食品工艺学 2干制.ppt

第二章食品的脱水加工 概述第一节食品干藏原理第二节食品干燥机制第三节干制对食品品质的影响第四节食品的干制方法第五节干制品的包装和贮藏 概述 1 食品的脱水加工 dehydration 1 1脱水加工就是从食品中去除水分日常生活中如日晒稻谷 风干鱼肉 油炸油条 烤烧饼 面包等 这些加工都会使食品失去水分 但是有些操作并不仅仅是为了去除水分 应还有其他的作用 如油炸是为了脆 烤是为了香脆或酥 因而人们不认为这些操作是食品脱水的一种主要形式 1 2脱水加工的类型 依据脱水的程度 脱水加工可以分为两种类型 产品是液态 其中水分含量较高 15 浓缩 concentration 如浓缩果汁40 70 产品是固体 最终水分含量低 15 干燥 drying 如桔子粉 奶粉 粉状咖啡 依据食品脱水的原理 食品脱水加工类型 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去除水分至固体或半固体 如干燥或干制依据食品分子大小不同 用膜来分离水分 如超滤 反渗透等 主要是用于浓缩 超滤浓缩原理 分子筛的原理 不同大小的分子对具有一定孔径大小的膜其通透性不同 小分子比大分子更容易通过膜 水分子是食品中最小的分子之一 用适当孔径的膜在外加压力下 就可以实现浓缩 特点是冷操作 蛋白质不会变性 如从乳清中回收乳清蛋白 在本章中所讨论的食品脱水加工是指 在控制的条件下 通过加热蒸发脱水的方法 几乎完全地除去食品中的大部分水分 并尽量使食品的其他性质在此过程中极小地发生变化 食品被脱水后水分含量在15 以下 即干燥或干制 2 干燥的目的 降低食品中水分含量 一般由50 90 减为15 以下减小食品体积和重量 一般重量变为原来的1 8 1 2左右 节省包装 贮藏和运输费用 带来了方便性 为了食品的贮藏和延长保藏期 这就是干燥保藏例如奶粉 粮食干燥 许多著名的土特产如红枣 柿饼 葡萄干 金花菜 香菇 笋干等都是干制品 3 食品干燥保藏 是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可进行长期贮藏的方法 这样的干制食品在室温下一般可达到一年或一年以上这种方法是从自然界各种现象中认识和从实践中得到的 如稻谷 麦子 玉米 豆类 水果 蔬菜等 4 食品干藏的历史 是一种最古老的食品保藏方法 我国北魏在 齐民要术 一书中记载用阴干加工肉脯的方法 在 本草纲目 中 用晒干制桃干的方法 大批量生产的干制方法是在1795年法国 将片状蔬菜堆放在室内 通入40 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 1810年 同时出现 5 食品干藏的特点 自然干制 简单易行 因陋就简 生产费用低 但时间长 受气候条件影响 人工干制 不受气候条件限制 操作易于控制 干制时间显著缩短 产品质量显著提高 但需要专用设备 能耗大 干制费用大 人工干制技术仍在发展 高效节能 在现代食品工业中干燥 或干制 不仅是一种食品加工方法 并已发展成为食品加工中的一种重要保藏方法在果蔬 肉类 水产 乳品 粮食 淀粉 固体饮料 食品添加剂等各类食品中被大量广泛应用 第一节食品干藏原理 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 M 具有一定的关系 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 如 水分含量高低不同时花生油M0 6 时易变质淀粉M20 不易变质 还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 鲜菜与咸菜水分含量相差不多 一般在80 左右 但保藏状况却不同 这就存在一个食品中水能否被微生物 酶或化学反应所利用的问题 水是否被利用与水在食品中的存在状态有关 食品中水分存在的形式 游离水 或自由水 Freewater是指组织细胞中易流动 容易结冰 也能溶解溶质的这部分水 结合水 或被束缚水 Immobilizedwater是指不易流动 有结合力固定 不易结冰 40 不能作为溶剂 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AW wateractivity 1 水分活度 f 食品中水的逸度Aw f0 纯水的逸度水分逃逸的趋势通常可以近似地用水的蒸汽压来表示 在常压 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 P P0 RH Aw RH relativehumidity相对湿度 测定相对湿度 水分活度测定仪 水分活度数值的意义 Aw 1的水就是自由水 或纯水 可以被利用的水 Aw 1的水就是指水被结合力固定 数值的大小反映了结合力的多少 Aw越小则指水被结合的力就越大 水被利用的程度就越难 水分活度小的水是难以或不可利用的水 2 水分活度大小的影响因素 