常压冷冻干燥

现代食品干燥技术研究进展在查阅资料的过程中，我了解到现代比较先进的食品干燥技术主要有常压冷冻干燥、超声干燥、低温吸附干燥、过热蒸汽干燥、折射窗薄层干燥等。

在参考论文中我发现很少有论文非常全面地介绍一种干燥技术，几乎每篇都有侧重点，也就导致有所忽略，这对读者系统性地学习干燥技术有不便之处。

所以我想在自己已阅读论文的基础上做一些力所能及的梳理工作，尽可能全面地介绍某种干燥技术的原理、特点、适用条件、相关实验结论、问题和解决方法以及生产实践运用等方面。

以下是我对常压冷冻干燥、低温吸附干燥及折射窗薄层干燥研究发展现状的归纳整理以及学习心得与感想。

常压冷冻干燥（AFD,Atmospheric Freeze Drying)兼有冷冻干燥( 高品质) 和对流干燥( 低成本) 两者优点的干燥技术—常压冷冻干燥技术。

1. 基本原理在常压或接近常压下，低温空气中的水蒸气压较低，冷冻物料中的水分得以升华。

2. 特点（1）干燥是在低于水的三相点压力下:610.5pa;和低温:0℃以下进行的，故特别适用于极为热敏和易氧化的物料，并可抑制菌类繁殖，产品干燥后，保存时间长。

（2）避免了蒸发干燥因水分携带溶质至物料表面而造成表面硬化，食品可保持原有的营养及色、香、味。

（3）物料在预冻结后，形成稳定的固体骨架，升华干燥后物料固体骨架基本保持不变，并呈多孔结构，具有速溶性和快速复水性。

（4）产品品质与真空冷冻干燥基本一致，较前者节约能量约三分之一，但冻干时间较长。

3. 分类（1）基于吸附固定床的常压冷冻干燥用吸附剂来代替真空泵，但干燥周期太长。

（2）基于吸附流化床的常压冷冻干燥a.原理：常压吸附流化床冷冻干燥是指将冻结物料浸没在保持低温低压的流化吸附剂中进行干燥，其中吸附剂吸附干燥过程产生的水分，以使待干物料周围的水蒸汽分压始终低于三相点水平，吸附放出的热量可以供干燥过程所用。

这样可确保冻结物料中冰的升华和湿分由物料向干燥介质的传递。

b.特点：一定范围内，溶液浓度增大时，干燥时间增长；冻结物料尺寸较小时，干燥速率加快。

干燥处理前期，冻干速率较高。

c.相关实验结论：采用前期渗透技术处理，后期大大缩短了常压吸附流化冷冻干燥时间，且经渗透处理的原料不易发生变形。

吸附剂流化床常压冷冻比真空冷冻干燥具有更高的质热传递系数。

超声波辅助常压冷冻处理可以大幅缩。

短干燥时间，其有效扩散率比流化床常压冷冻处理提高14.8%以上。

微波辐射应用于固定床和流动床的常压冷。

冻干燥可有效的减少干燥时间（50%），能效也有所提高（30%），且固定床干燥的产品要优于流动床。

适当提高流化床温度、减小物料直径、采用较小粒径的吸附剂和在实验中更新吸附剂或采用较高的流化数等都能够加速干燥过程。

两种冷冻干燥方式的对比项目常压吸附流化冷冻干燥真空冷冻干燥水汽捕捉方式吸附剂颗粒吸附水汽捕捉器能量损耗低于真空冷冻干燥较高系统设备简单复杂、精密干燥时间高于真空冷冻干燥一般6~8h加热方式吸附热其它额外热源应用处于研究阶段工业应用，但范围不广（3）基于热泵原理的常压冷冻干燥将热泵技术应用于常压冷冻干燥可显著降低能耗，同时又保留了冷冻干燥的优点。

