时降低干燥室内的压强，以利于水蒸气的逸出。但物料的温度要控制在已干层温度不超过崩解温度或允许的最高温度，也就是40℃的范围内，同时也要保持冷阱的温度在-45℃左右。
冻干后的鱼香肉丝内部呈多孔状，极易吸收空气中的水分，所以应及时包装，否则易于氧化变质。本研究的包装方式为真空包装，这种包装方式也符合航天食品包装的要求。包装材料选用不透水、隔氧、遮光的真空镀铝薄膜及PET/铝箔/PP复合材料。
在鱼香肉丝的真空冷冻干燥中影响真空冷冻干燥效果的因素有：
①预处理阶段：肉丝、笋丝、木耳的形状、勾芡的厚度、不同种类的作料以及同种类作料添加量、成品鱼香肉丝中汤汁的量；
②预冻阶段：预冻温度、预冻速率、预冻时间；
③升华干燥阶段：物料的铺放厚度，干燥室内的压力（即升华阶段的真空度），料盘的材料、形状，冷阱的温度；
④解析干燥阶段：干燥室内的压力（即解析阶段的真空度）、加热方式、升温的速度、加热板（或搁板）的最终温度；
⑤后处理阶段：包装材料、包装方式。
在实验中为了消除不可控制因素的影响，在预处理阶段选用同一个师傅所烹调的菜肴作为实验材料。预冻采用的是低温冰箱，冷冻时间为18h，所以将冷冻过程看成是慢速冷冻，由于预冻时间长，预冻阶段的影响因素可不予考虑。
为简化问题，抓住重点，通过对以上影响因素的分析，本研究对上述的几项主要因素进行了研究。这些主要影响因素是：厚度、升华压强、解析压强和加热板温度。
正交试验［2］的检验指标有产品的外观和气味、产品复水后的感官鉴定、冻干过程所用的时间等。
2 试验数据处理
通过对实验结果及数据的极差分析可知：①最佳生产条件是：鱼香肉丝厚度5mm、升华干燥时真空度140Pa、解析干燥时真空度30Pa、解析时加热板温度20℃。正交表中没有这一组，后经试验验证，是最优的。②影响工艺的因素次序为：升华压力、物料厚度、加热板温度、解析压力。③复水时的水温对鱼香肉丝的品质和复水速度的影响为：水温越高，复水时间越短，并且采用热水复水后的鱼香肉丝没有腥味，而用冷水复水的鱼香肉丝具有腥味。④复水量、复水温度和时间：干燥前先用水分快速测定仪测出样品的含水率。根据实验结果，复水量是干燥前的含水率的140%～150%为好，此时的肉丝已经充分复水，复水温度在65～85℃，复水时间在20～30min左右为好。
3 数学模型的建立及试验验证
3.1 数学模型的建立
为了简化问题，在数学模型建立［3］中作如下假设：①物料的加热方式为辐射加热；②传热过程是一维的，且垂直于干燥层表面及升华面；③升华解析过程中物料的物性参数为常数；④升华所需的能量全部由多孔已干燥层传入；⑤食品中冻冰状态的水分的分布是均匀的；⑥干燥后的物料的含水率为零，即为纯干物质。
升华界面至冷阱表面的摩尔质量扩散方程为：
G= L（Wo-We）ρd - dMR （1）
2M dt
单位为kg mol/（m2.s）。
式中：L为食品物料的厚度，m；MR为食品物料的水分比，定义为
MR= W-We 。
Wo-We
其中：W为冷冻干燥过程中任意时刻食品物料的含水率，%（db）；Wo为食品物料的初始含水率，%（db）;We为食品物料干燥结束时的含水率，%（db）；M为水的分子量；ρd为食品物料多孔状已干层密度，kg/m3；dMR/dt为水分比的变化率，1/s；t为干燥时间，s。
根据均匀性假设可得：
X =1-MR （2）
L
式中：X为食品物料干燥层的厚度，m；L为食品物料的总厚度，m。
根据干物料状态的假设，由方程（1）和（2）可得：
1-MR= 2DM（Pi-Pa）t - 2D （3）
RTL2 ρd（Wo-We）（1-MR） αmL
式中：D为水蒸气扩散系统，m2/s；R为摩尔气体常数，R=8.314Pa?m3/（kg mol?K）；T为冻结食品中冰的温度，K；αm为食品物料表面对流传质系数，m/s；Pi，Ps为食品物料升华界面和食品物料表面的水蒸气压力［4］，Pa;Pα为冷阱内的水蒸气压力［4］，Pa。利用此方程做出以（1-MR）为纵坐标，t/(1-MR)为横坐标的图，即可回归求出D和αm。当干燥结束时，可近似地认为MR≈0，则方程（3）可变为：