影响水分活度的因素主要有食品种类 水分含量 食品中溶质种类和浓度及温度 取决于水存在的量 温度 水中溶质的种类和浓度 食品成分或物化特性 水与非水部分结合的强度见表2 2 P26 表2 2常见食品中水分含量与水分活度的关系 0 10 20 50 2 水分活度对食品保藏性的影响 1 水分活度和微生物生长活动的关系 2 水分活度对酶活力的影响 3 水分活度对化学反应的影响 大多数新鲜食品的水分活度在0 98以上 适合各种微生物生长 易腐食品 大多数重要的食品腐败细菌所需的最低aw都在0 9以上 肉毒杆菌在低于0 95就不能生长 只有当水分活度降到0 75以下 食品的腐败变质才显著减慢 若将水分降到0 65 能生长的微生物极少 一般认为 水分活度降到0 7以下物料才能在室温下进行较长时间的贮存 1 水分活度和微生物生长活动的关系 食品中水分活度与微生物生长关系 表 Aw 0 85微生物生长受抑制 水分活度较高的情况下微生物繁殖迅速 水分活度对细菌生长及毒素的产生的影响 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Aw Aw 0 65霉菌被抑制 在0 9左右霉菌生长最旺盛 水分活度对霉菌生长的影响 0 2 0 4 0 6 0 8 Aw 呈倒S型 开始随水分活度增大上升迅速 到0 3左右后变得比较平缓 当水分活度上升到0 6以后 随水分活度的增大而迅速提高 Aw 0 15才能抑制酶活性 2 水分活度对酶活力的影响 0 2 0 4 0 6 Aw 0 8 Aw在0 4左右时 氧化反应较低 这部分水被认为能结合氢过氧化物 干扰了它们的分解 于是阻碍了氧化的进行 另外这部分水能同催化氧化的金属离子发生水化作用 从而显著地降低了金属离子的催化效率 当水分超过0 4时 氧化速度增加 认为加入的水增加了氧的溶解度和使大分子溶胀 暴露更多的催化部位 从而加速了氧化 3 水分活度对氧化反应的影响 0 2 0 4 0 6 0 8 Aw 水分活度对褐变反应的影响 3食品中水分含量 M 与水分活度Aw之间的关系 食品中水分含量 M 与水分活度之间的关系曲线称为该食品的吸附等温线 1 水分吸附等温线 BET吸附等温线 S形 第一转折点前 水分含量 5 单分子层吸附水 I单层水分 第一转折点与第二转折点之间 多分子层吸附水 II多层水分 第二转折点之后 在食品内部的毛细管内或间隙内凝结的游离水 III自由水或体相水 多层水 主要通过水 水和水 溶质氢键同相邻分子缔合 为可溶性组分的溶液 大部分多层水在 40 不被冻结 I II的水占5 以下 自由水或体相水 是食品中结合的最弱 流动性最大的水 主要是在细胞体系或凝胶中被毛细管液面表面张力或被物理性截留的水 这种水很易通过干燥除去或易结冰 可作为溶剂 容易被酶和微生物利用 食品容易腐败 通常占95 以上 单分子层水 不能被冰冻 不能干燥除去 水被牢固地吸附着 它通过水 离子或水 偶极相互作用被吸附到食品可接近的极性部位如多糖的羟基 羰基 NH2 氢键 当所有的部位都被吸附水所占有时 此时的水分含量被称为单层水分含量 40 不能冻结 占总水量的极小部分 吸附等温线的加工意义 I单水分子层区和II多水分子层区是食品被干燥后达到的最终平衡水分 一般在5 以内 这也是干制食品的吸湿区 III自由水层区 物料处于潮湿状态 高水分含量 是脱水干制区 2 温度对水分吸附等温线的影响 同一原料随着温度的升高吸附等温曲线向水分活度增加的方向抬升 图2 4 p28 相同水分含量 水分活度随温度增高而增大相同水分活度 水分含量随温度降低增大 3 不同食品吸附等温曲线形状不同 食品的组分或成分不同 会影响水分含量和水分活度之间的关系图1 3 1 4 加工对食品水分吸附等温线的影响 食品在脱水过程中水分含量和水分活度之间的关系就是水分解吸的过程 为解吸的吸附等温线 若将脱水后的食品再将这部分水加到食品中去即复水的过程 这就是吸附 在这两个相反的过程中 吸附和解吸之间的水分吸附等温线两者之间不能重合 有差异 形成了滞后圈 见图2 5 p28 滞后现象的几种解释 1 这种现象是由于多孔食品中毛细管力所引起的 即表面张力在干燥过程中起到在孔中持水的作用 产生稍高的水分含量 2 另一种假设是在获得水或失去水时 体积膨胀或收缩引起吸收曲线中这种可见的滞后现象 解吸 desorption 干燥过程吸附 sorption 复水过程 WHC 意义 吸附和解吸有滞后圈 说明干制食品与水的结合力下降或减弱了 解吸和吸附的过程在食品加工中就是干燥和复水的过程 这也是干制食品的复水性为什么下降的原因 注意 即使在最简单的条件下 也难于根据基本原理来预测食品的吸附和解吸等温线 这说明还没有完全了解所有的相互作用机制 思考题 1水分活度的概念2食品中水分含量和水分活度有什么关系 说明原因3水分活度对微生物 酶及其它反应有什么影响 4食品水分活度受到哪些因素影响 5简述吸附和解吸等温线的差异及原因 第二节食品干燥机制 一 干燥机制二 干制过程的特性三 