第 六章食品冷冻新技术

1、第二节 流化速冻技术 一 食品的冻结过程 凡将食品中所含的水分大部分转变成冰 的过程，称为食品的冻结。 原理就是将食品的温度降低到冻结点以 下，使微生物无法进行生命活动、生物 化学反应速度减慢，达到食品能在低温 下长期贮藏的目的 （一） 冻结点与冻结率 冻结点：冰晶开始出现的温度冻结点：冰晶开始出现的温度 食品冻结的实质是其中水分的冻结食品冻结的实质是其中水分的冻结 食品中的水分并非纯水食品中的水分并非纯水 RaoultRaoult稀溶液定律：稀溶液定律：TTf f=K=Kf fb bB B，K Kf f为与为与 溶剂有关的常数，水为溶剂有关的常数，水为1.861.86。即质量摩。即质量摩 尔

2、浓度每增加尔浓度每增加1 mol/kg1 mol/kg，冻结点就会下，冻结点就会下 降降1.861.86。 因此食品物料要降到因此食品物料要降到00以下才产生冰晶。以下才产生冰晶。 温度温度-60-60左右，食品内水分全部冻结。左右，食品内水分全部冻结。 在在-18 -30-18 -30时，食品中绝大部分时，食品中绝大部分 水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低 温冷库的贮藏温度一般为温冷库的贮藏温度一般为-18-25-18-25。 冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结 量（量（% %），又称结冰率），又称结冰率 K=100K=10

3、0（1 1T TD D/T/TF F） T TD D和和T TF F分别为食品的冻结点及其冻结终了温度分别为食品的冻结点及其冻结终了温度 （二） 冻结曲线 冻结曲线表示了冻结过程中温度随时间冻结曲线表示了冻结过程中温度随时间 的变化。的变化。 过冷临界温度 液态物质在降温过程中，开始形成稳定 晶核时的温度 低共熔点（共晶点） 在降温过程中，食品 组织内溶液的浓度增加 到一个恒定值，溶质和 水分同时结晶固化时的 温度 图中多条曲线表示食品不同深度处温度随冻结时图中多条曲线表示食品不同深度处温度随冻结时 间的变化。间的变化。在任一时刻食品表面的温度始终最低在任一时刻食品表面的温度始终最低， 越接近

4、中心层温度越高。越接近中心层温度越高。 显示出显示出在不同的深度，温度下降的速度是不同的在不同的深度，温度下降的速度是不同的 冷冻曲线平坦段的长短与冷却介质的导冷冻曲线平坦段的长短与冷却介质的导 热性有关。在冷冻操作中，采用导热快热性有关。在冷冻操作中，采用导热快 的的冷却介质冷却介质，可以缩短中间阶段的曲线，可以缩短中间阶段的曲线 平坦段。平坦段。 图中显示，在盐水中冻结曲线的平坦段图中显示，在盐水中冻结曲线的平坦段 要明显短于在空气中。要明显短于在空气中。 （三） 冻结速度 1. 速冻的定性表达：速冻的定性表达： 速冻：速冻：指外界的温度降与细胞组织内的温度降指外界的温度降与细胞组织内的温

5、度降 不等，即内外有较大的温差；不等，即内外有较大的温差； 慢冻：慢冻：指外界的温度降与细胞组织内的温度降指外界的温度降与细胞组织内的温度降 基本上保持等速。基本上保持等速。 2. 速冻的定量表达：速冻的定量表达： 国际制冷协会对冻 结速度的定义 定性描述 3. 3. 冻结速度与冰晶冻结速度与冰晶 l冻结速度快，食品组织内冰层推进速度大冻结速度快，食品组织内冰层推进速度大 于水移动速度，冰晶的分布接近天然食品于水移动速度，冰晶的分布接近天然食品 中液态水的分布情况，中液态水的分布情况，冰晶数量极多，呈冰晶数量极多，呈 针状结晶体针状结晶体。 l冻结速度慢，细胞外溶液浓度较低，冰晶冻结速度慢，细

