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【分享】食品真空冷冻干燥技术研究现状及对策【已搜无重复】
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真空冷冻干燥技术在最近的二十年中取得了长足进展。进入二十一世纪后，随着人们环保意识、健康意识的进一步加强，必将对消费品的品质提出更高要求。生活节奏的不断加快，人们对方便快餐食品的需求也将日趋旺盛。所有这些都将有力地推动真空冷冻干燥技术的进一步发展，使其应用规模不断扩大、应用领域不断扩展。因此，真空冷冻干燥必将成为二十一世纪的重要应用技术。 1.真空冷冻干燥的基本原理[1] 真空冷冻干燥是将含水物料冻结后，在真空环境下加热，使物料中水分直接除去，从而使物料脱水获得冻干制品的过程。真空冷冻干燥属于物理脱水，了解它应该从水的三相图开始。 在低压下水的相变过程和常压下大体相似，但相变时的具体温度不同。例如在103 Pa压力下，固态冰转化为液态水的温度略高于0℃，而液态水转化为蒸汽的温度为6.3℃，可见降低压力后冰点变化不大，而沸点却大大降低了。可以想象，当压力降低到某一值时，沸点即与冰点相重合，固态冰就可以不经液态而直接变为气态，这时的压力称为三相点压力，相应的温度称为三相点温度。 水的三种聚集态随温度和压强不同而变化，以压强为纵坐标，温度为横坐标表示水的聚集态，称为水的相平衡图。由图可以看出，OS,OL，OK三条曲线把相图分成三个区域，即气相、液相、固相。OS曲线为气固两相平衡共存的状态，这时的水蒸气压强为水的饱和蒸汽压，OL曲线为液固两相平衡共存的状态，OK曲线为气液两相平衡共存的状态，K为水的临界点，K点温度为374℃，压强为2.11×107Pa，在此点液态水不存在。O点为三条曲线的交点，即三相点，三相点温度为0.01℃，三相点压力为610.5Pa，是水的三相平衡共存的状态。真空冷冻干燥是在三相点以下进行的。 2.冻干食品的特点[2] 由于真空冷冻干燥在低温低压下进行，而且水分不经过液态直接升华，真空冷冻干燥产品可确保食品中蛋白质、维生素等各种营养成份，特别是那些易挥发的热敏性成份不损失，因而能最大限度地保持原有的营养成份，有效地防止干燥过程中的氧化、营养成份的转化和状态变化。冷冻干燥制品成海绵状、无干缩、复水性极好、食用方便、含水分极少，相应包装后可在常温下长时间保存和运输。因此赋予其产品许多特殊的性能： 1.脱水比较彻底，有利于长时间贮存。 2.物料干燥过程在冻结状态下完成，与其它干燥方法相比，其产品相对于新鲜物料的收缩率要小得多，较好地保存了其原料的组织结构和外观形态。 3.不存在表面硬化问题，且内部呈多孔的海绵状，因而具有优异的复水性。这一性能在即食方便食品中体现出了非常明显的优势。 4.由于干燥过程在很低的温度下进行，而且基本隔绝了空气，有效地抑制了热敏物质的生物的、化学的或物理的变化。充分保存了原料中的营养成份和活性物质，较好地保持了原料的天然色泽和气味。 5.减少了产品的含水量，降低了重量，便于运输 3.食品冻干技术的研究状况 3.1 国外的研究状况 美国冻干食品发展最快,在全美方便食品中冻干食品占40%～50% ,在20家生产咖啡和茶的工厂中,就有10家采用冻干法生产。日本目前已有35个冻干食品生产厂家,年产值达13亿日元。美、日冻干蔬菜在市场上已占近10%。冻干食品的普及性在一些发达国家已达到相当高的程度。[3] 冻干理论和工艺的研究正在向着深入和广泛的方向发展。1967年Sandall等提出了冻干冰界面均匀后移的稳态模型(URIF模型),实验证明能较好地计算出升华阶段所需的时间。1968年Dyer等提出了热量由搁板通过冷冻层,冻干室内气体通过已干层以及在辐射条件下的准稳态冻干模型。1979年Litchield等提出了冻干的吸附—升华模型, 给出了数值解。[4]近年来,研究各种物料在冻干过程中的传热传质特性和冻干工艺方面的文章较多。意大利对冻干苹果、柠檬和糖的均化混合液加牛奶后脱水理化特性进行研究。德国对天然淀粉、改性淀粉、淀粉果胶等进行理化研究。俄国研究冻干牛肉的热物性。日本研究胶状鱼粉的冻干。西班牙研究冻干乳酸干。印度研究冻干香蕉粉。捷克研究薄层物料的冻干工艺等等。 食品冻干设备于1943年出现在丹麦。