果蔬真空冷凍干燥工藝與技術.doc

果蔬真空冷凍干燥工藝與技術標簽：果蔬真空冷凍干燥工藝技術 上一篇：轉貼果蔬脆片加工要點下一篇：蒸煮包裝袋用材及工藝盤點 由于凍干食品避免了傳統(tǒng)脫水技術方法帶來的變色、變味、營養(yǎng)成分損失大、復水性差等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、營養(yǎng)不變、復水性好、重量輕、可常溫貯藏等優(yōu)點。因此，凍干食品在國際市場的價格是熱風干燥食品46倍，是速凍食品78倍。它在登山、航海、探險、軍隊野戰(zhàn)等特殊場合中具有不可替代的地位，也是宇航員在太空中的主要食品。 凍干食品在一些發(fā)達工業(yè)國家已經(jīng)達到相當高的普及水平，美國、日本凍干食品的比重已達到40%以上。椐有關部門統(tǒng)計，目前，美國每年消費凍干食品500萬t，日本160萬t，法國150萬t，其他國家也很可觀。日本每年約需花1000億日圓進口凍干食品，香港、新加坡和南韓每年進口凍干食品達500億日元。日本、美國及歐洲等每年約需凍干大蒜粉6000t，可見凍干食品的國際市場之大。 隨著我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對食品質量的要求越來越高，特別是對高質量的嬰幼兒食品和保健食品的需求量急劇增加。另外，我國旅游、探險、航海事業(yè)必將有大的發(fā)展，同時高檔餐飲業(yè)的迅速崛起、人們生活節(jié)奏的加快，都對方便即食食品的需求量越來越大。因此，發(fā)展凍干食品具有廣闊的國際、國內市場。 5.7.2凍干食品生產的基本原理 與其它干燥方法一樣，要維持升華干燥的不斷進行，必須滿足兩個基本條件，即熱量的不斷供給和生成蒸汽的不斷排除。在開始階段，如果物料溫度相對較高，升華所需要的潛熱可取自物料本身的顯熱。但隨著升華的進行，物料溫度很快就降到與干燥室蒸汽分壓相平衡的溫度，此時，若沒有外界供熱，升華干燥便停止進行。在外界供熱的情況下，升華所生成的蒸汽如果不及時排除，蒸汽分壓就會升高，物料溫度也隨之升高，當達到物料的凍結點時，物料中的冰晶就會融化，冷凍干燥也就無法進行了。 供給熱量的過程是一個傳熱過程，排除蒸汽的過程是一個傳質的過程，因此，升華干燥過程實質上是一個傳熱、傳質同時進行的過程。自然界中所發(fā)生的任何過程都有驅動力，升華干燥中的傳熱驅動力為熱源與升華界面之間的溫差，而傳質驅動力為升華界面與蒸汽捕集器（或冷阱）之間的蒸汽分壓差。溫差愈大，傳熱速率愈快；蒸汽分壓差愈大，傳質（即蒸汽排除）速率愈快。 凍干時，既要保持產品的優(yōu)良品質，又要取得較快的干燥速率。升華所需要的潛熱必須由熱源通過外界傳熱過程傳送到被干燥物料的表面，然后再通過內部傳熱過程傳送到物料內冰升華的實際發(fā)生處。所產生的水蒸氣必須通過內部傳質過程到達物料的表面，再通過外部傳質過程轉移到蒸汽捕集器（冷阱）中。任何一個過程或幾個過程一起都可能成為干燥過程的“瓶頸”，它取決于凍干設備的設計、操作條件以及被干燥物料的特征。只有同時提高傳熱、傳質效率，增加單位體積凍干物料的表面積，才能取得更快的干燥速率。 