牡丹永生花加工方法试验研究

牡丹永生花加工方法试验研究朱文学段续张正勇(洛阳工学院机设系洛阳471039)摘要测量了牡丹花植株的含水率、共晶温度和共熔温度，进行了冷冻干燥试验。

结果显示，牡丹花的茎、叶和花的含水率、共晶温度和共熔温度差别较大。

选取预冻温度和升华界面温度应以最低的共晶温度和共熔温度为标准。

为保持牡丹花的形态和色泽，不能采用普通的预处理方法。

未经预处理的牡丹叶和花的表面有腊质，干燥速度低，应采用较低的加热温度。

关键词牡丹；干燥；共晶温度；共熔温度中图分类号TQ0511 概述干花市场前景广阔，随着人们物质文化生活水平的提高，对干花需求量日益增加，国际国内市场需求量大。

国际上曾通过香港和广州向洛阳购牡丹干花10多公斤，由于没有生产条件，不能满足需要。

干花保存方便，观赏期长，不受季节限制。

应用广泛，除家庭、商店、酒店、餐厅广泛应用外，还可作为庆典礼品，参加大型的花卉展览等[1]。

牡丹花种植周期长，投资大，花期短，要求适宜的气候条件，国际和国内市场价格较高。

牡丹花保鲜要求高，长途运输困难，影响牡丹花市场进一步的拓展，每年数千万支的牡丹花白白的浪费掉[2]。

加工牡丹干花，可克服牡丹花种植的区域性限制和鲜花运输困难，满足更大范围内的需求，充分发挥牡丹种植地区资源优势。

目前加工牡丹干花的主要方法是传统的硅酸盐吸附法[3，4]，该方法先将鲜花和枝叶分离，分别干燥，然后再拼接。

手工操作，工序繁多，劳动量大，不便批量生产。

另外该方法将花瓣分离，满足不了多轮花瓣品种花的干制需要。

因此迫切需要开发牡丹干花加工新技术。

应用生物技术对鲜花和干花进行处理，采用冷冻干燥技术进行干燥，由于冷冻干燥是水分在冻结的条件下直接升华，因此能最大限度地保持干花的形状和色泽，延长其保质期，是一种全新的干花制作技术。

冷冻干燥技术在食品和药品干燥等方面已经有了大量的研究和应用。

由于花卉有别于食品和药品，干燥指标主要是花卉的行状和色泽，因此不能采用食品和药品的干燥工艺，需要针对牡丹花的不同生物学特性及干花的商品要求进行干燥工艺的开发研究。

2 试验方法2.1 试验仪器和材料天平，恒温水浴锅，温度计，量杯，GJR-Ⅱ共晶、共熔温度测试仪，DF-03H型真空冻干机。

试验用牡丹花为洛阳产，品种为洛阳红，盛花期采花。

2.2 共晶温度、共熔温度的测量方法测量食品物料共晶温度可采用电阻法[5]。

其测量原理是：物料在冻结过程中温度降到冰点，物料中水分开始生成冰晶。

随着温度下降，冰晶越来越多，游离水越来越少，离子运动越来越困难，物料的电阻逐步增大。

当温度降到某一点时，物料中的水分全部冻结成冰，几乎不存在游离水，物料的电阻突然增大，这时的温度就是物料的共晶温度。

从测量数据可以看出，这一温度点的电阻比上一温度点的电阻大很多，如果在温度—电阻曲线图上表现为该点处曲线几乎与温度坐标轴垂直，而且曲线斜率的绝对值几乎是无穷大。

共熔温度的测量方法与共晶温度测量方法相同。

当冻结物料温度上升时，温度上升到某一点，物料中有液态水出现，这时物料的电阻突然减小，该温度即为共熔温度。

2.3 冷冻干燥方法和过程参数选取为了保持牡丹花的外形，干燥时采用整株干燥。

牡丹花采摘后保留茎、叶、花和部分木质杆，把形态整理好，放入干燥室内干燥。

干燥时为了提高牡丹的预冻速度，放置牡丹花前将干燥室温度降至预冻温度以下。

预冻温度必须低于的共晶温度。

若冷冻温度没有达到共晶温度就抽真空进行升华操作，牡丹花中有液态水存在，抽真空后，这些未冻结的液态水回马上汽化，溶解于水中的气体就随着逸出，使产品表面鼓泡，而且液态水汽化以后，造成制品收缩等不良现象发生。