用热泵技术生产即食果蔬具有很大的发展前景。

进口温度持续上升?结果显示，后者在整个常压冷冻干燥处理过程中，保持了稳定的干燥速率，以较低成本获得了较好的干燥品质。

这表明常压冷冻干燥后期是可以采用较高的干燥温度的。

4. 相关实验结论：（1）因没有配置真空室及其附属装置，与真空冻干相比，常压冷冻节能显著。

（2）0℃以下的表面冷冻过程具有冷冻干燥收缩率较小的优点, 这使得在同样湿含量时, 冷冻干燥的物料比高温( 0℃以上) 对流干燥的物料具有更大的孔隙率。

（3）干燥过程中。

若具有中间融化段, 且干燥终了段具有较高的进气温度), 干燥后的产品就会具有比恒温、变温以及升温干燥更高的质量。

冷冻处理过程中的熔化是最终导致产品品质劣变的最直接因素。

5. 问题及解决策略（1）除湿手段采用吸附剂除湿，除湿效果较差，经常由于水蒸汽分压高而导致冰晶熔化严重，致使冻干失败。

（2）设备成本较高，且干燥过程耗时较长。

（3）产品品质不稳定，经常出现组织塌陷，变色和有效成分降解加快。

应考虑选择高效节能的除湿方式且能提供稳定的冷气流场。

提供适合的给热方式，例如可采取传导和辐射间歇式的给热方式，让物料在整个干燥处理过程中，稳定而均匀受热。

低温吸附干燥（low-temperature drying）吸附干燥（也叫做“除湿干燥”干燥剂干燥或表面吸附干燥）。

低温吸附干燥是一种综合利用了冷冻除湿和吸附干燥的新型非热力干燥方法。

1. 原理低温吸附干燥技术是采用吸附式转轮除湿器和表面式冷却器提供温度为10~30℃，相对湿度5%以下的低温低露点空气为干燥介质，并非用上面所提到的各种吸附剂，能有效地避免高温对营养成分的破坏，干燥速率快，相对于真空冷冻干燥节能效果显著。

2. 优点（1）它是以水分浓度差作为传质推动力的新型干燥工艺，综合运用了吸附除湿和冷冻除湿技术，提供低温低露点的气流对热敏性物料进行低温脱水分离。

（2）低温吸附干燥能有效地避免高温对食品营养成分的破坏，使干制品能很好地保持原新鲜物料的有效成分，原色原味，复水效果好。

（3）系统杀菌性能高，能耗低，且可利用低品位热源太阳能、工业废热、换热器余热等。

总之，低温吸附干燥具有能耗低，营养成分保持水平好，结构紧凑，便于操作，无环境污染和高效杀菌等优点。

3.与其他干燥方法的比较热敏性物料常用的干燥方式为冷冻干燥，冷冻干燥产品的组织无收缩，营养成分损失极少，但其缺点是能耗大，成本高，生产的周期长，并且不能连续生产。

热风干燥也用于热敏性物料的干燥，它设备结构简单，成本低廉，但物料营养成分损失很大，并且高温使物料表面硬化、干缩严重，复水后很难恢复到原状。

低温吸附干燥就大大克服了这些缺点，非常适合于热敏性物料的干燥。

4. 应用目前国内已开发了一种全新的食品脱水分离法———吸附式低温干燥，这是一种以传质推动力为主的新型干燥工艺，制品原色原味，营养损失小，复水效果好；系统杀菌性能高，无环境污染，能耗低，且可利用低品位热源，干燥过程中干燥气流露点可达—10℃以下，温度在10~50℃内可调，特别适用于热敏性物料的干燥。