影响干制的因素第三节干制对食品品质的影响一 干制过程中食品的主要变化二 干制品的复原性和复水性三 干制品的贮藏水分含量四 合理选用干制工艺条件 一 干制机制 干制是指食品在热空气中受热蒸发后进行脱水的过程在干燥时存在两个过程 食品中水分子从内部迁移到与干燥空气接触的表面 内部转移 当水分子到达表面 根据空气与表面之间的蒸汽压差 水分子就立即转移到空气中 外部转移 水分质量转移 热空气中的热量从空气传到食品表面 由表面再传到食品内部 热量传递 干燥时食品水分质量转移和热量传递的模型 一 干制机制 FoodH2O 2 温度梯度 T食品在热空气中 食品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差 即温度梯度 温度梯度将促使水分 无论是液态还是气态 从高温向低温处转移 这种现象称为导湿温性 表面水分扩散到空气中 内部水分转移到表面 1 水分梯度 M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 M M M T T T 1 导湿性 1 水分梯度若用M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M M 那么物体内的水分梯度gradM则为 gradM lim M n M n n 0M 物体内的湿含量 kg kg干物质 n 物料内等湿面间的垂直距离 m I水分减少的方向 n gradM I 图湿度梯度影响下水分的流向 M M M 导湿性引起的水分转移量可按照下述公式求得 I水 K 0 M n K 0 M Kg m2 h 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 m2 h K 导湿系数 m2 h 0 单位潮湿物料容积内绝对干物质重量 kg m3 M 物料水分 kg kg干物质 负号表示水分转移的方向与水分梯度的方向相反 需要注意的一点是 导湿系数K在干燥过程中并非稳定不变 它随着物料水分含量和温度而异 K与水分含量的关系见图K与物料温度的关系见图 2 物料水分含量与导湿系数间的关系 A K值的变化比较复杂 当物料在水分含量高 III区 时 排除的水分基本上为自由水 以液体状态转移 导湿系数稳定不变 ED段 到II区时 排除的水分基本上是渗透水分时 水分以液体状态和以蒸汽状态转移 导湿系数下降 DC段 在I区再进一步排除的水分则为吸附水分 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 因结合力强 故K先上升后下降 CA段 导湿系数K m h 物料水分M kg kg干物质 A C D E 物料水分含量和导湿系数间的关系 吸附水分 单 多层水 渗透水分 毛细管水分 B 导湿系数与物料温度的关系 K与温度指数成正比启示 若将导湿性小的物料在干制前加以预热 以增大导湿系数 就能显著地加速干制过程 为此 常在饱和湿空气中加热 以免物料表面水分蒸发形成硬膜 而影响水分转移 导湿系数 K 102 K 102 T 290 14 温度 图硅酸盐类物质温度和导湿系数的关系 2 导湿温性 干燥时 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 但将促使水蒸汽压上升 高温区水蒸汽压大于低温区 此外 高温区毛细管内水分还将受到挤压空气扩张的影响 结果使毛细管内水分顺着热流方向转移 导湿温性成为阻碍因素 n I 内 表面 图温度梯度下水分的流向 n 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 K 0 n 其中 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 m2 h K 导湿系数 m2 h 0 单位潮湿物料容积内绝对干物质重量 kg m3 湿物料的导湿温系数 1 温度梯度为1 时引起物料水分转移距离 表示水分转移和温度梯度方向相反 2 导湿温系数就是温度梯度为1 m时物料内部能建立的水分梯度 即 M nn导湿温系数和导湿系数一样 会因物料水分的差异 即物料和水分结合状态 而变化 导湿温系数和物料水分的关系见图 导湿温系数 1 O A B 物料水分M 在水分含量高的时候 自由水是以液体状态流动 因而导湿温性不以物料水分含量而发生变化 曲线 但因受物料内挤压空气的影响导致湿温性下降 曲线 在水分含量达到B点后 是随着M的减少而变小 I 逐渐减小 物料是以气态扩散 主要是吸附水分 2 最高值是吸附水和自由水分的分界点 3 干制水分总量干制过程中 湿物料内部同时会有水分梯度和温度梯度存在 因此 水分的总流量是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 I总 I湿 I温 当I湿 I温以导湿性为主 物料水分将按照水分减少方向转移 导湿温性为次要因素 