食品的濃縮與結(jié)晶技術(shù)課件

第八章

食品的濃縮與結(jié)晶技術(shù)食品濃縮的分類和目的食品的冷凍濃縮技術(shù)食品的膜濃縮技術(shù)（自學(xué)）食品的結(jié)晶技術(shù)食品的蒸發(fā)濃縮技術(shù)§8.1食品濃縮的分類和目的濃縮是從溶液中除去部分溶劑（通常是水）的操作過程，也是溶質(zhì)和溶劑均勻混合液的部分分離過程。按濃縮的原理分為平衡濃縮和非平衡濃縮兩種物理方法。平衡濃縮是利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質(zhì)濃縮液和溶劑的分離方法。如蒸發(fā)濃縮和冷凍濃縮。非平衡濃縮是利用半透膜等來分離溶質(zhì)和溶劑的過程，故也稱為膜分離。食品的濃縮與分離緊密相聯(lián)系在一起?！?.2食品的蒸發(fā)濃縮技術(shù)蒸發(fā)是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的濃縮方法之一，具有操作簡單，工藝成熟，設(shè)備投資低，濃縮效率高等優(yōu)點。其原理是利用溶質(zhì)和溶劑之間揮發(fā)度的差異，利用熱能使溶劑汽化，而溶質(zhì)是非揮發(fā)性的則留在溶液中，從而達到分離的目的。食品工業(yè)中濃縮物料大多為水溶液，食品蒸發(fā)濃縮的物料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁如果汁、蔬菜汁等；也有萃取浸提物如茶、中草藥等。一、蒸發(fā)濃縮的分類根據(jù)對二次蒸汽的利用分為：單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)；根據(jù)操作壓力分為：常壓蒸發(fā)、真空蒸發(fā)和加壓蒸發(fā)；根據(jù)操作方式分為：間歇式蒸發(fā)、連續(xù)式蒸發(fā)和循環(huán)式蒸發(fā)。雙效真空蒸發(fā)設(shè)備單效真空蒸發(fā)設(shè)備三效真空蒸發(fā)設(shè)備二、蒸發(fā)濃縮過程對物料的影響料液在蒸發(fā)濃縮過程中發(fā)生的變化對濃縮液品質(zhì)有很大的影響，因此在選擇和設(shè)計蒸發(fā)器時要充分認識物料液的特征。組成成分的變化，物料的粘稠性、結(jié)垢性、泡沫性、結(jié)晶性、風(fēng)味形成與揮發(fā)的變化，對設(shè)備腐蝕性等。

三、蒸發(fā)器的類型及選擇蒸發(fā)器主要由加熱室（器）和分離室（器）兩部分組成。加熱室的作用是利用水蒸氣為熱源來加熱被濃縮的物料。加熱室的型式隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷改進。最初采用的是夾層式和蛇（盤）管式，其后有各種板式、管式等換熱器形式。為了強化傳熱，采用強制循環(huán)替代自然循環(huán)，也有采用帶葉片的刮板薄膜蒸發(fā)器和離心薄膜蒸發(fā)器等。蒸發(fā)器分離室的作用是將二次蒸汽中夾帶的霧沫分離出來。為了使霧沫中的液體回到料液中，分離室需具有足夠大的直徑和高度以降低蒸汽流速，并有充分的機會使其返回到料液中。早期的分離室位于加熱室之上，并與加熱器合為一體。由于出現(xiàn)了外加熱型加熱室（加熱器），分離室也可成為獨立的分離器。四、蒸發(fā)濃縮過程的節(jié)能與多效蒸發(fā)單效真空蒸發(fā)廣泛應(yīng)用于食品濃縮。其最大優(yōu)點就是容易操作控制；可依據(jù)物料的粘性、熱敏性等，控制蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率；由于物料在單效蒸發(fā)器內(nèi)停留時間長，會帶來熱敏性成分的破壞，且物料在不斷地濃縮，其沸點也隨濃度的提高而增大，黏度也隨濃度和溫度的變化而變化,因此濃縮過程要合理選擇和控制蒸發(fā)溫度。