第七章食品濃縮和結(jié)晶

1、第七章第七章 液體濃縮液體濃縮一、 濃縮的目的和分類 二、 蒸發(fā)濃縮 三、 膜分離四、 冷凍濃縮一、一、 濃縮的目的和分類濃縮的目的和分類濃縮：利用物理方法從液態(tài)食品中除去水分的過程，也指溶液濃度提高的操作過程。包括蒸發(fā)、冷凍濃縮等操作。一、食品濃縮目的與分類1.目的 a、除去食品中大量水分，減少包裝、貯藏和運輸費用。 b、提高制品濃度，增加制品的保藏性。延長制品的有效保藏期。 c、濃縮經(jīng)常用作干燥或更完全的脫水的預處理過程。 d、濃縮用某些結(jié)晶操作的預處理過程。100噸含5%固形物的番茄汁濃縮至含固形物28%的番茄醬,重量減至18噸,為原重量的1/5左右制造奶粉時,牛奶先經(jīng)濃縮至含固形物45

2、52%以后再干燥2. 分類 平衡濃縮：利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質(zhì)和溶劑分離的方法。蒸發(fā)濃縮和冷凍濃縮屬于此法。 非平衡濃縮：利用半透膜來分離溶質(zhì)和溶劑的過程，兩相用膜隔開，因此分離不是靠兩相的直接接觸，故稱非平衡濃縮。 蒸發(fā)是利用了溶劑和溶質(zhì)揮發(fā)度的差異,冷凍濃縮是利用了稀溶液與固態(tài)冰在凝固點下的平衡關(guān)系。二、二、 蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)濃縮 1、蒸發(fā)濃縮基本概念:(分子運動學觀點分子運動學觀點)2、食品物料的蒸發(fā)濃縮具有如下特點 a、 熱敏性 “高溫短時” b、 腐蝕性 選用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料 c、 粘稠性 采用外力強制的循環(huán)或攪拌措施 d、結(jié)垢性 提高料液、強制循環(huán)或定期清理 e、泡沫性 使用

3、表面活性劑 f、易揮發(fā)成分 采取回收措施 3、蒸發(fā)器的類型及選擇 a、短管或排管式蒸發(fā)器 工作原理： 管子長度為0.52m.管徑為2575mm,管子的長徑比為2040 缺 點：加熱器滯留體積大，蒸發(fā)停留時間長。 適用物料：中等粘度、輕度結(jié)垢的非腐蝕性料液，制糖工業(yè)（從原料中結(jié)晶精制糖） b、長管垂直升膜式蒸發(fā)器 工作原理： 管束很長,約68mm.截面積很小,蒸汽流出速度可達100120m/s 優(yōu)點：加熱器內(nèi)料液停留時間短，傳熱系數(shù)高。 缺點：管內(nèi)下部區(qū)域積存較多液體,延長了接觸時間(約1530min),管子中部易發(fā)生結(jié)垢和蛋白質(zhì)沉積現(xiàn)象。 適用物料：濃縮熱敏物料（乳品和果汁）。c、長管垂直降膜

4、式蒸發(fā)器 工作原理： 優(yōu)點：不存在靜液層效應，物料沸點均勻，傳 熱系數(shù)高，停留時間短(少于30s)。 適用物料：濃縮熱敏性物料（乳品和果汁）d、強制循環(huán)蒸發(fā)器： 工作原理： 強制手段：泵或攪拌器 優(yōu)點：提高了沸騰給熱系數(shù)，降低單程汽化熱，溶液在加熱壁面附近的局部濃度增高現(xiàn)象可以減輕。加熱面上結(jié)垢現(xiàn)象可以延緩。 適用物料：不適用于熱敏性物料，已經(jīng)應用于番茄制品的加工以及制糖生產(chǎn)中的精制工序。e、刮板薄膜蒸發(fā)器 工作原理： 刮板邊緣與傳熱面間的間隙一般為0.51.25mm 優(yōu)點：能處理粘度高的粘性料液而仍能保持較高的傳熱效率。 缺點：設(shè)備投資費用大，不易清洗，耗汽量大，生產(chǎn)能力小。因此，常用于后道

5、濃縮操作。 適用物料：高黏度的物料（果醬或蔬菜醬甚至是高濃度的糖漿）f、板式蒸發(fā)器（也是一種薄膜式蒸發(fā)器） 工作原理： 優(yōu)點：a、靈活性大，傳熱面積可按需要隨意增減。 b、整個裝置所需的廠房高度小。 c、具有良好的衛(wèi)生結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳熱面裝拆方 便。 d、可進行多效操作。 e、用途可變性大，包括熱敏性制品的濃縮。 缺點：a、不能處理有機溶劑的溶液，同時操作溫度上也有限 制。 b、不能處理懸浮固體的料液，處理一般料液也要在 生產(chǎn)線上安裝過濾器。 c、設(shè)備生產(chǎn)能力受限制。 適用物料：適用范圍廣，但不能處理懸浮固體的料液。 g、離心式/錐式蒸發(fā)器 工作原理： 優(yōu)點：物料停留時間短，料液經(jīng)過時間只有1秒左

