食品冷冻干燥工艺及设备a

食品冷冻干燥工艺及设备作者：周斌摘要：干燥是食品保藏的重要手段，也是一项重要的食品加工技术。

通过干燥技术将食品中的大部分水分除去，达到降低水分活度、抑制微生物的生长和繁殖、延长食品贮藏期的目的。

食品冷冻干燥也称真空冷冻干燥，它是将物料冻结到共晶点温度一下，在真空条件下，通过升华除去物料中水分的一种适合热敏物质的干燥方法，理想冷冻干燥后的物质，其物理，化学和生物性状基本不变。

真空冷冻干燥技术是一门跨学科的复杂技术，它需要真空、制冷、流体、生物工程、传热传质和自动控制等方面知识，它的发展推动着交叉学科的进步。

关键词：干燥；加工；冷冻；温度；技术Freeze-drying of food technology and equipmentName:zhou binAbstract：Drying is an important means of food preservation,is also an important food processing technology.Drying technology by most of the water to remove food, To reduce water activity, inhibit microbial growth and reproduction, the purpose of extended storage period of food,Freeze-dried foods, also known as vacuum freeze drying,It is the material point of freezing to the eutectic temperature of about,In vacuum conditions, through the sublimation of water to remove the material substance of a thermal drying method for,Ideal freeze-dried material, its physical, chemical and biological characteristics remain basically unchanged,V acuum freeze-drying technology is a complex interdisciplinary technology,It requires a vacuum, refrigeration, fluid, biological engineering, heat and mass transfer and automatic control knowledge,It promotes the development of cross-disciplinary progress.Key words:Drying;Processing;Frozen;Temperature;Technology前言：我国是一个农业生产及食品加工大国，但由于我国产地交通不便和加工技术落后，粮食及农产品产后损失超过30%，在经济上造成巨大的损失，因此，在粮食、蔬菜、水果的采后进行干燥处理具有十分重要的意义，食品干燥的目的主要有三个：①延长储藏期。

经干燥的食品，其水分活性较低，有利于在室温条件下长期保存，以延长食品的市场供给期，平衡产销高峰。

②用于某些食品加工过程以改善加工品质。

③便于商品流通。

干制食品重量减轻，容积缩小，可以显著的节省包装、储藏和运输费用，并且便于携带和储运，实际上干燥操作已经渗透到各种食品的加工环节中，成为食品加工操作的主要单元操作。

食品的状态非常复杂，按被干燥的食品物料的状态可分为：①粉状食品物料。

主要包括：各种淀粉、米粉、鱼粉、调味品粉、各种氨基酸和食品添加剂等。

②片、条、块、颗粒状食品物料。

主要包括：粮食，油料，蔬菜，水果，茶叶，饼干。

③浆状食品物料。

按照被干燥的食品物料的物理化学性质可分为：①液态食品。

包括溶液、胶体溶液和非相态食品。

②湿固态食品。

干燥时一种古老的操作，发展至今依然受到全球各国科研人员的关注，科研人员也继续进行相关方面的研究。

受关注的原因就表现在干燥工艺的复杂性，其复杂性的表现还有其他的一些方面，干燥时间的的显著差异，例如从数秒到数月，干燥过程中包含的物理变化，如：收缩、膨胀、变形、结晶、软化和玻璃化转变等，其中也包括化学变化，干燥过程中传热传质过程的变化，干燥所需热量输入方式的不同，例如连续的、间歇、同时的和按序的。

干燥的高能消耗也是一个受关注的重要方面。

大部分干燥装置的热效应在30%~70%。

另一个值得关注的方面是大部分干燥设备生产商仅仅停留在制造方面，而没有涉及干燥系统或者工艺设计，更谈不上优化设计；不少企业制造的干燥装置依然是老旧样式与结构。

无论采用那一种方法，将热量传递给食品并促使食品组织中水分向外转移时食品干燥的基本过程。

因此食品干燥过程中即有热的传递也有质的外移，为此，湿热的转移就是食品干燥的核心问题。

1.1、水的相平衡状态物质有固、液、气三种聚集状态。

物质的每一种聚集状态只可能在一定的外部条件下，即在一定的温度、压强范围内存在。

水的三种聚集状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，就是水的相平衡图。

升华是物质从固态不经液态而直接转变为气态的现象。

由图可知，只有压力低于三相点压力以下，升华才有可能发生。

冷冻升华干燥即基于此原理。

当压力高于三相点压力时，固态转变为气态必须经过液态方能达成。

随着物质聚集态的变化，由于相内分子的重新排列要消耗能量，故需要放出或吸收相变潜热。

因此，物质聚集态态的变化是根据物质的物理性质，以及由一态转变为另一态时的转换条件，而在一定的温度下进行的。

在转变过程中，这种相变潜热称为升华热。

1.2、物料中水分结合形式从干燥的特点看，根据空气相对湿度及物料湿含量的大小可分别定义为：结合水分和非结合水分。

结合水分，包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。

这种水分由于结合力量，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分比较困难。

食品中的结合水的大多数是由于食品中的水分与食品中的蛋白质、淀粉、果胶等物质的羧基、羟基、氨基、亚氨基等亲水性基团或水中无机离子的键合或偶极作用产生的。

非结合水，包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分，较大孔隙中的水分等。

物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压相同，，因此，干燥过程中除去非结合水分较容易。

1.3、物料中水分子的冻结在食品冷冻干燥的过程中，涉及到物料中水分子的的冻结，纯水结冰时，水分子或分子群析出在固相冰之上，这时要发生体积变化，通常体积要增加9%。

