食品的干藏处理.ppt

第二章食品干藏第一节概述 一 干燥食品的范围干燥制品包括蔬菜制品 果干制品 干鱼贝类制品 干燥肉 干野菜 谷类 蛋制品等 二 食品脱水加工的特点 优点 1 食品经脱水加工后 重量减轻 体积缩小 可节省包装 储藏和运输费用 带来了方便性 2 干燥食品可延长保藏期 缺点 复水慢 质构不如新鲜态 脂肪含量高的干制品易酸败 哈败 因为表面积增大 多孔性 三 食品脱水加工的方法 在常温下或真空下加热让水分蒸发 依据食品组分的蒸汽压不同而分离 依据分子大小不同 用膜来分离水分 如渗透 反渗透 超滤 本章中讨论的是通过热脱水的方法 干燥就是在自然条件或人工控制条件下促使食品中水分蒸发的工艺过程 drying 一般来说 干燥包括自然干燥和人工干燥 自然干燥如晒干 风干等 人工干燥如烘房烘干 热空气干燥 真空干燥等 脱水 dehydration 就是为保证食品品质变化最小 在人工控制条件下促使食品水分蒸发的工艺过程 因此 脱水就是指人工干燥 四 食品干燥保藏 指在自然条件或人工控制条件下 使食品中的水分降低到足以防止腐败变质的水平后并始终保持低水分的保藏方法 是一种最古老的食品保藏方法 五 食品干藏的历史 我国北魏在齐民要术书中记载用阴干加工肉脯 在本草纲目中 晒干制桃干 大批量生产的干制方法是在1875年 将片状蔬菜堆放在室内 通入40度热空气进行干燥 这就是早期的干燥保藏方法 差不多与罐头食品生产技术同时出现 六 食品干藏的特点 设备简单生产费用低 因陋就简 食品可增香 变脆 食品的色泽 复水性有一定的差异 七 脱水加工技术的进展 除热空气干燥目前还在应用外 还发展了红外线 微波及真空升华干燥 真空油炸等新技术 提高干燥速度 提高干制品的质量 发展成食品加工中的一种重要保藏方法 第二节食品干藏原理 长期以来人们已经知道食品的腐败变质与食品中水分含量 W 具有一定的关系 W表示以干基计 也有用湿基计w 但仅仅知道食品中的水分含量还不能足以预言食品的稳定性 有一些食品具有相同水分含量 但腐败变质的情况是明显不同的 如鲜肉与咸肉 水分含量相差不多 但保藏却不同 这就存在一个水能否被微生物酶或化学反应所利用的问题 这与水在食品中的存在状态有关 一 食品中水分存在的形式 通常只是简单地将食品物料中的水分分为结合水和非结合水 按水分和物料间架的结合形式可将物料中的水分分为 1 化学结合水是经过化学反应后 按严格的数量比例 牢固地同固体间架结合的水分 只有在化学作用或特别强烈的热处理下 如煅烧 才能除去 除去它的同时会造成物料物理性质和化学性质的变化 即品质的改变 化学结合水在物料中的含量很少 为5 一10 如葡萄糖 柠檬酸晶体中的结合水 一般情况下食品物料干燥不能也不需要除去这部分水分 化学结合水的含量通常是干制品含水量的极限标准 2 物理化学结合水这部分水分包括吸附结合水 结构结合水及渗透压结合水 吸附结合水与物料的结合力最强 吸附结合水是指在物料胶体微粒内 外表面上因分子吸引力而被吸着的水分 胶体食品物料中的胶体颗粒与其他胶体相比 具有同样的微粒分散度大的特点 使胶体体系中产生巨大的内表面积 从而有极大的表面自由能 靠这种表面自由能产生了水分的吸附结合 应该指出 处于物料内部的某些水分子受到各个方向相同的引力 作用的结果是受力为零 而处在物料内胶体颗粒外表面上的水分子在某种程度上受力不平衡 具有自由能 这种自由能的作用又吸引了更外一层水分子 但该层水分子的结合力比前一层要小 所以 胶体颗粒表面第一单分子层的水分结合最牢固 且处在较高的压力下 可产生系统压缩 吸附结合水具有不同的吸附力 在干燥过程中除去这部分水分时 除应提供水分汽化所需要的汽化潜热外 还要提供脱吸所需要的吸附热 结构结合水是指当胶体溶液凝固成凝胶时 保持在凝胶体内部的一种水分 它受到结构的束缚 表现出来的蒸汽压很低 果冻 肉冻凝胶体即属此例 渗透压结合水是指溶液和胶体溶液中 被溶质所束缚的水分 这一作用使溶液表面的蒸汽压降低 溶液的浓度越高 溶质对水的束缚力越强 水分的蒸汽压越低 水分越难以除去 3 机械结合水是食品湿物料内的毛细管 或孔隙 中保留和吸着的水分以及物料外表面附着的润湿水分 这些水分依靠表面附着力 毛细力和水分粘着力而存在于湿物料中 这些水分上方的饱和蒸汽压与纯水上方的饱和蒸汽压几乎没有太大的区别 在干燥过程中既能以液体形式又能以蒸汽的形式移动 食品湿物料在干燥中所除去的水分主要是机械结合水和部分物理化学结合水 在干燥过程中 首先除去的是结合力最弱的机械结合水 然后是部分结合力较弱的物理化学结合水 最后才是结合力较强的物理化学结合水 在干制品中残存的是那些结合力很强 难以用干燥方法除去的少量水分 Eg 方便面 多孔体 初表面结膜 内部水分蒸发不出来 后突然冒出 控制它成多孔体 而挂面 均匀收缩 二 水分活度 游离水和结合水可用水分子的逃逸趋势 逸度 来反映 我们把食品中水的逸度与纯水的逸度之比称为水分活度 wateractivity Aw f 食品中水的逸度Aw f0 纯水的逸度 我们把食品中水的逸度和纯水的逸度之比称为水分活度 水分逃逸的趋势通常可以近似地用水的蒸汽压来表示 在低压或室温时 f f0和P P0之差非常小 1 故用P P0来定义Aw是合理的 1 定义Aw P P0其中P 食品中水的蒸汽分压 P0 纯水的蒸汽压 