酸奶发酵剂冷冻干燥特性的分析

摘要： 本文通过真空冷冻干燥试验获得酸奶发酵剂在冻干过程中真空度、搁板温度、酸奶发酵剂温度的数据；通过数学模型方法得出真空度、搁板温度、酸奶发酵剂温度与时间的数学关系，这些数据关系将为进一步研究和优化酸奶发酵剂冷冻干燥提供参考。

Abstract： Through vacuum freeze drying test， the vacuum degree， shelf temperature and agent temperature data in the yogurt fermentation agent freezing process is obtained. The mathematical relationship between vacuum degree， shelf temperature and agent temperature and time is worked out by mathematical model， which will provide reference for the further research and optimization of freeze drying of yogurt fermentation agent.

关键词： 酸奶发酵剂；冷冻；干燥；升华

Key words： yogurt fermentation agent；freeze；drying；sublimation

中图分类号：TS201.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）35-0295-03

0 引言

直投式发酵剂制备是采用优质酸奶发酵剂经过液体培养、菌体浓缩、真空冷冻干燥制成的发酵剂[1，2]，该发酵剂可直接加入到热处理的原料乳中进行发酵，减少了传统生产工艺的活化、扩培等其他预处理工作，简化了酸奶生产工艺增加了产品稳定性[3，4]。根据生产实际条件，笔者拟通过酸奶发酵剂冷冻干燥特性的分析，得出真空度、搁板温度、酸奶发酵剂温度的变化规律。为酸奶发酵剂生产过程中真空冷冻干燥工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 真空冷冻干燥基本原理 真空冷冻干燥先将该物料冻结到共晶点以下，使水分变为冰，然后适当的温度和真空度下使水升华为水蒸汽，再用真空系统的捕水器（水汽凝结器）将水蒸汽冷凝，从而获得干燥制品的过程，干燥过程是水在物态变化和移动的过程，且在低温下进行，因此，真空冷冻干燥原理就是低温低压下传热介质的机理[5]。

1.2 传热和传质控制下的冷冻干燥模型 根据酸奶发酵剂的热物理特性[6，7]，酸奶发酵剂冻干的传热与传质方式，如图1所示。

假设顶部多孔干燥层的厚度为X，热量分别从顶部多孔干燥层和底部冻结层传入，温度分别为T1和T2，水蒸气摩尔质量扩散速率为G，则有如下能量方程[8，9]：

顶部多孔干燥层的能量方程：

λ■■+c■G■=ρ■c■■，0？燮x？燮X

底部冻结层的能量方程：

λ■■=ρici■，X？燮x？燮L

式中λ-热导率W/（m·K）、ρ-密度kg/m3、c-比热容J/（kg·K）、d-多孔层干物质、i-冻干层物质、g-水蒸气。

常见的初始条件t=0，0≤x≤L，T1=T2=Ti。

顶层的边界条件为t>0，x=0，q1=-λd■

若q1是从顶部辐射加热器辐射而来，则由能量守恒关系得出：q1=σF1-2T■■-T■■

式中σ-斯忒藩-玻尔兹曼常数（黑体辐射常数），取σ=5.669×10-8W/（m2·K4），F1-2-形状系数，Tup-辐射加热器温度（K），T0-产品材料上表面温度（K），当t>0，x=L，q2=λi■

酸奶发酵剂升华由加热设备（搁板）提供，其传导途径为下列几种：

①固体的传导，搁板与其接触的玻璃瓶底部或冻干盘低部，热量穿过底部和产品冻结部分到达升华界面，辐射加热器从底部向冻结层传热。q2=σF1-2T■■-T■■

②辐射，未能接触的上搁板的下表面和下搁板上表面向产品干燥层表面辐射，再通过玻璃瓶壁及冻结层已干燥层的导热到达升华界面。加热器和产品底面充分接触，产品底面温度和加热器表面温度相同，即TL=TLp。

③对流，搁板与玻璃瓶或冻干盘表面间残存的气对流，由于传热中必许有传热温度差而形成的，且各段传热温差相应的热阻成正比。加热器与产品底面接触不良，如两面间存在气体间隙，即q2=αf（TLp-TL）。

式中TLp-底部加热温度（K），TL-产品底部温度（K），αf-加热器与空气底部间微量气体的对流表面传热系数W/（m2·K）。

中间层的边界条件t>0，x=X，T1=T2=TX，λ■■-λd■+■（ρ■c■T2-ρdcdT1）=Gh。

2 酸奶发酵剂真空冷冻干燥过程

2.1 设备系统 真空冷冻干燥系统主要由控制系统、制冷系统、循环系统、真空系统、液压系统、气动系统等

组成。

2.2 冻干过程 将酸奶发酵剂放入干燥箱内，制冷系统对板层进行制冷，从而达到冻结。此阶段要求冻结至制品共晶点以下，并保持2小时左右，以确保使制品全部冻结[8]。再对后箱冷凝器进行制冷，温度一般降至-50℃以下。对箱体进行抽真空，一般抽至2.6Pa，对其进行升华干燥[9]。干燥分两个阶段，第一个阶段是将处于共晶点以下的酸奶发酵剂的水份在真空作用下大量升华，通过加热为酸奶发酵剂提供能量，同时箱内要保持适当的真空度，冷凝器将升华出的水份凝结，此时约有90%左右水分被去处。此后，为了除去酸奶发酵剂中的残留水份，以延长其保存时间，进行二次干燥。随即酸奶发酵剂的温度提高，箱内真空度降低，且后期基本保持恒定。第二阶段干燥后一般产品水分含量为0.5%—4%之间。

