食品加工與保藏食品濃縮和結(jié)晶之食安

食品加工與保藏食品濃縮和結(jié)晶之食安Ⅰ.濃縮及其分類濃縮是從溶液中除去部分溶劑（通常是水）的操作過程，也是溶液中溶質(zhì)和溶劑部分分離的操作過程。第2頁,共72頁，2024年2月25日，星期天濃縮的目的和作用減少食品物料的重量和體積

。提高制品的濃度，增大滲透壓、降低水分活性、延長制品的保質(zhì)期。濃縮是干燥及結(jié)晶的預(yù)處理過程。真空濃縮過程還有脫氣作用。第3頁,共72頁，2024年2月25日，星期天濃縮的種類按操作方法可分為蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮、膜濃縮等。按濃縮的原理，可分為平衡濃縮和非平衡濃縮。第4頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ⅱ.蒸發(fā)濃縮使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化，從而使溶液中溶質(zhì)濃度得到提高的單元操作稱為蒸發(fā)濃縮，簡稱蒸發(fā)。第5頁,共72頁，2024年2月25日，星期天汽化溶液受熱時溶劑分子獲得了動能，當(dāng)某些溶劑分子的能量足以克服分子間的吸引力時，溶劑分子就會逸出液面進入上部空間，成為蒸汽分子，這就是汽化。第6頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二次蒸汽工業(yè)上蒸發(fā)濃縮采用的熱源通常為水蒸汽，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸汽。為了把兩者區(qū)別開來，稱前者為加熱蒸汽或生蒸汽，稱后者為二次蒸汽。第7頁,共72頁，2024年2月25日，星期天蒸發(fā)的必要條件蒸發(fā)的必要條件是不斷供給熱能和及時排除二次蒸汽。第8頁,共72頁，2024年2月25日，星期天蒸發(fā)的必要條件如果不設(shè)法除去這些二次蒸汽，則處于液相上部空間的二次蒸汽的氣壓將逐漸增大，當(dāng)氣壓增至該溫度下水的飽和蒸汽壓時，逸出液面與進入液相的水分將趨于平衡，表觀汽化趨于停止。第9頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、蒸發(fā)的種類按操作室壓力可分為：常壓蒸發(fā)加壓蒸發(fā)減壓（真空）蒸發(fā)按二次蒸汽的利用情況可分為：單效蒸發(fā)多效蒸發(fā)第10頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、蒸發(fā)的種類按操作的方式可分為：間歇式連續(xù)式循環(huán)式第11頁,共72頁，2024年2月25日，星期天真空蒸發(fā)的主要特點在真空條件下，液體的沸點低，有利于增大加熱蒸汽與液體之間的溫差，增大傳熱效率，減少蒸發(fā)器所需的傳熱面積；物料在較低溫度下蒸發(fā)，減少對熱敏性食品成分的破壞；第12頁,共72頁，2024年2月25日，星期天真空蒸發(fā)的主要特點便于采用低壓蒸汽或廢蒸汽作為加熱源，有利于多效蒸發(fā)，降低能耗；真空蒸發(fā)需要配套的真空系統(tǒng)，會增大設(shè)備投資及動力損耗；由于蒸發(fā)潛熱隨沸點降低而增大，故熱量消耗較大。第13頁,共72頁，2024年2月25日，星期天單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)蒸發(fā)過程產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝不再利用的蒸發(fā)操作為單效蒸發(fā)。將蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽直接或經(jīng)加壓后引入另一蒸發(fā)器，作為該蒸發(fā)器的熱源，可提高體系熱能的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。第14頁,共72頁，2024年2月25日，星期天間歇式蒸發(fā)又稱分批式（或批量式）蒸發(fā)。在蒸發(fā)器中料液的添加是不連續(xù)的，隨著蒸發(fā)的進行，當(dāng)料液濃縮至所需的濃度時停止加料和蒸發(fā)，把濃縮液一次性排出，完成一批物料的蒸發(fā)濃縮處理。第15頁,共72頁，2024年2月25日，星期天間歇式蒸發(fā)的特點間歇式蒸發(fā)會使部分物料（先進入蒸發(fā)器的那部分物料）長時間受熱，故不適于熱敏性物料的濃縮；設(shè)備利用率低；但該類設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，最終濃度容易控制，適于小規(guī)模生產(chǎn)