相同温度下纯水的饱和蒸汽压 2 水分活度大小的影响因素 取决于水存在的量 温度 水中溶质的浓度 食品成分 水与非水部分结合的强度 下图为常见食品中水分含量与水分活度的关系 三 食品中水分含量 M 与水分活度之间的关系 食品中水分含量 W 与水分活度之间的关系曲线称为该食品的吸附等温线 水分吸附等温线的认识 一般情况下 食品中的含水量越高 水分活度也越大 从图 1 1 曲线上可以看出 在含水量低的线段上 水分含量只要少许变动 即可引起水分活度较大的变动 这段曲线放大后 称为等温吸湿曲线 在等温吸湿曲线上 接照水分量和水分活度情况 可以为三段 第 个区段是单层水分子区 水在溶质上以单层水分子层状吸附着 结合力很强 aw也很低 在0 0 25之间 这种状态的水称为1型束缚水 在这个区段范围内 相当与物料含水0 0 07 g干物质 水分多和食品组成中的羟基和氨基等离子基团牢固结合 形成单分子层的结合水 第2个区段是多层水分子区 在这状态下存在的水是靠近溶质的多层水分子 相互间以氢键结合 还有直径 1um的毛细管中的水 Aw在0 25 0 8之间 这种状态下的水称为2型束缚水 在这个区段范围内 物料含水量在0 07至0 33g g干物质范围内 水多与食品成分中酰氨基羟基等结合 第3个区段是毛细管凝结水区 在此区间水分在物料上以物理截流的方式凝结在食物的多空性结构中 eg直径 1um的毛细管中的水分和纤维丝上的水分都是 其性质接近理想溶剂 aw在0 80 0 99之间 这种状态的水称为3型束缚水 物料含水量最低为0 14 0 33g g干物质 最高为20g g干物质 完全自由水即4型水 四 水分活度与食品的保藏性 大多数情况下 食品的稳定性 腐败 酶解 化学反应等 与水分活度是紧密相关的 1 水分活度与微生物生长的关系 食品的腐败变质通常是由微生物作用和生物化学反应造成的 任何微生物进行生长繁殖以及多数生物化学反应都需要以水作为溶剂或介质 干藏就是通过对食品中水分的脱除 进而降低食品的水分活度 从而限制微生物活动 酶的活力以及化学反应的进行 达到长期保藏的目的 2 干制对微生物的影响 微生物生长繁殖与水分活度之间的依赖关系见表1 3 1 从食品的角度来看 大多数新鲜食品的水分活度在0 99以上 适合各种微生物生长 只有当水分活度降至0 75以下 食品的腐败变质才显著减慢 水分活度降到0 70以下 物料才能在室温下进行较长时间的贮存 干制过程中 食品及其所污染的微生物均同时脱水 干制后 微生物就长期地处于休眠状态 环境条件一旦适宜 又会重新吸湿恢复活动 干制并不能将微生物全部杀死 只能抑制其活动 但保藏过程中微生物总数会稳步下降 虽然微生物能忍受干制品中的不良环境 但是在干制品干藏过程中微生物总数仍然会稳步地缓慢下降 见p18 图1 1 2 干制品复水后 只有残留微生物仍能复苏并再次生长 微生物的耐旱力常随菌种及其不同生长期而异 eg葡萄球菌 肠道杆菌 结核杆菌在干燥状态下能保存活力几周到几个月 乳酸菌能保存活力为几个月到一年以上 干酵母保存活力可达两年之久 干燥状态的细菌芽孢菌核 原膜孢子分生孢子可存活一年以上 黑曲霉菌孢子可存活达6 10年以上 干制并不能将微生物 病原菌 全部杀死 只能抑制他们的活动 因此 干制品并非无菌 遇温遇潮湿气候 就会腐败变质 干制食品要求微生物污染低 质量高的食品原料 清洁加工处理常用热处理或化学灭菌 即干制前设法将它灭菌 3 干制对酶的影响酶为食品所固有 它需要水分才具有活性 水分减少时 酶的活性也就下降 然而酶和基质 底物 却同时增浓 因而反应速率随两者增浓而加速 因此 在低水分干制品中 特别在他吸湿后 酶仍会缓慢地活动 从而引起食品品质恶化或变质 只有干制品水分降低到1 以下时 酶的活性才会完全消失 酶在湿热条件下处理时易钝化 因此 为了控制干制品中酶的活动 就有必要在干制前对食品进行湿热或化学钝化处理 以达到酶失去活性为度 为鉴定干制品中残留酶的活性 可用过氧化物酶作为指示酶 因为当过氧化物酶完全失活时 它抗热性较强 可以保证所有其它酶破坏 eg 100 瞬间即能破坏它的活性 但在干热条件下难于钝化 eg在干燥条件下 即使用204 热处理 钝化效果极其微小 五 食品干制的要求及干制食品的品质指标 1 干制要求1 干制的食品原料应微生物污染少 品质高 应在清洁卫生的环境中加工处理 并防止灰尘以及虫 鼠等侵袭 干制前通常需热处理灭酶或化学处理破坏酶活并降低微生物污染量 有时需巴氏杀菌以杀死病原菌或寄生虫 2 水分越低越好 但口感会变差 3 干燥条件使食品所产生的物理变化 化学变化 质构感不良变化减得最小程度 营养损失最少 4 品质要求复水快 口感好 冷冻升华干燥能做到 5 要求干燥技术的经济性 能源消耗低 2 品质指标控制 水分活度 aw 复水性 复原性 质构 硬度 粘性 韧性 弹性 酥脆 感官品尝 外观 大小 形状 色泽 光泽 稠度 风味 气味 香臭 味道酸 甜 苦 辣 咸 鲜 麻 微生物 细菌 指标大肠杆菌 杂菌数 理化指标 重金属指标 干制品一般都在复水后才食用 干制品复原性是用来衡量干制品品质的重要指标 干制品的复原性就是干制品重新吸收水分后 在重量 大小和形状 质地 颜色 风味 成分 结构以及其它可见因素各个方面恢复原来新鲜状态的程度 干制品复水性就是新鲜食品干制后 能重新吸回水分的程度 