四環(huán)凍干—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、預凍、升華干燥、解析干燥、后處理。

在人參凍干前，將人參洗凈、整形，選直徑相當的人參、在人參上用銀針穿孔。實(shí)驗表明，這樣處理的人參干燥好，外形美觀(guān)，干燥時(shí)間短，節省能源。

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根據測得的人參共晶點(diǎn)溫度為-15℃、擱板溫度控制在0~-25℃，安驗證明，當溫度高于此值時(shí)，凍干人參的表面有鼓泡、抽溝、收縮等不可逆現象。預凍時(shí)間與人參直徑大小有關(guān)，與凍干機性能有關(guān)。實(shí)驗中選用的是直徑 30mm 左右六年生圓參，經(jīng)多次實(shí)驗觀(guān)察，將人參從室溫(約為15℃)降到-20℃左右，人參的預凍時(shí)間為 3~4h，效果較好。

人參在升華干燥過(guò)程中，由于需要不斷補充升華潛熱，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(zhù)干燥層的增厚，熱阻增加，供給的熱量也應有所增加。這時(shí)應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 )熔化報廢。實(shí)驗認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流和輻射為主，因此，壓強對傳熱量有影響。從人參表面到升華界面熱量以熱傳導形式傳入。

干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)具有相似的物理機理，熱傳導的推動(dòng)力是溫度差，傳質(zhì)的驅動(dòng)力是壓強差傳質(zhì)符合Fick 定律：

式中，G為擴散速率；D 為擴散系數；M 為冰晶的摩爾質(zhì)量；T_m為人參的升華界面溫度；R為普適氣體常數。

干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程是相互影響的，隨著(zhù)升華的進(jìn)行，多孔干燥層的增長(cháng)，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。

根據上述分析，可建立起人參真空冷凍干燥的數學(xué)模型，再經(jīng)數學(xué)推導，可整理出升華階段所需要的時(shí)間t為19.2h，經(jīng)實(shí)驗測得，升華干燥時(shí)間為 20~22h 比較合適。

在升華干燥結束后，人參內部的毛細管壁還吸附了一部分水，這些水分是沒(méi)凍結的，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，應在人參內外形成較大的壓差。因此，這階段箱內應該有較高真空度。解吸干燥時(shí)間控制在8h左右較好。

干燥結束后，應立即進(jìn)行充氮或真空包裝，因干燥后的人參吸水性強，應防止產(chǎn)品吸潮而變質(zhì)。

根據以上的分析、計算、實(shí)驗，得出人參冷凍真空干燥的工藝曲線(xiàn)如圖6-3 所示。

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)。對于不同大小的人參和不同性能的凍干機，凍干工藝曲線(xiàn)是有變化的，不能生搬硬套，應根據具體情況修正。為提高人參的凍干速率，還常采用預凍前用銀針穿孔法。這里進(jìn)一步研究一下影響人參凍干的因素。

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、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，在靠近擱板側抽縮已干，另一側則未干透，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。造成這種現象的原因是人參的熱導率近于絕熱材料，直接放于擱板上，與擱板接觸側受熱量大，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。

不同直徑大小的人參，干燥時(shí)所需升華時(shí)間不同，隨著(zhù)半徑的增大，時(shí)間呈平方曲線(xiàn)上升，因為人參的直徑越大，所含冰的體積越大，不考慮人參長(cháng)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)，需要選擇直徑相當的人參同時(shí)干燥，不然在相同的升華時(shí)間內，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)，應調整升華階段時(shí)間，選用不同的凍干曲線(xiàn)。

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，向真空室內逸出的過(guò)程。因此，冷凍界面與真空室內壓差△P越大，則水蒸氣的逸出速率越快。但真空室內壓強太低，對于空間熱對流不利，傳給人參的熱量減少，升華速率下降。如果真空室內的壓強太高，△P減小，傳給人參的熱量增多，會(huì )造成界面融化，干燥失敗。權衡傳熱、傳質(zhì)的平衡關(guān)系，經(jīng)過(guò)實(shí)驗，凍干人參時(shí)凍干箱內的壓強選擇在 13~133Pa 之間為好。采用循環(huán)壓力法可提高人參的凍干速率。

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(zhù)凍干室內的真空度，影響人參的干燥速率。實(shí)驗發(fā)現，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)溫所對應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速率，但是會(huì )增大設備的能耗和成本。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，其組織細胞內含物保留較完整，可利用度較高。將活性參用低濃度醇白酒或蒸留水浸泡，待具活性的細胞吸收水分后，可恢復鮮參狀。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比見(jiàn)表 6-1.