食品中高新技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 冷凍濃縮技術(shù)的應(yīng)用摘要：闡述了冷凍濃縮原理，介紹了國內(nèi)外冷凍濃縮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：冷凍濃縮 應(yīng)用現(xiàn)狀 因素近幾年來，隨著人類對自身健康的關(guān)注及生活水平的提高，高品質(zhì)、高附加值產(chǎn)品日益增加，高檔飲料、果汁、生物制藥等也逐漸成為人們?nèi)粘ＯM的主體。與此同時，食品的加工技術(shù)與方法也需要進(jìn)行相應(yīng)的改變與調(diào)整，以使加工過程中食品原料中含有的營養(yǎng)成分與風(fēng)味物質(zhì)等得到最大限度的保護(hù)。冷凍濃縮由于在低溫下操作,具有可阻止不良化學(xué)變化和生物化學(xué)變化及風(fēng)味、香氣和營養(yǎng)損失小等優(yōu)點，特別適用于濃縮熱敏性液態(tài)食品、生物制藥、要求保留天然色香味的高檔飲品及中藥湯

2、劑等。隨著社會對高檔產(chǎn)品需求量的增加,冷凍濃縮技術(shù)將進(jìn)一步顯示出其優(yōu)越性及必要性。因此,開展冷凍濃縮技術(shù)的研究及應(yīng)用，對推動傳統(tǒng)工藝技術(shù)的進(jìn)步和提高濃縮汁產(chǎn)品品質(zhì)均具有重要意義。在此就國內(nèi)外學(xué)者的近期研究成果進(jìn)行介紹。1 冷凍濃縮的理論基礎(chǔ)稀溶液的相圖如圖1所示，橫坐標(biāo)表示溶液的濃度X ,縱坐標(biāo)表示溶液的溫度T。曲線DABCE是溶液的冰點線，D點是純水的冰點，E是低共溶點。當(dāng)溶液的濃度增加時，其冰點是下降的(在一定的濃度范圍內(nèi))。TDFCEBXX2X1AA1圖1 冷凍濃縮的相平衡圖某一稀溶液起始濃度為X1 , 溫度在A1 點。對該溶液進(jìn)行冷卻降溫, 當(dāng)溫度降到冰點線A 點時， 如果溶液中無“冰

3、種”，則溶液并不會結(jié)冰，其溫度將繼續(xù)下降至C 點，變成過冷液體。過冷液體是不穩(wěn)定液體，受到外界干擾(如振動) ，溶液中會產(chǎn)生大量的冰晶，并成長變大。此時，溶液的濃度增大為X2 ，冰晶的濃度為0 (即純水) 。如果把溶液中的冰粒過濾出來, 即可達(dá)到濃縮目的。這個操作即為冷凍濃縮。設(shè)原溶液總量為M ，冰晶量為G ，濃縮液為P，根據(jù)溶質(zhì)的物料平衡，有：( G + P) X1 = PX2或上式表明，冰晶量與濃縮液量之比等于線段BC 與線段FC 長度之比，這個關(guān)系符合化學(xué)工程精餾分離的“杠桿法則”。根據(jù)上述關(guān)系式可計算冷凍濃縮的結(jié)冰量。 當(dāng)溶液的濃度大于低共溶點濃度XE 時，如果冷卻溶液，析出的是溶質(zhì)，

4、使溶液變稀，這即是傳統(tǒng)的結(jié)晶操作，所以冷凍濃縮工藝與結(jié)晶工藝是相反的。要應(yīng)用冷凍濃縮, 溶液必須較稀, 其濃度須小于低共溶點濃度XE。2 冷凍濃縮技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2.1 國外發(fā)展概況 自上世紀(jì)50 年代末學(xué)者們開始關(guān)注冷凍濃縮這一工藝以來, 人類對冷凍濃縮技術(shù)的研究已有較長的歷史。荷蘭Eindhoven大學(xué)Thijssen1等在70 年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應(yīng)設(shè)置了再結(jié)晶過程造大冰晶,并建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數(shù)學(xué)模型, 從此冷凍濃縮技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。依此制造的Grenco 冷凍濃縮設(shè)備在食品工業(yè)中用于果汁、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的濃縮, 得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。