纯水结冰时的温度随条件的变化而不同，若事先有冰的晶核存在，结冰过程在略低于0℃，（常压下）下即开始进行。

但是，若无晶核存在，则在冻结之到达之前须先冷却至—39℃。

对于含有杂质的普通水，发生冻结的温度范围为—6～—25℃。

物料冷冻时，组织的细胞可能要受到破坏，且细胞的破坏也与冷却速度有关。

冷却速度影响生物细胞破坏表现为两种现象：⑴机械效应，这是细胞内部冰晶生长的结果。

当细胞悬浮液缓慢冷却时，冰晶开始出现于细胞外部的介质，于是细胞逐渐脱水。

而当快速冷却时，情况与此相反，细胞内发生结晶。

这时，如果冷却非常急速，则形成的晶体可能极小，如果是超速冷却，则出现细胞内水分的玻璃体化现象。

⑵溶质效应，在冷却初期，细胞外的冻结产生细胞间液体的浓缩，随之产生强电解质和其他溶质增浓，细胞内对离子的渗透性增加，因而细胞外离子便进入细胞，改变细胞内外的PH值。

由此可见，无聊的冻结，起主要作用的过程是两方面：一方面是冰晶的成长；另一方面是细胞液间液体的浓缩。

在这两方面，凡能促进物料组织中无定形相态生长并使之稳定的条件，都对细胞免受破坏有利。

但是，无定形相态的出现，对物料组织的干燥又不是不利的。

在物料冻结的过程中，所形成的冰晶类型主要取决于冷却速度、冷却温度以及物料浓度。

在0℃附近开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时还会出现若干副轴，所有冰晶连接起来，在溶液中形成一个网络结构。

随着过冷度的增加，冰晶将逐渐丧失容易辨认的六角对称形式，加之成核数多，冻结速度快，可能形成一种不规则的树枝型，它们有任意数目的轴向柱状体，而不像六方晶型那样只有六条。

最高冷却速度时获得渐消球晶，它是一种初始的或不完全的球状结晶，通过重结晶可以再完成其结晶过程。

物料的结晶型对冷冻干燥速率有着直接的影响，冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸气的溢出通道，大而连续的六方晶体升华后形成的空隙通道大，水蒸气溢出的阻力小，因而制品干燥的速度快；反之，树枝形和不连续的球状冰晶通道小或不连续，水蒸气靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度慢。

因此仅从干燥速率来说，慢冻为好。

2.1、冷冻干燥的中的传质传热冷冻干燥是物料中水分从固相向气相升华转移的操作。

这种操作只有在冰晶升华表面的蒸汽压和温度低于三相点时，才能达到。

理论上如平衡存在，则含冰晶食品所有水分的蒸汽压必须等于此冰晶的蒸汽压。

但研究证明，部分冻结的食品，其水分蒸汽压低于同温度冰的蒸汽压。

在理想情况下，物料升华干燥时冻结层与已干层之间有明显的界面。

从冻结层到已干燥层的界面上，水分含量有突然的下降。

并且已干燥层的水分含量主要取决于此层与外围蒸汽压的平衡。

实际上，这种理想状态并不存在，在冻结层与已干燥层之间应存在一过度层。

在此层内，并无冰晶存在，但水分含量仍明显高于已干燥层的物料最终水分含量。

另外，在已干燥层，多少还存在着湿度梯度，。

关于过度层，深入的研究证明，此层较薄，在工程分析上取其厚度为零，误差也不大。

2.11、理想条件下冷冻干燥中的传质传热进行冷冻干燥的必要条件是：一方面提供冰晶升华所需的升华潜热；另一方面应及时将升华出来的水蒸气除去。

所以，冷冻干燥的的升华速率一方面取决于提供给升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过干燥层逸出水蒸气的快慢。

若提供给的热量不足，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低；若逸出的水蒸气少于升华的水蒸气，多余的水蒸气聚集在升华界面使其压力增高，升华温度提高，最终可能导致制品融化。

3.1、冷冻干燥的产品前处理根据原料品种不同，可将其处理成液态、糊状或小块固体。

防止变质处理随原料品种而异。

对于植物性食品特别是蔬菜、果实等，由于其中含有多酚氧化物、过氧化物等，找保存中将引起褐变，因而应进行支化处理。