微波真空与真空冷冻干燥的组合应用.doc

_微波真空与真空冷冻干燥的组合应用摘 要：随着人民生活水平的提高,人们越来越关注食品干燥产品的品质,对食品的品质提出了更高的要求。干燥过程对农产品和食品产品的品质具有很大的影响,有时甚至起到决定性的作用。众所周知,现在仍占主导地位的热风干燥对食品的色泽、维生素C及其他生物活性物质破坏的程度较大,而目前要获得优质干燥产品常常需要采用昂贵的方法和设备,如冷冻干燥。干燥的经济性和产品质量之间目前还存在着很大的矛盾,如何以低能耗和低成本去获得优质的脱水干燥产品,是当前农产品和食品干燥研究中急需研究和解决的问题,也是干燥技术研究和发展中的一项最大的挑战。本文分别介绍了微波真空干燥和真空冷冻干燥及其组合应用，旨在充分利用冷冻干燥在保持水果色香味和微波干燥在节省能耗和降低成本上的优势，吸收利用两者的优点，解决现在干燥领域发展的难题。关键字：食品干燥，热风干燥，冷冻干燥，微波干燥 精品资料0 引 言我国是一个农业大国，水果蔬菜资源丰富，品种繁多，且品质优良，价格低廉。脱水果蔬作为果蔬深加工的一种，具有新鲜果蔬的色、香、味，便于运输，使廉价的果蔬增值等优点，且食用方便，适应现代人们快节奏的生活方式，在国内外受到普遍欢迎。发达国家脱水蔬菜的比例很高，在美国，洋葱、大蒜收获量的绝大部分用来生产脱水洋葱和脱水大蒜，葡萄干占收获量的 25%。而我国，除辣椒外，其它脱水蔬菜的比例都较低。近十多年来，我国的脱水果蔬加工业得到了迅猛发展，且脱水果蔬已成为我国重要的出口农产品之一1。我国生产的冻干食品，主要包括：汤料、虾仁、半成品（如鸡蛋粉）、保健品（如冻干人参）及方便面调料（如方便面中的脱水菜、肉丁）等，年产量几千吨。2010 年，仅我国高档方便面辅料一项，约需冻干食品 4 万吨，加上各种快餐配料、汤料、饮料等，每年冻干食品的消费将接近 10 万吨。国际市场冻干食品供不应求，全世界冻干食品的产量，在 20 世纪 70 年代仅 20 万吨，到 20 世纪 90 年代己达到上千万吨。近些年冻干食品的消耗量：美国在 500 万吨以上，日本在 160 万吨以上，法国在150 万吨以上。国内冻干食品工业尚处于发展初期，产量还很低。却引来了外商向我国市场的大量求购。这既有国际市场对冻干食品供不应求的外因，也有我国冻干食品生产成本相对低的内因2。目前，要获得优质的脱水果蔬，主要采用冷冻干燥，能保持产品原有的色香味和质构（外形），但冷冻干燥设备昂贵，生产能耗费极高。进口设备一般要几十万美元，国产的冷冻干燥机也要几十万至几百万元；操作费用高，冷冻干燥中需要维持-25oC 的低温，5 Kpa 的高真空，干燥时间 20 h 左右，生产能力也有限。冷冻干燥适合加工附加值较高的药品、生物制品和食品等，一般说来，绝大多数农产品和食品都是附加值比较低的大众产品，难以采用冷冻干燥工艺。采用其它干燥方式（如热风干燥，微波干燥，远红外干燥，渗透干燥），目前还不能得到优质的脱水产品。微波真空干燥是一种新的干燥技术，是一种常温、快速脱水干燥技术。虽然脱水产品的色、香、味和营养保留能够接近冷冻干燥产品，生产费用可大大降低，但是干燥后期产品质构也发生较大变化，产品的外形保留与冷冻干燥产品有较大的差距。1 真空冷冻干燥真空冷冻干燥(又称冻干, 英文“Freeze Dried”简称“FD”), 是真空技术与冷冻技术相结合的新型干燥脱水技术。冷冻干燥的简单定义是: 先将湿物质冷冻, 然后把它放到较低的水蒸气分压下, 使冰直接升华成蒸汽的干燥方法。与其他干燥手段( 水蒸气转变为气相) 不同, 物料中的水是固态直接转变为气态的。真空冷冻产品具有很多优点, 能提高产品附加值并促进地方经济发展, 符合国家提出的农副产品加工要讲究高水平、高起点、高标准的发展方向。然而, 冷冻干燥是一项成本和操作费用都很高的工艺, 并且很费时。在 20 世纪 60 年代期间, 人们期望这项工艺能有广泛的应用, 并投人了相当大的资源去开发新的设备和方法。在美国和欧洲, 用于冷冻和冷藏食品的高效分配和存储体系已经稳固地建立了起来3。1.1 真空冷冻干燥原理真空冷冻干燥基本原理是基于水的三种变化。水(H2O)有三种相态, 即固态、液态和气态, 三相态既可以相互转换也可以共存。