在冰晶的升華過程中，每升華1g冰晶約需吸收2822.4J的熱量，假如沒有熱量來源，冰晶升華時將會從制品中吸熱，亦即通過降低制品的溫度來維持升華所必須的熱能，當制品的溫度降低后，其冰晶飽和蒸汽壓亦降低，當降低到與環(huán)境中絕對壓力相等時，升華亦即停止，因此，凍干過程中，必須給制品施加熱能，但是，要在真空環(huán)境中傳輸熱能，也不是一件容易的事情，為此，人們設計出下列種種加熱方式： 接觸傳熱方式 這是一種最簡單的加熱方法，在干燥室內設置可加熱的多層擱板，上面放置裝有被干燥食品的干燥盤。利用干燥盤與擱板接觸傳導加熱。在這種情況下。加熱擱板與干燥盤，干燥盤與干燥食品間不能完全良好地接觸，因此利用這中方法進行加熱時，干燥時間多少較其它方法長些，但其優(yōu)點是干燥是構造簡單，并可充分利用空間。 復式加熱方式 接觸傳導僅加熱食品的一面，而在本法中被干燥的食品兩面都與加熱板接觸，因此傳熱良好而可縮短干燥時間，所采用的方式將被干燥食品在與加熱板接觸前，先以金屬網(wǎng)狀鋁板夾住，以打開升華時水蒸汽的通道并減少其阻力，然后用液壓加上擱板，使之與網(wǎng)狀鋁板接觸，此法優(yōu)點是可縮短干燥時間，但為能與上擱板接觸，擱板必須是活動的，因此必須使用液壓裝置，而導致構造復雜，并降低干燥室的利用率，故設備費用高昂，此外，對非平面而不定形被干燥食品，則有不能充分發(fā)揮效果的缺點。 有釘板加熱方式 這是上述復式加熱方式的變形，此法是利用裝有多枚釘子的2片加熱板將被干燥食品夾在中間以進行加熱，這種方式的加熱接觸面積擴大到被干燥食品的內部，因而能有效地進行熱供給，利用此方式，干燥時間可大幅度縮短，這正是被希望的方式，但相反的是，大量處理被干燥食品時，干燥前與干燥后的操作繁雜，需要人力與時間，另外還涉及衛(wèi)生的問題，因此在實用規(guī)模裝置上幾乎都不采用。 輻射加熱方式 此種方式是將被加熱干燥的食品置于干燥盤或干燥網(wǎng)上，然后插入兩片加熱板之間，使之不與加熱板接觸，而由加熱板輻射來供給熱量，因此加熱板可加熱到容許溫度以上的高溫，而被干燥食品的溫度則保持在容許溫度之內，這樣可以縮短干燥時間，且被干燥食品的形狀若不是定型時也不會有所防礙。干燥前后的操作也很容易，特別是在大型連續(xù)干燥裝置中更加有效，已經(jīng)設計出適當?shù)目刂品绞?，并提高加熱板的輻射能轉換效率，其干燥時間已縮短至可以與復式加熱相匹敵的程度，因此，該加熱方式已演變成凍干食品設備的基本形式。 微波加熱方式 微波照射能使不同形狀的食品內外都得到加熱，大大縮短干燥時間（約10%20%）。此外，干燥室的利用率也較高。盡管微波加熱具有明顯的優(yōu)點，但是到目前為止還沒有在工業(yè)上成功的例子。這是因為產生微波形式的能量是昂貴的，其費用為蒸汽費用的1020倍。另外，微波加熱過程很難控制。如果供熱量有余，會導致升華界面有少量冰融化，而水的介電常數(shù)比冰的介電常數(shù)大得多，水將吸收更多的熱量使溫度升高而使更多的冰融化，最終導致干燥失敗。 紅外線加熱 在干燥室安裝紅外線發(fā)生器產生紅外線輻射。但由于其維持費用相當高，故很少應用于冷凍干燥食品方面。 綜上所述，各種加熱方法各有其特點。人們在不斷認識凍干過程本質的基礎上，探索出了多種加熱、輻射的組合，如傳導-輻射加熱法、傳導-微波加熱法、輻射-微波加熱法等。其目的都是期望能在保證產品質量的前提下，提高干燥速率，降低能耗。 5.7.3凍干食品的生產設備 5.7.3.1主要設備 凍干食品生產最主要的設備為食品用真空冷凍干燥機組，該機組的性能，能耗和操作自動化程度的高低決定了凍干食品生產企業(yè)的技術水平的高低，食品用凍干機分間歇式和連續(xù)式。