6、胞外溶液浓度较低，冰晶 首先在细胞外产生，而此时细胞内的水分首先在细胞外产生，而此时细胞内的水分 是液相。在蒸汽压差作用下，细胞内的水是液相。在蒸汽压差作用下，细胞内的水 向细胞外移动，向细胞外移动，形成较大的冰晶，且分布形成较大的冰晶，且分布 不均匀不均匀。除蒸汽压差外，因蛋白质变性，。除蒸汽压差外，因蛋白质变性， 其持水能力降低，细胞膜的透水性增强而其持水能力降低，细胞膜的透水性增强而 使水分转移作用加强，从而产生更多更大使水分转移作用加强，从而产生更多更大 的冰晶大颗粒。的冰晶大颗粒。 不同冻结速度下的冰晶状态 4. 4. 最大冰晶生成带最大冰晶生成带( (图示图示) )： 指指-1-5

7、-1-5的温度范围，大部分食品在此温度范的温度范围，大部分食品在此温度范 围内约围内约80%80%的水分形成冰晶。的水分形成冰晶。 K=100K=100（1 1T TD D/T/TF F） 研究表明，食品冻结应以最快的速度通过最大冰研究表明，食品冻结应以最快的速度通过最大冰 晶生成带。晶生成带。 最大冰晶生成区 冻结曲线与最大冰晶生成区 大部分食品的中心温度从-1降至-5时，近80%的水分可 冻结成冰，此温度范围称为最大冰晶生成区。 （四）冻结对冻品的影响 1 物理变化的影响 （1）容积的改变 细胞溃解、气体膨胀 产生内压出现龟裂（速冻） （2）冰晶体的机械损伤 刺伤细胞组织，使食品失去复原性

8、 （3）溶质的重新分布 溶质呈不均匀分布；营养成分流失 （4）水分的蒸发 2 化学变化的影响 （1）蛋白质变性 （2）变色 黑变、褐变、退色 （3）营养成分损失 维生素C因氧化而减少 单体速冻产品 二 流态化速冻方法 ：是在一定流速的冷空气作用下，使食品在流：是在一定流速的冷空气作用下，使食品在流 态化操作条件下得到快速冻结的一种冻结方法。态化操作条件下得到快速冻结的一种冻结方法。 流态化冻结是一种实现食品流态化冻结是一种实现食品单体快速冻结单体快速冻结（Individually Quick Freezing ，IQF）的理想方法。）的理想方法。 ：一是作为冷却介质的冷空气在：一是作为冷却介质

9、的冷空气在 流经被冻结食品时必须具有足够的流经被冻结食品时必须具有足够的，并且必须是并且必须是 通过食品；二是单个食品的通过食品；二是单个食品的。 (一一) 概概 述述 气体经固体颗粒床层流动的三种状态气体经固体颗粒床层流动的三种状态 ： 食品流态化冻结过程中，颗粒状、片状、块状等食品与冷食品流态化冻结过程中，颗粒状、片状、块状等食品与冷 气流间的流动过程属气流间的流动过程属气固两相流体气固两相流体的流动过程的流动过程。 根据流体的流动特点，气固两相流体的流动有以下三种运根据流体的流动特点，气固两相流体的流动有以下三种运 动状态：动状态：固定床阶段固定床阶段、流化床阶段流化床阶段和和气流输送阶

10、段气流输送阶段 。 指当气流以较低的相对速度通过物料层时，固体颗指当气流以较低的相对速度通过物料层时，固体颗 粒的相对位置没有发生变化的阶段（图的粒的相对位置没有发生变化的阶段（图的AD段段 ）。）。 ：气体通过床层所发生的压力降：气体通过床层所发生的压力降P，与空，与空 塔气体流速塔气体流速v 在对数坐标纸上成直线关系（图的在对数坐标纸上成直线关系（图的 AB段段 ） ：当气固间相对速度达到一定数值时床层不再维持：当气固间相对速度达到一定数值时床层不再维持 固定状态，固体颗粒的相对位置发生明显变化，固体颗固定状态，固体颗粒的相对位置发生明显变化，固体颗 粒在床层中时上时下作不规则沸腾状运动，