一般常用干制品吸水增重的程度来衡量 而且在一定程度上也是干制过程中某些品质变化的反映 为此 干制品复水性也成为干制过程中控制干制品品质的重要指标 选用和控制干制工艺必须遵循的准则 就是尽可能减少不可逆变化给食品造成的损害 干制品复水性下降 有些是细胞和毛细管萎缩 变形等物理变化的结果 但更多的是胶体中物理变化和化学变化所造成的结果 复水试验主要是测定复水试样的沥干重 复水试验应严格按照预先制定的标准方法测定 复水比 R复 简单说就是复水后沥干重 g复 和干制品试样重 g干 的比值 R复 g复 g干 复水时 干制品常含有一部分糖分和可溶性物质流失而失重 复重系数 k复 就是复水后制品的沥干重 g重 和同样干制品试样量在干制前的相应原料重 g原 之比 k复 g重 g原 100 第三节食品干制的基本原理 一 干燥机制干燥过程是湿热传递过程 表面水分扩散到空气中 内部水分转移到表面 而热则从表面传递到食品内部 干制过程中潮湿物料传递具体表现为给湿和导湿两个过程 一 物料给湿过程 恒率干燥阶段 水分从物料表面向外的扩散过程称为给湿过程 它和自由液面蒸发水相类似 为恒率干燥阶段的干制过程 物料水分大于吸湿水分时 物料表面受热蒸发水分 气态 形成饱和水蒸气层 而后水蒸汽越过物料表面分界层 即饱和蒸汽向空气的蒸汽分压过渡层 向周围介质扩散 于是物料表面和它内部各区即建立了水分梯度 促使物料内部水分不断地向表面移动 扩散 给湿过程实现的条件为 表面水分蒸发速率 内部水分迁移速率 表面水分蒸发强度的估算 w c ps p 760 b式中 w 食品表面水分蒸发强度 千克 米2 小时 ps 和潮湿物料表面湿球温度相应的饱和水蒸气压 mmHg柱 p 热空气的水蒸气压 mmHg柱 b 大气压 mmHg柱 c 潮湿物料表面的给湿系数 kg m2 h mm hg 可按c 0 0229 0 0174v进行计算 v为空气流速m s 给湿过程中的干燥速率与热空气的t v以及食品表面向外部扩散蒸汽的条件 例如物料表面粗糙度 毛细管多孔型 物料内部 表面积等有关 二 导湿过程或内部水分的扩散过程 物料内部水分扩散分为 1 导湿现象 2 导湿温现象固体干燥时 物料内水份 会出现蒸汽或液体状态的分子扩散状水分移动 以及毛细管势能和其内挤压空气作用下的毛细管水分转移 这样的水分扩散转移称为导湿现象 导湿过程传质过程 其推动力为浓度差 湿含量差 1 导湿性 均质物料内水分通常总是从高水分处向低水分处扩散 对流干燥时 物料中心湿含量比物料外表面高 即存在着湿含量差 外表面上的水分蒸发掉后则从邻层得到补充 而后者则由来自物料内部水分补充 因此 物料干燥过程中 在它的断面上就会有水分梯度出现 水分梯度 干制过程中潮湿食品表面水分受热后首先有液态转化为气态 即水分蒸发 而后 水蒸气从食品表面向周围介质扩散 此时表面湿含量比物料中心的湿含量低 出现水分含量的差异 即存在水分梯度 水分扩散一般总是从高水分处向低水分处扩散 亦即是从内部不断向表面方向移动 这种水分迁移现象称为导湿性 1 水分梯度若用W表示等湿面湿含量或水分含量 kg kg干物质 则沿法线方向相距 n的另一等湿面上的湿含量为W w 那么物体内的水分梯度gradW则为 式中 W绝 物体内的湿含量 即每千克干物质内的水分含量 千克 n 物料内等湿面间的垂直距离 米 2 导湿性引起的水分转移量可按照下述公式求得 其中 i水 物料内水分转移量 单位时间内单位面积上的水分转移量 kg干物质 米2 小时 K 导湿系数 米 小时 0 单位潮湿物料容积内绝对干物质重量 kg干物质 米3 W绝 物料水分 kg kg干物质 水分转移的方向与水分梯度的方向相反 所以式中带负号 需要注意的一点是 导湿系数在干燥过程中并非稳定不变的 它随着物料温度和水分而异 导湿系数 K 与物料水分间的关系K值的变化比较复杂 当物料处于恒率干燥阶段时 排除的水分基本上为渗透水分 以液体状态转移 导湿系数稳定不变 DE段 再进一步排除毛细管水分时 水分以蒸汽状态或以液体状态转移 导湿系数下降 CD段 再进一步为吸附水分 基本上以蒸汽状态扩散转移 先为多分子层水分 后为单分子层水分 导湿系数先上升 CB段 后下降 BA段 导湿系数与温度的关系若将导湿性小的物料在干制前加以预热 就能显著地加速干制过程 因此可以将物料在饱和湿空气中加热 以免水分蒸发 同时可以增大导湿系数 以加速水分转移 2 导湿温性 在对流干燥中 物料表面受热高于它的中心 因而在物料内部会建立一定的温度梯度 温度梯度将促使水分 不论液态或气态 从高温处向低温处转移 这种现象称为导湿温性 导湿温性是在许多因素影响下产生的复杂现象 高温将促使液体粘度和它的表面张力下降 但将促使蒸汽压上升 而且毛细管内水分还将受到挤压空气扩张的影响 结果是毛细管内水分将顺着热流方向转移 1 温度梯度导湿温性引起水分转移的流量将和温度梯度成正比 它的流量可通过下式计算求得 i温 物料内水分转移量 单位时间内单位面积上的水分转移量 kg干物质 米2 小时 2 导湿温系数 就是温度梯度为1 米时物料内部能建立的水分梯度 即导湿温性和导湿性一样 会因物料水分的差异 即物料和水分结合状态 而异 dw dn dt dn 干制过程中 湿物料内部同时会有水分梯度和温度梯度存在 因此 水分流动的方向将由导湿性和导湿温性共同作用的结果 i总 i湿 