連續(xù)式機組在國內企業(yè)尚屬少見。間歇式凍干機由干燥箱體、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等5部分組成。 干燥箱體 有圓筒形及方形兩種主要的形式，各有優(yōu)點，圓筒形制造容易，但無法利用的空間多；方形則相反，空間利用率高，但制造較困難。 加熱系統(tǒng) 大多數(shù)采用輻射傳熱，輻射板由陽極電鍍鋁制成，導熱介質有導熱油，飽和水、二次蒸汽，有機溶劑如丙二醇、甘油等，熱源均系用高壓水蒸汽。 真空系統(tǒng) 采用機械真空泵，有羅茨泵油封泵及羅茨泵羅茨泵大氣噴射水環(huán)泵兩種，兩者主要區(qū)別是前者不能抽水蒸汽，因此對冷阱效率要求較高，優(yōu)點是能耗小，后者則正好相反，能抽吸少量水蒸汽，缺點是能耗較大。 制冷系統(tǒng) 由制冷機組與冷卻排管構成，作水蒸汽捕集器（亦稱冷阱）依其與輻射板組件的相對位置，有如下幾種形式：底置式：放置在輻射板組件的底部；側置式：放置在輻射板組件的兩側；后置式：放置在輻射板組件的后面；另置式：放置在輻射板組件不在同一容器內，另外一個容器放置，兩容器之間有一個短而粗的管件連接。 控制系統(tǒng) 有手動控制及自動控制兩大類，自動控制又分儀表自動控制與PLC可編程序控制兩類。以PLC可編程序控制最先進，現(xiàn)在已有專用的凍干程序控制儀問世，是在PLC基礎上按凍干要求而設計的，能自動完成凍干過程中復雜的控制操作，并且有貯存數(shù)據(jù)的功能。 國外著名的凍干設備生產廠家有丹麥阿特拉斯工業(yè)公司（ATLAS）、日本真空技術株式會社（ULVAC）、美國奧特公司（Virtis）、英國愛德華公司（Edwards）、日本共和真空技術株式會社（KYOWAC）等設備制造商；臺灣也有多家凍干設備生產廠，但良秀不齊，有些是低劣產品。 國內有名的凍干設備生產廠家有中國科學院蘭州物理研究所研制的ZDG型、清華大學核能技術設計研究所研制的DHFD型、深圳萬寶真空保鮮設備公司生產的DF型、廣州長城制冷工業(yè)設備廠生產的SZDG型、中國航天工業(yè)總公司沈陽新陽速凍設備制造公司生產的LG型等食品凍干設備。 5.7.3.2簡易凍干食品生產線的配置 前處理設備有： 多用切片機 1臺，生產能力200500kg/h，國產的即可，如有條件，可購買臺灣、日本、美國產的切片機，以美國厄舍公司的最為先進。 冷卻槽 殺青后的冷卻槽可用清洗槽代替，簡易生產線通常因自來水冷卻瀝水可選用振蕩瀝水機，如有條件，最好選用離心機。 速凍庫 速凍庫的配置與凍干機的處理能力相適應，以日班生產配料，滿足23班凍干為宜。冷源最好單獨或半單獨設置（低壓循環(huán)部分獨立）以防止在速凍庫熱負荷較大時，影響到正在凍干過程中的冷阱溫度。 凍干車間 凍干車間是凍干食品生產的關鍵工序，它的設置同時要考慮到產品質量受影響的程度，一般速凍庫與凍干箱門之間的距離越短越好，并且此通道最好專用，僅作為物流通道，而不兼作人流通道，凍干箱門端與凍干機其它部分及設備最好隔開，以減少環(huán)境對半成品的污染。 卸料與包裝間 卸料與包裝間應密閉，地面至少要用水磨石加打蠟，墻體要用白瓷磚貼至1.5m高，以上部分要刷白色防水涂料，此車間須裝設空調除濕設備，空調制冷可與冷庫系統(tǒng)合用，除濕設備宜選用轉輪式除濕機，以利降低除濕成本，車間最好無窗戶，門盡可能密閉，最好采用無塵凈化室專用的密封門，并要有換氣、消毒、滅菌等設施。 