食品冷冻干燥速率分析.pdfVIP

憎， 】信品白崖磅 S i chua n F ood a nd F erm en t a t l on 文章编号 ： 1 6 7 16 8 9 2 ( 2 0 0 3 ) 0 l一0 0 5 00 4 食品冷冻干燥速率分析 付 晓玲 (四川 工商 职业 技术 学 院 ， 四川 都 江堰6 1 1 8 3 0 ) 摘要 ： 针对 食 品 冷冻 干燥 过程 中 ， 存 在过 程 速率慢 ， 生 产 周期 长 的 问题 ， 对 影 响 食 品冷 冻 干燥 的传 热 传 质速 率 的 诸 因素从 理论 上进 行 了综述 、 分析 ， 为食 品冷 冻干 燥技 术的进 一 步研 究、 应 用提 供 一定 的参 考 。 关 键 词 ： 冷 冻 干燥 ； 传 热 速率 ； 传 质速 率 ( 升 华 速率 ) 中 图分类 号 ： TS 2 5 2 文献 标 识码 ： A A na l y s i s on Re f r i ge r a nt Dr y i ng V e l o c i t y o f Foo d Fu Xi a ol i ng ( S i c h u a n Te c h n o l o g y a n d B u s i n e s s C o l l ie ) Abs t r ac t ： A i m i ng at t he i s s u e s on t he l o w v e l o c i t y a nd l ong pe r i od of t he pr oc e s s o f r e f r i ge r a nt dr yi ng of f oo d，t hi s e s s a y t he or e t i c a l l y s u m m a r i z e s and a na l yz e s t he f ac t or s t ha t ha ve i nf l ue nc e s o n i t An d a l s o g i v e s o me c e r t a i n r e f e r e n c e o n t h e s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f t h e t e c h n o l o g y o f r e f r i g e r ant dr y i ng of f o od K e y wor ds： r e f r i ger ant D r yi ng，v e l o c i t y of he at c o nduc t i o n，v e l oc i t y o f s u bl i m a t i o n 冷冻 干燥 有别 于普 通 的 常规干燥 ， 它是使 含 水 物质 温度降至 冰点 以下 ， 使水 分凝 固成冰 ， 而后 在较 高真 空度 下使冰直 接 升华 而 除去水 分 的干燥 方法 ， 又称真空冷冻干燥或 冷冻升华干燥 。冷冻干燥食 品 的品质在 许多方 面优 于普 通 干燥 食 品 ， 主要 体现 在 以 下几 方 面 ： 冷冻干燥在低 于 水 的三相点 压 强 ( 6 0 9 P a ) 以 下进行 。其对应 的相 平衡 温 度低 ， 因而物料 干燥 时 的温度 低 。特别适用 于热敏性食 品以及易氧化食 品 的干燥 ， 可 以保 留新 鲜食 品的 色 、 香 、 味及 维生 素 C 等营养 物质 。 由于物料 中水 分原 存 的空间 ， 在水分 升华 后 基本维 持不变 ， 故干燥后不 失原有 的固体框架结构 ， 收 稿 日 期 ： 2 0 0 21 12 0 保 持 原 有形 状 。 由于物料 中水分在预冻结束后 以冰晶形式存 在 ， 原来 溶于水 中的无机盐被均匀地分 配在物料 中， 升华时 ， 溶于水 中的无机盐就地析 出 ， 从而避免 了一 般干燥方 法因物料水分 向表面扩散时携带 了无 机盐 而造成 的表面硬化现象 。 