由于液層靜壓效應(yīng)，從而引起的液面下局部沸騰溫度高于液面上的沸騰溫度，同時因料液黏度增大，物料在蒸發(fā)過程中湍動小，更易增大溫度差異，甚至加熱面附近料液溫度接近加熱面溫度，引起局部結(jié)垢、焦化，嚴重影響熱傳遞。單效蒸發(fā)還存在熱耗高，傳熱面積不能太大等特點，限制其蒸發(fā)能力的提高。對于生產(chǎn)量很大的現(xiàn)代化大型食品加工廠，真空多效蒸發(fā)顯示出了其更大的優(yōu)越性。（c）三效真空濃縮裝置流程圖（a）順流法；（b）逆流法；（c）平流法.（a）（b）2.多效蒸發(fā)的形式按照多效蒸發(fā)加料方式和蒸汽流動方向，可分為順流式、逆流式和平流式三種多效蒸發(fā)。（b）（b）逆流法隨著料液向前一效流動，濃度越來越高，而蒸發(fā)溫度也越來越高，故各效料液黏度變化較小，有利于改善循環(huán)，提高傳熱系數(shù)。但高溫加熱面上的濃料液的局部過熱易引起結(jié)垢和營養(yǎng)成分的破壞，且效間料液的輸送需用泵來實現(xiàn)。與順流相比，水分蒸發(fā)量稍低。逆流法適合黏度隨溫度和濃度變化大的料液的蒸發(fā)。（c）平流法平流法適用于在蒸發(fā)進行的同時有晶體析出的料液的濃縮，如食鹽溶液的濃縮結(jié)晶。有些多效蒸發(fā)同時采用順流和逆流加料法，即某些效采用順流，而另些效采用逆流，充分利用其優(yōu)點，這種蒸發(fā)方法稱為混流加料法，尤其適用于料液黏度隨濃度而顯著增加的料液蒸發(fā)。在多效蒸發(fā)流程中，有時將某一效的二次蒸汽引出一部分用于預(yù)熱物料或用于其他加熱目的。被引出的二次蒸汽稱為額外蒸汽。從蒸發(fā)器中引出額外蒸汽作為它用，是一項提高熱能利用率和經(jīng)濟性的措施。3.多效蒸發(fā)的溫差分配在給定的總操作條件下，由于各效溫差的損失，多效蒸發(fā)器的傳熱有效溫差總是小于總溫差。若將第一效的加熱蒸汽溫度設(shè)為T1，冷凝器的冷凝溫度為TK，則總溫差為ΔT＝T1－TK，。在理想的情況下（無能量損失），有效溫差∑ΔT等于總溫差；實際上，總溫差小于總溫差。各效間有效溫差的分配應(yīng)符合下列比例關(guān)系：

確定各效有效溫差，常用以下幾種原則：①各效面積相等原則按此原則，各效傳熱面積A相等。使用相同的大小的蒸發(fā)器也便于制造、安裝、檢修和操作。此時：②鄰效間等壓差原則即各效之間的壓力降相等。③各效蒸發(fā)量按比例原則若無額外蒸汽引出的順流操作，各效水分蒸發(fā)量（W）可按經(jīng)驗比例進行初步估計：雙效：W1∶W2＝1∶1.1三效：W1∶W2∶W3＝1∶1.1∶1.2

通過各效的蒸發(fā)量，可計算出各效料液的濃度及沸點。隨著有效溫差的提高，熱交換效率提高。帶熱壓泵的真空蒸發(fā)器有效溫差應(yīng)在15～25℃，降低或提高有效溫差會帶來加熱器中料液循環(huán)受阻現(xiàn)象，導(dǎo)致熱效率下降。在乳制品生產(chǎn)中，不能靠提高生蒸汽的壓力來提高有效溫差，但溫差也需維持在10～15℃。4.多效蒸發(fā)的效數(shù)多效蒸發(fā)的最大優(yōu)點是充分利用熱能，即蒸發(fā)單位質(zhì)量的水所消耗的蒸汽消耗降低，且效數(shù)越多，冷卻水用量越少。但隨著效數(shù)的增加，電耗、泵、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等也隨之增加。用于脫脂乳真空濃縮的效數(shù)與其他消耗的關(guān)系指標蒸發(fā)效數(shù)1234一次蒸汽消耗/t?h-16.873.232.071.57二次蒸汽消耗/t汽?h-10.8550.4040.2590.182電耗/kW?h11.29.713.316.7電耗比/kW?h?t-1水1.41.211.662.09冷卻水耗量/m3?h57520110976換熱器面積/m2126185230300預(yù)熱器、滅菌器等28405255冷凝器53618810273總熱交換面積/m2690413384428奶受熱時間/s2702703805005.