11、并且具有与粒在床层中时上时下作不规则沸腾状运动，并且具有与 流体同样的流动性，此阶段称为流化床阶段流体同样的流动性，此阶段称为流化床阶段 。 l 这种流态化状态可以在一定的这种流态化状态可以在一定的气体流速范围气体流速范围内内维持；维持； l 在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化 系统系统具有确定的性质具有确定的性质，如密度、热传导系数、粘度等；，如密度、热传导系数、粘度等； l 床层的高度和空隙率会随着气流速度而提高，而床床层的高度和空隙率会随着气流速度而提高，而床 层层 上下两侧的上下两侧的基本维持不变（基本维持不变（DE段段）。

12、）。 气流通过流化床层时，由于气流通过流化床层时，由于筛网筛网、 食品颗粒食品颗粒的阻力作用，使床两侧的阻力作用，使床两侧风压风压发生变化发生变化 所产生的压力差，即所产生的压力差，即 PL= P1P2 式中式中 PL 流化床压降，流化床压降，N/m2 P1 风机出口风压，风机出口风压，N/m2 P2 流化床食品层上部风压，流化床食品层上部风压，N/m2 与与空气流速空气流速和和筛网的孔隙率筛网的孔隙率有关，有关， 流速越大或孔隙率越小，阻力越大，反之亦然。流速越大或孔隙率越小，阻力越大，反之亦然。 与与D点相应的气流速度称为点相应的气流速度称为临界流化速度临界流化速度。 v 筛网阻力损失的范

13、围相当于流化床食品层阻力筛网阻力损失的范围相当于流化床食品层阻力 损失的损失的10%20%。 临界流化速度临界流化速度（Vk ）：）：当气流速度增加到一定数当气流速度增加到一定数 值时，固定床层不再保持静止状态，部分颗粒悬浮值时，固定床层不再保持静止状态，部分颗粒悬浮 向上，造成床层膨胀，空隙率增大，即开始进入流向上，造成床层膨胀，空隙率增大，即开始进入流 化状态，此时的速度即称之。化状态，此时的速度即称之。 l 冷空气达到冷空气达到临界流化速度临界流化速度是形成是形成流态化流态化的必要条件的必要条件。 随着流速增加超过临界速度，就出现很大的不稳定性。随着流速增加超过临界速度，就出现很大的不稳

14、定性。 这时流化床没有一个稳定的界面，压力也随之波动，但固这时流化床没有一个稳定的界面，压力也随之波动，但固 定在图中的定在图中的DE1和和DE2之间的范围内，之间的范围内，DE代表了这一范围代表了这一范围 的平均值。的平均值。 在流化床流动的基础上，再进一步提高气流速度，则床层在流化床流动的基础上，再进一步提高气流速度，则床层 不能保持流化状态，固体颗粒悬浮在气流中，随着气流运不能保持流化状态，固体颗粒悬浮在气流中，随着气流运 动，此阶段称为气力输送阶段（动，此阶段称为气力输送阶段（ 图图E段段）。）。 与与E点相对应的流速称为最大流化速度点相对应的流速称为最大流化速度 (或称固体颗粒的带或

15、称固体颗粒的带 出速度或悬浮速度）。出速度或悬浮速度）。 (三三) 不良流化现象不良流化现象 在食品流态化冻结过程中常出现在食品流态化冻结过程中常出现 等影响食品的等影响食品的IQF冻结不正常冻结不正常 的流态化现象。这与气流速度、压力降、气流的流态化现象。这与气流速度、压力降、气流 分布的均匀性、食品层层厚、筛网孔隙率、食分布的均匀性、食品层层厚、筛网孔隙率、食 品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素有关。品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素有关。 沟流现象沟流现象：由于气流组织或食品层层厚不均匀，床层由于气流组织或食品层层厚不均匀，床层 出现沟道，气流不能均匀地通过床层，而从沟道中流出现沟道