一般情况下，制品冷冻的最低温度应该低于共晶温度5℃～8℃。

升华界面冰的升华温度是一个重要的控制指标，主要靠加热温度来控制。

升华界面温度太低，蒸汽压低，传质推动力小；升华速度慢，温度太高，超过共熔温度，冰熔化使升华失败。

为了使干燥速度快而又不使冰熔化，升华界面温度应该在低于共熔温度的条件下尽量提高。

一般升华界面温度低于共熔温度2℃～5℃。

干燥室内的压力20Pa，冷阱温度-50℃。

干燥时测量上下加热板温度和牡丹茎杆中心温度。

2.4 显微结构分析方法为了深入分析牡丹花的干燥特性，需要对牡丹花进行结构分析实验。

根据牡丹花的实际情况，选用戊二醛固定，微波辐射CPD干燥法制备样品，具体方法如下：将采集的牡丹茎、叶、花瓣用蒸馏水反复漂洗干净。

清洁后的样品浸入含戊二醛2%甲醛1%的固定液中搅拌固定，然后用乙醇或丙酮对样品进行化学脱水，脱水后的样品在微波炉中完成最后阶段的干燥。

将上述固定干燥后的样品粘台，喷金，送扫描电子显微镜下观察。

3 试验结果与分析3.1 水分测量结果分析为了保持牡丹花的完整性，需进行整株干燥。

但其植株的不同组成部分，水分含量不同。

为研究植株各部分的干燥效果，首先需测定各部分含水率。

植株各部分平均含水率测定结果如表1。

测量结果显示，牡丹植株各部分含水率差别较大，牡丹茎的含水率最高，木质杆含水率最低。

表1 牡丹花植株的含水率/%木质杆茎叶花瓣花蕊58.8 88.4 79.6 81.2 77.23.2 共晶温度、共熔温度的测量结果分析牡丹花共晶温度的测试数据和电阻随温度的变化曲线如图1和图2所示。

根据图上反映的规律可把物料冻结过程中的内部水分的变化过程，三个阶段：晶核形成阶段、大冰晶成长阶段和共晶区阶段。

牡丹花在第一阶段电阻值随温度下降变化很小，这是由于这段时间物料内部还存在大量的自由水分，有较多带电离子可自由移动；第二阶段电阻值随温度下降明显增大，这是因为大量冰晶生成并成长的同时，释放结晶潜热，使内部温度的下降减缓。

物料内部水分因冻结，自由水分逐渐减少，可自由移动的带电离子大副度减少，使其电阻值随温度的下降上升幅度比较大；第三阶段，物料内部水分逐渐全部被冻结，自由水分几乎完全被冻结，带电离子基本不能自由运动，电阻值发生突变，相应的温度值就是共晶温度。

理论上，物料的共晶温度是其电阻突变时的温度值，但由于诸多因素的影响，物料电阻值往往是在一个温度区内发生突变。

经过大量试验及分析，本文选取电阻变化率为5M /℃温度作为共晶区上限，为保证物料全部冻结，取下限作为共晶温度。

牡丹花共晶温度和共熔温度如表2所示。

表中显示，花蕊和花瓣的共晶和共熔温度较高，茎和叶的共晶和共熔温度较低。

这可能与他们的形态有关，但机理尚需进一步研究。

选择预冻温度和升华界面温度时应以茎的共晶温度和共熔温度为依据。

图1 牡丹花蕊降温时电阻与温度的关系01020304050-6-5-4-3-2-10温度/℃电阻/MΩ3.3 冷冻干燥结果分析3.3.1 牡丹花冷冻干燥曲线冷冻干燥曲线是反映整个冷冻干燥过程中加热介质的温度、物料的温度等随时间变化的关系曲线，如图3和4所示。

从图3和图4上可以看出，整个冷冻干燥过程主要分为5个阶段：预冷阶段、保温阶段、抽真空阶段、升华干燥阶段、解吸干燥阶段。

不同的干燥条件，5个阶段所需要的的时间不同。

预冻温度为-15℃，加热温度为20℃时干燥（图3），从开始干燥到1小时为预冷阶段，物料从室温冷却到需要的预冻温度；1～2.5h 为保温阶段，在预冻温度下将物料保温一段时间，使物料充分冻透；2.5h 时，预冻结束以后，抽真空大约需20min 。