。第16頁,共72頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)式蒸發(fā)在蒸發(fā)器中料液的添加和排出都是連續(xù)進行的。該操作方式物料受熱時間短，適于熱敏性食品物料，設(shè)備利用率高，處理量大，是常用的濃縮方法。這種操作方式的主要缺點是終產(chǎn)品濃度波動較大，特別是在濃縮比較大時，控制難度較大。第17頁,共72頁，2024年2月25日，星期天循環(huán)式蒸發(fā)在連續(xù)式蒸發(fā)器中使一部分濃縮液返回蒸發(fā)器使器內(nèi)料液濃度逐漸增加，以提高終產(chǎn)品的濃度一種濃縮操作方式。在濃縮比較大時，連續(xù)蒸發(fā)難以一次完成的情況下采用循環(huán)式蒸發(fā)。第18頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、蒸發(fā)濃縮過程中食品物料的變化（一）食品成分的變化（二）食品物料粘稠性增加（三）結(jié)垢（四）發(fā)泡（五）結(jié)晶（六）風(fēng)味形成與揮發(fā)（七）設(shè)備的腐蝕第19頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ⅲ.冷凍濃縮是利用在低溫條件下食品溶液中的冰和水之間的固液相平衡原理進行食品溶液濃縮的一種濃縮方法。第20頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的優(yōu)點及應(yīng)用過程不涉及加熱，可避免食品中熱敏性成分的破壞和食品中芳香物質(zhì)的揮發(fā)損失，獲得高品質(zhì)制品。主要用于原果汁、高檔飲品、生物制品、藥品、高檔調(diào)味品的濃縮。第21頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的不足之處濃縮過程微生物和酶的活性得不到破壞，制品需冷凍保藏。濃縮比不高，濃縮程度有限。有溶質(zhì)損失。生產(chǎn)成本高。第22頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的基本原理食品溶液中的溶劑（即水）在食品冷凍過程中形成冰結(jié)晶析出，隨著冰晶體的形成和分離，食品溶液中的水逐漸減少，溶液逐漸被濃縮。第23頁,共72頁，2024年2月25日，星期天水的相圖和三相點第24頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的終點食品的低溫共熔點為-55～-65℃。理論上，冷凍濃縮過程可持續(xù)進行至食品的低溫共熔點；但實際上在此點遠未到達之前，濃縮液的粘度已經(jīng)很高，此時很難將冰晶與濃縮液分開；因此，冷凍濃縮產(chǎn)品的最終濃度不可能很高。第25頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的溶質(zhì)夾帶現(xiàn)象在冷凍濃縮過程中，析出的冰結(jié)晶不可能達到純水的狀態(tài)，總是有或多或少的溶質(zhì)混雜在其中，這種現(xiàn)象稱為冷凍濃縮的溶質(zhì)夾帶現(xiàn)象。夾帶有內(nèi)部夾帶和表面附著兩種。第26頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冷凍濃縮的過程與控制冰晶生成及控制冰晶與濃縮液的分離冰晶的洗滌第27頁,共72頁，2024年2月25日，星期天冰晶生成及控制冷凍濃縮過程，要求形成的冰晶大小適當(dāng)。冰晶過小，液固分離困難，溶質(zhì)夾帶較多；冰晶過大，結(jié)晶速度慢，操作費用高。第28頁,共72頁，2024年2月25日，星期天影響冰晶大小的因素冰晶體生成速率局部過冷水分的擴散速率冰晶生成的方式其他因素第29頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.冰晶體生成速率冰晶體生成速率取決于凍結(jié)速度、凍結(jié)方法、攪拌、溶液濃度和食品成分。當(dāng)溶液接近冰點時凍結(jié)速度過快，容易形成較多的晶核，冰晶體積細小，溶質(zhì)夾帶多。第30頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.局部過冷在層狀凍結(jié)中，當(dāng)凍結(jié)面的溫度較低時，靠近凍結(jié)面的液體容易出現(xiàn)局部過冷，導(dǎo)致產(chǎn)生的冰晶細小，凍結(jié)層的溶質(zhì)脫去率較低。第31頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.局部過冷攪拌有助于傳冷，可防止局部過冷。濃度較高的溶液初始凍結(jié)點較低，在凍結(jié)時不易出現(xiàn)局部過冷的現(xiàn)象。成分不同的食品具有不同的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱性能越好的食品，在凍結(jié)過程中越不容易出現(xiàn)局部過冷的現(xiàn)象。第32頁,共72頁，2024年2月25日，星期天3.水分的擴散速率冰晶體的成長是晶核周圍的水分不斷在晶核表面結(jié)晶的結(jié)果，水分擴散速率越快，形成的冰結(jié)晶越大。影響水分擴散速率的因素主要有溶液的粘度和攪拌。溶液粘度越高，水分擴散系數(shù)越小，不利于晶核的成長，生成的冰晶會比較細小。第33頁,共72頁，2024年2月25日，星期天4.冰晶生成的方式冷凍濃縮過程結(jié)晶生成方式有兩種，一種是在管式、板式、轉(zhuǎn)鼓式以及帶式設(shè)備中進行，稱為層狀凍結(jié)。另一種發(fā)生在攪拌的冰晶懸浮液中，稱為懸浮凍結(jié)。第34頁,共72頁，2024年2月25日，星期天5.適當(dāng)?shù)臄嚢柽m當(dāng)?shù)臄嚢璨坏欣诜乐咕植窟^冷，而且有利于主體溶液中的水分遷移到冰晶體表面進行晶析，促使冰晶附近溶液中溶質(zhì)向溶液主體擴散，減少溶質(zhì)夾帶。第35頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ⅳ膜濃縮是指利用膜的選擇透過性，使食品組分得到一定程度濃縮的操作。主要有：超濾和反滲透第36頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ⅴ食品的結(jié)晶一、結(jié)晶的基本原理