16、，气流不能均匀地通过床层，而从沟道中流 过，床层压力不断下降，作用于食品层各点的压力降过，床层压力不断下降，作用于食品层各点的压力降 发生变化造成整个床发生变化造成整个床 沸腾沸腾的急剧恶化，破坏了正常的急剧恶化，破坏了正常 流态化操作，这种现象称为沟流现象。流态化操作，这种现象称为沟流现象。 粘结现象粘结现象：表面潮湿表面潮湿的食品颗粒在低温状态下相互冻的食品颗粒在低温状态下相互冻 粘或冻粘在筛网上的现象。这种粘结现象使食品层变粘或冻粘在筛网上的现象。这种粘结现象使食品层变 成了固定床层，从而不能形成流态化。成了固定床层，从而不能形成流态化。 夹带现象夹带现象：在流化床中，如果气在流化床中，

17、如果气 流速度流速度V大于降落速度大于降落速度Vg则食品颗粒则食品颗粒 以以V-Vg的净速度向上运动，被气流带的净速度向上运动，被气流带 走，飞出流化床，这种现象称之夹带走，飞出流化床，这种现象称之夹带 现象。现象。 四、流化速冻中的流态化操作及装置四、流化速冻中的流态化操作及装置 1、 半流态化操作半流态化操作： 指置于传送带上的食品层被速度低于临界值的指置于传送带上的食品层被速度低于临界值的 冷气吹成离网不高的悬浮状态（冷气吹成离网不高的悬浮状态（AB 段）。段）。 适用于加工软嫩和易碎的食品，如草莓、黄瓜片、适用于加工软嫩和易碎的食品，如草莓、黄瓜片、 油炸茄块、芦笋等。食品层厚度一般可

18、控制在油炸茄块、芦笋等。食品层厚度一般可控制在 30100mm之间。之间。 （一）流态化操作（一）流态化操作 2、全流态化操作、全流态化操作 气力流态化：气力流态化：食品颗粒完全靠上吹的冷风克服自食品颗粒完全靠上吹的冷风克服自 身的重力而成沸腾状态，并向前流动的操作方式。身的重力而成沸腾状态，并向前流动的操作方式。 振动流态化振动流态化：利用机械振动原理使食品在带孔的利用机械振动原理使食品在带孔的 槽体上按一定振幅和频率呈跳跃式抛物线型向前运槽体上按一定振幅和频率呈跳跃式抛物线型向前运 动，并辅以自下而上的冷风，造成食品层沸腾而成动，并辅以自下而上的冷风，造成食品层沸腾而成 流态化，从而实现单

19、体快速冻结的方法。流态化，从而实现单体快速冻结的方法。 振动流态化有两种方式：振动流态化有两种方式：往复式振动往复式振动和和直线振动直线振动。 ZLG系列振动流化床系列振动流化床 （二）（二） 食品流化速冻装置食品流化速冻装置 1、带式流化速冻装置、带式流化速冻装置 2、振动流化速冻装置、振动流化速冻装置 ：结构紧凑、冻结能力大、耗能低，易于操作，结构紧凑、冻结能力大、耗能低，易于操作， 并设有气流脉动旁通机构和空气除霜系统。并设有气流脉动旁通机构和空气除霜系统。 3、斜槽式流化速冻装置、斜槽式流化速冻装置 物料传输系统物料传输系统，是全流态化是全流态化(或纯流或纯流 态化态化)速冻。速冻。因

20、而结构紧凑、简单、维修量小、易于操作。因而结构紧凑、简单、维修量小、易于操作。 ：装机功率大、单位耗电指标高。由于只适宜冻结表装机功率大、单位耗电指标高。由于只适宜冻结表 面不太潮湿的球状或圆柱状等食品，因此适应范围较小面不太潮湿的球状或圆柱状等食品，因此适应范围较小。 五、食品的其他冻结方式五、食品的其他冻结方式 l 上个世纪上个世纪80年代，美国学者年代，美国学者Levine和和Slade在深入的实验研在深入的实验研 究基础上，提出了究基础上，提出了“食品聚合物科学食品聚合物科学”的理论。的理论。 l 基本思想：基本思想：食品材料的分子与人工合成聚合物的分子间食品材料的分子与人工合成聚合物

