山野菜是自然生长于山间无公害环境的无污染、口味独特、营养价值高于种植蔬菜的天然“绿色食品”、“森林食品”，具有较高的药用价值和相应的保健功能。这些特点使山野菜在国内外成了消费热点，也迎合了现代人“回归自然”要求。我国目前的山野菜生产几乎都是原料或粗加工，产量和质量都无法保证，获利也少。另外，山野菜采摘季节性强，采摘时间较集中，易腐烂，难保存，所以对保鲜、运输有较高的要求。目前山野菜加工主要有自然干燥、热风干燥、盐渍品加工和罐头加工，这些加工方式使山野菜的部分营养成分损失较大，需要进一步的改进和提高。实验表明，采用冷冻干燥技术[1]可以抑制酶的活性，能最大限度地保持物料的颜色、风味和营养；在真空条件下脱水，还能保持物料的原有形状和良好的复水性能。 1 几种实验用的山野菜 本次冻干实验采用刺嫩芽、五加叶和黄瓜香这三种山野菜。 刺嫩芽（刺老牙、刺龙牙），落叶小乔木，也称东北野香椿。刺嫩芽中含有大量的微量元素和多种维生素，含有全部的氨基酸（其中包含8种人体必需的氨基酸），蛋白质含量较高（含14.4％）。若按营养价值考虑，刺嫩芽的销售价格应当是普通家种蔬菜的十几倍。刺嫩芽的药用价值很高，植株总皂甙含量为20.40％，是人参的2.5倍，被称为“木人参”。它对人体有兴奋和强壮作用，对急慢性炎症、各种神经衰弱症都有良好的疗效，有滋阴降火、健胃消食、润肠理气、减肥消脂、补气安神、强精滋肾等功效。五加叶，俗称五爪、五佳，春季的嫩叶可食。它有很高的药用和保健食用价值，在古代有“食百草乏其味,唯见五佳独食之,不言其贵”之评价。1000克可食部份含胡萝卜素54毫克，维生素B25.2毫克，维生素C1210毫克等。无梗五加叶含强心甙0.228%、挥发油0.1%，还有皂甙等，有增强身体防病能力的作用。它可用来凉拌、炖肉、烧汤。黄瓜香，又称荚果蕨，是一种人们喜爱的山野菜，具有清香适口、营养丰富等特点，被誉为“林海山珍”。黄瓜香含有大量的膳食纤维，各种氨基酸、抗坏血酸、维生素等，还含有人体必须的5种常量元素和7种微量元素。黄瓜香不仅营养价值高，还有一定的药疗保健作用，具有清热、滑肠、降气、驱风、益气安神、化痰等功效。2 冻干工艺 这几种山野菜的冻干实验是在自行设计制造的ZLG—0.2型真空冷冻干燥机上完成的。该机采用直冷直热式、复叠式制冷机组，最低达-60℃，最高加热温度可达80℃。空载真空度为15Pa，冻干面积为0.216m2。 在干燥前，先对这几种山野菜进行清洗，沥干后放进冰柜。本次实验采用慢冻，这有利于提高升华速率。将物料放在冰柜中冷冻24h，保证将物料冻透。 具体过程是：开制冷压缩机,对水汽凝结器制冷；20min后打开真空泵对真空室抽真空；至真空度达到40Pa左右开始对搁板加热，升华干燥开始。升华干燥主要是脱去物料中的游离水和部分结合水。为此，要保证升华所需的足够热量，同时要抽真空使水蒸气能顺利排出。当物料温度升高的速率突然增大时，可认为物料中的升华界面消失，升华干燥结束。在解析干燥阶段主要是除去残留的吸附水。在该阶段，固相的水已无，剩下的只有产品的结构水分。由于其吸附能量高，且干燥层的阻力大，因而需要较高的温度和真空度。这时物料温度上升较快。为了防止物料因温度过高而变性，将搁板的最高温度控制在80℃以内。 当干燥结束时，停止加热，停真空泵，停制冷机，打开放气阀，取出物料进行称量。至干燥结束，总共干燥时间为543min，总耗电能为21.95kW.h。由实验所得的数据，绘制的冻干曲线如图1所示。图中所示的温度为搁板温度。 3 成本核算 在国内，真空冷冻干燥设备投资费用较高，产品干燥的能耗也较高，从而导致了产品的高成本。产品的生产成本主要包括固定产品投资成本和能源消耗成本。在固定投资中，成本包括厂房使用耗损费、土地占用费和生产设备投资费用。本成本核算仅考虑设备的投资费用。整套冻干设备主要由冻干机、制冷系统、真空系统以及工业生产需要的冷库组成，设备投资费用一般按折旧费计算。本实验所用的冻干设备为10万元，按10年折旧，则每年的折旧费为1万元，日折旧费为28元左右。 在生产中，我们更为关心产品生产过程的能源消耗。能量消耗通常用能量利用率来表示: 式中， 为湿物料质量， 为干物料质量，单位为kg；E为消耗的电能，J；为水的升华潜热， J/kg； 为能量利用率。 本次实验的湿物料为0.45kg刺嫩芽、0.15kg五加叶、0.325kg黄瓜香：冻干后，干物料为0.09kg刺嫩芽、0.04kg五加叶、0.06kg黄瓜香。