虽 然冷冻 干燥食品的品质在许多方面优 于普通 干燥食 品 ， 但 由于存 在过 程速 率慢 ， 生 产周期 长 ， 操 作费用高 等缺点 ， 使 其应 用范 围与规 模均 受 到一定 限制 。因此 ， 对影 响冷冻 干燥 速率 的诸 因素进 行分 析研究 ， 有助 于在工艺上 和设备上不 断改进 ， 最 大限 度地提 高过程 速率 ， 节 损能 耗 ， 降低产 品成 本 ， 使 食 品冷 冻 干 燥 得 到 更 为 广 泛 的 应 用 。 维普资讯 第 3 9卷 ( 总第 l 1 6期 ) 付 晓玲 ： 食 品冷冻干燥速率分析 5 l 冷 冻干燥 过 程包 括冷 冻和干 燥两 步 ， 本 文讨 论 的冷冻 干燥速率主要 是 指冷 冻后 的干燥 速率 ( 以下 简称冻 干速率) 。冷冻干燥 与其 它干燥一样 ， 也是 包 括传热 和传 质 过 程 。故 冻 干速 率既 取 决 于传 热 速 率 ， 又取决于传 质速率 ( 又称升 华 速率 ) 。而 这两 项 速率 的大 小 ， 一方 面与冻结后 的食 品特性有关 ， 另 一 方面 ， 与冻干过程有关 。 1冻 结 对 冻 干 速 率 的 影 响 冻结 是冷 冻干燥 的预备操 作 ， 称 为预冻 ， 其 目的 是创造最佳 的中间制 品 ， 为下一 步 的升华 干燥 打下 良好基础 。预 冻对冷冻干燥 速率 的影响 主要有 以下 几 方 面 ： 1 1 冻结后 的物性 参数对 冻干速 率的影响 预冻后 的制 品其物性参数较冻结前有较大变化 ， 这种变化将 直接影 响到冻干过程中的传热传质速率。 这些物性参数主要有密度 、 比热容 、 热导率等 。 1 1 1 密 度水在 0 冻结成 冰时 ， 首先 表现 出体积 膨胀( 膨胀 率 约 为 9 ) ， 而 冰进一 步 降 温会 发生 体 积上的收 缩 ( 每 下降 1 ， 其体 积 收缩 0 0 0 1 0 0 0 5) 。二者相 比 ， 膨 胀 比收缩 大得 多。食 品冻 结 也有这 种效应 。如奶 油 ( 7 5 ) ， 冷 却状 态 比热容 3 5 7 KJ Kg K， 速冻状态 比热容 2 1 0 KJ Kg K， 多 脂 鱼冷却 状态 比热容 2 8 6 KJ Kg K， 速冻状态 比热容 1 6 0 KJ Kg K。且 含 水 分越 多 的食 品冻 结后 体 积 膨 胀 越 大 ， 由 原 来 致 密 的结 构 变 成 较 为 疏 松 的结 构 ， 这在冻干过程 中 ， 可使 冰 晶 升华后 形成 的空 隙通 道 增大 ， 蒸汽逸 出的阻力减小 ， 即有利 于传质过 程的进 行 。 1 1 2比热容 和热导 率 由于 冰的 比热容 是水 的 1 2， 因此总 的来 说 ， 冻 结食 品的 比热容 也较 未冻结 时小 ； 另一面 ， 由于 冰 的热导率 约 为水 的 4倍 ， 因此 冻结食 品 的热 导 率 也较 未 冻 结 时 的 大。食 品 冻结 后 ， 参数 的这种 变化 ， 有 利 于在冻 干过 程 中 ， 提供 给 水分升华 所需 的升 华 潜 热 即有 利 于 传 热速 率 的提 高 。 总 之 ， 单纯从物性 参数 的变化来看 ， 食 品预冻后 对提高其冻干 过程 的传热传 质速率是有利 的。 1 2冻 结 过 程 对 冻 干 速 率 的 影 响 这种 影 响包括 两方 面 ： 一是 冻结过 程进 行的快 慢将影响到冻结 食 品 品质结 构 变化 ， 进 而影 响冻干 速率 ； 二是冻结速率 将影响冻结物料 的结晶型式 。 在单 纯的冻结过程 中 ， 一般更 多强调的是 速冻。 因为冻结 过程以较 快 的速度 完成 ， 细胞 内 的水 分大 多在原地冻结 ， 形成小又多 的冰 晶体 ， 可使 冷冻食品 解冻时最大程度保持 未冻食 品的组织 结构 。但对冷 冻干燥而言 ， 速冻并 不利 于冻干 速率 的提高 。因冻 干过程 中， 冰晶升华后 留下 的空 隙是后 续 冰晶升 华 时水 蒸汽的逸 出通 道 ， 速冻 形成 的细小 冰 晶升华后 形 成的空隙通道小 ， 水 蒸汽的逸 出阻力 大。因此 从 提高 冻干速率 的角度来 看 ， 以慢 冻为 好。