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 水分扩散则受阻 如 烤面包的初期湿面团在烤箱180 220 建立温度梯度 面包水分含量约40 二 干制过程的特性 食品在干制过程中 食品水分含量逐渐减少 干燥速率变大后又逐渐变低 食品温度也在不断上升 1 干燥曲线 1 水分含量曲线 2 干燥速率曲线 3 食品温度曲线 1 水分含量曲线干制过程中食品绝对水分和干制时间的关系曲线干燥初始时 食品被预热 食品水分在短暂的平衡后 AB段 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 第一临界水分 干燥速率减慢 随后趋于平衡 达到平衡水分 DE 平衡水分取决于干燥时的空气状态 3 食品温度曲线初期食品温度上升 直到最高值 湿球温度 整个恒率干燥阶段温度不变 即加热转化为水分蒸发所吸收的潜热 热量全部用于水分蒸发 在降率干燥阶段 温度上升直到干球温度 说明水分的转移来不及供水分蒸发 则食品温度逐渐上升 2 干燥速率曲线食品被加热 水分被蒸发加快 干燥速率上升 随着热量的传递 干燥速率很快达到最高值 是食品初期加热阶段 然后稳定不变 为恒率干燥阶段 此时水分从内部转移到表面足够快 从而可以维持表面水分含量恒定 也就是说水分从内部转移到表面的速率大于或等于水分从表面扩散到空气中的速率 是第一干燥阶段 到第一临界水分时 干燥速率减慢 降率干燥阶段 说明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达到平衡水分时 干燥就停止 2 干燥阶段 在典型的食品干燥过程中 物料先经过预热后 再经历干燥恒定阶段 恒速期 和干燥降速阶段 降速期 1 恒速期 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 干燥推动力是食品表面的水分蒸汽压和干燥空气的水分蒸汽压两者之差 传递到食品的所有热量都进入汽化的水分中 温度恒定 2 降速期 一旦到达临界水分含量 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 内部质量传递机制影响了干燥快慢 干燥结束达到平衡水分含量 降速期预测干燥速率是很困难的 干制过程中食品内部水分迁移大于食品表面水分蒸发或扩散 则恒率阶段可以延长 如内部水分迁移小于表面扩散 则恒率阶段就不存在 如水分含量75 90 的苹果 有恒率和降率阶段 若水分9 的花生米 干制时 仅经历降率阶段 注意 以上我们讲的都是以空气为介质通过加热来干燥 若是采用其它加热方式 如没有热量传递过程 则干燥速率曲线将会变化 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 1 干制条件的影响 在人工控制条件下或干燥机中干燥 食品的干燥希望干燥得快 同时干燥量要大 干燥条件对干燥恒率阶段 或恒速期 和降率阶段 或降速期 的影响的条件主要有空气温度 流速 相对湿度和气压 1 温度 对于空气作为干燥介质 提高空气温度 在恒速期干燥速度加快 在降速期也会增加 原因 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 水分受热导致产生更高的汽化速率 对于一定水分含量的空气 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 水分子在高温下 迁移或扩散速率也加快 使内部干燥加速 但温度过高会引起食品发生不必要的化学和物理反应 2 空气流速 干燥空气吹过食品表面的速度影响水分从表面向空气扩散的速度 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 从而降低水分的蒸发速度 因此空气流速加快 食品在恒速期的干燥速率也加速 原因 空气流速增加 水分扩散加快 对流质量传递速率加快 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 食品表面接触的空气量增加 会显著加速食品表面水分的蒸发 空气流速增加对降率期没有影响 因为此时干燥受内部水分迁移或扩散所限制 3 空气相对湿度 食品表面和干燥空气之间的水蒸汽压差代表了外部质量传递的推动力 空气的相对湿度增加则会减小推动力 饱和的湿空气不能在进一步吸收来自食品的蒸发水分 空气相对湿度越低 食品恒速期的干燥速率也越快 对降速期没有影响 空气的相对湿度也决定食品的干燥后的平衡水分 食品的水分始终要和周围空气的湿度处于平衡状态 可通过干制的解吸等温线来预测 当食品和空气达到平衡 干燥就停止 4 大气压力和真空度 大气压力影响水的平衡 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 则真空干燥对降率期的干燥速率影响不大 适合热敏物料的干燥 操作条件对于干燥速率的影响 2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 