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食品冷冻干燥的基本原理和新趋势,食品,食物,冷冻,干燥,基本原理,以及,新趋势
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食品冷冻干燥的基本原理和新趋势 在食品工业冷冻干燥的应用开始了第二次世界大战后，许多重要发展在 20 世纪 50 年代和 60 年代发生 1 。在 60 年代期间，预计这一进程将有适用范围广，大量资源投入到开发新的设备和方法，但在美国和欧洲，高效的配送和存储系统的对于冷冻和冷藏食品的建立，使市场制约了冻干产品 2 。然而，一些工艺和产品在那以后得到发展。虽然冷冻干燥并不广泛，由于其高的操作成本用在食品工业中，新的一些改进，如吸附， 固体流态化 和微波加热等，增加了成本。到现在为止，冷冻干燥是干燥咖啡，酶， 食品成分和其它高价值的食品的最重要的技术。冷冻干燥产品对于太空任务，军事和体育活动是这样一些例子的技术的发展，是提高品质和贮存寿命长的思想。此外，对食品质量的日益增加关注，这个过程可以被视为一个有价值的替代食品保存的过程方法 3 。酶的稳定系统，在功能性食品领域的新成分，和异国情调的食品（热带水果，鳄梨酱等）是使用这项技术应用的例子。 在一般的方法，冷冻或冻干，是通过升华从产物中除去水的过程和解吸 4。升华是冰的转化直接进入气体不经过液体阶段。发生升华时的蒸气压与冰面的温度低于这些的三相点（ 米汞柱， 0），如图中的纯水的压力 - 温度相图（图 1） 5。 图 1 纯净水和用于相变的过程图一区的压力 - 温度相图。 图 1 的相图是由行分隔成三个区域，其代表了固体，液体和气体水在密闭系统中的热力学状态。沿着分开线的各点所代表的组合温度和压力在该两种状态是处于平衡：气液平衡（ ），液 - 固平衡（ ），和固 - 气平衡（ ），这是在冷冻干燥主要关心的问题。 D 点表示温度和压力的组合仅在其中水全部三种状态是同时在平衡，这是所谓的三相点 5， 6。 冷冻 干燥也可以适中的压力，也可以在大气压下进行。这个过程的原理以产生蒸气压力差尽可能大，通过冷冻的材料吹入的干燥空气。实际上，这个过程因低的质量和能量的转变而变得很长，但问题涉及到真空的应用并不存在，从而导致运作成本的减少 7,8。 冷冻干燥是用于获得比用常规干燥得到的较高质量的产品方法。冻干产品具有很高的结构性能，高再水合能力，低密度，并保留初始原料性能如外观，形状，味道和风味。这个过程通常被用于的高的附加值产品的脱水及热处理，制药生产的生物技术和食品工业。 相比于空气干燥过程，其在单级中除去水，冷冻干燥是 一个耗能的过程它需要大量的操作时间和消耗大量能量。能量是必需的，冻结的产品，加热冷冻产品使其升华，冷凝水蒸汽，并保持在真空压力系统中。 冷冻干燥涉及三个主要阶段：初始冷冻，初级干燥和二级干燥 12。冷冻有对形状，大小和冰晶的分布具有重要影响，因此，在干燥过程中并冷冻干燥产品的最终结构。 冻 在冷冻阶段的目标是要冻结的大部分水分原本存在于产物中，它的后升华。相图（图 2）可以识别的混合物或食品不同相位的边界。它由冷冻曲线（ 线） ，玻璃化转变曲（ 和最大冷冻浓缩的条件。该冻 结曲线对应的解决方案，冰晶平衡。沿着这条曲线，除去水中的冰，溶质的在冷冻浓缩过程的增加浓度。