包裝時一般要有不銹鋼工作臺，抽真空充氮封口機，抽真空設備宜選用水環(huán)式真空泵，抽速約20L/s，充氮氣源為工業(yè)用氮氣，經(jīng)減壓過濾充入即可。 5.7.3.3現(xiàn)代化流水生產線配置 現(xiàn)代化流水生產線與簡易生產線相比，僅在前處理增加了清洗、去皮、殺毒、冷卻、輸送等自動化機械設備，以減少前處理中手工作業(yè)量，因清洗、去皮等操作中沒有標準化通用設備，在此不作詳述，其它與簡易生產線相同。 5.7.4凍干果蔬的生產工藝 工藝流程 原料選擇整理預凍結升華干燥后處理包裝、貯藏。 操作要點 預處理 一般預處理是指升華干燥前的所有處理，所以干燥前凍結也屬于預處理。原料預處理和常規(guī)的果蔬干燥及果蔬速凍制品相同，如需進行挑選、清洗、去皮、切分、燙漂、冷卻等處理，具體操作參見本書有關內容，在此不作詳述。在進行果汁或蔬菜汁凍干時，則先用較低廉的加工方法預先將其濃縮，后在預凍結時將產品變成粒狀。 預凍結是把經(jīng)前處理后的原料進行冷凍處理（有關冷凍工藝及設備參見本書“9.果蔬速凍”），它是凍干的重要工序。由于果蔬在冷凍過程中會發(fā)生一系列復雜的生物化學及物理化學變化，因此預凍的好壞將直接影響到凍干果蔬質量。冷凍過程中重點考慮的是被凍結物料的凍結速率對其質量和干燥時間的影響。速凍與慢凍有以下差別：速凍產生的冰晶較小，慢凍產生的冰晶較大；大的冰晶有利于升華，小的冰晶不利于升華；小的冰晶對細胞的影響較小，冰晶越小，干燥后越能反映出產品原來的組織結構和性能。但凍結速率高，所需的能耗也高。應綜合考慮，選擇一個最優(yōu)的凍結速率，在保證凍干食品質量的同時，使所需的冷凍能耗最低。 升華干燥 是凍干食品生產過程中的核心工藝。要控制好工藝條件： 裝載量 干燥時，凍干機的濕重裝載量即單位面積干燥板上被干燥的質量，是決定干燥時間的重要因素。被干燥食品的厚度也是影響干燥時間的因素。 冷凍干燥時，物料的干燥是由外層向內層推進，因此，被干燥物料較厚時，需要較長的干燥時間。在實際干燥時，被干燥物料均被切成1530mm的均一厚度。單位面積干燥板所應裝載的物料量，應根據(jù)加熱方式及干燥食品的各類而定。在采用工業(yè)化大規(guī)模裝置進行干燥時，若干燥周期為68h，則干燥板物料裝載量為515kg/m2。 干燥溫度 冷凍干燥時，為能縮短干燥時間，必須有效地供給冰晶升華所需要的熱量，因此設計出各種實用的加熱方式。干燥溫度必須是控制在以不引起被干燥物料中冰晶融解、已干燥部分不會因過熱而引起熱變性的范圍內。因此，在單一加熱方式中，干燥板的溫度在升華旺盛的干燥初期應控制在7080，干燥中期在60，干燥后期在4050。 干燥終點的判斷 干燥終點可用下列指征來判定：物料溫度與加熱板溫度基本趨于一致并保持一段時間；泵組（或冷阱）真空計與干燥室真空計趨于一致，并保持一段時間；干燥室真空計冷阱溫度基本上回復到設備空載時的指標并保持一段時間；對有大蝶閥的凍干機，可關閉大蝶閥，真空機基本不下降或下降很少。以上4個判定依據(jù)，即可單獨使用，亦可組合或聯(lián)合使用。 后處理 后處理包括卸料，半成品選別，包裝等工序。 凍干結速后，往干燥室內注入氮氣或干燥空氣破除真空，然后立即移出物料在一個相對濕度50%以下，溫度2225，塵埃少的密閉環(huán)境中卸料，并在相同的環(huán)境中進行半成品的選別及包裝。因為凍干后的物料具有龐大的表面積，吸濕性非常強，因此需要在一個較為干燥的環(huán)境下，完成這些工序的操作。 