二、食品工業(yè)常用結(jié)晶技術(shù)與設(shè)備第37頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、結(jié)晶的基本原理（一）晶體的定義、種類和特性

（二）溶解度和溶液中的相平衡

（三）晶核及其形成

（四）晶體的生長第38頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（一）晶體的定義、種類和特性晶體是規(guī)則排列的質(zhì)點(原子、分子、離子)所組成的固體。晶體可分為四類：離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體具有規(guī)則的幾何外形、固定熔點和各向異性。第39頁,共72頁，2024年2月25日，星期天晶體的性質(zhì)晶體具有自發(fā)地生長成為結(jié)晶多面體的可能性，即晶體經(jīng)常以平面作為與周圍介質(zhì)的分界面，這種性質(zhì)稱為晶體的自范性。晶體的幾何特性及物理效應(yīng)常隨方向的不同而表現(xiàn)出數(shù)量上的差異，這種性質(zhì)稱為晶體的各向異性。第40頁,共72頁，2024年2月25日，星期天晶體的性質(zhì)晶體中每一宏觀質(zhì)點的物理性質(zhì)和化學(xué)組成都相同，這種性質(zhì)稱為晶體的均勻性。晶體的幾何特性及物理效應(yīng)還具有對稱性。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)律性和穩(wěn)定性來說，只有晶體才是真正的固體。第41頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（二）溶解度和溶液中的相平衡任何固體物質(zhì)與其溶液相接觸時，如溶液還未達到飽和，則固體溶解；如溶液已達到過飽和，則超過飽和量的那部分溶質(zhì)會從溶液中析出；如果溶液恰好達到飽和，則既沒有固體溶解，也沒有溶質(zhì)析出。第42頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（二）溶解度和溶液中的相平衡要使溶質(zhì)結(jié)晶出來，必須首先設(shè)法使溶液變成過飽和溶液，或者說必須設(shè)法產(chǎn)生一定的過飽和度作為結(jié)晶的推動力。第43頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.物質(zhì)的溶解度特征溶解度的大小。溶解度隨溫度的變化情況（正溶解度和逆溶解度）。溫度對可形成水合物晶體的物質(zhì)的溶解度的影響。物質(zhì)的溶解度特征是決定物質(zhì)結(jié)晶方法的選擇的關(guān)鍵因素。第44頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系飽和溶液僅僅是在溶解度曲線上才能存在，沿著溶解度曲線向高濃度移動，就進入過飽和區(qū)域，處于過飽和區(qū)域內(nèi)的溶液稱為過飽和溶液。通過蒸發(fā)溶劑或降低溫度可使飽和溶液變成過飽和溶液，從而使溶液中的溶質(zhì)結(jié)晶析出，這就是結(jié)晶操作的基本方法。第45頁,共72頁，2024年2月25日，星期天溶液的過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系第46頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（三）晶核及其形成晶核是過飽和溶液中新生成（析出）的微小晶體粒子，是晶體生長必不可少的核心。溶質(zhì)的分子、原子或離子相互聚合，形成線體、晶胚，最終成為一定粒度的晶核，這個過程稱為成核(nucleation)過程，工業(yè)上稱為起晶。第47頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－自然起晶法自然起晶，又稱自發(fā)起晶或“均相成核(homogeneousnucleation)”，是指澄清的過飽和溶液達到一定的過飽和度(處于不穩(wěn)區(qū))時，自發(fā)成核的過程。第48頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－自然起晶法自然起晶法因為難以控制晶核生成速率，且自然起晶時溶液過飽和度高、粘度大、對流差，易出現(xiàn)晶粒不齊、并晶、粘晶等缺點，故較少在工業(yè)結(jié)晶中應(yīng)用。第49頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－刺激起晶法刺激起晶，也稱外界干擾誘導(dǎo)起晶或“非均相成核(heterogeneousnucleation)”，是指過飽和溶液受到一些其它因素的干擾而刺激成核。第50頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－刺激起晶法干擾因素可以是降溫；溶液中固體雜質(zhì)顆粒、塵粒；容器表面的粗糙度；攪拌器或循環(huán)泵葉輪的機械作用，造成固體晶粒的破碎、震動；電磁場、超聲波、紫外線等。