21、的分子间 有着最基本、最普遍的相似性。若聚合物分子结构变化了，有着最基本、最普遍的相似性。若聚合物分子结构变化了， 则其宏观性质也将发生较大的变化，在聚合物科学中，这种则其宏观性质也将发生较大的变化，在聚合物科学中，这种 结构结构-性质的关系已有了较成熟的理论。借助聚合物科学理性质的关系已有了较成熟的理论。借助聚合物科学理 论，可以把食品的结构特性与其宏观性质联系起来，根据食论，可以把食品的结构特性与其宏观性质联系起来，根据食 品材料所处的状态（如含水量、温度等），就能预测其在加品材料所处的状态（如含水量、温度等），就能预测其在加 工、贮存过程中的质量安全性和稳定性。工、贮存过程中的质量安全性

22、和稳定性。 食品的玻璃化食品的玻璃化 (glass transition theory) v 从热力学观点，晶态是稳定的，而玻璃态是亚稳态热力学观点，晶态是稳定的，而玻璃态是亚稳态 (metastable)。 v 从动力学角度来看，玻璃态却是很稳定的。动力学角度来看，玻璃态却是很稳定的。 低分子物质的凝集状态有四种：低分子物质的凝集状态有四种：液体、液晶和晶体、玻璃液体、液晶和晶体、玻璃。 玻璃是一种非晶态的固体，或者是一种过冷的液体，玻璃是一种非晶态的固体，或者是一种过冷的液体， 它的粘度很高它的粘度很高(1014Pa.s) 。 v 食品和食品材料是典型的聚合物系统。食品和食品材料是典型的聚

23、合物系统。 食品的玻璃化食品的玻璃化 (glass transition theory) (1014Pa.s，分子，分子 运动几乎为运动几乎为0 ) 玻璃态的一个判断标志：玻璃态的一个判断标志：l014Pas， 对应对应=l014Pas的温度称为的温度称为玻璃化温度玻璃化温度Tg (glass transition temperature)。 玻璃化过程如同把液态的无序结构玻璃化过程如同把液态的无序结构 “定位定位”一样，所以，一样，所以， 玻璃态的固体像液体一样，是非常玻璃态的固体像液体一样，是非常的。的。 液态区、橡胶态区和玻璃态区。液态区、橡胶态区和玻璃态区。 在在系统中，系统中，则被看

24、作是则被看作是从橡胶态从橡胶态 （rubbery state）到玻璃态（）到玻璃态（glass state）的转变，的转变， 它与温度、时间及物质的成分等有关。它与温度、时间及物质的成分等有关。 最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度： 相应的溶液浓度：相应的溶液浓度：。 冷却速率足够快：迅速通过冷却速率足够快：迅速通过TgTTm的结晶区。的结晶区。 温度足够低：温度足够低：TTg v 食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。 基质在小于玻璃化转变温度时所处的状态，基质在小于玻璃化转变温度时所处的状态，TTg ； 基

25、质在大于玻璃化转变温度时所处的状态，基质在大于玻璃化转变温度时所处的状态，TTg 。 直径直径lum的纯水滴完全玻璃化条件：的纯水滴完全玻璃化条件： 冷却速率：冷却速率：107K/S，Tg：-135。 v 溶液的浓度溶液的浓度，玻璃化的临界冷却速率，玻璃化的临界冷却速率。 l 对于高水分或中等水分食品对于高水分或中等水分食品(HMF、IMF，水的质量，水的质量 分数大于分数大于20%)，一般不能实现完全玻璃化，此时，一般不能实现完全玻璃化，此时， 玻璃化转变温度指的是玻璃化转变温度指的是 时的温度，定义为时的温度，定义为。 l 对于低水分食品对于低水分食品(LMF，水的质量分数小于，水的质量分

26、数小于20%)，其，其 玻璃化转变温度一般大于玻璃化转变温度一般大于0，称为，称为； l Tg为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。 熔融线熔融线 液相中溶质的液相中溶质的 镶嵌着镶嵌着 冰晶的冰晶的 玻璃体玻璃体 基质中结晶、再结晶和酶活性等变得基质中结晶、再结晶和酶活性等变得 十分活跃十分活跃减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量；减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量； 一切受扩散控制的松弛过程将极大地一切受扩散控制的松弛过程将极大地 被抑制被抑制食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态，食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态， 且质量很少变化或不发生变化