这是 因 为 冻结过程 中温度降低 到食 品 冰点 时 ， 处 于细胞 间 隙 内的那些与亲水胶体结合较弱或 以低浓度溶液状态 存 在的水分 ， 首先形成 冰晶 ， 并 出现胞 内水分 向胞间 已形成 的冰晶体 迁移 聚集 的趋势 ， 冻 结过 程进行 得 越慢 ， 上述水分重 新分 布愈 显著 。由于细 胞 内水 分 向细胞 问迁移 ， 造成细胞 内浓度增加 ， 其冰点进一步 下 降 ， 于是水分外逸量增加 。正是这样 ， 细胞问的冰 晶体颗粒 就愈 长 愈 大 ， 最 终形 成 大 而连 续 的 晶 涔。 这样 ， 冰晶升华后形成 的空隙通道大 ， 水 蒸汽逸 出的 阻力小 。因此 ， 从加快冻干速率来说 ， 这样 的结 构变 化有利 于冰晶升华 。但 值得 注意 的是 ， 冻结过 程 的 速率并不是越慢越 好 ， 冻结速率越慢 ， 对食 品细胞 组 织的破坏越 大 ， 从 而降 低 了冷 冻食 品 的复 原质 量 。 故应一分为二地看 待。 为保证 最佳 的 冰晶升华速率 ， 应 针对 不同 的食 品 ， 根据其 形状 与结构 ， 研究其最佳冻结速 率。而冻 结速率取决于冻结 时间。冻结 时间是指温度均匀食 品中心温度 从 初 温下 降到 一定 程 度低 温 所 需 的时 间。冻结时间可根据 国际制冷协会推荐 的冻结时 问 预 测 公 式 即 P l a n k冻 结 时 间 预测 方 程 进 行 计 算 。 该 方 程 为 ： r=p Z X H ( P 口+R x2 2) t 式 中 ： J 0 食 品的密度 ( k g m0 ) H食 品初终温时的焓 差 ( k J k g ) 对 板状食 品表示 厚度 ， 对 圆柱或球状 食 品表 示 直 径 ( m) P、 R与 冻 结 食 品 的 几 何 形 状 有 关 的 系 数 ， 如 板状食 品 ： P=1 2 ， R=1 B ， 球状食 品 ： P = 1 6 R ： 1 2 4 口 表 面传热系数 ( W m2 、 K ) 食 品 的 导热 系 数 ( W m、 K ) 2冻 干 过 程 的 传 热 传 质 速率 如前所述 ， 冻 干过 程包括 传热 和传质 过程 。在 产 品冷冻干燥 时 ， 若 传 给升华 界面 的热量 等于从 升 华界 面逸 出的水 蒸 汽升华 时所需 的热量 ， 则 升华 界 面的温度和压 强均达 到平衡 ， 升华正常进行 ； 若供 给 维普资讯 5 2 ， ) 仑 品 与 笈 磅 2 0 0 3 年第1 期 的热量不足 ， 冰 的升华夺 走 了 制 品 自身 的热量 而使 升华界 面的温度降低 ， 对 应温度下 的蒸汽 压降低 ， 传 质推动力 减少 ， 传 质速率降低 ； 若 从界面逸 出的水蒸 汽少于冻结 食品 内部 冰 晶升华 的水蒸 汽 ， 多余 的水 蒸汽聚集在升华 界 面使其 压强 升 高 ， 对 应 的升华 温 度提高 ， 最终可 能导致 制 品熔化 。故冷 冻 干燥 速率 一 方面取决 于单 位时 间供给升华 界面的热量的多少 即传热速率 ； 另一 方面 取决 于单 位 时间通 过干燥 层 从升华界 面逸出水蒸汽 的快慢 即传质速率 。 2 1理 想 条 件 下 冻干 过 程 的传 热和 传 质速 率 为分 析方便 ， 先考虑理想条件下 的情形 即 ： 假设 冰 层 厚 度 很 小 ； 从 冰 层 到 低 温 冷 凝 器 之 间 的 蒸 汽 流 动 阻 力 忽 略 不计 ； 升华 时 不 出 现 已干 层 ， 即 整 个 升 华 过程 的传质 阻力忽略不计 。升华 速率只与蒸汽压有 关 。在此理 想情况下 ， 根据气体分子撞击率来分 析 ， 可推知最 大传质速率 ( 又称升华速率 ) 应正 比于冰 的 蒸 汽 压 ， 反 比 于 冰 的绝 对 温 度 的平 方 根 ， 故 有 ： dq dr =Ko S P i Ti ( 1 ) 式 中 幽 ， d 理 想 条 件 下 的 最 大 升 华 速 率 ， kg s T， 冰 的 热 力 学 温 度 ， K f 冰 的蒸 汽 压 ， P a S 升 华 面 积 ， m K 常数 ， 取 决 于 升华 物质 的相对 分 子量 ， 对 于 冰 ， 在 S I 制 中取 0 0 1 8 4 。 