表面大 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 芹菜的纤维结构 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 细胞结构在大多数食品中 细胞内含有部分水 剩余水在细胞外 细胞外水分比细胞内的水更容易除去 当细胞被破碎时 有利于干燥 但需注意 细胞破裂会引起干制品质量下降 4 溶质的类型和浓度溶质如蛋白质 碳水化合物 盐 糖等 与水相互作用 结合力大 水分活度低 抑制水分子迁移 干燥慢 尤其在低水分含量时还会增加食品的粘度 浓度越高 则影响越大 这些物质通常会降低水分迁移速度和减慢干燥速率 第三节干制对食品品质的影响 食品品质主要有营养价值 感观性质 卫生指标等 一 干制过程中食品的主要变化 1 物理变化干缩 干裂如木耳 胡萝卜丁表面硬化如山芋片多孔性如香菇 蔬菜热塑性加热时会软化的物料如糖浆或果浆 冷却后变硬或脆溶质的迁移有时表面结晶析出 2化学变化 1 营养成分蛋白质受热易变性 一般较稳定 但高温长时间 会分解或降解碳水化合物大分子稳定 小分子如低聚糖受高温易焦化 褐变 脂肪高温脱水时脂肪氧化比低温时严重维生素水溶性易被破坏和损失 如VC 硫胺素 胡萝卜素 VD B6 烟碱酸较稳定 损失少 2 色素色泽随物料本身的物化性质改变 反射 散射 吸收传递可见光的能力 新鲜食品颜色比较鲜艳 干燥后颜色有差别 天然色素 类胡萝卜素 花青素 叶绿素等易变化褐变糖胺反应 Maillard 酶促褐变 焦糖化 其他 3 风味引起水分除去的物理力 也会引起一些挥发物质的去除受热会引起化学变化 带来一些异味 煮熟味 硫味防止风味损失方法 芳香物质回收 如浓缩苹果汁 低温干燥 加包埋物质 使风味固定 二 干制品的复原性和复水性 干制品复水后恢复原来新鲜状态的程度是衡量干制品品质的重要指标 1 干制品的复原性就是干制品重新吸收水分后在重量 大小和性状 质地 颜色 风味 结构 成分以及可见因素 感官评定 等各个方面恢复原来新鲜状态的程度 2 干制品的复水性 新鲜食品干制后能重新吸回水分的程度 一般用干制品吸水增重的程度来表示复水比 R复 G复 G干G复干制品复水后沥干重 G干干制品试样重复重系数 K复 G复 G原G原干制前相应原料重干燥比 R干 G原 G干反映了食品脱水的程度复重系数 K复 R复 R干 三 干制品的贮藏水分含量 干制品的耐贮藏性主要取决于干燥后的水分活度 由于食品成分和性质不同 达到贮藏要求的水分活度时的相应水分含量各不相同 见书P48 49 表2 8和表2 9 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 人工干制食品时 空气温度 相对湿度 流速 气压是主要工艺条件 食品温度是干燥过程中控制食品品质的重要因素 却决定于空气温度 相对湿度和流速等主要参数 1最适宜的干制工艺条件 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在具体干燥设备中难以达到理想的干燥工艺条件 为此作必要修改后的适宜干制工艺条件称为合理干制工艺条件 2 选用合理干制工艺条件的原则 1 使食品表面的水分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 如温度高会焦化 办法 需降低空气温度和流速 提高空气相对湿度 降低温度有利于减小温度梯度 提高空气相对湿度可控制表面水分的蒸发 防止干裂 2 恒率干燥阶段 食品物料表面温度不会高于湿球温度 此时所提供的热量主要用于水分的蒸发 物料表面温度就是湿球温度 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 3 在开始降率干燥阶段时 应设法降低表面水分蒸发速率 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 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 一般还可降低空气的流速 提高空气的相对湿度 如加入新鲜空气 进行控制 4 干燥末期 干燥介质的相对湿度应根据预期干制品水分含量指标来加以选用 干燥结束时食品中水分含量大小是达到与当时介质温度和相对湿度条件相适应的平衡水分 如北方干燥的蔬菜比南方的水分含量要低 因北方空气相对湿度小 思考题 1 什么是导湿性和导湿温性 简述食品干燥机制2 简述干制过程中食品水分含量 干燥速率和食品温度的变化 画出曲线图 3 如果想要缩短干燥时间 该如何控制干燥过程 4 在北方生产的紫菜片 运到南方 出现霉变 是什么原因 如何控制 思考题 5 干制条件主要有哪些 它们如何影响湿热传递过程的 如果要加快干燥速率 如何控制干制条件 6 影响干燥速率的食品性质有哪些 它们如何影响干燥速率 7 食品在干制过程中有那些变化 8 食品的复水性和复原性概念 