27、。且质量很少变化或不发生变化。 主要是由主要是由引起的，而结晶、引起的，而结晶、 再结晶和酶的活性是再结晶和酶的活性是的、在一定温度范围的、在一定温度范围 下发生的特殊物质的结构松弛过程。下发生的特殊物质的结构松弛过程。 u 草莓的玻璃化转变温度为草莓的玻璃化转变温度为-43.5，冰淇淋的玻璃化，冰淇淋的玻璃化 转变温度为转变温度为-30-43。 u 当草莓处于玻璃态保存时。贮藏期间几乎没有再结晶当草莓处于玻璃态保存时。贮藏期间几乎没有再结晶 的发生，细胞受损伤的程度大大减小。的发生，细胞受损伤的程度大大减小。 当冰淇淋在玻璃态保存时，其中的结晶、再结晶过程当冰淇淋在玻璃态保存时，其中的结晶、

28、再结晶过程 将变得极其缓慢，可以有效延长它的保存期。将变得极其缓慢，可以有效延长它的保存期。 u 但对草莓来说，冷冻速率影响很大。当将草莓直接投入但对草莓来说，冷冻速率影响很大。当将草莓直接投入 液氮液氮(降温速率达到降温速率达到150k/min左右左右)，草莓会发生低温断裂。，草莓会发生低温断裂。 u 当前研究的热点是加入一定的添加剂来提高冰淇淋的当前研究的热点是加入一定的添加剂来提高冰淇淋的 玻璃化转变温度。玻璃化转变温度。 添加低添加低DE值或高分子量的物质可以有效提高冰淇淋的玻值或高分子量的物质可以有效提高冰淇淋的玻 璃化转变温度。璃化转变温度。常用：常用：CMC、卡拉胶、黄原胶、麦芽

29、糊精、预糊、卡拉胶、黄原胶、麦芽糊精、预糊 化淀粉、瓜尔豆胶等，另外一些特定的乳化剂等。化淀粉、瓜尔豆胶等，另外一些特定的乳化剂等。 例如：例如： 1 冻结前的原料处理 a.原料的选择 l品种优良、成熟度适宜、质地坚脆、大小均匀。 b.预处理 l清洗 l去皮、去核、切分。 c.灭酶护色处理 l热烫、冷却、沥干 d.其他前处理 l浸渍、摆盘 三 流化速冻技术在食品工业中的应用 典型速冻工艺 速冻胡萝卜丝（段）加工工艺 原料验收高压冲洗去皮切头切丝(段) 速冻去水冷却烫漂清洗 挂冰衣金属探测冷藏包装 第三节 冷冻干燥技术 一 概述 冷冻干燥技术(简称冻干技术Freeze drying 或Lyoph

30、ilization) 。其基本方法是先将物料 低温冻结,然后用真空技术将物料中的水分抽 干,使之干燥。 实质性的发展1942,R.I.W.Greaves成功地冻干保存血清和血浆， l食品材料 l无活力的生物材料(血浆、血清、) l有活力的生物材料的冻干保存微生物 l制造超细微粒 (10-9m) 。 真空技术真空技术 真空是指压力低于大气压力的气体状态。真空 是靠真空泵(vacuum pump)抽走气体而形成的 1标准大气压(atm)=1.01105帕(Pa)=760毫米汞柱 (torr)。 l低真空 1atm(1105Pa)1102Pa l中真空 1 102Pa1101Pa l高真空 1 10

31、1Pa1106Pa l超高真空 1 106Pa l对于食品材料冷冻干燥，常用的真空范围是 1100Pa，属于中真空的范围。 冷冻干燥发展 冬天洗洁的衣服冻结后变干，冬天将冻肉晾在室外干燥 在早期（简单粗放）发展中，有三件事具有里程 碑的意义： l美国宾州大学的E. W. Flosdorf 和 S. Mudd, 在1933 年用玻璃器皿系统，首次实现血清（serum）的冷冻干 燥 1 ； l1928年A. Fleming发现了青霉素（Penicillin）； 1938年牛津大学的E. B. Chain实现了青霉素的冷冻干 燥；并和L. H. W. Florey一起, 使冻干的青霉素在二 战期间的