三相点所对应的温度为0.0098, 水蒸气压为 610.5 Pa(4.58 mmHg), 在这样的温度和水蒸气压下, 水、冰、水蒸气三者可共存且相互平衡。只有在三相点以下, 冰才能由固相直接转变为气相, 这个过程称为升华。在高真空状态下,利用升华原理, 使预先冻结的物料中的水分( 不经过冰的融化) 直接以冰态升华为水蒸气被除去, 从而达到冷冻干燥的目的。真空冷冻干燥设备的工作原理是: 先将物料冻结到共晶点温度以下, 使水分变成固态的冰, 然后将经过预冻的物料装入干燥仓内, 在低温真空状态下, 由加热板以导热或辐射方式供给热能, 使物料中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出来的水蒸气, 由真空泵组抽至捕水仓内, 在 - 40- 45的排管外壁上凝结被捕, 直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空, 完成物料冻干全过程。真空冷冻干燥机(简称冻干机)主要由真空冷冻干燥箱(简称冻干箱)、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成4。1.2 真空冷冻干燥食品的特点(1) 物料干燥是在低温下进行, 且处于真空状态。因此, 特别适用于高热敏性和极易氧化物料的干燥, 可以保留新鲜物料色、香、味及营养成份不损失。(2) 可保持食品原有的形状并具有很好的速溶性和复水性。由于物料在升华前先冻结, 形成了稳定的固体骨架, 所以水分升华后固体骨架基本保持不变。在升华干燥过程中, 固态冰晶升华成水蒸气后在食品物料中留下了大量空隙, 使得冻干食品具有海绵状多孔性结构, 食品因此而具有理想的速溶性和快速复水性。复水后的食品无论其外观和形态及口味都与冻干前没有多大差异, 复水率可达 90%以上5。(3) 在升华过程中溶于水中的可溶性物质就地析出, 避免了其它干燥方法因物料内部水分向表面迁移而将无机盐和营养物携带到物料表面而造成表面硬化和营养损失。(4) 冻干制品采取真空或充氮包装和避光保存,保质期长。由于重量轻, 可室温储藏和运输, 耗损大大降低。1.3 真空冷冻干燥的应用因为冷冻干燥的本质就是去水, 所以该过程不适合高脂肪含量食品的处理, 否则会使食品腐败。冷冻干燥的优点: 对不耐热的物质来说, 其活力的破坏和损失最小; 形成一层有孔的脆性结构; 快速并完全复水; 具有无菌过滤液体的能力。冷冻干燥的主要缺点是: 设备投资大(大约是其他方法的三倍); 能耗高(大约也是其他方法的三倍); 处理时间长(典型的干燥周期一般在 410h之间); 当纯水冻结成冰时溶解物被浓缩, 由于 pH值和张力的变化, 可能会损坏产品。当产品需要满足下列一个或多个标准时, 冷冻干燥方法是非常适用的: 产品品质不稳定; 不耐热; 要求快速和完全复水; 高价值或高附加值产品; 要求质量最小化; 不适合长期冰冻冷藏的产品6-8。2 微波真空干燥微波真空干燥是随微波干燥技术发展起来的一项新的组合干燥技术。它不仅具有干燥速度快、温度低、物料温度低、色香味及营养成分保留好等优点，而且参数可以控制，能够干燥多种不同类型的物料。目前我国虽然有一些单位正在研究，但其技术性能还需要完善，在机理和工艺方面也还有很多问题需要深化和研究。2.1 微波真空干燥原理微波是指频率在300MHz到300KMHz的电磁波。介质物料由极性分子(水分子)和非极性分子组成,在电磁场作用下,这些极性分子从原来的随机分布状态转向按照电场的极性排列取向。在高频电磁场的作用下,这些取向按交变电磁场的变化而变化,这一过程致使分子的运动和相互磨擦效应,从而产生热量。此时交变电磁场的电磁能转化为介质内的动能,动能再转化成热能,使介质温度不断升高。微波加热是使被加热物体本身成为发热体,故称之为内部加热方式。这种方式不需要热传导的过程,电磁波从周围或特定的方向穿过物料,使得物料内各部分在同一瞬间获得热能而升温,因此能在短时间内达到均匀加热。此时,由于物料表面水份蒸发,致使表面温度降低,从而造成一个内高外低的温度梯度,这个梯度的方向正好与水份蒸发的方向一致,使得蒸发加快,所以效率极高。