i温 两者方向相反时 对流干燥 i总 i湿 i温当i湿 i温 水分将按照物料水分减少方向转移 以导湿性为主 而导湿温性成为阻碍因素 水分扩散则受阻 当i湿 i温 水分随热流方向转移 并向物料水分增加方向发展 而导湿性成为阻碍因素 对流干制时 主要在降率阶段 常会出现导湿温性大于导湿性 i湿 i温 于是物料表面水分就会向它的深层转移 可是物料表面仍然进行着水分蒸发 以致它的表面迅速干燥而温度也迅速上升 这样水分就会转移至物料内部深处蒸发 只有物料内层因水分蒸发而建立起足够的压力 才会改变水分转移的方向 扩散到物料表面进行蒸发 这就不利于物料干制 延长了干制时间 如 烤面包的初期 二 干制过程的特性 食品干制过程的特性可由食品干燥曲线来反映 干燥曲线可由干制过程中水分含量 干燥速率 食品温度的变化组合在一起较全面地加以表达 水分含量曲线就是在干制过程中食品水分含量变化和干制时间的关系曲线 干燥速率曲线反映食品干制过程中任何时间内水分减少的快慢或速度大小 即dM dt f M 的关系曲线 食品温度曲线可反映干制过程中食品本身的温度的高低 对于了解食品质量有重要的参考价值 一 干燥曲线1 食品水分含量曲线 AE 干制过程中食品绝对水分和干制时间的关系曲线 AE 当潮湿食品被置于加热的空气中进行干燥时 首先食品被预热 食品表面受热后水分就开始蒸发 但此时由于存在温度梯度会使水分的迁移受到阻碍 因而水分的下降较缓慢 AB 随着温度的传递 温度梯度减小或消失 则食品中的自由水 毛细管水分和渗透水分 蒸发和内部水分迁移快速进行 水分含量出现快速下降 几乎是直线下降 BC 当达到较低水分含量 C点 时 水分下降减慢 此时食品中水分主要为多层吸附水 水分的转移和蒸发则相应减少 该水分含量被称为干燥的第一临界水分 当水分减少趋于停止或达到平衡 DE 时 最终食品的水分含量达到平衡水分 平衡水分取决于干燥时的空气状态如温度 相对湿度等 水分含量曲线特征的变化主要由内部水分迁移与表面水分蒸发或外部水分扩散所决定 2 干燥速率曲线 A E 干燥速率曲线就是干制过程中任何时间的干燥速率 dw绝 dt 和该时间食品绝对水分 w绝 的关系曲线 而dw dt f w绝 因为w绝 f t 所以dw绝 dt f t 可按它画图又dw绝 dt w t 即在干燥曲线各点画出切线所得的斜率即为该点食品绝对水分时的相等的干燥速率 食品被加热 水分开始蒸发 干燥速率由小到大一直上升 随着热量的传递 干燥速率很快达到最高值 A B 为升速阶段 达到B 点时 干燥速率为最大 此时水分从表面扩散到空气中的速率等于或小于水分从内部转移到表面的速率 干燥速率保持稳定不变 是第一干燥阶段 又称为恒速干燥阶段 B C 在此阶段 食品内部水分很快移向表面 并始终为水分所饱和 干燥机理为表面汽化控制 干燥所去除的水分大体相当于物料的非结合水分 干燥速率曲线达到C 点 对应于食品第一临界水分 C 时 物料表面不再全部为水分润湿 干燥速率开始减慢 由恒速干燥阶段到降速干燥阶段的转折点C 称为干燥过程的临界点 干燥过程跨过临界点后 进入降速干燥阶段 C D 这就是第二干燥阶段的开始 干燥速率的转折标志着干燥机理的转折 临界点是干燥由表面汽化控制到内部扩散控制的转变点 是物料由去除非结合水到去除结合水的转折点 该阶段开始汽化物料的结合水分 干燥速率随物料含水量的降低 迁移到表面的水分不断减少而使干燥速率逐渐下降 此阶段的干燥机理已转为被内部水分扩散控制 当干燥速率下降到D 点时 食品物料表面水分已全部变干 原来在表面进行的水分汽化则全部移入物料内部 汽化的水蒸气要穿过已干的固体层而传递到空气中 使阻力增加 因而干燥速率降低更快 在这一阶段食品内部水分转移速率小于食品表面水分蒸发速率 干燥速率下降是由食品内部水分转移速率决定的 当干燥达到平衡水分时 水分的迁移基本停止 干燥速率为零 干燥就停止 E 3 食品温度曲线 A E 就是干制过程中食品温度 T食 和干制时间 t 的关系曲线 干制初期食品接触空气传递的热量 温度由室温逐渐上升达到B 点 是食品初期加热阶段 A B 达到B 点 此时干燥速率稳定不变 该阶段热空气向食品提供的热量全部消耗于水分蒸发 食品物料没有受到加热 故温度没有变化 物料表面温度等于水分蒸发温度 即和热空气干球温度和湿度相适应的湿球温度 在恒速阶段 食品物料表面温度等于湿球温度并维持不变 B C 达到C 点时 干燥速率下降 在降速阶段内 水分蒸发减小 由于干燥速率的降低 空气对物料传递的热量已大于水分汽化所需的潜热 因而物料的温度开始不断上升 物料表面温度比空气湿球温度越来越高 食品温度不断上升 C D 当干燥达到平衡水分时 干燥速率为零 食品温度则上升到和热空气温度相等 为空气的干球温度 E 二 干燥阶段 在典型的食品干燥中 干燥过程经历干燥速率恒定阶段和干燥速率降低阶段 1 恒速期在大部分食品中 干燥速率就是水分子从食品表面跑向干燥空气的速度 在这种情况下 食品表面水分含量被认为是恒定的 因为水从产品内部迁移的速度足够快 可保持恒定的表面湿度 也就是说水分子从食品内部迁移到表面的速率大于 或等于 水分子从表面跑向干燥空气的速率 于是干燥速率是由水分子从产品表面向干燥空气进行对流质量传递的推动力所决定的 表达式如下 w c ps p 760 b 在恒速期的干燥推动力是食品表面的水分蒸汽压 