真空冷凍干燥技術(shù)及其在食品加工中的應(yīng)用

1、第1期李艷聰，等: 真空冷凍干燥技術(shù)及其在食品加工中的應(yīng)用·45·文章編號(hào): 1008-5394(2003)01-0042-04真空冷凍干燥技術(shù)及其在食品加工中的應(yīng)用李艷聰，李書環(huán)（天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程系，天津 300384）摘 要：真空冷凍干燥是集真空技術(shù)、冷凍及干燥技術(shù)為一體的食品加工方法。在分析了真空凍結(jié)干燥的理論機(jī)理的基礎(chǔ)上，介紹了真空冷凍干燥加工工藝過程和干燥系統(tǒng)的主要設(shè)備及部件，提出了真空冷凍干燥應(yīng)注意的問題。簡(jiǎn)要介紹了真空冷凍干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。關(guān) 鍵 詞：真空冷凍干燥；食品加工；應(yīng)用中圖分類號(hào)：TS203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Vacuum Freezin

2、g Evaporation Technique andApplications to Food Processing LI Yan-cong，LI Shu-huan(Department of Agricultural Engineering, Tianjin Agricultural College, Tianjin 300384,China)Abstract：Vacuum freezing evaporation，including the techniques of vacuum, freezing and evaporation, is a food processing method

3、. Based on analyzing the theory of vacuum freezing evaporation, the techniques of food processing and the constitution of equipments are introduced. Also, some questions which need to be noticed in the food processing are put forward. And the applications of vacuum freezing evaporation are introduce

4、d.Key words: vacuum freezing evaporation; food processing; application1 真空冷凍干燥真空干燥是使食品在低壓、低溫下進(jìn)行水分蒸發(fā)，從而得到質(zhì)量較高的食品的干燥方法。真空冷凍干燥，是利用冰品升華原理，在高真空的環(huán)境條件下，將凍結(jié)了的食品中的水分不經(jīng)過冰的融化直接從固態(tài)冰升華為水蒸汽而使物料干燥的工藝。凍干一般分冷凍、升華、解析3個(gè)主要過程。冷凍干燥法和其它干燥法相比具有以下特點(diǎn)：能較好地保持食品原來(lái)的形狀；減少食品色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分的損失，如維生素C保持率在90以上；減少了食品中脂質(zhì)的氧化；凍干制品中蒸發(fā)走的水分空間還存在，

5、因而具有多孔結(jié)構(gòu)，速溶性和快速?gòu)?fù)水性很好；在升華過程中溶于水的可溶性物質(zhì)就地析出，溶于水的無(wú)機(jī)鹽還均勻地存在1，避免了一般干燥方法中因物料內(nèi)部水分向表面遷移而營(yíng)養(yǎng)損失等現(xiàn)象。2 真空凍結(jié)干燥的理論基礎(chǔ)21 純水的升華機(jī)理根據(jù)熱力學(xué)相平衡理論，水的三相點(diǎn)(氣、液、固三相共存) 溫度為0.009 8 ，壓力為610.33 Pa（圖1），在水的相變過程中，當(dāng)壓力低于三相點(diǎn)壓力時(shí)，固態(tài)的冰可以直接升華為氣態(tài)的水蒸汽逸出，而不經(jīng)過轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的過程。真空冷凍干燥主要是升華食品中的游離水，而不是結(jié)合水。升華游離水，先是將其迅速凍結(jié)成細(xì)小的冰晶粒，然后使其處在真空環(huán)境中，對(duì)其進(jìn)行加熱，使游離水分升華，而不經(jīng)

6、過液態(tài)過程。對(duì)于食品而言，水基本上是一種溶液2。這種溶液同樣存在三相點(diǎn)，只是壓力和溫度更低罷了。一般選擇升華溫度在-5-20 左右，相應(yīng)的壓力在133.28 Pa左右。22 物品水分的升華物料中所含水分有2種存在方式。一種是游離水，即機(jī)械結(jié)合水和物化結(jié)合水，它主要以吸附和滲透方式存在于物料表面、孔隙、毛細(xì)管之中。另一種是結(jié)合水，以化學(xué)結(jié)合形式存在于物品的組織中。通常需要將物料快速凍結(jié)，快速凍結(jié)的目的是使水成為細(xì)小冰晶粒。接著抽真空，使冰晶在真空環(huán)境中加熱升華。圖2為物品中水分升華過程示意圖，其干燥過程是由周圍逐漸向內(nèi)部中心干燥的。隨著干燥層的逐漸增厚，升華熱由加熱體通過成為孔狀的干燥層不斷地傳