同时由于内部产生热量,以致于内部蒸汽迅速产生,形成压力梯度,如果物料的初始含水率很高,物料的内部压力非常快的升高,水分会在压力梯度的作用下从物料排除。在干燥的过程中能量转化经过了两个步骤,先是电磁能转化为有序运动的分子动能,然后通过碰撞转化为热能。在真空状态下,水的沸点降低,从而使物料在相对较低的温度下就可以沸腾蒸发。真空不仅能使物料在保持低温状态下蒸发,还能产生压力梯度提高干燥效率。真空干燥具有干燥温度低、产品复水性高,同时对食品的色泽和口感也保持较好。所以微波干燥和真空干燥的结合不仅使得物料能在较低的温度下蒸发干燥,而且可以提高干燥效率9。2.2 微波真空干燥特点(1)干燥速率高。普通的干燥方法如热风干燥,对物料来说热量是从表面向内传递,而水分从内向外迁移,温度梯度与水分转移方向相反,这样将导致干燥速率下降。微波干燥不必以热传导的形式从表面向内部传递,而是通过微波将能量直接作用于整个物料,使物料整体均匀被加热,大大缩短了加热时间；同时由于压力迁移动力的存在,是微波干燥具有由内向外干燥的特点,即对物料整体而言,首先从内部干燥,克服了在常规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点。特别对于物料本身不是热的良导体,微波干燥优势更明显。(2)提高干燥品质。微波加热,物料内部和表面同步进行加热,温度分布均匀。一般微波只与物料中的水分而不与干物质相互作用,含水较高的地方吸收辐射能较多,干物质相对较少,能更迅速地干燥,这样起到了热量分配自动平衡的作用。但单纯的微波加热容易产生由于过热引起的烧伤、焦化、结壳和硬化等现象。上述现象主要是因为温度过高和干燥过快引起的。真空干燥可以降低水的蒸发温度,使物料在较低的温度下迅速蒸发,同时还可以避免氧化,因此改善了干燥品质。尤其在医药、食品和化工等领域存在热敏性物料的情况下,需要低温快速干燥的条件；同时对于食品和医药,由于微波的微生物效应,能在较低的温度下即可达到除菌的目的。(3)成本低、无公害。微波真空干燥新技术,不需要电热烘干设备和蒸汽加热设备；微波直接与物料相互作用,不需要加热空气、大面积器壁及输送设备等,而且加热腔为 金属制造的密闭空腔,能反射微波,是指不向外泄漏,从而被物料吸收。其耗能是普通干燥设备的 1/3 1/4,也低于红外干燥 ,同时对环境几乎没有影响。如果使用一般的加热设备干燥,不仅影响产品的质量，甚至产生污染 ,而且也造成过多的能源消耗 ,设备存在运行成本高、经济效益差,设备利用率低、维护费用高等突出问题 。(4)安全性。微波不会对被加热物料产生不安全影响,其安全性得到国际认可。但设备仍然存在微波泄漏,所以为了保证设备的安全性,微波的泄漏量应满足国际电工委员会(IEC)规定量。(5)自动化控制过程。对干燥过程进行适当的控制是必要的。微波的输出可以通过发生器的开关来控制,操作方便,而且加热的强度可以通过控制输出功率来实现。如干燥的过程控制,干燥过程分为常率期、降率期和扩散期:常率期蒸发温度基本恒定,表面呈湿润状态；降率期水分奇异速度减慢,物料温度开始上升；扩散期物料导热性变差,需要较为温和的干燥条件。在不同时期,随着物料干燥程度不同,温度相应变化,因此在干燥过程中,微波功率随着物料的干燥程度做主动调节,将物料温度控制在设定的范围内,从而保证成品的质量10。3 微波真空与冷冻干燥组合应用真空冷冻干燥(冻干)能够有效保留物料中的热敏性成分,维持生物活性成分的活力,被广泛应用于药品、生物制品、高附加值食品等的干燥。但是冷冻干燥具有干燥速率低、时间长、能耗高等缺点,因而制约了其进一步的应用。冷冻干燥的这些缺陷主要是由于冷冻干燥装置所采用传统加热方式造成的。微波加热是利用介电加热原理,具有加热迅速、均匀、节能高效、加热质量高、营养破坏少等特点,有研究证实,将微波作为冷冻干燥的热源,可以显著地提高冻干效率、降低能耗11。近年来,微波真空冷冻干燥(微波冻干)这一新型干燥技术已引起了国内外食品干燥研究人员的广泛关注。3.1 微波真空冷冻干燥的基本原理和特点微波真空冷冻干燥是将高效的微波辐射加热技术和真空冷冻干燥技术相结合的极具有应用价值的一项新技术。微波真空冷冻干燥就是利用微波辐射处于冻结状态的被干燥物料,在高频交变电磁的作用下使物料(主要是水)分子发生振动和相互摩擦从而将电磁能转化为物料中的水分升华所需的升华潜热。