在上述理想情况 下 ， 维 持升 华速 率需 要供 给 的升华 潜 热 为 ： = dq d = Ko S p T ( w) ( 2 ) 式 中 r 冰 的升 华 热 ， k J k g 若上述 热量通 过 热传 导方式 供 给。此 时 ， 为避 免 冰 融 化 ， 冰 块 的 下 表 面 温 度 应 维 持 在 小 于 2 7 3 K。 设 冰 的 导 热 系 数 为 ； ， 冰 层 厚 度 为 占 ； ， 冰 层 表 面 温 度 为 T ， 传 热 速 率 为 ： = 2 1 S( T 一 T ) ( w) ( 3 ) 结合 ( 2 ) 、 ( 3 ) 式 ， 就可确定保证最高升华速率 时 的冰 层厚 度 。 由计 算 可知 ， 求 得 的 ； 很 小 ， 故 只有 冰 层 很 薄 时 才 有 可 能 。虽 然 此 种 情 况 只存 在 于理 想 条件下 ， 工业 生产 中难以实现 ， 但它为 如何提高实 际 冻干过 程的升华速率在 理论上指 明了方 向。 同理 ， 若 升 华 所 需 的 热 量 由 辐 射 方 式 来 供 给 。 设辐 射体的温度 TR ， 冰块 表面的温度 TI 为 ， 两 者之 间辐 射换 热 的传热速率 为 ： =G 0 S( 7 - 4一 T ) e R一 +e 一 一1( W ) ( 4 ) 式 中口 斯蒂芬 一波尔兹 曼常数 ， 等 于 5 6 7 1 08 W ( m K ) e R、 e 辐 射 体 和 冰块 表 面 的 温 度 同样通过计算可知 ， 为保证较高 的升华速 率 ， 辐 射源的温度 就 要很 高 ， 其 供 热 在工 业 上 难 以 实 现 。 尽 管上述情形 与实 际物料 升华 干燥 的情 形有 异 ， 但 得 到 的 启 示 是 ， 实 际 物 料 的升 华 干 燥 应 尽 可 能 接 近 纯 冰 表 面 的 升 华 。 2 2 实 际 情 况 下 的 冷 冻 干 燥 中的 传 热 和 传 质 上 述 讨 论 的是 理 想 情 形 下 的 干 燥 ， 即 升 华 时 不 出现已于层 ， 没有 传质 阻力 ， 升华速率 只与 蒸汽压有 关 。实际上 ， 冷冻 干燥 与其他干燥 一样 ， 也 同时存在 着传热 和传质阻力 。 因此 ， 考 虑传 热 和传质 阻 力 的 实 际 升 华 速 率 可 表 示 为 ： dq d =S( P 一P o ) Ri +Re+ Ro ( k g s ) ( 5 ) 式 中 ： R 食 品 内部 已 干层 的 阻力 Rd 食 品 与 低 温 冷 凝 器 之 间 的 阻 力 R 表 面 升 华 反 应 的 阻力 P 界 面上 冰 的蒸 汽 压 o 冷 阱内靠 真空泵维持 的蒸汽分压 同 理 ， 满 足水 分 升华 所 需 的 热 量 为 ： = ( d q d ) r s = r s 。 S( P 一P o ) R +R d+Ro ( W) ( 6 ) 由此可知 ， 设法 降低 3项 阻力 ， 是提 高传热和传 质 速率的根本 。尤其是干燥过程 中食 品内部 已干层 的 阻力 。 而 此 项 阻 力 ， 一 方 面 取 决 于 预 冻 后 制 品 的 形 状 大 小 及 组 织 结 构 的 变 化 情 况 ( 前 已 述 ) ， 另 一 方 面 ， 取决 于水分 升华 所需 热量 的供 给方 式 。水 分升 华所需 热量 的供 给 方 式 不 同， 传热 传 质 阻 力 不 同。 而热量 的供 给方式 ， 可 归纳 为如下 三种 代 表性 的基 本 情 形 ： 被 干 燥 物 料 的加 热 是 通 过 表 面 的 已 干 层 辐 射 来进 行 ， 升华 的蒸 汽也 是通过 已干 层逸 出即传 热 和 传 质 沿 同一 途 径 ， 但 方 向相 反 ， 见 图 中( 1 ) ； 传热直接经过冻结层 ， 不经过 已干层 ， 而传质 经 过 已干 层 ， 见 图 中( 2 ) ； 热 量 从 冰 的 内 部发 生 ， 而 传 质 经 过 已 干 层 ， 见 图 中( 3 ) 。 