7、給凍結(jié)部分，在干燥與凍結(jié)交界的升華面上，水分子得到加熱后，將脫離升華面，沿著細(xì)孔跑到周圍環(huán)境中，而周圍環(huán)境中的氣壓必須低于升華面上的飽和蒸汽壓力3。只有這樣，才能形成一個(gè)水分子向外遷移的動(dòng)力。這就意味著升華干燥必須在真空環(huán)境中進(jìn)行。物料處于凍結(jié)狀態(tài)，需維持溫度低于三相點(diǎn)，在真空環(huán)境下，此溫度易于保持。另外，升華速率與溫度、壓力及升華活化能有關(guān)。若增加升華熱的供給，可以提高升華的速度，但這樣同樣會(huì)因物品的溫度超過升華平衡溫度，而造成其融化，這在真空冷凍干燥中是應(yīng)避免出現(xiàn)的，它直接影響到凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。 3 真空凍結(jié)干燥設(shè)備系統(tǒng)組成真空冷凍干燥系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和控制

8、系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)4簡(jiǎn)圖如圖3所示。冷凍干燥室：冷凍干燥室有臥式圓柱形、箱形等類型。干燥室要求能制冷到40 或更低溫度，又能加熱到50 左右。干燥室設(shè)計(jì)有幾層至十幾層干燥擱扳，以放置幾十至數(shù)百只干燥盤。干燥室裝有管道和真空閥門與低溫冷凝器相連，以排除室內(nèi)的水蒸汽，同時(shí)還有管道與熱交換器、制冷機(jī)相連，以獲得物料冰晶升華所需要的熱量和低溫環(huán)境。 低溫冷凝器：低溫冷凝器是一個(gè)密封的容器，用管路與制冷機(jī)、真空泵、熱交換器相連，以獲取低溫真空環(huán)境和冷凝器內(nèi)除霜的熱量供給。冷凝器內(nèi)的溫度必須保持低于干燥室內(nèi)物料的溫度，一般冷凝器內(nèi)的溫度應(yīng)保持在-40 至-50 左右，使大量的水蒸汽在冷凝器室中凝結(jié)。低溫冷凝

9、器還設(shè)有除霜裝置、排出閥、熱空氣吹入裝置等，用來(lái)融化凝結(jié)的冰霜和排出內(nèi)部水分，并將室內(nèi)吹干。真空系統(tǒng)：由冷凍干燥室、低溫冷凝器、真空閥門和管道、真空泵和真空儀表等構(gòu)成冷凍干燥設(shè)備的真空系統(tǒng)，系統(tǒng)要求密封性能好。真空泵采用旋片式或滑閥式油封機(jī)械泵，也可采用多級(jí)蒸汽噴射泵的真空系統(tǒng)和采用羅茨泵中間增壓-水環(huán)泵機(jī)組真空系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)：制冷系統(tǒng)由冷凍機(jī)組、冷凍干燥室和低溫冷凝器內(nèi)部的管道組成。冷凍機(jī)組可以是互相獨(dú)立的兩套，即一套制冷冷凍干燥室，另一套制冷低溫冷凝器，也可以二者合用一套冷凍機(jī)組。冷凍機(jī)組可根據(jù)所需要的不同低溫，采用單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮冷凍機(jī)組。圖3 真空冷凍干燥系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1-冷凍干燥室；2-

10、低溫冷凝器；3-真空泵；4-制冷壓縮機(jī)；5-水冷卻器；6-熱交換器；7、8、12、13、14-閥門；9-板溫指示；10-低溫冷凝器內(nèi)溫度指示；11-真空計(jì)；15-膨脹閥加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)的作用是加熱冷凍干燥箱內(nèi)的擱板，供給冷凍干燥室內(nèi)物料的凍結(jié)冰以升華潛熱，促使產(chǎn)品升華，并供給低溫冷凝器內(nèi)的積霜以熔解熱。供給升華熱時(shí)，應(yīng)保證傳熱速率適宜，使凍結(jié)層表面達(dá)到盡可能高的蒸汽壓，但又不使之熔化，所以熱源的溫度應(yīng)根據(jù)傳熱速率來(lái)決定。加熱方法分為直接加熱和間接加熱。直接加熱法用電直接在冷凍干燥室內(nèi)加熱；間接加熱法利用電或其它熱源加熱傳熱介質(zhì)，再將其通入冷凍干燥室內(nèi)的擱扳?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)由各種開關(guān)、安全

11、裝置、自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器和儀表組成，以有效地控制真空冷凍干燥工藝過程的操作和保證產(chǎn)品質(zhì)量。4 真空干燥應(yīng)注意的問題4.1 凍結(jié)溫度應(yīng)保證在三相點(diǎn)以下。否則在真空環(huán)境中，液體沸騰會(huì)使產(chǎn)品表面凹凸不平。4.2 升華干燥過程中，保持足夠的真空度。真空度不夠或供熱不足可能導(dǎo)致成品水分升華不完全，含水量偏高。4.3 供熱太快，受熱不均勻或預(yù)凍不完全，則會(huì)在升華過程中，使產(chǎn)品部分液化，在減壓條件下產(chǎn)生噴瓶現(xiàn)象，使制品表面不平整。4.4 保持升華溫度不變。4.5 速凍過程要快，越快，生成的冰晶越小，對(duì)物品結(jié)構(gòu)影響越小。5 真空凍結(jié)干燥在食品加工中的應(yīng)用5.1 真空凍干食品生產(chǎn)的工藝流程真空凍干食品生產(chǎn)的工藝流程