6、右。對熱敏性物料的蒸發(fā)很有效。但不能無限制的增加轉(zhuǎn)速,否則液膜不能連續(xù),傳熱面不能連續(xù) 缺點：費用高和生產(chǎn)能力有限。 適用物料：熱敏性物料（乳品、果汁類等） 4、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)（一） 單效蒸發(fā) 單效蒸發(fā)流程示意圖： （二）多效蒸發(fā) 多效蒸發(fā)：將幾個蒸發(fā)器串聯(lián)起來，用前一效產(chǎn)生 的二次蒸汽作為下一效的生蒸汽。 雙效蒸發(fā)流程示意圖關(guān)鍵點：要減少二效蒸發(fā)的操作壓力。 用壓縮裝置來提高二次蒸汽的質(zhì)量。根據(jù)多效蒸發(fā)的加料可有四種不同方法： a、順流法 料液與蒸汽成順流的方法 適用范圍：熱敏性食品 優(yōu)點：料液在效間流動不需要泵， 高濃度料液處于低溫時對濃縮熱敏性食 品是有利的。 缺點：粘度顯著升高使末效蒸發(fā)增

7、加困難。b、逆流法 料液與蒸汽成逆流的方法 適用范圍：高粘度的濃縮產(chǎn)品 優(yōu)點：粘度增加沒有順流的顯著，對改善循環(huán) 條件，提高傳熱系數(shù)均有利。 缺點：可能局部過熱引起結(jié)焦和營養(yǎng)物質(zhì)破壞 的危險。 效間料液流動要用泵。 料液在高溫操作的蒸發(fā)器內(nèi)的停留時間 要較順流為長。C、平流法 每效都加入原料的方法 適用范圍：只用于在蒸發(fā)操作進行的同時有晶 體析出的場合。（食鹽溶液的濃縮） 優(yōu)點：對結(jié)晶操作較易控制，并省掉了粘稠晶 體懸浮液的效間泵送。d、混流法 組合上述各種方法的方法 優(yōu)點：此法起協(xié)調(diào)順流和逆流優(yōu)缺點的作用， 對粘度極高的料液很有用處，特別是在 料液粘度隨濃度而顯著增加的場合下。e、額外蒸汽的

8、運用 有時將某一效的二次蒸汽引起一部分用作預熱蒸發(fā)器的進料，或用作其他的加熱目的。這種中間抽出的二次蒸汽，稱為額外蒸汽。 優(yōu)點：是一項考慮工廠全局提高熱能經(jīng)濟利用的措施。（三）蒸汽再壓縮蒸發(fā) 1、蒸汽熱壓泵 工作原理： 優(yōu)點：提高蒸汽的經(jīng)濟效益 缺點：a、濃縮低相對分子質(zhì)量的物料（如蔗糖 果汁），產(chǎn)生超熱蒸汽。 b、使用熱壓泵，必須要有400kPa的高壓 c、蒸發(fā)器不易控制,如果蒸發(fā)器內(nèi)的操作 條件改變時,會發(fā)生傳熱表面的結(jié)垢,降 低熱壓泵的效率。2、蒸汽機械壓縮泵 工作原理：只在蒸發(fā)開始時用生蒸汽,然后再用壓縮的二次蒸汽,獲得3540倍的蒸汽利用率。 優(yōu)點：a、減少冷卻水的用量。 b、熱量回

9、收是可能的。 c、蒸汽和物料間的溫差較低。d、高溫下受熱時間短，可保持低熱分 解和高品質(zhì)。 適用條件：a、只適用于粘度低的稀溶液。 b、需要物料和蒸汽的溫差小時。 c、沒有沸點升高時。 d、蒸汽中霧沫夾帶少時。 e、無嚴重結(jié)垢時。 f、適用于電力發(fā)達而電費便宜的地區(qū)。5、蒸發(fā)濃縮過程香味的保護與回收（1）采用低溫蒸發(fā)濃縮設(shè)備，減少香味成分的揮發(fā) （2） 采用短時蒸發(fā)濃縮設(shè)備 （3） 蒸餾法回收 6、選擇一種蒸發(fā)系統(tǒng)時必須考慮的因素 （1）物料特性 （2）生產(chǎn)量和操作時間 （3）公用系統(tǒng)和設(shè)施及成本 （4）總的經(jīng)濟效益核算 三、三、 冷凍濃縮冷凍濃縮1 、基本原理：當溶液中溶質(zhì)濃度低共熔濃度,溶