pws 和干燥空气的水分蒸汽压 pwa 两者之差 在这一时期 影响干燥速率的其他因素有空气流速 温度 相对湿度 初始水分含量和食品与干燥空气接触的表面积 描述水分如何跑向表面的对流质量传递系数K 主要是受干燥空气条件 速度和温度 的影响 水分子从产品表面释放到干燥空气中所需的能量是来自于热量传递 然而 在干燥的恒速期 热量传入产品的速率刚好与蒸发水量所需要的热量相平衡 在最简单的情况下 干燥的全部热量来自于吹向食品的干燥空气 干燥空气和食品表面之间属对流热量传递 但是 有时在某些干燥室的顶部表面可以有辐射热量传递 或甚至有引起食品内部热量传递的微波辐射 如果食品放在一个固体盘中 除食品表面接触干燥空气流外 还有通过对流和传导两种方式使热量传递到食品的底部的情况 因此 实际干燥体系也许涉及到复杂的热量传递 使干燥分析十分困难 在只存在对流热量传递这种最简单的情况时 在恒速期所有的热能都能用于汽化水分 也就是说 热量传递到食品的速率与水汽化的能量消耗速率相平衡 已知干燥速率和汽化潜热 就能够求出水汽化消耗热量的速率 也就是说 对于表面 液与汽 每汽化一个水分子 就需要一定量与汽化潜热相当的能量 在这些条件下 它们的关系如下式 式 2 11 在恒速期 传递到食品的所有热量都进入汽化的水分中 因此 温度保持在某一恒定值 该值取决于热量传递机制 如果干燥仅以对流方式进行 可以看到食品表面的温度稳定为干燥空气的湿球温度 也就是说 表面温度稳定在空气完全被水分所饱和的这一点上 然而 如果其他热量传递机制 辐射 微波 传导 提供一部分热量给食品 那么表面温度不再是湿球温度 而是稍微高些 但仍然为恒定值 有时称为假湿球温度 只要水分从食品内部迁移到表面的速率足够快 以至于表面水分含量为恒定时 恒速干燥期就会持续 当水分从内部迁移比表面蒸发慢时 恒速期就停止 此时食品的水分含量表示为Mc 此时公式 2 11 不再适用 然而 在恒速期的干燥时间 tcrp 可通过该公式从初始水分含量 M 到临界水分含量 Mc 积分而得到 式2 12 注意这个方程式只有在对流热传递时才适用 当应用其他热传递机制时 这个方程式需修正以解释这些作用 恒速阶段的长短取决于干制过程中食品内部水分迁移 决定于它的导湿性 与食品表面水分蒸发或外部水分扩散速度的大小 若内部水分转移速度大于表面水分扩散速度 则恒速阶段可以延长 否则 就不存在恒速干燥阶段 例如水分为75 90 的苹果干制时需经历恒速和降速干燥阶段 而水分为9 的花生米干制时仅经历降速干燥阶段 2 降速期 FRP 在干燥后期 一旦达到临界水分含量Mc 水分从表面跑向干燥空气中的速率就会快于水分补充到表面的速率 在降速期 食品中水分含量分布取决于干燥条件 在块状中央水分含量最高 在表面为最低 在这样的条件下 内部质量传递机制影响了干燥快慢 在食品中水分迁移有几种方式 在某一给定的干燥条件下 可存在一种或多种干燥机制 1 液体扩散 2 蒸汽扩散 3 毛细管流动 4 压力流动 5 热力流动一旦表面的水分含量减少到低于食品中剩余水分的含量时 水分迁移到表面的推动力是扩散 扩散的速率取决于食品的性质 温度和表面与体相之间的浓度差 有时在产品表面之下存在汽化作用 特别在长时间干燥时 此时水分子以蒸汽形式扩散通过食品到干燥空气中 蒸汽扩散是因为蒸汽压差 干燥空气的蒸汽压决定扩散速率 表面张力也能影响食品结构中水分迁移 特别是对于多孔状的食品 根据多孔食品基质的性质和定向 毛细管流动可通过其他机制增加或阻止水分迁移 干燥空气和食品内部结构之间的压力差会引起水分迁移 食品表面和食品内部之间的温度差会阻止水分迁移到表面 这方面在干燥后期尤其重要 在干燥过程中 可应用一个或多个机制 每种机制的相关作用在干燥过程中可以变化 例如 在降速期的早期 液体扩散是内部质量传递的控制机制 而在干燥后期 由热力流动和蒸汽扩散共同控制干燥 因此 在降速期要预测干燥速率常常是困难的 一旦食品中水分含量与干燥空气达到平衡 这可通过解吸等温线来测定 则干燥不再发生 然而 干燥在食品达到平衡前停止 那么在干燥过程中存在的湿度梯度就会逐渐平衡 直到整块食品达到相同的平均水分含量 对于食品干燥过程特性以导湿性和导湿温性解释如表2 4 干燥曲线的特征因水分和物料结合形式 水分扩散历程 物料结构和形状大小而异 外部扩散速率取决于温度 空气 湿度 流速以及表面蒸发面积 形状等 物料内部水分转移机制 水分蒸发的推动力以及水分从物料表面经边界层向周围介质扩散的机制都将对物料干制过程的特性产生影响 此外 食品干燥是把水分蒸发简单地限定在物料表面进行 事实上水分蒸发也会在它内部某些部分或甚至于全面进行 因而 其情况比所讨论的要复杂得多 三 影响干制的因素 干制过程就是水分的转移和热量的传递 即湿热传递 对这一过程的影响因素主要取决于干制条件 由干燥设备类型和操作状况决定 以及干燥物料的性质 一 干制条件的影响 1 温度对于空气作为干燥介质 提高空气温度 干燥加快 由于温度提高 传热介质与食品间温差越大 热量向食品传递的速率越大 水分外逸速率因而加速 对于一定相对湿度的空气 随着温度提高 空气相对饱和湿度下降 这会使水分从食品表面扩散的动力更大 另外 温度高水分扩散速率也加快 使内部干燥加速 注意 若以空气作为干燥介质 温度并非主要因素 因为食品内水分以水蒸汽的形式外逸时 