5、隨著眾多學(xué)者的深入研究及實驗設(shè)備的不斷改進(jìn), 近年來有關(guān)冷凍濃縮技術(shù)的研究成果時常見諸報道。Shirai 等為降低成本在采用懸浮結(jié)晶冷凍法時將小冰晶凝聚成為大冰晶來減小單位體積冰晶的表面積。研究者以10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的葡萄糖溶液做試料, 在0.212K 的過冷卻度下, 添加占溶液總量6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù))的種晶,經(jīng)7h 凝聚成直徑為0.77mm2.85mm 的大冰晶。他們還將此方法用于海水淡化及燒酒廢液處理等方面。Marino Rodriguez 等2對比研究了反滲透法和冷凍濃縮法在從廢水中去除戊酸中的應(yīng)用, 兩種操作方法的經(jīng)濟(jì)運算結(jié)果表明冷凍濃縮法的能耗雖是反滲透的五倍, 但卻正好折中了反滲透中所

6、用膜的代價。 F.A. Ramos 等3將冷凍濃縮技術(shù)應(yīng)用于一種生長于安第斯山脈的漿果, 發(fā)現(xiàn)此技術(shù)并未改變其果肉的色澤及pH 值, 并明顯降低了揮發(fā)性物質(zhì)的損失量, 且很好地保留了漿果獨特的香味。 Osato Miyawaki 等4將管式結(jié)冰漸進(jìn)式冷凍濃縮系統(tǒng)應(yīng)用于咖啡萃取物可其溶液濃縮至30%, 含果肉的番茄汁可濃縮至12.5%, 而將夾帶有5%果肉的冰相溶解再次經(jīng)過管狀結(jié)冰器濃縮后所得冰相的濃度低至0.25%, 如果事先將果肉去除, 則番茄汁可濃縮至40%, 蔗糖水溶液可由41.8%濃縮至54.8%,且濃縮效果非常好。 Durward Smith 等5采用小型簡單裝置對蘋果汁進(jìn)行了冷凍濃

7、縮工藝的研究, 試驗表明冷凍濃縮技術(shù)很好地保留了果汁中揮發(fā)性物質(zhì)的香氣成分, 濃縮效果比冷凍干燥包括在內(nèi)的任何其他濃縮技術(shù)都要好。 Milind V. Rane 對甘蔗汁進(jìn)行冷凍濃縮時, 在原有設(shè)備基礎(chǔ)上安裝了熱泵, 建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型, 研究表明熱泵性能系數(shù)相對較高。該技術(shù)將甘蔗汁由20°Bx 濃縮至40°Bx,因減少了焦糖化現(xiàn)象改善了蔗糖的色值, 保證了產(chǎn)品的質(zhì)量,而且每天可節(jié)約蔗渣1338 千克。2.2 國內(nèi)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 由于冷凍濃縮的基本原理很簡單, 我國傳統(tǒng)的老陳醋生產(chǎn)工藝中就曾應(yīng)用過冷凍濃縮技術(shù)。近年來, 該技術(shù)在國內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中, 并在相關(guān)理論和

8、設(shè)備開發(fā)上取得了許多新進(jìn)展。2.2.1 釀酒業(yè) 冷凍濃縮的優(yōu)勢尤其可用于釀酒產(chǎn)業(yè)。詹曉北6最早介紹了冷凍濃縮技術(shù)在啤酒工業(yè)中的應(yīng)用, 表明該技術(shù)可在除去冰晶的同時除去形成混濁的多酚、丹寧酸等物質(zhì), 從而減少啤酒的貯存容積, 特別是對冷凍濃縮后的啤酒采用混合水技術(shù)可以完全恢復(fù)到原來的啤酒。 張春婭等7通過對葡萄酒進(jìn)行冷凍分離實驗,發(fā)現(xiàn)酒精和還原糖比較易于利用冷凍法在液相中進(jìn)行濃縮分離, 通過冷凍濃縮技術(shù)改善了干白葡萄酒的品質(zhì)。 孫卉卉等8采用根據(jù)劉凌等方法改裝的冷凍濃縮裝置研究了冷凍濃縮對低糖葡萄汁及葡萄酒品質(zhì)的影響, 證明冷凍濃縮是一種可以較好地保持葡萄汁的品質(zhì)、香氣和營養(yǎng)成分的濃縮方法。經(jīng)過

9、冷凍濃縮折光度提高5°Bx 的玫瑰蜜葡萄汁含糖量提高了53.8g/L, 可滴定酸含量增加接近1 倍, 但果汁的pH值變化不明顯。2.2.2 果汁工業(yè) 我國是生產(chǎn)甘蔗的大國, 將糖蔗改種果蔗并加工成甘蔗汁既解決了甘蔗的銷路,又滿足了人們對果汁日益增長的需要。甘蔗汁的熱敏性很強, 對其進(jìn)行普通的蒸發(fā)濃縮極容易使甘蔗汁焦糖化,喪失其特有的風(fēng)味。袁林峰9研究了冷凍濃縮工藝對甘蔗汁的影響, 對濃縮前后的甘蔗汁進(jìn)行了感官上的比較, 發(fā)現(xiàn)濃縮后的甘蔗汁品質(zhì)穩(wěn)定, 除了在顏色、氣味、甜味方面感覺更加濃重外,其它基本保持了冷凍濃縮前甘蔗汁的原有風(fēng)味。 肖旭霖等10應(yīng)用漸進(jìn)冷凍濃縮原理對蘋果汁冷凍濃縮特