10、質(zhì)晶體析出，反之，則溶劑晶體析出。2、操作步驟：a、部分水分從水溶液中結(jié)晶析出 b、冰晶與濃縮液加以分離。3、適用物料：特別適用于熱敏性食品的濃縮。 含揮發(fā)性芳香物質(zhì)的食品濃縮。 果汁、乳制品、醋、咖啡、茶葉提取物、啤酒和白酒等4、缺點：a、細菌和酶的活性得不到抑制，制品還需要再經(jīng)熱處理或加以冷凍保藏。 b、受制于溶液濃度，還取決于冰晶和濃縮液可能分離的程度。 c、不可避免的溶質(zhì)損失。 d、成本高。商業(yè)使用的外冷卻式冷凍濃縮機： 5、冷凍濃縮單元的類型 冰晶體 關(guān)鍵是控制冰結(jié)晶以形成合適的冰晶大小分布，通常認為，近似球狀的均一分布的大冰晶（約400500m）可獲得最佳分離效果. 方法：如下表方

11、式特點直接接觸制冷劑膨脹 真空膨脹間接接觸內(nèi)部冷卻外部冷卻制冷劑(氟里昂、丁烷、二氧化碳)直接膨脹到食品中在真空條件下，水汽化，將食品冷凍到冰點以下在夾套內(nèi)使用制冷劑，將食品冷凍到冰點以下通過外部的熱交換器來冷卻食品或結(jié)晶漿體 6、分離裝置 a、壓榨機 溶質(zhì)損失決定于被壓縮冰餅中夾帶的溶液量 b、離心分離機 嚴重的缺點是揮發(fā)性芳香物的損失。 c、洗滌柱 原理：利用純冰熔解的水分來排代晶間殘留的濃液。 洗滌柱幾種型式（主要區(qū)別在于晶體被迫沿塔移動的推動力不同） （1）浮床洗滌柱 推動力是晶體和液體之間的密度差。目前廣泛應用于有機物系統(tǒng)的分離。 弊端:粘度高會限制分離,因為冰晶體在柱中上升所需時間

12、隨粘度升高而增加。（2）螺旋洗滌柱 利用螺旋推送為兩相相對運動的推動力 目前廣泛應用于有機物系統(tǒng)的分離（3）活塞床洗滌柱 以活塞的往復運動迫使冰床移動為推動力 在國外已用于液體食品的冷凍濃縮1、膜分離簡介： 膜分離是一種使用半透膜的分離方法，從50年代后期開展研究，很快就由實驗室階段發(fā)展到工業(yè)化應用。目前已開始應用于海水淡化、苦咸水淡化，以及溶液的濃縮、分離和精制等。 膜濃縮：通過半透膜的只是溶劑，則溶液獲得濃縮，此過程稱為膜濃縮。 膜分離：如果此分離過程中通過半透膜的不僅是溶劑，而且有選擇性地讓某些溶質(zhì)通過，因而溶液中不同溶質(zhì)得到分離。2、膜分離分類：（根據(jù)過程推動力不同） a、反滲透和超濾

13、 以壓力為推動力的膜過程 b、離子交換膜（電滲析） 以電力為推動力的膜過程四、四、 膜分離膜分離 3、反滲透和超濾、反滲透和超濾 應用于食品的濃縮優(yōu)點：應用于食品的濃縮優(yōu)點： a、風味成分和香味成分不易失散。、風味成分和香味成分不易失散。 b、易保持食品的某些功效：例如蛋白的泡沫穩(wěn)定性、易保持食品的某些功效：例如蛋白的泡沫穩(wěn)定性 c、與蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮不同，不存在相變過程，故能、與蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮不同，不存在相變過程，故能量費用經(jīng)濟。量費用經(jīng)濟。 應用例子：應用例子： a、果汁、咖啡的濃縮，具有無相變、無熱破壞、無揮發(fā)、果汁、咖啡的濃縮，具有無相變、無熱破壞、無揮發(fā)質(zhì)損失的特點。質(zhì)損失的特

14、點。 b、蛋白、乳清蛋白質(zhì)、明膠的濃縮，具有無機械破壞和、蛋白、乳清蛋白質(zhì)、明膠的濃縮，具有無機械破壞和熱破壞的特點熱破壞的特點 c、果膠溶液的濃縮，具有不降低果膠分子鏈長的特點、果膠溶液的濃縮，具有不降低果膠分子鏈長的特點（1）反滲透： 原理： 滲透壓的影響因素： 溶質(zhì)的類型 小分子比大分子有更高的滲透壓 濃度 濃度高滲透壓也高 溶液的滲透壓（）計算 =-RTln（xA）/Vm xA 溶液中水的摩爾分數(shù) Vm 水的摩爾體積 對于稀溶液 =cRT/Mw c 溶質(zhì)濃度 ，g/L Mw 溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量 （注：對于影響滲透壓的各種溶質(zhì)必須用平均相對分子質(zhì)量）典型的反滲透工藝：透過膜的溶劑通量J

