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食品真空冷冻干燥工艺的研究
陈振华 1,毛志怀 2
1北京航天科阳技术发展有限公司,北京(100070)
2中国农业大学工学院,北京(100083)
E-mail: zhenhuac_ky@
摘 要:本文基于真空冷冻干燥产品的市场现状扼要分析了真空冷冻干燥技术在食品应用中
的注意问题;针对当前国内真空冷冻干燥设备加工能耗的问题,从食品真空冷冻干燥的前处
理、预冻结、升华解析干燥、后处理等四个工艺阶段探讨了加工过程中的主要问题及因素,
着重分析了预冻结工艺的预冻厚度、预冻温度、预冻时间、预冻速率等主要参数及它们之间
的关系,也着重分析了升华解析干燥工艺的产品升华温度、加热板温度、干燥舱内压力、捕
集器表面温度等主要因素及它们之间的关系,通过本文的研究分析为食品生产企业真空冷冻
干燥产品工艺的制定及食品真空冷冻干燥设备工程设计提供参考。
关键词:真空冷冻干燥;冻干工艺;食品
1. 引言
目前,由于真空冷冻干燥技术赋予了产品相对于其他产品无可比拟的性能,使得冻干产
品开始逐渐被越来越多的人青睐,但由于加工成本相对昂贵造成市场售价较高,使得冻干产
品时下很难“飞入寻常百姓家”。而降低冻干产品加工成本的主要途径一是冻干设备的制造企
业根据国内市场的具体情况在满足设备质量性能的前提下尽量选用国产的配套设备,以降低
用户的初期投入,还要优化产品的设计和设备分系统的配置,主要从以上两方面降低设备本
身的运行能耗。途径二就是食品加工企业要在掌握冻干技术原理和冻干设备使用维护的基础
上尽量多做食品冻干过程工艺的研究,这样不但可以降低设备的能耗,而且能够生产出优质
的冻干产品。下面就结合自己的工作经验谈一下食品冻干过程工艺的研究供大家参考。
2. 食品冻干的一般工艺流程
由于被冻干物料的品种、成分、形状、状态、含水率、共晶点、共熔点、崩解温度等特
性的不同,冻干工艺是不同的;对于同一种物料,由于冻干机结构不同、极限真空度不同、
加热方式不同、干燥室容积不同、捕集器温度不同、捕集能力不同,冻干工艺也不尽相同。
因此对某种物料,测出共熔共晶点温度,制定出工艺参数,给出冻干曲线,确定最佳工艺流
程,将是保证冻干产品质量的重要措施。
尽管各种物料、各种性能不同的冻干机,使得冻干工艺各不相同,但其冷冻干燥工艺都
应该包括前处理、预冻、升华解析干燥和后处理四个阶段。
图 1-1 冻干工艺总流程框图
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食品冻干的前处理
固体食品
食品冷冻干燥前一般先将干燥原料洗净,除去其不必要的成分,再整形调理等。
1)肉类食品
畜肉和鱼肉由肌肉组织构成,其主要成分为易变性的蛋白质,夹杂由脂肪组织及 1%的
糖原,其余为水。畜肉中,长束状圆柱状纤维和结缔组织一起构成伸缩肌。鱼肉组成和畜肉
相似,只是纤维组成块状,各纤维块之间是结缔组织肌隔。因此,畜肉和鱼肉中肌纤维的定
向对热量传递和蒸汽传递十分重要。
肉类冻干时一般不允许连骨带脂一起干燥,因为骨头的干燥时间长,而脂肪组织在干燥
时间长、干燥温度高时就有可能融化,堵塞冻干层中的空穴,阻碍了蒸汽的传递。先将肉剔
除脂肪,再沿垂直于肌纤维的方向切成薄片,使冻干时冰晶的升华界面的移动方向与肉的纹
理一致[25],有利于传热传质,且有利于冻干制品的复水。
2)果蔬类食品
各种果蔬,如苹果、草莓、胡萝卜、香菇、蘑菇等。冻干前需先经挑选、漂洗、漂烫、
冷却等工序。
① 应选择品种优良、成熟度适宜、鲜嫩、大小长短粗细均匀的,注意轻拿轻放、不能
损伤。因果蔬表面都贴有粘土、沙子、灰尘、农药及活物(菌、虫),故应认真清洗。
② 果蔬洗涤后,一般要在 2%左右盐水中浸泡 20~30min,达到驱虫目的,必要时可延
长。浸过盐水的蔬菜,需在清水中漂洗一次,以去除蔬菜表面的盐水和跑出来的小虫,并达
到进一步洗净的目的。
③ 漂洗完毕后进行漂烫,将果蔬放在沸水中或常压蒸汽中一定时间使加热均匀,来全
部或部分地破坏果蔬中的酶类活性(如过氧化酶、过氧化氢酶等),以便保持果蔬的原有色
泽和营养成分,并防止果蔬在冷藏过程中的变质;同时漂烫还能消灭原料表面的微生物、虫
卵,除去果蔬组织内的空气,有利于减少维生素 C 和胡萝卜素的损失,并能排除果蔬中的
部分水分。漂烫完毕后迅速放入低温水中进行短时间冷却,然后取出沥干。
液态食品
液态食品没有固定的形状,而含有大量的水。在将水脱除后即成为可复水的粉末。由于
含水量高,将它们直接干燥成低水分含量的粉末,在经济上不合算。因此,在不影响产品质
量的前提下,冻干前应先进行浓缩。浓缩一般采用低温真空浓缩[1]。
食品的预冻
它是经前处理装盘后的冷却物料送至速冻机、冷冻隧道或冻结间按工艺要求冻结后,装
入干燥舱或放入低温冷藏间储藏备用。
预冻厚度