干燥后去除的水分为0.735kg，应消耗的有效能量为2.06×106J，而总消耗的电能为21.95kW.h，换算成79.02×106J，经计算可得能量利用率为2.61％。 现在以黄瓜香为例来做成本分析，计算对每千克干黄瓜香的成本。由实验可知，获得的干物料与湿物料之比为1：5。根据能源利用率可知总消耗的电能为115.5kW.h，按沈阳的工业用电价格0.6元/kW.h，则需花费69.3元。而市场上新鲜的黄瓜香市场价为7元/kg（黑龙江带岭林业实验局提供），则需要35元的原料成本。较全面的考虑成本，可知生产1000克的黄瓜香冻干产品共需130元左右。 4 能耗分析 冷冻干燥的能量消耗主要用来制冷、加热和抽真空。在此，假设整个系统的能源消耗，只记真空系统的能源消耗、加热系统的能源消耗以及制冷系统的能源消耗，不考虑其它能量损失。本次实验，真空系统的能量消耗是抽真空，即真空泵的耗能；加热系统的能源消耗是加热板的耗能；制冷系统的能源消耗是用于提供干燥阶段水汽凝结器所需的冷量，该冷量主要用于水蒸汽的凝华。本次实验所用的真空泵型号为2x-15的旋片泵，其电机功率为1.5kW。旋片泵的功率随入口压力的变化而变化，也与温度相关，但在本次实验中该泵长期在30~45Pa情况下工作，所以可以认为它的功率不变化。假定真空泵在额定工况下工作，从开泵到停泵总的工作时间为9.05h，则消耗的总电能为： 与总耗电能的比率为：，可见，真空系统的耗电最大。 本设备的加热系统采用搁板直接加热方式，即直接用电加热搁板。加热器的最大加热功率为1kW，加热功率可调。在干燥过程，通过调节加热功率来改变干燥速度。干燥这几种物料过程中，加热器调节如图2所示。经计算，加热器消耗的电能E2为5.226×106J，占总耗电能的6.62%。完全用于升华和解析水分的有效能量为2.26×106J ，占加热器消耗能量的，由此可知其加热效率并不高，有一定的提高空间。 本次实验的制冷系统主要为水汽凝结器提供捕集水蒸汽的冷量。由于捕水器材料降温功耗以及保温层传热功耗比较大，则制冷消耗的电能应能体现出几部分的消耗。在开始运行的前20min左右，水汽凝结器处于空载状态，制冷系统的热负荷小，其消耗的功率也将小于额定功率。当对物料加热时，水汽凝结器开始捕集水汽，此时要提高水汽凝结器的效率，就要通过降低制冷剂的蒸发温度来补偿。所以可以认为在捕集水汽时，制冷压缩机是在额定功率下进行的。制冷系统在干燥过程消耗的电能为24.9×106J，约占总消耗能量的31.55%。 5 节能措施 由上分析可知，真空泵耗能占整个装置耗能的61.83%，故降低真空泵耗能是节能的关键。真空系统设计是否合理，将直接影响冻干过程的传质速率及干燥成本。真空系统配置过小，不能及时排出升华水分，造成干燥时间过长、能耗大、效率低等问题；若真空系统配置过大，也会造成能耗过大而使成本升高。原有设备的真空泵是2x-4型的旋片泵，其电机功率为0.55kW，由于故障才用2x-15泵来替换。在使用2x-4型泵，整个干燥时间不变化的前提下，总耗电能为17.919×106J，真空泵功耗降低了63.3%，总耗电能降低39%，能量利用系数提高了近50%。生产1000g产品，可降低成本近30元。通过合理配置真空系统，可以达到节约总能耗与降低成本的要求。本设备的加热方式为搁板直接加热。这种加热方式容易产生料盘与搁板接触不良，使传热热阻增大，从而使干燥时间过长，成本增加。另外，这种加热方式不能保证加热的均匀性。尽管加热的能耗占总能耗的比例不大，但在大型的食品加工生产中，这种损耗浪费是不可低估的。因此，在保证物料质量的前提下，建议采用辐射加热或辐射与传导组合加热，以提高干燥速率，缩短干燥时间，降低过程能耗。若采用2x-4型泵，制冷系统的能耗占总能耗的52%。故降低制冷系统的能耗是节能的途径之一。提高水蒸汽的流速，可提高干燥速率、缩短干燥时间。这就要求冻干物料的温度较高，且要保持较大的压力差；或者在保持冻干物料温度不变的前提下，降低冷凝面温度。这些措施都可减少干燥时间与制冷系统的运行时间，但同时要求增大功率配置与消耗。为此要充分衡量两方面要求，从中寻找出一个最佳值，以达到节能目的。 6 结束语 本次实验所做的冻干曲线对这几种山野菜的产业化生产有一定的指导意义。另外，产品成本的分析表明，产业化生产这几种山野菜的冻干产品是可行的。开发这类产品有一定的经济意义和社会意义。