发展到今天,世界上各个工业发达的国家几乎都生产了食品用冻干机。从冻干面积上分,有小到0.1m2 的实验冻干机和大到愈千平方米的生产用冻干机；从干燥仓形状看有方形、圆形和隧道式；从自动化程度看,可分手动、半自动和全自动；从工作方式看有间歇式、半连续式和连续式；从冷冻方式看, 可分成冻干合一型和冻干分离型两种。[5]食品冻干设备的生产厂家在世界上较有影响的有丹麦Atlas公司和日本共和真空株式会社。Atlas公司生产的冻干分离型冻干设备,用装料车整体装料、冻干和运输, 可实现半连续生产, 结构合理、节省能源。该公司生产的连续性食品冻干设备适合于大批量食品的冻干生产，性能比较先进。日本是拥有冻干设备最多的国家,冻干设备的干燥面积可达2.3×10 4 m2 。日本共和真空株式会社生产的食品冻干机一般是间歇式的,冻干机周期性工作,食品分批干燥。[6] 3.2 国内的研究状况[7] 与发达国家相比，我国真空冷冻干燥技术的发展历史较短。20世纪50年代引进了真空冷冻干燥技术，当时主要用于医药生产及生物制品。至60年代，出于战略的需要在北京、上海、天津建立了冷冻干燥食品基地。70年代在广东、上海兴建工业装置，但经营困难。至85年时已无一家能维持生产。但近十年来，随着国际上冻干技术和我国经济建设的快速发展，以及人民生活水平的不断提高，真空冷冻干燥技术在我国也重获生机。 然而，我国真空冷冻干燥技术的理论研究与国外的差距很大，缺乏对冷冻干燥过程理论及相关学科的系统研究；冷冻干燥设备同进口设备相比，还有一定差距，特别是连续式真空冷冻干燥技术在国内基本上还是空白。 4.我国食品冻干技术面临的问题 真空冻干的食品若作为普通消费食品仍存在成本高的问题，尤其是在我国食品市场上很难见到冻干食品。目前，我国冻干食品主要还是作为特殊用途的食品。若使冻干食品被大家广泛的接受，必须从两个方面考虑：一是消费者方面考虑，针对不同的冻干产品，什么样的价位大家能够接受；另一个从冻干食品生产厂家考虑，必须使其技术不断完善，生产成本不断降低，使冻干食品在市场有竞争力。技术的完善须从两个方面考虑：一是改善冻干设备及工艺，使其能耗降低，生产率增加；二是选择合适的冻干原料，使其具有高附加值。目前我国食品冻干很不完善，具体表现在： （1）冻干设备方面 目前我国生产的真空冻干机绝大部分仍是仿制七、八十年代国外产品,其作业方式为间歇式。间歇式操作需停机装卸料、破空、冷却、二次加热、制冷、抽真空等环节，所以能耗增加，生产效率降低。国外食品冻干搁板面积均为几百平方米,有的逾千平方米,作业方式有连续式和间歇式 而国内生产的冻干机搁板面积大多数在百平方米以下,因此,许多单位不得不并用几台设备进行生产,造成冻干食品成本增加。 (2)冻干工艺方面 目前对冻干工艺的研究多集中在小型冻干实验机上冻干某些具体物料的样品,而多数研究又都集中在工艺参数对冻干速率影响上,将其作为多变量因素进行研究,而这些研究工作脱离了食品冻干工艺过程的特点,对冻干工艺参数及其之间的关系缺乏系统的分析，其研究结果很难为食品冻干厂制定食品冻干工艺，更很难为冻干设备制造企业的工程设计中作参考。另外，冻干食品生产厂家平时也根本不注重冻干工艺的研究，过程参数和冻干曲线的制定大多数是通过寥寥几次的试验或者根据经验获得，使得食品的冻干时间加长，冻干设备的能耗增加。 （3）冻干特性方面．在制定冻干工艺时应注意冻干原料的特点:一是具有细胞结构的食品,该类食品在冻干时应注意冻干速率及冻结温度,试验表明,冻结速率慢易使细胞壁破裂,汁液外溢,使冻干产品质量下降,绝大多数果蔬食品都是细胞结构食品;二是具有芳香气味的食品,如何保留其风味不被破坏,目前研究认为,慢冻有利于风味物质的保留;三是无细胞结构也无芳香风味的食品,应以其中活性生物存活率为指标,特别注意解吸干燥段的温度[8] 5.关于解决食品冻干技术面临问题的对策 我认为食品冷冻干燥技术是一门综合的技术，涉及多学科、多领域。发展冻干技术并不是一蹴而就的事情，需要我们脚踏实地，认清发展中存在的问题，然后对症下药；当然也不能闭关自守，需要及时了解国外发展状况，借鉴国外先进的技术，发展自己，缩小与国外的差距。 在冻干设备方面，我觉得应该研制一些大型的冻干设备，增加隔板的面积，使其能够大规模的应用与生产，应提高隔板的传热效率，降低能耗。