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          淺談食品真空冷凍干燥技術

          文介紹了真空冷凍干燥技術的基本原理,綜述了國內外食品冷凍干燥技術的研究狀況和食品冷凍干燥技術的運用情況,探討了國內食品冷凍干燥存在的問題。

            1. 引言

            真空冷凍干燥技術在最近的二十年中取得了長足進展。進入二十一世紀后,隨著人們環保意識、健康意識的進一步加強,必將對消費品的品質提出更高要求。生活節奏的不斷加快,人們對方便快餐食品的需求也將日趨旺盛。所有這些都將有力地推動真空冷凍干燥技術的進一步發展,使其應用規模不斷擴大、應用領域不斷擴展。因此,真空冷凍干燥必將成為二十一世紀的重要應用技術。

            2. 真空冷凍干燥的基本原理

            真空冷凍干燥是將含水物料凍結后,在真空環境下加熱,使物料中水分直接除去,從而使物料脫水獲得凍干制品的過程。真空冷凍干燥屬于物理脫水,了解它應該從水的三相圖開始。

            在低壓下水的相變過程和常壓下大體相似,但相變時的具體溫度不同。例如在103 Pa壓力下,固態冰轉化為液態水的溫度略高于0℃,而液態水轉化為蒸汽的溫度為6.3℃,可見降低壓力后冰點變化不大,而沸點卻大大降低了??梢韵胂?,當壓力降低到某一值時,沸點即與冰點相重合,固態冰就可以不經液態而直接變為氣態,這時的壓力稱為三相點壓力,相應的溫度稱為三相點溫度。

            水的相平衡圖

            水的三種聚集態隨溫度和壓強不同而變化,以壓強為縱坐標,溫度為橫坐標表示水的聚集態,稱為水的相平衡圖。由圖可以看出,OS,OL,OK三條曲線把相圖分成三個區域,即氣相、液相、固相。OS曲線為氣固兩相平衡共存的狀態,這時的水蒸氣壓強為水的飽和蒸汽壓,OL曲線為液固兩相平衡共存的狀態,OK曲線為氣液兩相平衡共存的狀態,K為水的臨界點,K點溫度為374℃,壓強為2.11×107Pa,在此點液態水不存在。O點為三條曲線的交點,即三相點,三相點溫度為0.01℃,三相點壓力為610.5Pa,是水的三相平衡共存的狀態。真空冷凍干燥是在三相點以下進行的。

            3. 凍干食品的特點

            由于真空冷凍干燥在低溫低壓下進行,而且水分不經過液態直接升華,真空冷凍干燥產品可確保食品中蛋白質、維生素等各種營養成份,特別是那些易揮發的熱敏性成份不損失,因而能最大限度地保持原有的營養成份,有效地防止干燥過程中的氧化、營養成份的轉化和狀態變化。冷凍干燥制品成海綿狀、無干縮、復水性極好、食用方便、含水分極少,相應包裝后可在常溫下長時間保存和運輸。因此賦予其產品許多特殊的性能:

            1.脫水比較徹底,有利于長時間貯存。

            2.物料干燥過程在凍結狀態下完成,與其它干燥方法相比,其產品相對于新鮮物料的收縮率要小得多,較好地保存了其原料的組織結構和外觀形態。

            3.不存在表面硬化問題,且內部呈多孔的海綿狀,因而具有優異的復水性。這一性能在即食方便食品中體現出了非常明顯的優勢。

            4.由于干燥過程在很低的溫度下進行,而且基本隔絕了空氣,有效地抑制了熱敏物質的生物的、化學的或物理的變化。充分保存了原料中的營養成份和活性物質,較好地保持了原料的天然色澤和氣味。

            5.減少了產品的含水量,降低了重量,便于運輸。

            4. 食品凍干技術的研究狀況

            4.1 國外的研究狀況

            食品的凍干技術起源于二十世紀三十年代。1930年Flosdorf開始了食品凍干實驗。1940年英國的Fikidd,chvacuum.com提出了用冷凍干燥方法進行食品處理的技術。1961年英國食品部在Aberdeen 實驗工廠開始了食品凍干的研究,他們在綜合了當時各國和自己研究成果的基礎上公布了試驗結果,證明凍干法用于食品是獲得優質食品的一種方法。幾乎在同一時期,美、日、德、荷蘭、丹麥等國家相繼建立了食品凍干加工廠。據不完全統計,1963年美國有食品凍干廠11家,歐洲各國有25家。1965年全球已有凍干食品廠50多家。到1972年, 美國有凍干食品生產廠41家, 歐洲各國49家,日本有13家,凍干食品產量增加也很快,僅從美國統計,1963年凍干食品產量約為5000噸,1970年產量為157000噸,1972年產量為175000噸。八十年代白俄羅斯的斯魯茨克市建成了大型生產線,凍干奶酪,年產量為150噸。1985年日本有25家食品凍干公司。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學和冷凍干燥技術研究所(ICL)主要研究宇航食品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養食品。該研究所目前在世界上排名第三位,僅次于美國和俄羅斯。本文由真空技術網首發。

            美國凍干食品發展最快,在全美方便食品中凍干食品占40%~50% ,在20家生產咖啡和茶的工廠中,就有10家采用凍干法生產。日本目前已有35個凍干食品生產廠家,年產值達13億日元。美、日凍干蔬菜在市場上已占近10%。凍干食品的普及性在一些發達國家已達到相當高的程度。

            凍干理論和工藝的研究正在向著深入和廣泛的方向發展。1967年Sandall等提出了凍干冰界面均勻后移的穩態模型(URIF模型),實驗證明能較好地計算出升華階段所需的時間。1968年Dyer等提出了熱量由擱板通過冷凍層,凍干室內氣體通過已干層以及在輻射條件下的準穩態凍干模型。1979 年Litchield等提出了凍干的吸附—升華模型, 給出了數值解。近年來,研究各種物料在凍干過程中的傳熱傳質特性和凍干工藝方面的文章較多。意大利對凍干蘋果、檸檬和糖的均化混合液加牛奶后脫水理化特性進行研究。德國對天然淀粉、改性淀粉、淀粉果膠等進行理化研究。俄國研究凍干牛肉的熱物性。日本研究膠狀魚粉的凍干。西班牙研究凍干乳酸干。印度研究凍干香蕉粉。捷克研究薄層物料的凍干工藝等等。

            食品凍干設備于1943年出現在丹麥。發展到今天,世界上各個工業發達的國家幾乎都生產了食品用凍干機。從凍干面積上分,有小到0.1m2 的實驗凍干機和大到愈千平方米的生產用凍干機;從干燥倉形狀看有方形、圓形和隧道式;從自動化程度看,可分手動、半自動和全自動;從工作方式看有間歇式、半連續式和連續式;從冷凍方式看, 可分成凍干合一型和凍干分離型兩種。食品凍干設備的生產廠家在世界上較有影響的有丹麥Atlas公司和日本共和真空株式會社。Atlas公司生產的凍干分離型凍干設備,用裝料車整體裝料、凍干和運輸, 可實現半連續生產, 結構合理、節省能源。該公司生產的連續性食品凍干設備適合于大批量食品的凍干生產,性能比較先進。日本是擁有凍干設備最多的國家,凍干設備的干燥面積可達2.3×10 4 m2 。日本共和真空株式會社生產的食品凍干機一般是間歇式的,凍干機周期性工作,食品分批干燥。