第四节食品的干制方法 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 阴干 人工干制 在常压或减压环境中用人工控制的工艺条件进行干制食品 有专用的干燥设备 如 空气对流干燥设备 滚筒干燥设备 真空干燥设备等本节主要讨论人工干制的方法 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 食品可分批或连续地干制 而空气则一般为强制地对流循环 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 厢 式干燥设备 基本结构 特点 间歇型 小批量 设备容量小 易控制 但操作费用高操作条件 空气温度 94 空气流速2 4m s 时间较长10 20h适用对象果蔬或价格较高的食品或作为中试 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 为了增加干燥的能力 将干燥室加长 可达十几米到几十米 物料从一头进到另一头出来 即为隧道式干燥设备通常根据热空气流动和物料移动的方向 将隧道式干燥设备分为逆流或顺流隧道式干燥设备 一些基本名称或概念 对于热空气高温低湿空气进入的一端 热端低温高湿空气离开的一端 冷端对于物料湿物料进入的一端 湿端干制品离开的一端 干端对于设备热空气气流与物料移动方向相反 逆流热空气气流与物料移动方向一致 顺流 1 逆流隧道式干燥设备 基本结构物料与气流的方向相反 湿端即冷端 干端即热端 系半连续性 特点及应用A 湿物料先在冷端遇到的是低温高湿空气 物料因含有高水分 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 而中心又能保持湿润状态 因此物料能全面均匀收缩 不易发生干裂 适合于初期干燥速率过快容易干裂的水果如李 梅等 B 干端处食品物料已接近干燥 水分蒸发已缓慢 但因遇到的是高温低湿空气 干燥仍可进行但比较缓慢 干制品的平衡水分可相应降低 最终水分可低于5 C 干端处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宜过高 一般不宜超过77 D 逆流干燥 湿物料水分蒸发相对慢 总的干燥速率低 故湿物料载量不宜过多 即设备干燥能力将下降 此外 因为在低温高湿的空气中 若物料易腐败或菌污染程度过大 会有腐败的可能 故易腐败的物料不宜采用逆流干燥 2 顺流隧道式干燥设备 基本结构湿端即热端 冷端即干端 特点与应用A 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90 进一步加速水分蒸发而不至于焦化 B 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 两种干燥设备干燥曲线的比较 3 双阶段干燥设备 基本结构顺流干燥 湿端水分蒸发率高逆流干燥 后期干燥能力强 平衡水份低 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 现在还有多段式干燥设备 有3 4 5段等 有广泛的适应性 3 输送带式干燥设备 1 多层输送带特点 物料有翻动物流方向有顺流和逆流操作连续化 自动化 生产能力大 减轻装卸物料强度增加了高度 占地少 2 双带式干燥 特点 分成两个阶段 第一阶段 区段1 因物料高湿 热空气自下而上 区段2和第二阶段 物料减轻 热空气自上而下 以免吹跑物料 蔬菜脱水干制时 第一阶段 区段1 空气温度可93 127 区段2 71 104 第二阶段 54 82 有利于制成品质优良的产品 占面积大 但投资成本较低 4 气流干燥设备 基本结构见图用气流来输送物料使粉状或颗粒食品在热空气中干燥关键的系统有加料器和旋风分离器 关键是稳定而均匀加料 加料器结构 旋风分离器的工作原理将粉末与空气分离 特点 干燥强度大 悬浮状态 物料最大限度地与热空气接触 温度121 190 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 不易结块的物料例如糯米粉 马铃薯颗粒 5 流化床干燥设备 基本结构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 颗粒或粉粒状食品 固体饮料 造粒后二段干燥 流化床类型 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 6 喷雾干燥设备 喷雾干燥就是将液态或浆状食品喷成雾状液滴 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 1 喷雾系统 使液体形成小液滴 产生大量表面积有利于水的蒸发 常用的喷雾系统主要有三类装置 压力喷雾 液体在高压下 700 1000kPa 下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 