冷凍干燥技術(shù).doc

冷凍干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用1.冷凍干燥食品的概念干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。冷凍干燥（Freeze Dry）是一種新型干燥技術(shù)，即在低溫條件下，對(duì)濕物料凍結(jié)，再在較高真度下加熱，使固態(tài)冰升華，脫去物料中的水份，全稱為真空冷凍干燥技術(shù)，簡(jiǎn)稱凍干技術(shù)。采用凍干技術(shù)獲得的食品就叫凍干食品，也叫FD食品。2.冷凍干燥食品的分類和特點(diǎn)2.1凍干食品的分類幾乎所有含水的食品都可以進(jìn)行凍干，但對(duì)某些糖分含或膠質(zhì)含量過高的食品以及共晶點(diǎn)溫度過低的食品，凍干比較困難?？蓛龈傻母黝愂称啡缦拢?.1.1蔬菜類香蔥、大蒜、洋蔥、生姜、辣椒、青椒、胡蘿卜、菠菜菜花、荷蘭豆、蘆筍、豆角、歐芹、西蘭花、食用菌等。2.1.2水果類 蘋果、桃、梨、杏、紅棗、革莓、香蕉、菠蘿、哈密瓜、龍眼、榴蓮、藍(lán)莓、山竹等。2.1.3肉類 牛肉、羊肉、豬肉、雞肉、蛇肉等。2.1.4水產(chǎn)類 魚片、蝦仁、蟹肉、墨魚絲、魷魚、銀魚、海參、干貝等。2.1.5方便食品類 方便面及其輔料、肉丸、湯料，嬰兒食品、軍用食品、宇航食品等。2.1.6速溶飲料類 咖啡、牛奶、豆?jié){、果汁、蜂王漿等。2.1.7調(diào)味品類 果醬、湯料、調(diào)料、香料等。2.1.8其他類茶葉、中藥材動(dòng)物膠蛋白、人參、酶制劑等。12.2凍干食品的特點(diǎn)2.2.1冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，特別適用于熱敏性食品，使其不致變性或失活。特殊風(fēng)味食品中風(fēng)味物質(zhì)損失小，能最大限度地保存食品的色香味。2.2.2冷凍干燥不改變食品的物理結(jié)構(gòu)，化學(xué)變化也很小，干燥后疏松多孔，體積幾乎不變。2.2.3復(fù)水快，食用方便。干燥后的物質(zhì)疏松多孔呈海綿狀，加水溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來的形狀。2.2.4干燥過程真空度高，易氧化物質(zhì)得到保護(hù)。2.2.5凍干食品重量輕體積小，易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。各種凍干蔬菜壓塊后包裝，體積縮小幾十倍，重量減輕十幾倍，包裝倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸成本大大降低。3.冷凍干燥技術(shù)原理3.1水的三相點(diǎn)真空冷凍干燥基本原理是基于水的三相變化。隨著壓力的降低，水的冰點(diǎn)變化不大，而沸點(diǎn)不斷下降，逐漸接近冰點(diǎn)。當(dāng)水的沸點(diǎn)降至與冰點(diǎn)重合時(shí)，氣、液、固三相水共存，此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣壓溫度值稱三相點(diǎn)，純水的三相點(diǎn)為（610.5Pa，0.01）。在三相點(diǎn)溫度和壓力以下，冰由固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，稱之為升華。圖3-1 水的三相圖3.2升華 在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的果蔬中的水分直接以冰態(tài)升華為水蒸氣被除去，從而得到冷凍干燥脫水食品。凍干過程由于升華吸熱，需要在凍干階段補(bǔ)充熱量，通過干燥層不斷傳遞給凍結(jié)部分，在升華界面上，水分子被加熱后沿毛細(xì)孑管進(jìn)入到周圍環(huán)境中被冷凝器捕捉而排除，避免了真空度的降低。在干燥過程中，物料必須處于真空冷凍狀態(tài)，且需維持物料溫度低于三相點(diǎn)溫度。3.3共晶點(diǎn)與共熔點(diǎn)共晶點(diǎn)是指物料溶液析出冰晶體后，水與溶質(zhì)達(dá)到平衡，共晶溶液全部?jī)鼋Y(jié)時(shí)的溫度，是溶液完全凍結(jié)固化的最高溫度。溶液完全凍結(jié)后，隨著溫度上升，開始有冰晶融化的溫度稱為共熔點(diǎn)。凍結(jié)的最終溫度常以物料的共晶點(diǎn)為依據(jù)，必須達(dá)到共晶點(diǎn)以下才能保證物料完全凍結(jié)。干燥過程中的物料，其干燥層溫度必須保持在共熔點(diǎn)以下，否則不能保證水分全部以汽化形式除去。數(shù)據(jù)自張國(guó)治主編速凍機(jī)凍干食品加工技術(shù)表3-1幾種蔬菜的共晶點(diǎn)、共熔點(diǎn)4.