5. 相关实验结论低温干燥是以干燥空气和湿物料之间的蒸汽压差作为推动力,因此关键技术是干燥空气的获得。

空气的干燥除湿方法有冷却法和化学法。

热泵干燥适合于蔬菜干燥。

湿度是影响吸附干燥过程的关键因素。

降低处理风湿度,并在保证不破坏物料成分的情况下,增高温度和增大风速、物料表面积,有利于提高干燥速率。

在操作范围内的风速下,都有较高的除菌效率(95%以上),但风速过高,就可能使微生物挣脱吸附。

6.生产实践运用（1）香蕉在低温吸附干燥过程中会发生体积收缩的现象，其体积的收缩与含水率呈线性关系。

蕉干燥过程中的体积收缩是各向异性的，会在内部产生干燥应力而导致变形。

干燥初期，香蕉的体积减少量近似等于脱水的水分量；干燥后期，体积减少量则小于脱水量，表明此时去除的水分量变成了内部孔隙的增加。

（2）生姜的低温吸附干燥过程是一个多因素交互影响和综合作用的过程, 干燥介质参数（温度、相对湿度、风速）和物料尺寸对其低温吸附干燥特性都有影响。

在不破坏营养成分的前提下, 干燥介质温度越高, 相对湿度越低, 流速越大, 物料厚度越小, 干燥速率越大。

在试验范围内, 干燥介质温度对干燥速率的影响最大, 物料厚度次之, 干燥空气的相对湿度和风速的影响最小。

折射窗薄层干燥——“优质、低能耗、高效”RW干燥技术是由美国MCD科技公司于1999年研究开发的一种新的干燥脱水技术，它属于传导、辐射、薄层干燥相结合的干燥方式。

近年来，RW干燥由于在提高干燥速率降低过程能耗，保持果蔬产品品质方面具有独特的优势。

1.原理Refractance Window(RW意为“折射窗"或“偏流窗”) 干燥是一种新的薄层干燥技术，在常压下采用95~97℃热水作为热源，将透明聚酯薄膜覆盖于热水的表面上，湿物料喷涂于聚酯薄膜上，热量通过聚酯薄膜传至湿物料，物料蒸发的水分通过抽风排除，物料与聚酯薄膜分离达到干燥终点。

2.特点由于蒸发和抽风冷却作用，物料温度很少超过75℃，物料干燥后，“红外线窗口"就会关闭，热量只能以传导的方式传送，由于聚酯膜是热的不良导体，干燥样品能够避免过度加热。

RW干燥设备要求所有食品接触的表面均由食品级的材料制成。

3. 独特的优点: RW干燥技术与其他传统干燥方法相比，在保持产品色泽、营养成分、挥发性物质及抑制微生物方面具有明显的优势。

（1）采用循环热水作为热源，改善干燥效率; （2）干燥条件温和，产品温度相对较低，大约维持在70℃;（3）低温和常压条件下操作，能很好地保留产品的色泽和营养成分，减少产品被氧化的程度; （5）干燥时间短约3~5min; （6）可干燥大多数液态物料，无需非糖载体; （6）采用模块化设计，可连续操作; （7）低能源消耗。

4. 相关实验结论（1）物料温度变化曲线显示其在干燥开始时迅速上升至60~75℃，之后随干燥时间渐趋平缓。

物料温度始终比干燥热源温度低，温差在15~25℃之间。

即使风速为零，此温差依然存在，风速的增加可以加大此温差。

在相同的干燥温度和风速下，不同薄层厚度物料的温度差异不明显。

提高风速可以降低物料的温度。

在较高干燥温度下没有观察到典型的恒速干燥阶段。

干燥强度和样品最终含水率分别随着物料薄层厚度的减小，干燥温度提高和风速的增大而增大和降低。

（2）采用黑色聚酯薄膜进行干燥的时间为采用透明聚酯薄膜的干燥时间的2倍，表明RW 干燥过程中50%的脱水是辐射作用导致的。

物料厚度对干燥特性影响比循环水温大。

（3）抽风作用使水分蒸发，是消耗能源的主要过程。

热水可被循环加热利用，所以表现出高能源利用率。

物料厚度及在传送带上铺料是否均匀是影响干燥过程极为关键的因素。

（4）产品在干燥终点时（物料脱离薄膜时）的含水率会因干燥温度的提高而降低。

（5）干燥温度越高、物料薄层厚度越小、风速越大，物料的干燥所需要的时间就越少，干燥的速度越快。

5. 需完善的方面（1）干燥模型的拟合。

（2）RW干燥工艺条件的确定。

（3）动力学模型研究。

（4）食品的加工与贮藏与玻璃态转变温度关系。

6.生产实际运用胡萝卜片越薄，单位体积的表面积增大，与热空气的对流换热面积增大，传热速率增加。

此外，物料厚度降低，会导致内部的传递阻力减小，水分扩散速率增大，最终提高干燥速率。

物料切片厚度过厚或过薄均不利于干燥的最终结果，在研究中宜选用4~8mm 的胡萝卜片进行干燥。

温度过高，胡萝卜干燥品质明显变差，而温度过低，干燥时间过长，降低干燥效率，所以干燥过程中采用50~70℃的干燥温度较好。