玻璃化转变曲线代表溶质是水的混合物的水玻璃 - 橡胶转变和溶质的种类和浓度以及温度定义它。高于 线，解决方案是在一个不稳定的橡胶或液体状态， 线下方，解决方案变身为玻璃态（无定形固体） 。最大冷冻浓缩（最大冰的形成）只发生在低于冰的平衡熔解温度（ Tm ）上述 域 6,13 。在这最后的指向液体溶质和水的混合物是最大冷冻浓缩，并已成为玻璃状。这个解冻玻璃混合物转变温度被指定 固态的玻 璃状 6 固体含量， 13， 14 ， 15， 16 。沿着冷冻干燥过程的水分的湿度相应比理想实现产品温度 的。在原有产品的 以考虑到足够平衡在冻结期间达到获得初始去除水分，在这种意义上说，一些食品的 值（ ，水果和果汁： C 的蔬菜： C17） ，是最小的温度的指示，开始冷冻干燥过程。 图 2 典型水溶液中的食品液体系统的固 - 液状态图 燥阶段 图 3 示出一个典型的冷冻干燥曲线和温度 变化对液体和半液体食品产品，例如“鳄梨酱”18。干燥曲线表示出了初级和次级阶段的水分损失。在初级干燥，总水产物的约 90，主要是所有的游离水和一些的“结合”水，是通过升华 19， 20除去。在初级干燥阶段，将冷冻的物品被加热在真空条件下升华以除去冷冻的水，而冷冻产品被保持在 下。这是重知道 值是沿该过程改变十分重要，因为该产品的水分会减少。如果温度高于 现出“冰锋”现象，部分水会通过蒸发被淘汰，另一部分通过升华。在二次干燥阶段，未冻结的水被解吸从干燥除去层，实现该产品含水少于 1残余 水的产物。这最后一个阶段是 通过增加温度和减少在干燥器 5， 20的蒸气压进行。 图 3 中的演变在冷冻干燥过程的水分含量和“鳄梨酱”搁板中心温度 次级干燥阶段需要 30%至 50所需要的初级干燥时间因压力较低的剩余的水相比冰水 在相同温度下，产生一个缓慢的过程。冷冻干燥是当大部分水已被除去，从而保证所期望的残留水分含量完成产品 5， 11的结构完整性和稳定性。 3在冷冻干燥传热传质 在冷冻干燥操作中，混合热量与质量传递过程发生在食品产品中：能量是输送到升华区，并产生水蒸汽。相比较质量传 递，它总是流向相反通过干燥层，热传递可以通过干燥层（图4a）或通过传导发生的冷冻层（图 4b），并通过发热的冷冻层（图表 5， 12， 20。 使用微波加热作为热源进行干燥，因为它们能够深深地渗透到产品，一种更有效和更均匀的加热 21， 22。 图 4 中冷冻干燥热量与质量传递的机制 图 5 示出了在板的形式的冷冻食品样品，用冷冻和干燥多孔层，进行一维的冷冻干燥 5，23。干燥和冷冻层之间的接口被称为升华或冰锋数学和现象的分析，并假定移动以均匀率。蒸气流动通过 在干燥过程中产生的孔隙和通道。 图 5 冷冻干燥板坯示意图 这种情况下的加热通过干层提供时，冰的热通量由下式给出 Tk （ 1） 其中 q 为热通量（ (J/m2 s）， 层（ W/m K 的导热率）， 在板坯温度表面（ K），华前的温度（ K）， L 是板坯（ m）的厚度， x 是相对高度冰前面和术语（ 1 具有无限的几何形状， 恒定值可以被认为等于板坯的温度中心（图 5），其决心是很容易的和重要的，以评估某些输运性（电导率性和渗透性的干层）用于冷冻干燥干燥所研究的食品 18。 如果热最初转到传导通过冷冻层， Tk （ 2） 其中 W/m K）的热导率， 热板温度（ K），并且用 示冷冻层的厚度。在这种情况下， 于热转移到冷冻和干燥层。