微波真空冷冻干燥具有以下优点:(1)物料不易氧化变质,同时因低压缺氧及微波环境,能灭菌或抑制某些细菌的活力; (2)可以最大限度的保留食品原有成分、味道、色泽和芳香;(3)由于固体骨架的存在,干制品具有很理想的速溶性和复水性;(4)避免了因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象;(5)脱水彻底,质量小,适合长途运输和长期保存, 在常温下,采用真空包装,保质期可达35年; (6)干燥速度快,其干燥速度和热效率是常规加热方法的420倍。经大量实验和模拟表明,用微波作为热源进行冷冻干燥能够有效提高脱水速率和产品总体品质12-14。如果在解析阶段采用微波加热的方法,可以大大缩短干燥时间15-16。微波真空冷冻干燥的主要缺点在其经济性方面:首先,冷冻干燥设备一次性投资成本高;其次,由于其干燥速率低,产品要达到设定的水分含量,耗时相对就要长,制冷系统和真空系统的能耗就增加,结果造成干燥成本提高。因此,目前冷冻干燥仅局限于对具有高附加值产品的应用。3.2 微波真空冷冻干燥的应用现状微波冻干技术的应用和发展,与微波加热技术的发展是密不可分的。1965年,美国Crydry公司开发出大功率磁控管后,微波在食品工业加热中的应用才全面展开。尤其是20世纪80年代后,微波能的有效利用和加热体系的不断完善才使微波在脱水干燥、烹调焙烤、微波解冻等方面的应用极大地发展和丰富起来17。经文献检索,国外关于微波冻干技术应用于规模化工业生产的报道基本上没有。我国在微波冻干领域研究及应用方面起步较晚,1987年才开始着手研究微波冻干设备, 1993年有大尺寸微波冻干设备用于对蔬菜的干燥。国内微波冻干设备生产厂家主要有:南京华盛微波系统有限公司、南京三乐微波技术发展有限公司和南京亚泰微波能技术研究所等。虽然已有一些公司或研究机构在生产、销售微波冻干设备,但真正能将其用于工业生产的产品不多,大多数设备只是用于实验研究。工业化应用进程的受阻,其主要原因是微波冻干技术存在一些问题:首先,微波加热量不好控制,易造成物料温度过高,超过共融点或崩解温度,从而影响冻干的进行;其次,微波加热过程中还会产生辉光放电等现象;再次,为优化和控制微波冻干工艺,需要准确地测量物料干燥过程中的温度变化,但微波场的存在给温度测量带来了困难。常规测温方法(如热电偶和热电阻测温)在微波场中会产生以下问题:一是由于微波场中的元件发热,传感器得到的温度并不能真实地反映物料的温度;二是高频电压和电流对温度信号产生强烈的干扰;三是金属导线在微波场中可能发生短路、放电现象并可能烧毁测温元件18。最后在于经济方面的原因,微波冻干尽管在技术上具有优势,但经济上能否获得效益,还需要从技术经济的角度进行分析。以上诸多问题的存在,使得微波冻干技术在大规模工业化应用方面面临着很多困难,因此要进一步发展微波冻干技术,还需要在理论和实验方面进一步深入研究。4 展望随着微波冷冻干燥设备和干燥工艺的不断完善、微波冻干实验和理论(包括常规微波冻干理论和带电介质核的微波冻干理论)研究的逐步深入,尤其是对一些关键技术难题,如辉光放电、温度测量等的攻克,微波真空冷冻干燥技术将会日益成熟。同时,近年来国内外对一些生物制品、药品以及高档食品的产量和品质要求越来越高,使得微波冷冻干燥设备具有空前的市场潜力,微波冷冻干燥技术的应用前景也将更为广阔。参 考 文 献1张愍, 徐艳阳, 孙金才. 国内外果蔬联合干燥技术的研究进展J. 无锡轻工大学学报,2003,22（6）:105-106.2徐小东, 崔政伟. 农产品和食品干燥技术及设备的现状和发展J. 农业机械学报,2005, 36(12): 171-174.3许韩山，张愍，孙东风，毛文岳. 真空冷冻干燥在食品中的应用J.干燥技术与设备，2008,6（2）:102-1064沈健,崔伟.浅谈真空冷冻干燥技术J.农业装备技术,2006,32(2):26- 28.5李志平.真空冷冻干燥技术分析研究及应用J.四川食品与发酵,2005: 41(3): 51- 54.6LorentZen. 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