进入冷冻干燥室预冻的物料应冷却、沥干,然后用托盘盛放,应尽量增大物料表面积,
减少厚度,一般以不超过 20mm为宜,较松散物料厚度取较大值,较密实物料取小值。减薄
物料的厚度,即可降低热、质通过干燥层的阻力,干燥速率增大。但是如果物料太薄,虽然
缩短了冻干时间,却导致了生产能力下降[2];太厚则水蒸气逸出阻力大,升华速率减慢,干
燥时间延长,效率低。所以对不同品种应考虑物料及冷冻干燥阶段能耗和人力物力的消耗,
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选取一个最佳经济厚度。
预冻温度
预冻温度一般应低于物料的共晶点温度 5~10℃。这是因为物料的冷冻干燥过程是在真
空状态下进行的,只有物料中水分在全部冻结后才能在真空下升华。否则,若有部分液体存
在,在真空状态下会迅速蒸发,造成液体的浓缩,使冷冻干燥产品体积缩小,而且溶解在溶
液中的气体会在真空下迅速放出,使冻干产品鼓泡。预冻温度避免过低或过高,造成能耗过
高或影响产品质量。
预冻时间
物料在冻干室的冻结应快速,一般 1~2h达到预冻温度。通常的做法是在物料达到预冻
温度后,还需在此温度下停留 ~1h,而不是立即进行升华干燥,这样可以使物料冻透。
预冻速率
预冻速率直接影响干燥速率和产品质量。在慢速冷冻条件下,由于细胞外溶液浓度低,
结晶首先在细胞外发生,而此时细胞内水分还以液态存在,因为水蒸气分压的关系,细胞内
的水分向细胞外已形成的冰晶移动,使冰晶体积增大且形状不规则,分布不均匀。大冰晶对
细胞组织造成机械损伤,使汁液流出,结构破坏,制成品复原性差。而在快速冷冻时,食品
组织内冰层推进速度大于水移动的速度,冰晶分布接近食品中液态水的分布状态,并且冰的
结晶细小,制品复原性好。冰晶小,物料内部孔隙小,不利于传质,干燥时间长;而冰晶大
则干燥时间短[3]。在不影响产品质量的前提下,选取适当的预冻速率。
食品的升华解析干燥
它是冷冻干燥工艺的主要环节。将冻结好的物料送入干燥仓中,按不同的物料冻干曲线,
使冻结物料在真空中加热,进行物料中游离水由冰到水蒸汽的升华干燥过程和脱除结合水的
解析干燥过程,最终脱除物料中的水分,完成物料的冻干。
图 1-2 典型食品冻干过程温度示意图
(图右曲线 1、2、3对应图左 1、2、3点温度)
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升华解析干燥工艺过程
典型食品真空冷冻干燥过程分为三个阶段[4],如图所示:a 段称为匀速升华阶段或恒定
加热功率阶段,这一段通常为最大加热功率(即加热板温度为最高温度),当物料上部温度
达到最高允许温度时该阶段终止;b段为降速升华阶段或下降加热功率阶段。在此阶段控制
加热功率(或加热板温度),以保证食品已干部分温度低于最高允许温度,冻结部分温度不
超过升华温度。这一阶段一般以食品内部最低温度超过 0℃为结束标志;c 段干燥结束阶段
或解析干燥阶段,该阶段以食品最低温度逐渐靠近设定值并维持一段时间为结束标志。
升华干燥工艺参数分析
1)产品升华温度
升华阶段产品的温度(最低温度)低于其共熔点温度。所谓共熔点就是指冻结的物料在
升温升华过程中,当达到某一温度时,固体中出现液态,电阻值突然减小,此时的温度就是
物料的共熔点。它的测定方法与共晶点的测定方法相同,数值上相差不多。
产品温度低于共熔点温度太多,升华速率低,升华时间加长;高于共熔点温度,产品熔
化,影响产品质量和干燥过程。在干燥过程中,应保证产品冻结部分的温度低于产品共熔点
温度。
干燥产品还有个崩解温度(最高允许温度)。若升华温度超过该产品的崩解温度,那么
会由于产品干燥层的崩解(干燥部分骨架因供热过剩而熔化),影响产品的继续升华。因此,
升华时加热的温度还应低于干燥产品的崩解温度。
为了加快升华速度,应在产品温度低于某共熔点温度和崩解温度下尽量提高产品表面温
度。
2)加热板温度
控制加热板温度对冷冻干燥制品的质量起着重要作用。加热板温度必须控制在不引起被
干燥食品的冰晶溶解、已干燥部分不会因过热而引起热变性的范围内。具体地说就是在升华
阶段应保证物料冻结部分的温度低于物料的共熔点温度,干燥部分的温度低于其崩解温度或
最高允许温度;在解析阶段,因物料内不存在冰晶,产品温度可迅速上升到最高许可温度。
这时控制加热板温度,只要不烧毁物料和不造成物料过热而变性就可。
3)舱内压力
在升华干燥过程中,不仅加热板温度需要控制,舱内压力也是需要控制的参数。干燥舱
压力的大小影响升华干燥过程的传热传质。压力高对流传热效果好,但不利于水蒸气的顺利
逸出并达到捕集器冷凝面;当升华温度恒定,干燥舱压力低于一定值时,压力再降低,升华
速率不再增加,而且压力低时,换热效果差,为提供相同的热量需要高的加热板温度,但是
高的加热板温度容易造成物料的熔化崩解[5]。整个升华过程就是一个传热传质过程,只有压