多效蒸發(fā)過程中的節(jié)能措施提高多效蒸發(fā)效率，降低能耗，主要有：①設(shè)計開發(fā)新型蒸發(fā)設(shè)備；②蒸汽再壓縮蒸發(fā)；③利用余熱預(yù)熱物料或用于其他加熱目的。在蒸汽在壓縮蒸發(fā)過程中，利用各種壓縮方法，將二次蒸汽的熱力狀態(tài)提高到接近原來的生蒸汽狀態(tài)，是多效蒸發(fā)過程中最為常用的節(jié)能措施?！?.3食品的冷凍濃縮技術(shù)一、概述冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理的一種濃縮方法。即將水溶液中的一部分以冰的形式析出，并將其從液相中分離出去而使溶液濃縮。冷卻冷凍濃縮的流程圖原料液結(jié)晶分離濃縮液冰晶冷凍濃縮方法對熱敏性液態(tài)食品、生物制藥、要求保留天然色香味的飲料及中草藥浸提液等的濃縮特別有利，由于溶液中水分的減少不是通過加熱蒸發(fā)的方法，而是靠從溶液到冰晶的相際傳遞，因此可以有效地避免易揮發(fā)性物質(zhì)和易變性物質(zhì)的損失。為了更好地使操作時形成的冰晶不混有溶質(zhì)，分離時又不致使冰晶夾帶溶質(zhì)，造成過多的溶質(zhì)損失，溶劑結(jié)晶操作要盡量避免局部過冷，分離操作要較好地控制，在此情況下，冷凍濃縮就可以發(fā)揮其獨特的優(yōu)越性。對于含揮發(fā)性芳香物質(zhì)的食品采用冷凍濃縮，其品質(zhì)優(yōu)于蒸發(fā)法和膜濃縮法。冷凍濃縮不可避免地還存在一定的缺點：①制品冷凍濃縮處理后，需進一步冷凍或加熱等方法處理，以便保藏。②采用這種方法，不僅受到溶液濃度的限制，而且還取決于冷晶與濃縮的分離程度。一般而言，溶液黏度愈高，分離就愈困難。③過程中不可避免地會造成溶質(zhì)的損失，且成本較高。XTDEFCABX1X2A1冷凍濃縮過程示意圖某一較稀溶液起始濃度為X1，溫度在A1點，對該溶液進行冷卻降溫，當(dāng)溫度降到冰點線A點時，如果溶液中無“冰種”，則溶液不會結(jié)冰，其溫度將繼續(xù)下降至C點，成為過冷溶液。過冷溶液是不穩(wěn)定液體，受到外界干擾，如振動、攪拌，溶液中就會產(chǎn)生大量的冰晶，并逐漸長大。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，即可達到濃縮目的。設(shè)原溶液的總量為M，冰晶的量為G，濃縮液為P，根據(jù)溶質(zhì)的物料平衡，有：或冰晶量與濃縮液量之比等于線段BC與線段FC的長度之比，這個關(guān)系也即是化學(xué)工程中精餾分離的“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。二、冷凍濃縮的分類工業(yè)上冷凍濃縮過程根據(jù)結(jié)晶方式的不同，分為兩種形式：1.在攪拌的冰晶懸浮液中進行，稱為為懸浮結(jié)晶濃縮法；2.在管式、板式以及帶式設(shè)備中進行的，稱為漸進冷凍濃縮法。懸浮結(jié)晶濃縮法懸浮結(jié)晶濃縮法（SuspensionFreeze-concentration），又稱為分散結(jié)晶濃縮法。其特征為無數(shù)自由懸浮于母液中的小冰晶，在帶攪拌的低溫罐中長大并不斷排除，使母液濃度增加而實現(xiàn)濃縮。Grenco冷凍濃縮設(shè)備流程圖首先將被濃縮物料泵入刮板式熱交換器中，生成部分細微的冰晶后送入再結(jié)晶罐，由于奧斯特瓦爾德效應(yīng)，小冰晶融化，大冰晶成長，然后通過洗凈塔排除冰晶并用部分冰融解液沖液及回收冰晶表面附著的濃縮液，清洗液回流至進料端，濃縮液則循環(huán)至所要求的組成后從結(jié)晶罐底部排出。這一工藝應(yīng)用到速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生產(chǎn)，得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。