t= RTρd（Wo-We） L L + 1 （4）
M（Pi-Pa） 2D αm
3.2 数学模型的验证
数学模型中较难确定的2个参数是D和αm，它们反映了水蒸气在孔隙中的扩散方式及流动状态。目前常用食品冷冻干燥中的干燥速率，回归得到D和αm。这种方法能综合反映水蒸气传递过程中许多难以确定的因素［4］。以（1-MR）为纵坐标，t/(1-MR)为横坐标作图，利用MATLAB［5］软件回归方程和作图。试验数据见表1，得到回归方程是：1-MR=0.1395t/（1-MR）-0.1072，回归图见图1。经计算可得出D=0.0022m2/s、αm=8.209,将L=0.005代入方程（4）可得t=7.9h，而试验用了8.5h，误差是6.25%，所以该模型是可信的。
表1 实验结果
干燥时间（h） 物料重量（g） 1-MR t/(1-MR)
0.0 245 0.000000 ―
0.5 217 0.178344 2.803571
1.0 200 0.286624 3.488889
1.5 180 0.414013 3.623077
2.0 167 0.496815 4.025641
2.5 159 0.57771 4.563953
3.0 155 0.573248 5.233333
3.5 145 0.636943 5.495
4.0 135 0.700637 5.709091
4.5 127 0.751592 5.987288
5.0 115 0.828025 6.038462
5.5 107 0.878981 6.257246
6.0 103 0.904459 6.633803
6.5 99 0.929936 6.989726
7.0 95 0.955414 7.326667
7.5 92 0.974522 7.696078
8.0 89 0.993631 8.051282
8.5 88 1.000000 8.500000
9.0 88 1.000000 9.000000
t／(1-MR)
图1 实验回归图
4 结论和讨论
通过对鱼香肉丝这一典型的中华菜肴的真空冷冻干燥原理、影响因素及正交试验结果的分析和处理可以得出以下结论：
（1）通过经过极差分析法对正交实验的结果和数据进行分析可知，鱼香肉丝的最佳生产条件是：鱼香肉丝厚度5mm、升华干燥时真空度140Pa、解析干燥时真空度30Pa、解析时加热板温度27℃。
（2）由于在低温冷冻冰箱冷冻速率慢，形成冰晶比较大，有利用升华干燥，升华时间仅用5～6h。但是干后复水时间长，笔者分析是由于干燥时的冰晶比较大，在干燥过程中容易形成塌陷，阻碍复水，因此应该在干燥鱼香肉线过程中注重把握预冻速度，并且这是一个有待于进一步研究的问题。
（3）从干燥图像可以看出肉丝、笋丝、木耳的干燥速率大不相同，其中肉丝的速率最快，而笋丝、木耳的干燥速度大致相同。所以为了保证品质，可以采用分组干燥组，这也是一个有待于进一步研究的问题。
（4）复水时的水温对鱼香肉丝的品质和复水速度有影响。水温越高，复水时间越短，并且采用热水复水后的鱼香肉丝没有腥味，而用冷水复水的鱼香肉丝具有腥味。
（5）复水量、复水温度和时间。根据实验结果，复水量为干燥后的含水率的140%～150%最好，此时的肉丝已经充分复水，复水温度在65～85℃，复水时间在20～30min左右。
（6）本研究的数学模型可以应用在生产中，以指导实际生产。◇
参考文献
［1］ 张建龙，董铁有，朱文学.微波冷冻干燥技术的特点及发 展前景.食品工业科技，2002，12.
［2］ 高允彦.正交及回归试验设计方法.北京：冶金工业出版 社，1988.
［3］ King C J.Freeze Drying of Food.Cleveland:Chemical Rubber Co,1971.
［4］ 华泽钊、李云飞、刘宝林.食品冷冻冷藏原理与设备.北 京：机械工业出版社，1999.
［5］ 刘卫国主编.科学计算与MATLAB语言.北京：中国铁道 出版社，2000.
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