一般凍干食品工藝流程及設(shè)備4.1預(yù)處理不同的物料在預(yù)凍和冷凍干燥前要有必要的預(yù)處理，以使之便于加工。水果蔬菜類的物料需要揀選檢測(cè)、清洗、(去皮去核)、切割、熱漂燙和冷卻處理。肉和水產(chǎn)品物料需要檢測(cè)篩選、冷卻排酸熟化、切片（可在預(yù)凍步驟之后）處理，熟食產(chǎn)品（魚香肉絲等中式菜品）需在烹調(diào)后按標(biāo)準(zhǔn)挑取和混均，取樣測(cè)出水分含量以便確定冷凍干燥技術(shù)參數(shù)。蛋白和乳制品需要加入蛋白質(zhì)凍干制品保護(hù)劑，如甘油、山梨醇、雙糖、氨基酸、聚乙二醇、重組蛋白等，以避免凍干過程中凍結(jié)應(yīng)力、干燥應(yīng)力、低溫應(yīng)力等導(dǎo)致的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定化。4.2產(chǎn)品預(yù)凍 產(chǎn)品用適宜的容器分裝，預(yù)先凍結(jié)至共晶點(diǎn)以下，才能進(jìn)入冷凍干燥。預(yù)凍的目的是保護(hù)物料的主要性能不變，生產(chǎn)的凍干制品有合理的結(jié)構(gòu)以有利于水分升華。凍干的物料需配置成10%-15%溶液，采用散裝或瓶裝方式分裝。預(yù)凍可以直接在凍干箱內(nèi)進(jìn)行，也可在箱外進(jìn)行，必要時(shí)用旋凍方法或離心預(yù)凍法縮短預(yù)凍時(shí)間。4.3產(chǎn)品第一階段干燥圖4-1 凍干果蔬制品工藝流程圖12在產(chǎn)品的凍結(jié)冰消失前的升華過程為第一階段干燥，即升華干燥。此時(shí)注意提供適宜速率的熱通量保證升華的進(jìn)行而又不致達(dá)到共熔點(diǎn)以上，溫度過低升華時(shí)間太長(zhǎng)，溫度高于共熔點(diǎn)將發(fā)生產(chǎn)品體積縮小、出現(xiàn)氣泡溶解困難等不良現(xiàn)象。同時(shí)，為排除升華產(chǎn)生的大量水蒸氣，需用相當(dāng)?shù)睦淠鞑东@水蒸氣凝結(jié)后排出，以保持系統(tǒng)內(nèi)的真空度。一般冷凝器-40以下的低溫，可以保證1Pa氣壓。4.4產(chǎn)品第二階段干燥不含凍結(jié)冰的產(chǎn)品尚含有10%的水分，為使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的殘余含水量，必須對(duì)其進(jìn)一步干燥，稱之為解析干燥。此階段可使產(chǎn)品溫度迅速上升至該產(chǎn)品允許最高溫度，（一般是25-40），以利于降低殘余水量并減少解析干燥的時(shí)間。4.5凍干食品的后處理干燥結(jié)束后，對(duì)食品進(jìn)行一個(gè)調(diào)節(jié)過程：解除真空環(huán)境之前，需要穩(wěn)定一段時(shí)間，使使食品中剩余水分和溫度完全均勻。為抑制微生物在消除真空環(huán)境后繼續(xù)滋生，應(yīng)該用干燥、清潔無菌的N2消除真空，出箱時(shí)放入的應(yīng)是無菌干燥空氣。干燥后的產(chǎn)品應(yīng)迅速分裝保存或暫時(shí)保存到干燥柜中，盡快包裝貼標(biāo)，檢測(cè)合格后即成正式產(chǎn)品。4.6凍干設(shè)備及性能指標(biāo)真空冷凍干燥機(jī)由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、干燥及加熱系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，按結(jié)構(gòu)可分為干燥箱、冷凍機(jī)、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。食品凍干設(shè)備一般可分為連續(xù)式和間歇式，各自特點(diǎn)如下表：表4-1連續(xù)式和間歇式冷凍干燥裝置性能比較2001年國(guó)家監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)批準(zhǔn)“食品冷凍干燥設(shè)備”機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10285-2001，主要性能指標(biāo)如下：干燥箱空載極限壓力515Pa；抽空時(shí)間不大于075h；漏氣率從10Pa開始觀測(cè)，觀測(cè)05h，靜態(tài)漏氣率不大于0025Pa m3/S；降溫速率擱板溫度202降至40的時(shí)間應(yīng)不大于2h；抽水器降溫速率從202降至一50的時(shí)間應(yīng)不大于lh；凍干箱內(nèi)板層溫差與板內(nèi)溫差板層溫度控制在2，板內(nèi)溫度為15；捕水器捕水能力應(yīng)不小于10Kg/m2。5我國(guó)凍干食品發(fā)展過程及前景5.1我國(guó)凍干食品業(yè)發(fā)展歷程。