但由于投資大，成本高，引用該系統(tǒng)進行冷凍濃縮加工的廠家很有限，未廣泛推廣。漸進結(jié)晶濃縮法漸進冷凍濃縮法，又稱層狀結(jié)晶凍結(jié)濃縮法或標準凍結(jié)濃縮法，是一種沿著冷卻面形成并成長為整體冰晶的冷凍濃縮方法。特點為：①形成一整體冰晶，液固界面小，使得母液與冰晶的分離變得容易；②裝置簡單，控制操作方便。良好設(shè)計將會顯著降低冷凍濃縮成本。影響冷凍濃縮的因素主要有：液相的攪拌速度、冰晶的前沿移動速度和凍結(jié)初期的過冷卻度。冷凍濃縮初期冰核的形成對環(huán)境條件、溶液物性等有較強的依賴性，因此初期過冷度極不穩(wěn)定。當(dāng)受到干擾時，容易形成樹枝狀冰晶，而導(dǎo)致嚴重的冰相溶質(zhì)夾帶，降低了冰的純度，嚴重時甚至使被濃縮液在瞬間全體結(jié)晶，導(dǎo)致濃縮過程無法正常進行。增大料液和傳熱面的面積可以減小上述因素影響，提高冷凍濃縮效率。三、冷凍濃縮的應(yīng)用冷凍濃縮由于在應(yīng)用過程中不使物料受熱，因此所得制品熱敏性物質(zhì)不被破壞，生物活性幾乎不受影響并在色、香味方面均得到最大限度地保留，顯著地增進了產(chǎn)品品質(zhì)。但由于濃縮極限的限制及操作成本較高的缺陷，使得其應(yīng)用受到很大的限制。目前主要應(yīng)用于高檔果汁、高檔飲品、生物制品以及調(diào)味品等的濃縮，濃縮的制品或直接作為產(chǎn)品，或作為冷凍干燥的半成品。應(yīng)用分為：單級冷凍濃縮多級冷凍濃縮單級冷凍濃縮裝置系統(tǒng)示意圖1－旋轉(zhuǎn)刮板式結(jié)晶器；2－混合罐；3－洗滌塔；4－融冰裝置；5－貯罐；6－泵產(chǎn)品制冷劑蒸汽水原料1234566二級冷凍濃縮裝置流程示意圖1、7－貯料罐；2、8－結(jié)晶器；3、9－分離機；4、10、11、12－泵；6－進料管；14－熔冰水進入管；15、17－管路；16－濃縮液分支管§8.4食品的膜濃縮技術(shù)（自學(xué)）鹽水純水半透膜（c）鹽水純水半透膜（a）滲透與反滲透原理圖（a）滲透；（b）滲透平衡；（c）反滲透純水h滲透壓半透膜（b）鹽水進料液透過液膜P超濾原理圖電滲析原理圖電極沖洗液電極沖洗液稀溶液濃縮液陽極陰極ACCACA§8.5食品的結(jié)晶技術(shù)一、溶解度和溶液中的相平衡什么是溶解度？物質(zhì)的溶解度與它的化學(xué)性質(zhì)、溶劑的性質(zhì)及溫度等有關(guān)。一定物質(zhì)在一定溶劑中溶劑中的溶解度主要隨溫度而變化，在一般情況下，壓力的影響可不予考慮。物質(zhì)的溶解度特征既表現(xiàn)為溶解度的大小，也表現(xiàn)為溶解度隨溫度的變化。有些的溶解度隨溫度的升高而迅速增加，如NaAc、CuSO4·5H2O、NaCO3·10H2O、NaSO4·10H2O、NaH2PO4·12H2O、KClO4、C5H8O4NNa·H2O（谷氨酸鈉）、C6H8O7·H2O（檸檬酸）等在水中的溶解就屬于這種類型。有些物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高，以中等速率增大，如KCl、NaNO3、NaHCO3、FeSO4·7H2O和多數(shù)氨基酸等。還要一類物質(zhì)，如NaCl等，隨溫度的升高其溶解度只是微小的增加。上述這些物質(zhì)具有正溶解度特點，它們的溶解過程常需吸收熱量，結(jié)晶是放熱過程。另有一類物質(zhì)，其溶解度隨溫度的升高反而降低，即具有逆溶解度，如CaSO4、Na2SO4在水中的溶解。它們在溶解過程常放出熱量，即放熱溶解過程。許多物質(zhì)的溶解曲線是連續(xù)的，中間沒有斷折，但也有些可形成水合物晶體的物質(zhì)，它們的溶解度曲線有斷折點（變態(tài)點）。