包裝與貯存 食品凍干后具有龐大的表面積，食品中的一些成分直接裸露到空氣中，易接觸到空氣中的氧及吸附水分，從而導致凍干食品的逐漸變質。其次，大多數(shù)凍干食品均具有天然色澤，這些天然色素易在光照下降解。在氧化作用及色素降解過程中，溫度也是一個影響此類化學反應的重要因素。因此，凍干食品的包裝主要考慮如何防止或減輕上述4個因素的影響。 凍干食品所具有的多孔海綿狀結構，既有其有利的一面，也有其不利的一面：一是產品一旦暴露于空氣中容易吸濕和氧化降質，所以，凍干食品應抽真空包裝，最好充氮包裝；二是凍干食品所占體積相對較大，不利于包裝、運輸、銷售，因此凍干食品常被壓縮后包裝。此外，多孔疏松狀結構使得凍干食品在運輸、銷售途中極易破碎，因此，對于那些不便壓縮包裝的凍干食品，應具有一定保護作用的包裝材料或包裝形式。 凍干食品常用的包裝材料為PE袋及復合鋁鉑袋，PE袋常用作大包裝用，復合鋁鉑袋常用作小包裝用，外包裝通常都選用牛皮瓦楞紙板箱，其大小符合集裝箱運輸之需要，用PE袋作內包裝時，為強化其隔絕氧、水、汽的作用，常用雙層，必要時，還可采用鐵罐包裝，但價格較高，應用不很普遍。不論采用何種包裝材料，均需采用抽真空充氮，并添加除氧劑及干燥劑。 凍干食品應貯存在陰涼、干燥處，如有條件，最好放置在低溫低濕的環(huán)境中，保質期通常為12年，采用鐵罐包裝時可適當延長。 5.7.5凍干食品的質量標準 凍干食品的質量要求較為嚴格，質量檢驗時，抽樣率占每批總數(shù)的10%（客戶有特需要求除外）每件隨機抽取小樣，混勻后作待檢樣品，由于凍干食品目前尚無國家標準，亦無可參照的國際標準，下述檢驗項目均為行業(yè)推薦指標，大致如下： 感官指標 色澤：應有該品種原料的色澤。 香味：應有該品種的香味（或熟制后的香味）。 粒度：指規(guī)格，依客戶要求而定，其中粉末2%。 水分 5% 夾雜物 不得檢出（指非原料或其裂解物）。 微生物 細菌總數(shù)500個g；大腸菌群10個100g；致病菌：不得檢出，或依客戶要求另定。 重金屬 砷（以As計）1.0mgkg；鉛（以Pb計）2.0mgkg；銅（以Cu計）60mgkg。 裝量 不低于標示量。 包裝材料 依客戶要求而定。 5.7.6凍干食品生產質量控制 凍干食品作為高檔食品，絕大部分均出口往發(fā)達國家或地區(qū)，由于這些國家或地區(qū)都普遍實行了食品“GMP”標準，因此，外商對其質量要求極為嚴格，不僅對產品質量有嚴格的要求，而且要對廠家進行實地考察，往往要求至少關鍵工序要達到標準。 GMP的指導思想：產品質量是在生產過程中制造出來的，而不是在檢驗中檢測出來的，因此，在實施過程中它要求要以合格、稱職的技術人員，對員工進行反復不斷的培訓，使他們始終明白GMP對他的工作崗位的具體要求，此外，它對工廠的硬件也有具體的要求，筆者結合自己的工作經(jīng)驗，把凍干食品生產質量控制措施歸納如下： 廠房 凍干食品生產企業(yè)必須有整潔的生產環(huán)境，生產區(qū)周圍應無污染源，空氣場地、水質應符合食品衛(wèi)生要求，生產區(qū)內及周圍應無露土地面，并增加綠化面積。 廠區(qū)應接行政、生活、生產、輔助系統(tǒng)劃分布局。行政、生活與生產區(qū)應相距一定距離、生產廠房按產品工藝特點要求會理布局，間距適當，無交叉污染，在同一廠房及領近廠房進行的各項操作，不得相互妨礙。 