将在其表面形成饱和水蒸汽层 若不及时排除掉 将阻碍食品内水分进一步外逸 从而降低了水分的蒸发速度 故温度的影响也将因此而下降 2 空气流速空气流速加快 食品干燥速率也加速 不仅因为热空气所能容纳的水蒸气量将高于冷空气而吸收较多的水分 还能及时将聚集在食品表面附近的饱和湿空气带走 以免阻止食品内水分进一步蒸发 同时还因和食品表面接触的空气量增加 而显著加速食品中水分的蒸发 3 空气相对湿度脱水干制时 如果用空气作为干燥介质 空气相对湿度越低 食品干燥速率也越快 近于饱和的湿空气进一步吸收水分的能力远比干燥空气差 饱和的湿空气不能在进一步吸收来自食品的蒸发水分 脱水干制时 食品的水分能下降的程度也是由空气湿度所决定 食品的水分始终要和周围空气的湿度处于平衡状态 干制时最有效的空气温度和相对湿度可以从各种食品的吸湿等温线上寻找 4 大气压力和真空度气压影响水的平衡 因而能够影响干燥 当真空下干燥时 空气的蒸汽压减少 在恒速阶段干燥更快 气压下降 水沸点相应下降 气压愈低 沸点也愈低 温度不变 气压降低则沸腾愈加速 但是 若干制由内部水分转移限制 则真空干燥对干燥速率影响不大 二 食品性质的影响 1 表面积水分子从食品内部行走的距离决定了食品被干燥的快慢 小颗粒 薄片 易干燥 快 2 组分定向水分在食品内的转移在不同方向上差别很大 这取决于食品组分的定向 例如 芹菜的细胞结构 沿着长度方向比横穿细胞结构的方向干燥要快得多 在肉类蛋白质纤维结构中 也存在类似行为 3 细胞结构细胞结构间的水分比细胞内的水更容易除去 4 溶质的类型和浓度溶质与水相互作用 抑制水分子迁移 降低水分转移速率 干燥慢 四 合理选用干制工艺条件 食品干制工艺条件主要由干制过程中控制干燥速率 物料临界水分和干制食品品质的主要参变数组成 比如 以热空气为干燥介质时 其温度 相对湿度和食品的温度为它的主要工艺条件 最适宜的干制工艺条件为 使干制时间最短 热能和电能的消耗量最低 干制品的质量最高 它随食品种类而不同 如何选用合理的工艺条件 1 使食品表面的蒸发速率尽可能等于食品内部的水分扩散速率 同时力求避免在食品内部建立起和湿度梯度方向相反的温度梯度 以免降低食品内部的水分扩散速率 在导热性较小的食品中 若水分蒸发速率大于食品内部的水分扩散速率 则表面会迅速干燥 表层温度升高到介质温度 建立温度梯度 更不利于内部水分向外扩散 而形成干硬膜 办法需降低空气温度和流速 提高空气相对湿度 2 恒率干燥阶段 为了加速蒸发 在保证食品表面的蒸发速率不超过食品内部的水分扩散速率的原则下 允许尽可能提高空气温度 此时 所提供的热量主要用于水分的蒸发 物料表面温度是湿球温度 3 降率干燥阶段时 应设法降低表面蒸发速率 使它能和逐步降低了的内部水分扩散率一致 以免食品表面过度受热 导致不良后果 为此 可降低空气温度和流速 提高空气相对湿度 如加入新鲜空气 进行控制 要降低干燥介质的温度 务使食品温度上升到干球温度时不致超出导致品质变化 如糖分焦化 的极限温度 一般为90 4 干燥末期干燥介质的相对湿度应根据预期干制品水分加以选用 一般达到与当时介质温度和相对湿度条件相适应的平衡水分 如干制品水分低于当时介质温度和相对湿度条件相适应的平衡水分时 这就要求降低空气相对湿度 才能达到最后干制品水分的要求 第四节干制对食品品质的影响 一 干制过程中食品的物理变化物理变化形式 食品干制时常出现的物理变化有干缩 干裂 表面硬化 多孔性形成和热塑性的出现 1 干缩 干裂 细胞失去活力后 它仍能不同程度地保持原有的弹性 但受力过大 超出弹性极限 即使外力消失 它也难以恢复原有状态 干缩正是物料失去弹性时出现的一种变化 是食品干制时最常见最显著变化之一 A均匀收缩 物料全面均匀的失去水分时 物料将随水分的消失均衡地进行线性收缩 即物料大小均匀地按比例收缩 变的结构致密不易干燥 例如挂面 复水缓慢 包装材料和储运费省 B非均匀收缩 高温快速干燥时 食品块片表面层远在物料中心干燥前已干硬 之后中心干燥和收缩时就会脱离干燥膜而出现内裂 孔隙和蜂窝状结构 表面干硬膜不出现凹面 疏松 多孔性 内部可出现干裂 例如方便面容易吸水 复原迅速 和物料原状相似 但包装储藏费用高 内部多孔易氧化 以至储藏期短 表面蒸发率大于内部扩散率会出现干裂 2 表面硬化 表面硬化实际上是食品表面收缩和封闭的一种特殊现象 当干制速率很高时 内部水分来不及转移到物料表面 使表面迅速形成一层干燥薄膜 它的渗透性极低 以至将大部分残留水分保留在食品内 使干燥速率急剧下降 块片状和浆质态食品内通常存在有大小不一的气孔 裂缝和微孔 食品内的水分经微孔 裂缝和微孔或毛细管上升 其中有不少能上升到物料表面蒸发掉 以至它的溶质残留在表面上 干制初期某些水果表面上积有含糖的粘质渗出物 其原因就在于此 这些物质会将干制时正在收缩的微孔和裂缝封闭 在微孔收缩和被溶质堵塞的双重作用下表面硬化 此时 若降低食品表面温度使物料缓慢干燥 一般就能延缓表面硬化 3 物料内部多孔性的形成 快速干燥时表面硬化及内部蒸汽压的迅速蒸发会促使物料成为多孔性制品 加有不会消失的发泡剂并经搅打发泡而形成稳定泡沫状的液体或浆质体食品干燥后 也能成为多孔性制品 真空干燥时的高度真空也会促使水蒸气迅速蒸发并向外扩散 从而制成多孔性的制品 可迅速复水 4 热塑性的出现 