例如低于32.4℃時，從硫酸鈉水溶液中結(jié)晶出來的固體是NaSO4·10H2O，而在這個溫度以上結(jié)晶出來的固體卻是無水Na2SO4，這兩種固體的溶解度曲線在轉(zhuǎn)變點32.4℃處相交。檸檬酸的轉(zhuǎn)折溫度為36.6℃，在此溫度之上結(jié)晶時，檸檬酸不帶結(jié)晶水，在此溫度下結(jié)晶時，則帶有一個分子的結(jié)晶水。一種物質(zhì)可以有幾個這樣的變態(tài)點。例如，按溫度的不同，硫酸亞鐵可以從水溶液中以3種不同形式結(jié)晶出來：56℃以下時是FeSO4·7H2O；56～64℃之間時是FeSO4·4H2O；而64℃以上則是FeSO4·H2O。物質(zhì)的溶解度特征，是決定物質(zhì)結(jié)晶方法的理論依據(jù)。根據(jù)在不同溫度下的溶解度數(shù)據(jù)還可算出結(jié)晶的理論產(chǎn)量。很多食品成分，如有機酸類、氨基酸和糖等，在水中均可形成溶液，它們同樣具有與鹽所類似的溶解度曲線。多數(shù)糖、酸類的溶解度隨溫度的升高而增大。但對溫度的敏感性范圍不同。各種物質(zhì)的溶解度數(shù)據(jù)可以在手冊及專著中查得。由于物質(zhì)的溶解度常受到溶液pH值的影響，此外可溶性雜質(zhì)的存在也會降低主要組分的溶解度，因此不同物質(zhì)的實際溶解度應(yīng)由實驗測定。檸檬酸在水中的溶解度經(jīng)驗公式：

含結(jié)晶水（t<36.6℃）無水的（t>36.6℃）許多有機物晶體都有其溶解度與溫度關(guān)系的經(jīng)驗公式，蔗糖在水中的溶解度（s）與溫度（t）的關(guān)系可用下式表示：二、過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系不穩(wěn)區(qū)介穩(wěn)區(qū)穩(wěn)定區(qū)CADBHEGG’FF’F”G”溫度濃度溶液的過飽和度狀態(tài)與結(jié)晶關(guān)系A(chǔ)B為溶解度曲線其下面為不飽和溶液穩(wěn)定期其上面為飽和溶液區(qū)。但還存在一條曲線G’G，將此區(qū)域分為介穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。E－F－G－H為降溫晶體析出過程；E－F’－G’穩(wěn)定蒸發(fā)晶體析出過程。在介穩(wěn)區(qū)不會有晶核產(chǎn)生核晶體析出，但在此區(qū)域的過飽和溶液中加入少量溶質(zhì)晶體小顆粒，則這些小晶粒會長大，直至溶液到飽和平衡狀態(tài)。三、晶核的形成晶核是過飽和溶液中新生成（析出）的微小晶體粒子，是晶體生長必不可缺少的核心。晶核可以由溶質(zhì)的分子、離子形成，這些粒子相互聚合，形成線體、晶胚，以至成為一定粒度（如蔗糖晶核半徑達到1.9nm以上）的晶核。這個過程稱為成核，工業(yè)上稱為起晶。①自然起晶法②刺激起晶法③晶種起晶法結(jié)晶罐四、影響晶體生長的因素晶體生長速率可受到擴散控制，有時是受表面反應(yīng)控制。晶體生長速率既可表示晶體質(zhì)量隨時間的變化（質(zhì)量速率）。也有用各晶面的生長線速率表示，但它們都與溶液的過飽和度、溫度、壓力、液相的攪拌強度和特性、各種場的作用、雜質(zhì)的存在等有關(guān)。1.過飽和度溶液的過飽和度（過飽和系數(shù)）或過冷度對晶體生長速率起著決定性的作用。晶體長大的推動力是晶體表面液膜的濃度差，過飽和度增大，則可加大濃度差和結(jié)晶推動力，提高結(jié)晶速率。但過高的過飽和度會使料液黏度增加，反而會使結(jié)晶速率下降，使結(jié)晶過程操作變得困難。

2.溫度溫度不僅影響粒子的擴散速率和相界面上的反應(yīng)速率，還影響溶液的黏度、溶質(zhì)的溶解度及過冷度、相鄰界面上的比能等物化特性。對同一物質(zhì)，結(jié)晶溫度對晶體成長的兩個過程影響較大。在較高溫度下，表面反應(yīng)速率有較大的提高，而擴散速率增