我國(guó)凍干食品加工技術(shù)的發(fā)展起步于50年代，開始研究冷凍干燥技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用。進(jìn)入80年代后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，食品工業(yè)得到飛速發(fā)展。國(guó)內(nèi)企業(yè)開始大膽引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)凍干技術(shù)設(shè)備，凍干食品的加工才在我國(guó)逐漸發(fā)展起來。首先是青島第二食品廠率先引進(jìn)日本凍干技術(shù)設(shè)備，生產(chǎn)凍干蔥、凍干姜片，隨后寧夏寒力冰食品有限公司引進(jìn)意大利設(shè)備，廈門佳裕食品有限公司引進(jìn)臺(tái)灣設(shè)備等等。生產(chǎn)出的凍干食品主要出口創(chuàng)匯，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)入90年代，我國(guó)進(jìn)一步深化改革開放，國(guó)內(nèi)豐富的原料市場(chǎng)和充實(shí)的勞動(dòng)力，吸引許多外商到大陸來投資辦廠。由于我國(guó)方便面工業(yè)的大發(fā)展，而其中的調(diào)料均選用凍干食品(如凍干魚蝦、魚版、牛肉、雞肉、香菇、青豆等)，再加上國(guó)外對(duì)凍干食品的需求，都拉動(dòng)了我國(guó)凍干食品的發(fā)展。凍干食品的暢銷和高附加值也刺激了國(guó)內(nèi)科研單位和企業(yè)開始研制生產(chǎn)自己的凍干設(shè)備。廣東、山東、河南、寧夏等地出現(xiàn)了30余家凍干設(shè)備生產(chǎn)廠，少數(shù)設(shè)備的主要性能指標(biāo)(如真空度、冷阱溫度、捕水能力)已接近國(guó)外80年代中期水平。據(jù)報(bào)道我國(guó)近年已成功研制達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的JDG型國(guó)產(chǎn)凍干設(shè)備及配套生產(chǎn)線，可大批量生產(chǎn)凍干食品，這些必將推動(dòng)我國(guó)凍干食品的長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)凍干設(shè)備基本上走的是一條引進(jìn)、吸收、消化的道路。雖然國(guó)產(chǎn)凍干設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備相比還有一定差距，特別是自動(dòng)化技術(shù)遠(yuǎn)不如國(guó)外，但國(guó)產(chǎn)凍干設(shè)備價(jià)格低廉，僅為進(jìn)口設(shè)備15，并隨著技術(shù)的不斷引進(jìn)，國(guó)產(chǎn)凍干設(shè)備也在迎頭趕上，特別是我國(guó)自行研制的100m2-200m2型干燥倉(cāng)投人生產(chǎn)，說明我國(guó)凍干設(shè)備的核心技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)水平。然而隨著中國(guó)即將加入WTO，大批國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的涌人，國(guó)內(nèi)凍干設(shè)備廠家和凍干食品市場(chǎng)必將面臨強(qiáng)大沖擊，而另一方面，我國(guó)凍干食品在國(guó)外供不應(yīng)求，可謂利潤(rùn)豐厚。5.2我國(guó)凍干食品行業(yè)發(fā)展前景凍干食品由于采用當(dāng)今食品加工中的高新加工技術(shù)，使得凍干食品集方便、天然、可保藏性于一體，既保留食物原有的色澤、味道，又最大限度的保留了食物中的天然營(yíng)養(yǎng)成份。國(guó)外凍干食品市場(chǎng)暢銷兩旺也說明了這一點(diǎn)。而就國(guó)內(nèi)來說，我國(guó)有豐富的原料供應(yīng)地，側(cè)如我國(guó)的香菇、草菇、側(cè)耳、術(shù)耳等食用菌年產(chǎn)量達(dá)585萬(wàn)噸，占世界總產(chǎn)量的291。而我國(guó)生產(chǎn)的凍干食品如凍干野菜、蔥、姜、凍干菇、凍干蝦仁等在日本、美國(guó)、德國(guó)市場(chǎng)成為搶手貨。5同時(shí)，應(yīng)該看到凍干技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，使凍干食品具有更廣闊的前景。如為加快升華速度，可利用微波源工作提供熱量。普通加熱方式總是要靠?jī)?nèi)外溫度梯度來傳熱，因此表面溫度高于內(nèi)部溫度，食品物料導(dǎo)熱系數(shù)都很低，傳熱速度很慢。而微