热塑性物料 加热时会软化的物料 不少食品是热塑性物料 如糖分含量高的果蔬汁就属于这类食品 例如橙汁在坩埚干烧时 水分虽以全部蒸发掉 残留固体物质仍象保持水分那样是热塑性粘质状态 黏结在上难以取下 冷却时会硬化成结晶体而僵化 便于取下 为此 大多数常式干燥设备内常设有冷却区 二 干制过程中食品的化学变化 1 营养物的损失脱水干制后 食品失去水分 故残留物中营养成分的含量增加 蛋白质 蛋白质和矿物质损失小 碳水化合物 加热时碳水化合物含量高的食品极易焦化 晒干初期呼吸作用导致糖分分解 还会发生糖与氨基酸反应而出现褐变 果蔬中碳水化合物含量较高 它的变化会引起果蔬变质和成分损耗 动物制品则不会 脂肪 高温脱水时脂肪氧化比低温时严重 脂肪氧化可加抗氧化剂控制 维生素 维生素损失多 部分可溶性维生素易被氧化掉 预煮和酶钝化处理也使其含量下降 2 色泽变化干制时天然色素 类胡萝卜素 花青素 叶绿素会变化 花青素同样 叶绿素 绿色 脱镁叶绿素 橄榄绿 褐变 糖胺反应 Maillard 酶促褐变 焦糖化 其他 酶性和非酶性褐变反应是促使干制品褐变的原因 植物组织受损伤后 组织内氧化物活力能将多酚或酚氨酸等一类化合物氧化成有色色素 为此 干制前需进行酶钝化处理 可用预煮和巴氏杀菌对果蔬进行热处理 或硫处理破坏酶活性 酶钝化应在干制前 因为干制的物料温度不是灭酶温度 且热空气还有加速褐变反应的作用 非酶褐变 糖分焦化和美拉得反应是脱水干制过程中常见的非酶褐变反应 水分在10 15 时 非酶褐变快 如何使干制品快速越过这一阶段 硫熏能延缓美拉得反应 低温储藏也使美拉得反应速度下降 3 风味的变化 引起水分除去的物理力 也会引起一些挥发物质的去处 热会带来一些异味 煮熟味 类脂物质氧化哈败 酸败 酶引起的风味变化 防止风味损失方法 芳香物质回收 低温干燥 加包埋物质 使风味固定 第五节食品的干制技术 干制技术的基本工艺过程 干制前处理 干制 包装储藏 一 干制加工处理 普通加工处理 1 去掉不可食部分 2 清洗 3 分级拣选除杂 4 切片 切块 特定加工处理 1 热烫处理目的 A 氧化酶失活 减少组织内空气 蔬菜 B 软化脱水 增加脱水速率 C 祛除涩味成分 蜡质 在95 100 的热水中浸渍几分钟 用冷水迅速冷却 添加硬化剂CaCl2 增加咀嚼性 用普通热水或蒸汽 使原料中氧化酶失活 除去原料表面杂质 排除空气 2 硫熏防止酶引起的褐变 糖与氨基酸的反应 控制酶褐变和非酶褐变 对虫及虫卵有杀死作用 注意控制食品中SO2残留量 蘑菇70ppm 干制品200ppm 方法 亚硫酸盐浸泡 硫熏烟 在硫熏室内加入0 1 0 8 硫磺粉燃烧30min 5h 抑制氧化酶作用和化学性氧化 3 浸碱李子 葡萄等水果表面盖有较厚的护膜和疏水性石蜡 为提高干燥效率 在沸腾0 5 1 0 NaOH或 Na2CO3 NaHCO3 液中浸泡5 20s 4 嫩化处理 为防止干燥中组织变脆 崩裂 常放于甘油 山梨醇溶液浸泡嫩化 5 保色处理 浸在食盐中防色变 对花色素变色有一定效果 二 干制方法 干制方法可以区分为自然和人工干燥两大类 自然干制 在自然环境条件下干制食品的方法 晒干 风干 阴干 晒干和风干 晒干就是直接在阳光暴晒物料 利用辐射能进行干制的过程 物料获得从太阳中来的辐射能后 其温度就随之而上升 物料内水分受热而向它表面的周围介质蒸发 物料表面附近的空气即处于饱和状态 并和周围空气形成水蒸气分压差 于是在空气自然对流循环中就不断促使食品中水分向空气中蒸发 直至它的水分含量降低到和空气温度及其湿度相适应是平衡水分为止 炎热和通风是最适宜晒干的气候条件 晒干主要用于干制固态食品如果蔬鱼肉 晒干需要场地 食品的晒干有采用悬挂架的 有晒盘 放在晒架上 晒席 铺在地上 晒干时间一般需2 3天 长的10days 最长达3 4weeks 人工干制 在常压或减压环境利用人工控制的工艺条件进行干制食品 有专用的干燥设备 常见设备有空气对流干燥设备 真空干燥设备 滚筒干燥设备 一 空气对流干燥 空气对流干燥是最常见的食品干燥方法 这类干燥在常压下进行 食品也分批或连续地干制 而空气则自然或强制地对流循环 流动的热空气不断和食品密切接触并向它提供蒸发水分所需的热量 有时还要为载料盘或输送带增添补充加热装置 采用这种干燥方法时 在许多食品干制时都会出现恒率干燥阶段和降率干燥阶段 因此干制过程中控制好空气的干球温度就可以改善食品品质 1 柜式干燥设备 1 特点 间歇型 小批量 设备容量小 操作费用高 2 操作条件 空气温度 94 空气流速2 4m s 3 适用对象 果蔬或价格较高的食品 作为中试设备 摸索物料干制特性 为确定大规模工业化生产提供依据 2 隧道式干燥设备 为了提高产量 扩大柜式干燥设备的容量 出现了隧道式干燥设备 它长达10 15米的干燥室 可容纳5 15辆装料小车 操作属半连续性 结构简单 有广泛适应性 干燥迅速 不易受损 各物料的干燥过程基本一致 是目前国内外广泛使用的一种干燥设备 一些定义 高温低湿空气进入的一端 热端 低温高湿空气离开的一端 冷端 湿物料进入的一端 湿端 干制品离开的一端 干端 热空气气流与物料移动方向一致 顺流 热空气气流与物料移动方向相反 逆流 1 逆流式隧道干燥设备 湿端即冷端 干端即热端 湿物料遇到的是低温高湿空气 虽然物料含有高水分 尚能大量蒸发 