12、如下：前處理預(yù)凍速凍升華干燥成品5.1.1 前處理：指對(duì)加工食物的預(yù)處理5，包括分選、清洗、切分、漂燙、殺菌。注意清除附著在根莖葉的蟲和卵以及泥砂，避免加熱過度。只有把好前處理關(guān)，才有可能產(chǎn)出高品質(zhì)的凍干食品。5.1.2 預(yù)凍過程：物料首先要預(yù)凍2，再抽真空。這是因?yàn)槲锪蟽?nèi)部含有大量的水分，若先抽真空，會(huì)使溶解在水中的氣體因外界壓力降低很快逸出，形成氣泡而成“沸騰”狀態(tài)。水分蒸發(fā)時(shí)又吸收自身熱量而結(jié)成冰，冰再汽化，則產(chǎn)品發(fā)泡氣鼓，內(nèi)部形成較多氣孔。預(yù)凍的溫度選擇應(yīng)低于物料的共熔點(diǎn)5 左右。因擱扳的溫度有所不同，需要有充分的預(yù)凍時(shí)間，從低于共熔點(diǎn)溫度算起，預(yù)凍時(shí)間約2 h左右。預(yù)凍的速度控制在每

13、分鐘下降14 為宜，過高過低都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，不同的物料的預(yù)凍速度應(yīng)由試驗(yàn)確定。5.1.3 速凍：將經(jīng)過前處理的物品進(jìn)行速凍，凍結(jié)得越快，物品中結(jié)晶越小，對(duì)物品結(jié)構(gòu)組織破壞就越小。5.1.4 升華干燥：速凍后的食品須迅速進(jìn)行真空升華干燥。要求真空度很快達(dá)到升華壓力，并及時(shí)供給升華熱能，所以一般采用輻射加熱。5.2 真空凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用及發(fā)展前景真空凍干升華脫水技術(shù)可加工的食品種類6很多。脫水蔬菜類有：山野菜、洋蔥、大蔥、胡蘿卜、小白菜、青豆、食用菌等；脫水水果有：香蕉、蘋果、菠蘿、山藥、草莓、杏肉、甜瓜等；速溶飲品有：咖啡、果汁、果茶、保健茶、營(yíng)養(yǎng)茶、營(yíng)養(yǎng)沖劑、紅綠茶等；各種調(diào)料粉末

14、有：生姜粉、大蒜粉、辣椒粉、胡椒粉等；魚肉蛋類有：魚片、蟹肉、蝦肉、扇貝、豬牛雞肉類、雞蛋、動(dòng)物血液等；中藥材類有：人參、鹿茸、天麻、當(dāng)歸、三七、蟲草、首烏、蜂王精等；各類食品，包括嬰兒食品、保健食品、方便食品、特殊食品、旅游食品、老年食品、軍用食品、宇航食品。凍干食品具有方便、營(yíng)養(yǎng)和綠色的優(yōu)異品質(zhì)。在國(guó)外凍干的方便、休閑、風(fēng)味食品受到廣大消費(fèi)者的喜歡。凍干食品在國(guó)際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥食品的46倍7，是速凍食品的78倍，且其產(chǎn)量正以每年30%的速度遞增。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前，美國(guó)每年消費(fèi)凍干食品500萬(wàn)t，日本160萬(wàn)t，法國(guó)150萬(wàn)t。日本每年需花1 000億日元進(jìn)口凍干食品，日本、美國(guó)及

15、歐洲等地每年均需凍干大蒜粉6 000 t，可見凍干食品的國(guó)際市場(chǎng)很大，且正成為國(guó)際食品貿(mào)易的大宗貿(mào)易。全球的凍干食品產(chǎn)量從70年代的20多萬(wàn)t上升到現(xiàn)在的數(shù)千萬(wàn)t8。隨著人們生活水平的提高和環(huán)境污染的惡化，對(duì)凍干食品的需求會(huì)逐年上升，生產(chǎn)真空冷凍食品會(huì)成為食品加工的一個(gè)新熱點(diǎn)，高真空凍結(jié)干燥裝置的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。參 考 文 獻(xiàn)： 1 高福成.現(xiàn)代食品工業(yè)高新技術(shù)M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2001.491.2 無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院，天津輕工業(yè)學(xué)院編.食品工廠機(jī)械與設(shè)備M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1993. 264-268.3 黃衛(wèi)紅.真空冷凍干燥技術(shù)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.包裝與食品機(jī)械， 199