10、性進(jìn)行研究, 證明了漸進(jìn)濃縮法對蘋果汁濃縮效果良好, 蘋果汁中酸度和維生素C 含量無影響, 濃縮產(chǎn)品感官質(zhì)量均勻一致,保持了果汁的原有風(fēng)味。3 選擇冷凍濃縮工藝時要考慮的因素 食品冷凍濃縮技術(shù)與傳統(tǒng)濃縮方法相比, 其濃縮產(chǎn)品的質(zhì)量是最好的, 但仍存在某些問題。當(dāng)物料粘度高時難以生成大冰晶, 且由于迅速冷卻而形成的微小冰晶不能徹底從母液中分離出來, 難以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分, 從而限制了它的推廣與使用。3.1 冷凍濃縮工藝適用的物料 任何一種加工工藝都有一定的適用范圍，經(jīng)過分析, 認(rèn)為冷凍濃縮工藝比較適合粘度較小飲料的濃縮, 如植物水提取液、蘋果汁等, 原因是這種物料流動性

11、好, 有利于溶液內(nèi)部溶質(zhì)分子的遷移。相反, 粘度較大的飲料, 如橙汁等, 在實踐上不適合使用冷凍濃縮工藝(盡管理論上可以) , 原因是橙汁含果膠多, 低溫時果膠更粘, 溶液內(nèi)部溶質(zhì)分子的遷移阻力很大。3.2 冷凍濃縮所能達(dá)到的極限速度 飲料一般含有多種成分, 在選用冷凍濃縮前,應(yīng)首先確定要保留稀飲料中哪些有效成分。這些有效成分在稀飲料中的濃度須小于低共溶點濃度XE ,在形成的冰晶中才不含有它們。同時, 冷凍濃縮所能達(dá)到的極限濃度是這些有效成分的低共溶點濃度。3.3 冷凍濃縮方式的選擇 依據(jù)國外學(xué)者對濃縮方式的分類, 冷凍濃縮可分為懸浮結(jié)冰晶式和漸進(jìn)結(jié)冰式11。懸浮結(jié)冰晶式是讓物料溶液在刮板換熱

12、器內(nèi)過冷,然后形成冰晶長大成冰粒。漸進(jìn)結(jié)冰式是讓物料溶液在冷的壁面結(jié)成厚冰層, 然后再把冰層取出來。從理論上或?qū)嶒炆险f, 上述兩種方式是可行的, 但從應(yīng)用的角度來說, 懸浮結(jié)冰晶式更好。原因是: A1漸進(jìn)結(jié)冰式是在冷的壁面結(jié)成厚冰層, 因為冰的導(dǎo)熱系數(shù)很小,所以結(jié)冰很慢, 在生產(chǎn)上很難提高生產(chǎn)率；B1筆者曾把一桶稀中藥水提取液放在低溫冷凍液(27 ) 中冷卻結(jié)冰, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在桶壁形成致密的纖維狀冰層(如牛肉纖維狀) , 包含在其內(nèi)的濃藥液很難用高速離心機分離出來。4 前景展望 冷凍濃縮技術(shù)現(xiàn)已證明優(yōu)質(zhì)可靠, 極具市場活力。隨著社會的進(jìn)步, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人們生活水平的提高, 冷凍濃縮這一低能耗

13、、可生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的加工技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。此方法除了用于濃縮, 也可考慮用于有機廢水的處理, 活性物質(zhì)的回收再利用等方面。同時, 整體的冰結(jié)晶又是很好的蓄冷、降溫用冷源。這些方面對于保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)資源的再利用都是很有意義的。對食品冷凍濃縮技術(shù)來說, 應(yīng)在提高冰晶純度、減少固形物損失及降低生產(chǎn)成本方面加以深入研究, 這樣才能充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢。冰核微生物用于食品冷凍濃縮中, 屬于生物技術(shù)與食品加工相結(jié)合的一項高新技術(shù), 極富應(yīng)用潛力。參考文獻(xiàn)：1 Huige N.J.J.and Thijssen H.A.C. Production of large crystals by continu

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