15、kg/（m2.h) J=Kw(p- ) Kw 膜滲透因子,kg溶劑/(m2.h.kPa) p 透過膜的壓力差,kPa 進料液與透過液的滲透壓差,kPa對膜施加的壓力越高，進料液的滲透壓越低，膜的滲透性越好。Ns=Ks(cf-cp) Ns 溶質(zhì)通過膜的質(zhì)量流量,kg/(m2.h) Ks 膜滲透系數(shù),m/h cf、cp 進料液與透過液的溶質(zhì)濃度，kg/m3溶質(zhì)截留系數(shù)：透過膜的溶質(zhì)的量與初始進料濃度之比 R=（cf-cp）/cfR取決于不同分子對膜的透過性和選擇性。大多數(shù)反滲透膜的R一般為0.9濃度極化： 造成兩種消極影響： a、局部濃度增高引起溶液中某一組分趨于飽和，使該組分在膜表面上成沉淀析出

16、或形成凝膠，減少了有效膜面積或增加了串聯(lián)的二次膜，所以也相應地使透水率降低。 b、界面滲透壓升高，推動力（p- ）降低，也降低了透水速度。 減少濃度極化的方法： a、進料液中應盡可能不含有不溶性的固體 b、利用提高通過膜表面物料流速的技術(shù)。 c、當濃度積累不太嚴重時，降低進料液的濃度。 反滲透通量： 影響因素： a、膜兩側(cè)壓差 膜的耐壓性限制了膜兩側(cè)的最大壓力差 b、進料特征 C、溫度 提高溫度一般可以增加溶質(zhì)通量，降低膜的截流系數(shù)， 高溫下，膜易受損。 d、進料液濃度 e、進料液流速：提高流速和增加湍流程度，可提高透過液通量。（2） 超濾 超濾與反滲透區(qū)別：主要體現(xiàn)在膜的種類 通過控制透過膜

17、的截留值大小，超濾可用于按分子大小對大分子進行選擇性分級，可以使用特定截留值大小的膜，其分子質(zhì)量的范圍從幾千到20000 超濾通量： 影響因素： a、膜兩側(cè)施加的壓力差 超濾采用的操作壓力比反滲透中要低得多，一般351000kPa 兩個區(qū)域： 透過液的壓力控制區(qū)域 J=Kp/ K 膜通透能力 p 操作壓力差 進料液黏度 應用環(huán)境：操作壓力差較小 進料液濃度較低，進料速度高 透過液通量的傳質(zhì)控制區(qū)： J=klnCG/CB K是傳質(zhì)系數(shù) CG高濃度區(qū)物料 CB低濃度物料 b、操作壓力 c、料液特性 d、操作溫度 e、料液濃度 f、通過膜的料液流速4、膜材料： 適用于食品加工的半透膜要求： a、必須

18、能夠在長期高流量操作下始終保持必要的分離能力 b、應能耐受衛(wèi)生操作所必需的有效清洗和消毒。 c、應具有較長的使用壽命。 介紹幾種材料： a、醋酸纖維膜 優(yōu)點：用于反滲透，有高透過液通量和良好的阻鹽性，容易制造 缺點：高溫下易破裂，對pH敏感，可被氯離子破壞b、聚合物膜 在超濾上，已經(jīng)替代了醋酸纖維膜 優(yōu)點：能耐高溫（75），適用較寬的pH（113），有較好的抗氯性能，易制造 缺點：不耐高壓C、合成膜或陶瓷膜 優(yōu)點：由于合成膜的惰性，此膜具有廣泛的操作條件，并能抗氯腐蝕和容易清洗。 缺點：價格相當昂貴。5、膜組件的設(shè)計 a、平板框架式 b、螺旋卷式 優(yōu)點：可使用的膜面積大，而所占面積小，增加通道內(nèi)的湍流，會減少堵塞和濃度極化 缺點：只能用低流速和低壓力降，當液體流動不良時，會產(chǎn)生死區(qū)，導致局部堵塞，難以有效的清洗。c、管式 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，較易清洗和易更換，并可處理帶顆粒的物料，進料速度高和操作壓力高時，可增加分離效果。 缺點：膜的表面積相對較小，因而管式組件必須要很長。一般長達10m