力适当,才能有一个经济的干燥速率。
4)冷阱(捕集器)表面温度
冷阱表面温度是冻干过程中重要参数之一,因为物料升华过程中产生的大量水蒸汽由捕
集器凝结,从而保证舱内稳定的真空度,捕集器冷对应着一定的饱和蒸汽压力。升华界面压
力同捕集器的饱和蒸汽压力差决定了水蒸气从物料内部到表面,再到捕集器表面的扩散流
动。
一般说当捕集器温度较低时,物料升华界面与捕集器表面的水蒸汽压力差较大,水蒸汽
的凝结速率也较大。但随着捕集器温度的降低,耗冷量增多,而水蒸汽的凝结速率变化不大。
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文献[6]研究表明,当捕集器温度低于-50℃时,再过多地降低捕集器温度,对于缩短冷冻干
燥时间意义不大。研究表明[7],在 t0=-40℃时,每降低 1℃,就意味着制冷机能耗增加(2~
)%。
冻干食品的后处理
经冻干的制品不仅含水量低,而且疏松多孔,因而吸湿性强,再加上易受氧化影响的表
面积增大,为便于保存,后处理不容忽视。后处理的主要内容是包装,制品不同包装也不同。
对于食品,干燥终了时也要充入干燥空气或氮气。包装时室内以相对湿度为 10%为好,常
采用干燥剂将包装室的湿度降到 20%以下。室内温度尽可能低,但考虑到操作者的健康,
一般控制在 20~25℃。最好采用真空包装或真空充气包装。对冻干食品包装的要求有:
① 防护性 冻干产品成海绵状组织结构,比较脆弱,要防止破碎而失去商品价值。
② 易于运输 冻干产品质量轻,为便于运输,应选轻而保护功能好的包装材料。
③ 遮光性 遮光可防止食品质量下降。
④ 密封性 冻干食品在空气中放置会吸湿,吸湿的结果会使产品中维生素氧化而产生
异味。
包装容器以金属罐、玻璃罐(仅用于速溶咖啡和某些调味品)和充氮铝箔复合袋最为常
见。
3.结论
冻干工艺的研究并不是集中将某些具体物料的样品在小型冻干实验机上研究其工艺参
数对冻干速率的影响,这些研究工作容易脱离食品冻干工艺过程的特点,须依据小型冻干机的
食品优化过程参数为工业生产提供依据和参考,然后在工业生产根据产品的加工情况进行针
对性的调整,对冻干工艺参数及其之间的关系进行进一步的系统分析。弄清这些工艺参数及
它们之间的关系,有助于降低设备的运行能耗,生产更加优质的冻干食品。
参考文献
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Study on Food Vacuum Freeze Drying Process
CHEN Zhenhua 1, MAO Zhihuai 2
1Beijing HTKY Technology Development Co., Ltd., Beijing(100070)
2College of Engineering, China Agricutural University, Beijing(100083)
Abstract
In this paper, the present situation of vacuum freeze dying product market and vacuum freeze drying
technology application problem which should pay attention to for food is simply introduced. From the
whole food freeze drying process, the main problem and factors of pre-treatment、pre-freezing、
dehydration and after-treatment are systematically discussed. The process parameters of pre-freezing
and dehydration and relationship of these parameters are analyzed in detail basing upon energy
assumption of freeze drying equipment. I hope the study in this paper can provide a little reference for
the parameters establishment of freeze drying process and vacuum freeze drying equipment’s design.
Keywords: vacuum freeze drying; vacuum freezing dying process; food
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