气流喷雾 在压力为150 500kPa的压缩空气经双流体喷头内环孔向外喷射时 将同时来自喷头中心孔的液态分散成雾状液滴 三类雾化器的特点 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约200 产品湿球温度一般在80 以下 4 空气粉末分离系统 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 难以分离的细粉要用布过滤器 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 6 喷雾干燥的典型产品 奶粉速溶咖啡和茶粉蛋粉豆奶粉酶制剂酵母提取物干酪粉 7 喷雾干燥的发展 与流化床干燥结合的两阶段干燥法再湿法和直通法 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承载物料的表面以传导方式进行干燥 又称传导干燥间壁传热 而不是加热空气来传热 干燥介质可为蒸汽 热油这类设备的常见例子是滚筒干燥机 滚筒干燥设备 1 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2 设备类型 1 单滚筒 示意图 2 双滚筒 示意图 双滚筒干燥设备系统示意图见P65 3 特点热传递和质量传递很快 接触时间2秒 几分钟 可实现快速干燥 采用高压蒸汽加热 可使物料固形物从3 30 增加到90 98 表面温度可达100 145 热能经济 干燥费用低 因与高温接触 食品带有煮熟或焦糊味4 适用对象浆状 泥状 糊状 膏状 液态 一些受热影响不大的食品 如麦片 米粉 三 真空干燥 食品在低气压条件下 热量通常由传导或辐射向食品传递 进行物料干燥 气压愈低 水沸点愈低 易蒸发 可降低干燥温度 减少氧化反应等 适合于不耐高温的食品 1 基本结构干燥箱 真空系统 供热系统 冷凝水收集装置 2 设备类型间歇式真空干燥设备连续式真空干燥 带式输送 设备 间歇式真空干燥设备系统蒸汽喷射泵抽气系统制冷冷凝器和真空泵组合的抽气系统三级蒸汽喷射泵 连续式输送带式真空干燥设备 为保证干燥室中真空度 有专门设计的密封性连续进料和出料装置 生产品质优良的橙汁晶粉 速溶茶等 真空与其他干燥设备结合则可形成多种形式的真空干燥设备 如真空滚筒干燥 见书P68 真空滚筒干燥 3 特点可降低干燥温度 可使水分降低到2 左右物料呈疏松多孔状 能速溶 可使被干燥物料轻微膨化 4 适用对象水果片 颗粒 粉末如麦乳精 速溶茶等 思考题 解释名称 热端 冷端 干端 湿端 顺流 逆流 简述顺流和逆流干燥设备的区别和特点 在空气对流干燥方法中有那些设备 每类设备的适用性 真空干燥设备的组成和特点 喷雾干燥设备的组成及特点 四 冷冻干燥 在高真空度下 如果再将温度降低到食品的冷冻温度下 则食品中的水变成冰 在此条件下 冰会直接从固态变成水蒸汽 升华 而脱水 是一种冷冻温度下的真空干燥 称冷冻升华干燥 利用冰晶升华原理 1 冷冻干燥条件 要使物料中的水变成冰 同时由冰直接升华为水蒸汽 则必须要使食品物料的水溶液温度保持在三相点以下 纯水三相图见下图 O点 固液气 三相点 压力610Pa 温度0 BO 升华曲线 OA 液化曲线 对于食品来说 因食品水分中有溶质 是含有多种溶质的混合溶液 溶液冻结时则成为低共熔混合物或共晶溶液 当共晶溶液开始冻结的温度称为共晶点温度 它是溶液完全冻结固化的最高温度 冻结固化点也是熔化开始点 所以共晶点温度也称为共熔点温度 随着食品水溶液浓度增加 其共晶点或共熔点温度和它的水蒸气压都相应下降 故食品水冻结时要低于0 一般在 4 以下 压力要小于600Pa 冷冻干燥条件 1 食品冷冻温度 4 2 食品升华一般要绝对压力 500Pa 最高真空一般达到15 5Pa 2 食品的冻结 食品中的水被最大量地冻结 食品冻结对干燥的影响 食品冻结方法 1 最大冻结浓度 食品在冻结时 先是自由水会结晶析出 剩下溶液的溶质浓度增加 冰点下降 随着冷冻进行 最终达到最大冻结浓度 此时为最低共熔点 当温度下降到此点以下时 溶液被全部冻结 确切地说是非结晶性的玻璃态 要使食品中水被最大程度冻结 通常食品的冻结温度采用 45 30 2 冰晶体大小对干燥的影响 缓慢冻结时形成的冰晶体大 当升华时留下多孔性通道 干燥速度快 冻结速度快 冰晶体小 干制品有较好的复原性 干燥时间要长一点 3 常见的冻结方法 自冻法就是利用物料表面水分蒸发时从它本身吸收汽化潜热 促使物料温度下降 直至它达到冻结点时物料水分自行冻结 如能将真空干燥室迅速抽成高真空状态 即压力迅速下降 物料水分就会因水分瞬间大量蒸发而迅速降温冻结 但这种方法因为有液 气的过程会使食品的形状变形或发泡 沸腾等 适合于一些有一定体形的食品如芋头 碎肉块 果蔬等 预冻法 将要冻干的食品物料预先用制冷机或系统如液氨 液氮或氟利昂制冷 进行冻结 或在冻库中冷冻 一般食品在 4 以下开始形成冰晶体 此法较为适宜 