开发连续型冻干设备，连续式设备容易实现自动化控制，简化了人工操作和管理，提高了工作效率，降低能耗。要合理控制隔板的温度，以降低能耗，利用控制电加热的通断，可以方便地控制加热量和温度。一般采用两种方式: （1）阶梯式升温 即将升温阶段分成若干区段，在每区段开始时接通加热器升温。当搁板（介质）温度达到该段值上限时，切断加热器，保温到该段时间结束，再转入下区段的升温。此种方式中每区段搁板的升温速率不进行控制，但因制品升温滞后于搁板的升温，因此制品的升温速率与预定的接近。 （2）跟踪式升温 根据制品要求的升温速率，制定出搁板升温速率曲线，将实测的搁板升温速率与对应时刻要求的升温速率曲线相比较，确定加热器的通断时间比例，并不断修正这个比例使实际升温曲线跟踪要求的升温曲线，这种方式能较准确的进行过程控制。[9] 以上两种方法适合于工厂化生产，操作简单，易于提高工作效率。 另外，隔板的材料、加工工艺、表面处理、温度均匀性等都有待于研究。如果能研制出纳米级的隔板材料，温度的灵敏度更高了，温度分布就会更均匀，加热效率就会更高。 在冻干工艺方面，冻干工艺的研究应该为生产服务，不应该局限于实验研究，应该应用于大规模的生产。目前的研究只局限于冻干工艺参数对冻干速率的影响上，缺乏对工艺参数之间的研究，更不能为冻干设备的研制提供合理的参考，其研究结果很难为食品冻干厂制定食品冻干工艺。 食品真空冷冻干燥工艺流程通常包括:预处理→预冻→干燥→后处理 (1)预处理 其目的是保证优质原料以及利于冻干与贮藏．对于固态食品,应进行清洗、筛分、漂烫、切分．清洗与筛分是保证冻干原料为合格品;漂烫是钝化酶活性的最有效方法,同时漂烫也能除去部分水,以减少干燥负荷;切分利于包装、食用,同时切分尺寸及切口方位也会影响冻干速率．对于液态食品,应进行灭菌与浓缩,浓缩利用真空或冻结方法进行,浓缩程度合理与否,将直接影响冻干速率及生产效率． (2)预冻 冻结的速率与最终温度影响真空冻干食品的质量与冻干速率．目前研究认为,速冻有利于细胞结构的食品,可保持细胞壁的完整及避免细胞内有机液外溢．但速冻不利于液态食品,速冻易造成玻璃状冻结体,使冻干极难进行．最终温度通常取其共晶点以下5～10℃,过高或过低将严重影响食品质量与能耗． (3)干燥 真空冻干的干燥阶段通常分为两段,即升华干燥段与解吸干燥段．升华干燥除去所有的冰晶体(物料中的自由水),约占总含水分的80%～90%,它是冻干过程的主体,这一过程以冰晶不融化为前提．解吸干燥除去物料固形物的物理、化学吸附水,这部分水分约占10%左右,这一过程以物料不过热变质为前提,为了获得理想的最终水分,此过程中冻干室的压强应更低一些,以保证脱除与固体结合较强的吸附水．至此,物料中的水分已达到要求,完成物料的冻干． (4)后处理 该工艺是将已冻干的物料,进行后期加工处理的过程．冻干食品是多孔疏松状,表面积大,易吸湿与破碎,因此常用真空包装或充入惰性气体进行包装。[10] 冷冻干燥过程也存在很多难点，冻干过程参数的选择，对冻干食品的质量有着决定性的影响，冷冻干燥过程包括预冷、一次干燥、二次干燥、储存阶段等，都是相当复杂传热传质过程，而且这些过程又与食品的性质有密切的关系。因此，必须测定食品的多种热物理性质，弄清影响冷冻干燥过传热传质的因素，才能制定可靠的程序，采用优化的冷冻干燥过程，生产出高质量的食品，并可达到缩短生产时间的目的。 目前，关于一次干燥和二次干燥理论已相当丰富，建立了数学模型。但是对于冻干过程中物料的热物性质的测量还几乎是空白。干燥层的热物性不仅与组份有关，而且更与干燥过程有着密切关系，这些过程不可能通过其组分进行获得，因为组分是变化的，如果能通过寻求一种动态测量方法可提高实验的精度，例如，通过测量干燥层的压力来计算这些数据，就像动压测量一样，则可迅速解决这些问题。 冻干食品虽尚未普及,但各研究工作者均从不同角度提高冻干工艺及设备的研究水平,随着我国经济步伐的不断加快,相信目前仅作为保健和特殊用途的冻干食品必将成为大宗食品．当然,食品冻干仍存在许多有待研究的问题,如何解决产品价值与加工成本的比例关系是该技术发展的关键,仍需今后多学科配合进行系统地解决． [ Last edited by kidy008 on 2008-9-24 at 06:36 ] |
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