但蒸发速率较慢 这样不易出现表面硬化或收缩现象 而中心有能保持湿润状态 因此物料能全面均匀收缩 不易发生干裂 适合于干制水果 干端处食品物料已接近干燥 水分蒸发已缓慢 虽然遇到的是高温低湿空气 但干燥仍然比较缓慢 因此物料温度容易上升到与高温热空气相近的程度 此时 若干物料的停留时间过长 容易焦化 为了避免焦化 干端处的空气温度不易过高 一般不宜超过66 77 由于在干端处空气条件高温低湿 干制品的平衡水分将相应降低 最终水分可低于5 注意问题 逆流干燥 湿物料载量不宜过多 因为低温高湿的空气中 湿物料水分蒸发相对慢 若物料易腐败或菌污染程度过大 有腐败的可能 载量过大 低温高湿空气接近饱和 物料增湿的可能 2 顺流隧道式干燥 湿端即热端 冷端即干端 湿物料与干热空气相遇 水分蒸发快 湿球温度下降比较大 可允许使用更高一些的空气温度如80 90 进一步加速水分蒸干而不至于焦化 干端处则与低温高湿空气相遇 水分蒸发缓慢 干制品平衡水分相应增加 干制品水分难以降到10 以下 因此吸湿性较强的食品不宜选用顺流干燥方式 顺流干燥 国外报道只用于干制葡萄 3 双阶段干燥 顺流干燥 湿端水分蒸发率高 逆流干燥 后期干燥能力强 双阶段干燥 取长补短 特点 干燥比较均匀 生产能力高 品质较好 用途 苹果片 蔬菜 胡萝卜 洋葱 马铃薯等 3 输送带式干燥 特点 操作连续化 减轻体力劳动 自动化 生产能力大 适宜生产单一产品 因为生产初始和结束时制品品质不好控制 可分单干燥段和双干燥段 蔬菜脱水干制时第一段所用的加热温度比隧道式干燥设备低一些 因为热空气穿过物料层 以致于水分蒸发速度较大 为了避免因蒸发速度高而发生表面硬化 蛋白质变性和焦化等 就必须严格控制温度 第二段的温度比第一段低5 8 第三段的温度比第二段低5 4 气流干燥 用气流来输送物料使粉状或颗粒食品 含水低于35 40 在热空气中干燥 特点 干燥强度大 悬浮状态 物料最大限度地与热空气接触 干燥时间短 0 5 5秒 并流操作 散热面积小 热效高 小设备大生产 适用范围广 物料 晶体 有磨损 动力消耗大 适用对象 水分低于35 40 的物料 热空气温度121 190 流速7 2 13米 秒 8 流化床干燥 使颗粒食品在干燥床上呈流化状态或缓慢沸腾状态 与液态相似 适用对象 粉态食品 固体饮料 造粒后二段干燥 单层流化床干燥器 多层流化床干燥器 卧式多室流化床干燥器 喷动流化床干燥器 振动流化床干燥器 9 喷雾干燥 喷雾干燥就是将液态或浆质态的食品喷成雾状液滴 悬浮在热空气气流中进行脱水干燥过程 设备主要由雾化系统 空气加热系统 干燥室 空气粉末分离系统 鼓风机等主要部分组成 喷雾干燥的特点 蒸发面积大 干燥过程液滴的温度低 过程简单 操作方便 适合于连续化生产 耗能大 热效低 喷雾干燥的典型产品 奶粉 速溶咖啡和茶粉 蛋粉 酵母提取物 干酪粉 豆奶粉 酶制剂 1 常用的喷雾系统有两种类型 压力喷雾 液体在高压下 700 1000kPa 送入喷雾头内以旋转运动方式经喷嘴孔向外喷成雾状 一般这种液滴颗粒大小约100 300 m 其生产能力和液滴大小通过食品流体的压力来控制 离心喷雾 液体被泵入高速旋转的盘中 5000 20000rpm 在离心力的作用下经圆盘周围的孔眼外逸并被分散成雾状液滴 大小10 500 m 2 空气加热系统蒸汽加热 电加热 温度150 300 食品体系一般在200 左右 3 干燥室液滴和热空气接触的地方 可水平也可垂直 为立式或卧式 室长几米到几十米 液滴在雾化器出口处速度达50m s 滞留时间5 100秒 根据空气和液滴运动方向可分为顺流和逆流 干燥时的温度变化 空气200 产品湿球温度80 4 旋风分离器将空气和粉末分离 大粒子粉末由于重力而将到干燥室底部 细粉末靠旋风分离器来完成 5 喷雾干燥的特点蒸发面积大 干燥过程液滴的温度低 过程简单 操作方便 适合于连续化生产 耗能大 热效低 二 接触干燥 被干燥物与加热面处于密切接触状态 蒸发水分的能量来自传导方式进行干燥 间壁传热 干燥介质可为蒸汽 热油 特点 可实现快速干燥 采用高压蒸汽 可使物料固形物从3 30 增加到90 98 表面温度可达100 145 接触时间2秒 几分钟 干燥费用低 带有煮熟风味 适用对象 浆状 泥状 液态 一些受热影响不大的食品 如麦片 米粉 滚筒干燥 基本结构 金属圆筒在浆料中滚动 物料为薄膜状 受热蒸发 热由里向外 设备类型 1 单滚筒 示意图 2 双滚筒 示意图 3 真空滚筒干燥 示意图 三 真空干燥 基本结构 干燥箱 真空系统 供热系统 冷凝水收集装置 特点 物料呈疏松多孔状 能速溶 有时可使被干燥物料膨化 设备类型 间歇式真空干燥和连续式真空干燥 带式输送 适用于 水果片 颗粒 粉末 如麦乳精 四 冷冻干燥 将食品在冷冻状态下 食品中的水变成冰 再在高真空度下 冰直接从固态变成水蒸汽 升华 而脱水 故又称为升华干燥 要使物料中的水变成冰 同时由冰直接升华为水蒸汽 则必须要使物料的水溶液保持在三相点以下 水有三种聚集态 或称相态 即固态 液态和汽态 三种相态之间达到平衡时必有一定的条件 称为相平衡关系 水的相平衡关系是研究和分析含水食品冷冻干燥原理的基础 图1 3 52为水的相平衡示意图 曲线AC为固态和液态的界限 称为熔解曲线或冰点曲线 曲线AB为液态和汽态界限 称