主要是用于液态食品干燥 3 冷冻干燥过程 食品冷冻干燥曲线食品温度变化曲线 表面 中心 食品水分含量变化曲线 加热板温度变化曲线 真空度变化曲线 载量150g cm2 物料大小0 64cm 干燥室平均压力200Pa 初始水分90 最后水分3 湿物料重量760kg 最初水分684kg 1 加热板温度 2 物料表面温度 3 干燥曲线 牛肉冻干曲线 牡蛎冻干曲线 生牛肉接触加热冻干曲线 1 初级干燥 Primarydryingstage 升华干燥 sublimation 食品中水在冰晶体形成后 通过控制冷冻室中的真空度 则冰晶升华 该阶段水分含量快速下降 主要是除去自由水或体相水分 因冰的蒸汽压随着温度的降低而下降 故为了使水分子从冰中升华需要真空度高 最低在5Pa以下 但冻结物料温度的最低极限不能小于冰晶体的饱和蒸汽压相应的温度 需要加热 升华相变是一个吸热过程 需要提供相变潜热或升华热 如果不提供热量则物料随着升华进行温度迅速下降 当温度降到与真空度下相应水蒸汽压相等时 则水蒸汽挥发停止 所提供的热量应等于冰晶体升华热 同时应注意使物料上升温度不能超过被冻结物料的温度或略低于冰晶体熔化温度 以便能进行升华 升华界面 在冷冻干燥的初级阶段 随着干燥的进行 食品中的冰逐渐减少 有冰的部分为冻结层 没有冰的部分成为干燥层 在食品中的冻结层和干燥层之间的界面被称为升华界面 sublimationfront 确切地说是在食品的冻结层和干燥层之间存在一个扩散过渡区 升华界面 过渡层 在干燥层中由于冰升华后水分子外逸留下了原冰晶体大小的孔隙 形成了海绵状多孔性结构 这种结构有利于产品的复水性 但这种结构使传热速度减慢 即妨碍传热 使干燥速度下降 因此 若采用一些穿透力强的热能如辐射热 红外线 微波等使之直接穿透到 冰层面 升华面上 就能有效地加快干燥速率 2 二级干燥 secondrydryingstage 当食品中的冰全部升华完毕 升华界面消失时 此时食品的水分含量还有15 20 时 水分含量下降变慢 干燥就进入另一个阶段称为二级干燥 这些剩余的水分即是被束缚 不能被冻结的水分子 是多分子和单分子吸附层的水 但这些水并非为液态水 而是为玻璃态水 可使已被干燥的产品结构维持刚性多孔状 使玻璃态水转变为液态水的温度称为玻璃态转化温度 glasstransitiontemperature 见图 要继续除去这部分水 必须补加热量使之加快运动来克服束缚才能外逸出来 但需要注意热量补加不能太快 在二级干燥阶段当温度升高到使干燥层原先形成的固态状框架结构失去刚性 发生熔化或产生发粘 发泡现象 即使食品的固态框架结构发生瘪塌 collapse 此时的温度称为瘪塌温度 在瘪塌中 食品冰晶体升华后的空穴消失 阻塞了水分子升华外逸 妨碍升华继续进行 致使冻干失败 同时食品密度减少 复水性差 食品的瘪塌温度实际上就是玻璃态转化温度 4 冷冻干燥设备基本结构 1 冷冻干燥设备组成基本组成与真空干燥设备相同 但要多一个制冷系统或冻结系统 主要是将物料冻结成冰块状 见示意图 冷冻干燥设备组成示意图 2 设备类型 间歇式冷冻干燥设备隧道式连续式冷冻干燥设备 间歇式冷冻干燥设备 隧道式连续式冷冻干燥设备 5 冷冻干燥食品的特点 在低温高真空下 特别适合于热敏性高和极易氧化的食品干燥 可以保留新鲜食品的色香味及营养成分 不失原有的固体骨架结构 可保持物料原有的形态 具有多孔结构 速溶性和复水性好 设备昂贵 冻干制品的价格是热风干燥的3 5倍 6 冻干食品的种类 蔬菜类 葱 蒜 蘑菇 香菜等水果类 苹果 香蕉 草莓等肉禽类 牛 羊 猪等水产类 海参 鱿鱼 干贝等中药材 生物类 第五节干制品的包装和贮藏 食品经干燥脱水处理后 其本身的一些物理特性发生了很大改变 如密度 体积 吸湿性等 为了保持干制品的特性以及便于储藏运输 通常对于干制品的处理包括三部分 干制品的预处理 干制品的包装 干制品的贮藏 一 包装前干制品的预处理 1 筛选分级选出块片和颗粒大小不合标准产品 剔除其他碎屑杂质等物 磁铁吸除金属杂质 在输送带上进行机械筛选或人工挑选 2 均湿处理 有时晒干或烘干的干制品由于翻动或厚薄不均会造成制品中水分含量不均匀一致 内部亦不均匀 这时需要将它们放在密闭室内或容器内短暂贮藏 使水分在干制品内部重新扩散和分布 从而达到均匀一致的要求 这称为均湿处理 特别是水果干制品 均湿处理还常称为回软和发汗 仓贮法就是一种可大量均湿处理的方法 即在仓库中将干暖空气通过堆积在假底上的水分不均匀干制品使其外逸 可达到均湿效果 一般需2 3周 菜干1 8天 3 灭虫处理 干制品尤其是果疏干制品常有虫卵混杂其间 在适宜的条件下会生长造成损失 烟熏是控制干制品中昆虫和虫卵常用方法 常用烟熏剂有甲基溴 一般用量16 24g m3 可使害虫中毒死亡 因溴会残留 一般允许残溴量 150mg Kg 有些水果干制品甚至在100mg Kg以下 如李干为20mg Kg 此外 二氧化硫也常用于果干的熏蒸 大包装葡萄干常用甲酸甲酯防虫害 4 速化复水处理 instantizat