3 酸奶发酵剂冷冻干燥特性的分析

3.1 酸奶发酵剂冷冻干燥试验分析 酸奶发酵剂冻干过程中升华时温度要加以限制，首先它的冻结部分的温度低于其共熔点温度，其次它的干燥部分的温度必须低于其崩解温度或允许的最高温度，避免出现烧焦或变性失活。升华速率主要取决于提供给升华界面的热量的多少和升华界面通过干燥层逸出水蒸气的快慢。

根据图2可知，a图随着传热与传质的进行，产品温度升高，真空度增大；当酸奶发酵剂温度在-22℃时，真空度达到最大；温度继续升高，真空度-22℃-20℃陡然下降。说明此时的升华速率很快，随后真空度随温度的升高而降低，升华速率变慢。b图随着搁板温度的升高，真空度增大；当搁板温度达到7℃时真空度最大，而在7℃-8℃之间，因产品升华速率加快，气体含量增大，致使真空度迅速下降；随着搁板加热温度升高，真空度缓慢下降。即冻干速率变缓。

根据图3可知，产品温度从常温逐渐降低，当4时温度达到-57℃，接着6-14小时之间温度升高较缓慢，随后温度升高速度加快。所以从产品升华速率可以看出：第一冻结层底部或干燥层表面的温度在允许的最高值以下尽可能高。第二酸奶发酵剂的厚度与热阻成正比，越薄其热阻和流动阻力越小，热量和质量传输越快，升华速率越高，但这样会使产量下降，成本增大，因而选取厚度为10—15mm。第三冻干箱内压力，不宜太高或太低，太高则水蒸汽不易从升华表面逸出，太低则传热就低。第四酸奶发酵剂的颗粒大小也会影响冻干速率，当其结构为粒大且连续的网状冰晶，升华后也形成粗大且连续的网状间隙通道，水蒸汽逸出也快，升华快；当其结构为细小且不连续的冰晶则相反，不仅使水蒸汽逸出通道小，而且在这些不连续的孔隙之间，水蒸汽靠渗透穿过已干的固体膜层，较难

干燥。

3.2 酸奶发酵剂冷冻干燥特性的回归分析 酸奶发酵剂冷冻干燥特性根据试验数据回归曲线如图4所示。

真空度与时间的数学关系可以拟合为

y=2×10-3x3-0.15x2+46.14x-5226.7 R2=0.7169

（y：真空度Pa x：时间h）

产品温度与时间的数学关系可以拟合为

y=9×10-4x2-0.41x+14.65 R2=0.8813

（y：产品温度℃ x：时间h）

搁板温度与时间的数学关系可拟合为

y=6×10-4x2-0.2x-11.5 R2=0.7615

（y：搁板温度℃ x：时间h）

这些数学模型为酸奶发酵剂生产过程中真空冷冻干燥工艺提供数学关系，通过时间换算出真空冷冻干燥工艺各个时段的工艺参数，为生产工艺参数的监控提供了保障。

4 结论

酸奶发酵剂的冷冻干燥特性主要通过温度和真空度来控制，所以随着温度和真空度的变化，酸奶发酵剂的升华速率发生相应的变化。所以合理控制温度和真空度来控制酸奶发酵剂的升华速率，制造出优质的酸奶发酵粉剂。

参考文献：

[1]山丽杰.利用真空冷冻干燥技术制备高效浓缩型酸奶发酵剂的研究[D].农产品加工及贮藏工程，河北农业大学，2004.

[2]田洪涛，万红，刘宽庆等.酸奶冻干发酵剂制备中保加利亚乳杆菌不同菌株特性的研究[J].中国乳品工业，2006（12）.

[3]张建友，赵培城，徐静波，霍贵成.真空冷冻干燥酸奶发酵剂的研究现状[J].河南工业大学学报：自然科学版，2005（2）：86-89.

[4]周德庆.微生物学教程[M].北京高等教育出版社，2002：150-178.

[5]张和平，孙天松.酸奶发酵剂中嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌的生长互补及连续式酸奶的生产[J].中国乳品工业，1997，25（3）：18-22.

[6]SweatV.E. Thermal properpies of foods， in "Engineering Properties of Foods" 2nd. ed. by M.A.Rao.New York：Marcel Dekker，Inc.1995.

[7]ASHRAE， 1993. ASHRAE Handbook（Fundamentals）.American society of Heating，Refrigerating and Airconditioning Engineers.Altanta，Ga.USA.

[8]华泽钊，李云飞，刘宝林.食品冷冻冷藏原理与设备[M].机械工业出版社，1999：5.

[9]Millman M.J.，Liapis A.I.，and Marchello J.M. Guidelines for the desirable operation of batch freeze driers during the removal of free water[J].Journal of Food Technology，1984（19）：725-738.