第51頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－刺激起晶法刺激起晶可以發(fā)生在比自然起晶較低的過飽和度。晶核的析出使溶液濃度降低，便于控制在亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)使晶體長大。

第52頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶核形成的方法－晶種起晶也稱為投種起晶法。是在較低過飽和度(亞穩(wěn)區(qū))時投入一定重量和大小的相同溶質(zhì)的晶粒，由于受晶漿中存在宏觀晶體的影響而形成晶核的現(xiàn)象，也稱“二次成核”。在絕大多數(shù)工業(yè)結(jié)晶器中，該法是晶核的主要來源。若控制適當(dāng)，可獲得均勻整齊的晶體。

第53頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素晶核形成的速率為單位時間內(nèi)在單位體積的晶漿中或溶液中生成新晶核的數(shù)目。成核速率是決定晶體產(chǎn)品粒度分布的首要動力學(xué)因素。成核速率過高，會導(dǎo)致晶體細碎，粒度分布范圍寬，產(chǎn)品質(zhì)量差。第54頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素晶核的形成速率與溶液的濃度和能量的變化有關(guān)。不管何種方法起晶，晶核的形成與晶核長大(晶體生長)都以過飽和度為推動力。故溶液過飽和度是影響晶核形成速率的最重要的因素。料液的過飽和度越高，晶核的形成速率越快。第55頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，料液的過飽和度比較低，晶體生長較快，晶核形成速率較慢；尤其是在溫度較低、溶液粘度很高以及溶液密度大的條件下，晶核的形成比較困難，晶核形成速率更慢。第56頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素溶液溫度的變化會導(dǎo)致粘度、粒子運動能、溶劑結(jié)構(gòu)、溶解度等的變化。隨著平衡溶解度的變化，溶液的過飽和度也發(fā)生變化。溫度與成核速率的關(guān)系比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)考查各種過程參數(shù)與溫度的關(guān)系，然后將這些參數(shù)的作用加以綜合考慮，以判斷溫度對成核速率的影響。第57頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素機械作用對于晶核出現(xiàn)的速率有明顯的影響。如振動、在過飽和溶液中發(fā)生的表面相互沖擊、攪拌、甚至對過飽和溶液的輕微振動或往溶液中加入某種固體，都會在溶液中引起晶核形成，使成核速率明顯增大。第58頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.晶核的形成速率及影響因素超聲波也可以加速成核。它對過飽和溶液作用的效率與其輻射功率有關(guān)，通常輻射強度愈高，成核開始的極限過飽和度愈低。電場作用的大小與其頻率和強度有關(guān)，其作用機理仍尚未清楚。它不僅可影響溶解物質(zhì)的性質(zhì)，且對微小的結(jié)晶物質(zhì)微粒起著特殊捕集器的作用。第59頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（四）晶體的生長在過飽和溶液中已有晶核形成或加入晶種后，以過飽和度為推動力，晶核（或晶種）將長大，這種現(xiàn)象稱為晶體的生長。晶體的生長過程可以認為是分子運動的過程。盡管工業(yè)結(jié)晶過程有關(guān)晶體生長的理論和模型很多，比較普遍使用的有擴散學(xué)說。第60頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（四）晶體的生長擴散學(xué)說認為，溶質(zhì)分子經(jīng)過擴散作用而進入晶體處，迅速在晶體（核）上結(jié)晶，晶體逐漸長大。根據(jù)菲克（Fick）擴散定律，擴散量與濃度差、擴散面積和時間成正比，而與擴散行程成反比。第61頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.晶體的生長速率晶體的生長速率可以用結(jié)晶速率來描述。結(jié)晶速率的定義為：單位時間(min)內(nèi)在單位面積(m2)上結(jié)晶的溶質(zhì)的質(zhì)量(mg)。第62頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.影響晶體生長的因素過飽和度溫度粘度雜質(zhì)其他因素第63頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（1）過飽和度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，可加大此濃度差，從而提高結(jié)晶速度。但過高的過飽和度會使料液粘度提高，反而會使結(jié)晶速度下降，且有可能使結(jié)晶過程操作困難及產(chǎn)生偽晶體。第64頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（2）溫度的影響溫度不僅影響粒子的擴散速率和相界面上的反應(yīng)速率，也影響溶液的粘度、溶質(zhì)的溶解度及過飽和度、相臨界面上的比能等物化特性。對于某些有不同結(jié)晶水的物質(zhì)的結(jié)晶，溫度控制對結(jié)晶物的組成影響很大。結(jié)晶溫度對晶體的晶形也有影響。第65頁,共72頁，2024年2