第一种情形 ， 主要是针对辐射传热 ， 在此种情形 下 ， 由 于 被 干燥 物 料 的 加 热 是 通 过 表 面 的 已 干 层 辐 射来 进行 ， 故 内部 冻结 层 的温 度取决 于传热 和 传质 的 平 衡 。假 定 ： 忽 略端 效 应 ； 已干 层 达 到 并 保 持 维普资讯 第 3 9卷( 总第 1 1 6期 ) 付 晓玲 ： 食 品冷冻 干燥速率分析 5 3 允许 的 最 高 温 度 T ； 冷 阱 内的 蒸 汽压 保 持定 值 P o ； 全部供 热 完全 用 于 冰的 升华 而无盈 余 。则任 一 时刻 的传热速率可表 示为 ： ( 1 ( 2 ) ( 3 ) 冷 冻干燥 中的传热 和传质 = d S( T 一 T ) ( W ) ( 7 ) 式 中 d 已干 层 的 导 热 系 数 ， W ( m K) 已干 层 的厚 度 ， m 已干层表 面允许 的最高温度 ， K T 冻 结 层 的 温 度 ， K 另 外 ， 传 质 速 率 可表 示 为 ： g 。 ， d =Kd S( P 一 P 。 ) 8 d ( k g s ) ( 8 ) 式 中 Kd 已 干 层水 汽 透 过 系数 ， k g ( m s P a ) P 冻 结 层 温 度 下 的蒸 汽 压 ， P a 。 冷 阱内蒸 汽分压强 ， P a 在 这 种 情 形 下 ， 随 着 干燥 过 程 的进 行 ， 已 干 层 逐 渐增厚 ， 传 热传质 的阻力 均逐渐增大 ， 但 因传热传质 过 程 是 双 面 进 行 ， 故 干燥 阶 段 进 行 到后 期 时 ， 对 传 热 传质速 率影响 不是很 大 。存在 的问题是 传热经过 已 干 层 ， 若 温 度 控 制 不 当 ， 易 发 生 已 干 层 溶 化 的 现 象 。 第 二 种 情 形 ， 主 要 是 针 对 传 导 传 热 ， 在 此 种 情 形 下 ， 热量 通 过 冻 结 层 传 递 即 不 通 过 已干 层 ， 水 汽 仍 然 通 过 已干 层 扩 散 。 相 对 于 第 一 种 情 形 ， 传 热 传 质 均 是 单面进行 ， 其水蒸 汽 的传 递方 式虽 与第 一种 情形 一 样 ， 但在冻结 食品形状大 小不变的情况下 ， 蒸 汽逸 出 的行程将增 大 即 6 d 增 大 ， 从 ( 8 ) 式 可知 ， 传质 速率 将 明显 减 小 。热 量 的 传 递 速 率 也 与第 一 种 情 形 有 别 ， 主要 是 通 过 冻 结 层 的 传 递 ， 且 传 递 的 热 量 恰 好 用 于 冰 的 升 华 ， 对 已 干 层 的温 度 不 产 生 影 响 ， 则 有 ： = S( T一 丁 ) ， ( W ) ( 9 ) 式 中 ， 冻 结 层 的 导 热 系 数 ， W ( I l l K) ， 冻 结 层 的 厚 度 ， m T 与 冻 结 层 相 接 触 的 壁 面 温 度 ， K T 冻结层表面 的温度 ， K 在这种情形下 ， 随着干燥 的进行 ， 传热传质 的难 易程度也在发生 变化 ， 因传质过程单面进行 ， 已干层 越来 越厚 ， 故 传质愈来愈 困难 ， 其传 质阻力较第一种 情 形 大 ， 相 反 ， 因冻 结 层 越 来 越 薄 ， 故 传 热 愈 易 。 第 三种情形是利用微波加热作 为冷冻 干燥 的热 源 ， 其 传 质 过 程 与第 一 种 情 形 一样 ， 但 热 量 传 递 较 前 两 种 情 形 发 生 了 根 本 性 的 变 化 。首 先 ， 微 波 加 热 的 及 时性 给微 波加 热 带 来 了 如 下 特 点 ： 热 量 传 递 直 接 发生在 物料的 内部 ， 对 物料加 热无 惰性 ， 即只要有微 波辐射 ， 物料立 刻得 到 加热 ； 其 次 ， 微 波 加热 利用率 大大高于 常规加 热 ， 再加 上微 波加 热不需 要 高温介 质 ， 故 绝大部分微 波能 量被物 料 吸收转 为升 温 的热 量 ， 形成能量利 用率 高的 特征 。故 使用 微 波 可产生 快速干燥 ， 因为热量不靠物料内部的温度梯度来传递 。