抽真空时，物料温度略有下降，这是因为抽真空后，物料表面的冰晶开始升华所致；3～4h 为加热板升温阶段，加热板从低温上升到所需加热温度；4～8h 为物料升华干燥阶段。

在此阶段，物料的温度基本保持不变，而且低于共熔温度，物料中水分呈冰晶状态，传热和传质基本达到平衡；8～12h 为物料解吸干燥阶段。

在此阶段，物料温度已高于共熔温度，物料中的水分呈液态。

物料接受的热量大于水解吸带走的热量，加热介质提供的热量一部分用于水的解吸，一部分用于物料升温，物料温度持续上升，逐渐接近加热板温度。

预冻温度-30℃，加热温度0℃时干燥（图4），从开始干燥到2h 为预冷阶段，物料从室温冷却到需要的预冻温度；2～4.5h 为保温阶段，在预冻温度下将物料保温一段时间，使物料充分冻透；4.5～9h 为加热板升温阶段，加热板从低温上升到所需加热温度；9～30h 为物料升华干燥阶段，物料的温度基本保持不变，传热和传质基本达到平衡；30～40h 为物料解吸干燥阶段，在此阶段物料接受的热量大于水的解吸带走的热量，加热介质提供的热量一部分用于水的解吸，物料温度持续上升，逐渐接近加热板温度；另外当预冻结束以后，抽真空大约需20min ，在图中显示不明显。

从图中可以看出，实际的物料温度曲线和理论温度曲线有很大差别，主要在于开始加热后物料温度不断上升。

说明干燥过程中，物料吸收的热量大于升华所需热量。

较高的加热温度时，物料温升快；较低的加热温度时物料温升慢。

按此趋势，可以选取最佳加热温度，使升华阶段物料吸收的热量等于冰升华所需热量。

但在本次试验中，最低加热温度为0℃，若再降低加热温度，干燥工艺不太合理，而且干燥速率太低。

因此，需要对物料进行预处理。

3.3.2 牡丹花冷冻干燥效果不同的干燥条件，牡丹干燥的效果不同。

预冻温度为-15℃，加热温度为20℃时，干燥过程中，牡丹的温度随时间上升的比较快。

干燥进行到8.5h 时，物料温度上升到0℃；干燥进行到12h 时，物料温度接近加热温度。

按照一般的冷冻干燥规律，在物料温度达到加热温度时停止干燥，发现茎和叶基本干透。

但花瓣还比较潮湿，显然达不到干燥要求。

花瓣上已出现局部腿色现象，这是由于未升华的冰晶融化所致。

表2 牡丹花植株的共晶和共熔温度/℃茎 叶 花瓣花蕊 共晶温度共熔温度-5.7 -5.2 -4.0 -2.9预冻温度-30℃，加热温度0℃时干燥，牡丹的温度随时间上升的逐步上升。

干燥进行到38h 时，物料温度上升到0℃；停止干燥，发现整个植株基本干透。

干后花瓣颜色比鲜花稍暗，外形保持较好。

茎杆基本未收缩变形，叶和花瓣稍有变形。

花香没有鲜花浓郁。

干后的整个牡丹植株很脆，很容易折断和破碎。

切开茎杆，组织为海绵状。

稍用力挤压，茎杆即变为粉状。

从试验结果看，不进行预处理的牡丹虽然在一定的条件下能够干燥，而且能基本保持外形、颜色和花香。

但干花达不到与鲜花同样的效果，而且干燥时间长，应进一步的研究。

图3 牡丹花冷冻干燥曲线（加热温度20℃）-40-30-20-10102030温度/℃ 图4 牡丹花冷冻干燥曲线（加热温度0℃）-5-4-3-2-10102030温度/℃3.4 牡丹花干后结构分析在日本电子公司JSM-35CF 扫描电镜下观察牡丹花干后结构，观察结果如下：观察结果显示，牡丹花的枝干、叶片和花瓣的显微结构差异较大（图5,图6,图7）。

牡丹花的枝干，表面呈竖条状纹理结构（图5a），内部呈中空筛网状导管结构（图5b ），导管截面呈圆形（图5c ）。