廠房內必須足夠的空間和場所，能整齊，合理地安置設備和物料，按照工藝要求，工序銜接合理，人流，物流分開，防止不同品種相互混淆，交叉污染和遺漏生產，檢驗步驟。 廠房內應具備適當?shù)恼彰?，取暖及通風設備，必要時需要空調設備，使室內保持適當?shù)臏囟群蜐穸取Ｕ彰?、采暖設備及各種管通與生產車間的空間隔離。 廠房應能防止動物和昆蟲進去，其內部表面應光滑少縫隙，不得脫蕩或吸附顆粒性粉塵。 廠房必須按生產工藝和質量要求，劃分等級，一般生產區(qū)（指無菌落數(shù)要求的生產車間、房間等），控制區(qū)（指對菌落數(shù)有一定要求的生產車間及輔助房間），并應采取相應的保證措施。 控制區(qū)車間內墻、平頂和地坪要材質堅硬，平整光滑少縫隙，無顆粒性物質脫落，易清洗，易消毒，有外窗的房間，其窗應密封，門要求光滑，造型簡單，關閉嚴密，開啟方向應朝向衛(wèi)生程度高的房間。進入控制區(qū)內的空氣須經(jīng)初效、中效過濾，最好還須經(jīng)高效過濾，室內溫度、濕度應符合工藝要求，一般應保持12Pa的正壓，并在合適的地方裝設紫外燈。 操作人員應須經(jīng)更衣后，經(jīng)緩沖室方能進入生產控制區(qū)，生產控制區(qū)的服裝至少須采用無扣白大褂，最好選用無塵工作服。 進入生產控制區(qū)的物料和工具，應通過緩沖室清潔，消毒后才能進入。 設備 生產設備須與所生產食品相適應，并按工藝流程合理布局，便于操作，拆卸清洗、消毒及滅菌。 設備及管道的材質應與物料不起化學反應，凡食品直接接觸的設備表面均需光潔、平整、易清洗、耐腐蝕、不吸附，不污染所加工的物料。 設備的轉動及管道系統(tǒng)要密封良好，防止?jié)櫥?、冷卻劑等對食品的污染。 所有設備均要造冊登記，主要設備（儀器）應建立檔案資料，其主要內容有：原始技術資料（包括設備使用維修說明書原件）、設備裝配總圖、施工圖、零件、易損件、備件清單，檢修、維護保養(yǎng)和事故記錄等。 用于生產和檢驗的儀器、衡器、量具等應經(jīng)計量檢定，并作定期檢查，凡精度不能保證產品質量的儀表、儀器、衡器、量具不得用于生產和檢驗。 設備使用、檢修人員應了解設備的原理、結構、材質、性能與用途、切實做到會使用、維修、保養(yǎng)，會排除故障。 生產過程中產品質量的關鍵控制點（以小香蔥生產為例） 原料的新鮮程度要有專人檢查，并作相應的記錄，如有異常情況應及時處理。 分檢工序是控制夾雜物的關鍵工序，應嚴格把關，任何夾雜物均不得流入下一道工序，同時須將不合格的原料剔除。 清洗工序的重點是洗去泥沙，但不能泡水太久，因為蔥的吸水能力是較大的，吸水太多時要用離心機甩去過多的水分。 切段時應注意蔥段的尺寸應在允許的誤差范圍內。 鋪盤工序最好在控制區(qū)內進行，以使微生物含量不至于超標，且鋪盤時計量必須準確，表面須刮平整，否則易造成欠干。 預凍結要盡快降溫凍結，當多個物料中心溫度達18以下后，維持0.5h即可，以減少能耗，也不必將物料溫度降得太底。 凍干工序應遵照凍干曲線進行，當凍干機出現(xiàn)異常情況時要盡可能保住產品不至于溶化，關鍵是想辦法維持升華條件，切去熱源。 卸料及半成品分檢、包裝工序，要方止微生物污染、吸潮、要特別注意操作人員著裝，環(huán)境的濕度、溫度及室內衛(wèi)生。 5.7.7凍干果蔬生產實例 5.7.7.1小香蔥 工藝流程 原料分檢清洗切段鋪盤預凍結凍干卸料半成品分檢包裝入庫。 操作要點 原料 要求新鮮，無病害、無枯黃葉、無損傷，色澤青綠。 分檢 按原料驗收方法將合格的原料挑選出來，注意剔