必须生成一个数学模型来预测 如果蒸汽主要通过努森扩散孔隙流动，相比与干墙的碰撞是众多与水分子之间的碰撞，那么冰的升华速率（ kg/s 下式给出 （ 3） 其中是冰的体积分数， m2/s），强制验窗计划的 的水分子质量（ kg/ R 是气体常数（米 3摩尔 K）， T 为绝对温度（ K）， 蒸气压在冰前面和 蒸气压。 努森扩散系数与孔径（ 温度由 （ 4） 在冰前面， 表了升 华温度，并假设它是处于平衡状态，这是关系到蒸气压（ 克劳修斯 - 克拉珀龙方程， （ 5） 当热传递是通过干燥层和通过冻层变化时， 值是恒定的。 干燥板周围附近大量的水蒸气的质量平衡关系： （ 6） 其中 的密度（ kg/ 假设所有提供的热量用于冰的升华，焓平衡使 NH （ 7） 其中 升华热量（ J/ 对于温度差不能太大，克劳修斯 - 克拉贝龙方程可以线性化和上述方程可以解析求解。下面的表达式可以 得出总的干燥时间 （ 8） 或 p fi c e 1 （ 9） 如果发生热传递，通过干层，则 = 0;如果发生传热通过冰冻层， HM （ 10） 其中 冰的热传导率（ W /m K）， 对于质量和能量的传递，已经有几个数学方程的开发了用于建模的冷冻干燥过程。这类车型占到去除冷冻水只（升华型号）或切除冷冻和结合水（吸附升华模型） ，考察供热和扩散的方法机制，描述了稳定还是非稳定状态的过程，或根据各种分析处理两项转让条件。有些机型已发现准确描述实验的干燥速率和冷冻干燥时间。然 而，在一些模型中的应用的一个主要问题是可靠的数据对热和要求食品材料，如多孔介质，努森扩散，水内扩散的质量输运性质在干燥层，孔隙度，有效的热传导性，透气性等的蒸气浓度 10， 19， 21， 24 。沙龙和贝尔克 25 的方法是用来评价一个好的和简单的实验和数学程序导电性和冻干层 18 ， 26 的渗透性。 4 结速率 冷冻速率对冰的配置，从而在冷冻干燥产品的最终结构有重要影响。缓慢冷冻率允许大冰晶导致较大孔隙的生长，更高的质量流从而缩短冻干时间 5 ， 23 。根据图 6 在 慢冻过程对一个有重大影响较高的干燥速率是观察鳄梨酱。但在某些情况下，液体产物缓慢冷冻推动形成的表面层具有高浓度固体的充当障碍的传质过程。 图 6 冷冻速率和加热温度对“鳄梨酱”的冷冻干燥速率的影响 通量 热通量，是降低产品干燥速度的重要因素。然而，如果干燥进行得快速（高热流密度） ，该产品可能会融化，倒塌或可吹出来的容器 27 。这可能会导致降解产物，并且将改变的干燥材料的物理特性。过热则可能导致食物变成焦炭或收缩。升温速率可以在运行过程中修改方便地进行优化产品温度在干燥的区域，并在前面的升 华 10 ， 28 。 压力 在冷冻干燥过程中最重要的操作变量是压力室。压力有一个联合作为控制升华温度的平均值和修改影响的传输参数影响蒸汽动力学去除。在给定的温度，减少了在干燥室中的压力降低在产品的外表面蒸气压（ ，从而驱动力（ 用于干燥被放大，而总干燥时间缩短。然而，在低压下，升华速率可以通过水的运输不限蒸汽通过的产物，如果水蒸汽的输送落在自由分子流态 21 ， 26， 28 。腔室压力会影响传输性能，热导率和水蒸汽扩散。加 热干燥层的导电率越高在较高的腔室压力，冷冻 干燥操作的范围内，则导致高传热率从表面到冰前面。通过冻干层水蒸气散发，但是，只有在更高的腔压力，生产低质量的传输速率。所以，当压力低（低升华温度）冷冻干燥通常是一个热控制的过程，但在相对高的压力冷冻干燥成为质量控制的过程。在大多数情况下，干燥速度是由传热速率的限制通过冻干层 26 ， 28 ， 29 。 度 在影响冻干产品质量的主要参数是工艺温度（冷冻和冷冻干燥） 30 。例如，气体扩散是非常相似的水时，水的含量仍然高，因此，在主干燥保持较低的温度下会降低气体的损失。产品的 有对操作压 力的选择一个显著作用，因为这是用于升华的根本因素温度。通常情况下，真空必须保持如此之高，没有玻璃态转变，塌陷，或熔化发生在过程中的产物，和真正的冷冻干燥或升华发生，那么冰前的温度必须比产品为每个湿气通过该过程的 低。另一方面，如果冰在冷凝器中的温度比产物的温度越高，水蒸汽将趋于移向产品和干燥将停止 28 ， 31 。当冷冻干燥温度足够高时，产物滤饼受到其结构的大量损失，并且发生了塌陷。塌陷影响气体的保留，结块和粘性，补液量，并最终水分的产品。在冷冻干燥过程中由于收缩和颜色的变化质量损失可与玻璃化转变 温度理论 30解释。例如，塌陷温度（ 关系到玻璃化转变温度（ ，这反过来又依赖于温度和水分含量（图 2）。在高于 定形基质的粘度急剧下降，这种下降是一个函数（ T - 。随着粘度的降低，有利于变形的水平，基质可以流动，并结构倒塌可能发生。在 105围内的关键粘度范围内，观察结构的崩溃 20 ， 31 。所有的冷冻干燥条件下，冷冻和干燥层的具体的温度，必须是控制以避免上述的结构变化。 5 冷冻干燥机组件 选择冷冻干燥机和操作是实现这一脱水过程的有益效果的一个关 键的决定。典型的冷冻干燥机包括一个干燥室，冷凝器，真空泵，以及一个热源（图 7） 。 图 7 冷冻干燥系统的示意图 干燥室，其中将样品放置和加热 /冷却发生时，必须将真空密封和用度控制的货架。冷凝器必须有足够的冷凝表面和冷却能力，以收集该产品所释放的水蒸气。由于蒸汽与冷凝表面，他们放弃了自己的热能量，使之成为将其从系统中除去冰晶。 的冷凝器的温度是典型的对于大多数市售的冷冻机。真空泵除去不可冷凝的气体，以实现高真空在腔室和冷凝器的水平（低于 4 毫米汞柱）。热源提供水升华热的热量，并它的温度可 能会有所不同从 50 C 7 ， 27 。新的设计和设备已推动由不同的公司，他们大多希望提高热与质量传递的机制来减少时间过程和成本。 6 结论和建议 食品市场和新方向的产品不断增加的消费需求具有相似的品质新鲜的产品是元素的一部分，考虑冷冻干燥作为一种替代过程保存不同的食物和食品配料。水在食物相变化及的效果基本面的深入了解对进程的有效性和成本的变量可以打开冷冻干燥中的应用新机遇，以获得高品质的腌制食品。冷冻干燥食品进行更多的研究和工业应用预计在未来几年。 参考 1 K.;帕尔多， 莫特拉姆， 间的升华速率和挥发保留的关系 在冷冻干燥咖啡。在系统工程与食品的 21纪 J.，巴博萨 - 阿奎莱拉， ， 版社：博卡拉顿，佛罗里达州， 2002; 253 2 工业烘干 贝克， 埃德 ; 。黑仔学术及 专业：伦敦， 1997; 134 3 司， 查。 2001 年， 49 ， 311 育， G. ，法拉利， G 的传热传质现象的食品在流化床中的大气作用。 2003 年， 59 ， 267 冷冻干燥和先进的食品技术 ; 雷伊， L. ， 馆， ，科学出版社：纽约， 1975; 177 6 品研究国际， 1992 年 ， 25 ， 317 7. 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