32、临床医学上得到了重要的应用。他们三人于 1945 年获生理学-医学诺贝尔奖 2 。 l为解决巴西咖啡过剩的问题，1938年雀巢公司 （Nestle Company）发明了咖啡的冷冻干燥。 1930年起以氟里昂为制冷工质的机械式制冷装置的 兴起，为冷冻干燥技术的推广应用提供了条件。从 1940-1960年代是冷冻技术发展较快的时期，主要 用于微生物和咖啡等。 在此后一段很长的时期，由于没有新的更高的技术 要求，冷冻干燥技术并没有很大的发展。 直到20世纪90年代，由于生物药品的出现和发展， 对冷冻干燥技术提出了许多新的近乎“苛刻”的要 求，迫使其向“精致”的深入的方向发展。同时， 80年代开始发

33、展起来的“溶液玻璃化理论”和“食 品聚合物科学”（food polymer science）等也为 冷冻干燥技术的发展提供了一些理论基础。 二二 冷冻干燥原理冷冻干燥原理 将含水的物质先冻结成固态，在一 定的真空度状态下，使其中的水分从 固态直接升华变成气态排除，达到去 除水分保存物质的方法 冷冻干燥包括两个过程 物料冻结； 冰晶升华。 （一） 水的相平衡 临界点（374） 高于临界点，怎样加压都 无法使水蒸气变为水 三相点（A点,0.01,610Pa) 压力低于三相点压力以下， 升华才有可能发生。 （二） 物料中水分的冻结 按水分水分除去的难易可分为：按水分水分除去的难易可分为： 结合水结合

34、水 非结合水非结合水 （区别是水分活度区别是水分活度） 化学结合水化学结合水 物理化学结合水物理化学结合水 （包括吸附水、渗透水和结构水）（包括吸附水、渗透水和结构水） 机械结合水机械结合水 按水分与物料间架的结合形式可以将物料中的结合水分为：按水分与物料间架的结合形式可以将物料中的结合水分为： （三）干燥过程 一次干燥就是利用升华(sublimation)办法去掉食 品材料中的自由水。(加热和抽空,加热一般通过 提高冻干机中隔板温度来实现 ) 升华是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华 后留下的是多孔的干燥层。升华所需的热量,可以 是辐射通过多孔干燥层向内传入；也可以导热通 过冻结层传入；或

35、者用微波对物料直接加热。升 华的水蒸汽通过多孔干燥层中的空隙逸出。 当物料中的全部冰晶已通过升华而被除去时，升 华干燥结束。此时，物料中最初水分的90%以上已 被除去。 1 一次干燥升华干燥 2 二次干燥解吸干燥 二次干燥的目的是去除部分因吸附等机理存 在于食品材料中的结构水。所以，二次干燥 又被称为解吸附干燥(Desorption drying)。 在二次干燥过程结束时，物料中的含水量应 当达到最终要求的剩余含水量。冻干后物料 中的剩余水分含量过高或过低都是不利的。 剩余含水量过高不利于长期贮存；过低也会 损伤物料的活性。经二次干燥后，冻干后物 料中的剩余水分含量一般应低于5%。 （四）.食

36、品冷冻干燥过程的传质和传热 冷冻干燥的传质冷冻干燥的传质 物体冷冻干燥时在整个升华过程中总是存在着一定的升华表面，物体冷冻干燥时在整个升华过程中总是存在着一定的升华表面， 把物料固相内部分成两个区域：即已干层和冻结层。实际上，上述两把物料固相内部分成两个区域：即已干层和冻结层。实际上，上述两 层之间不会存在明显的界限，界面内外的水分含量有一个逐渐过渡的层之间不会存在明显的界限，界面内外的水分含量有一个逐渐过渡的 区域，称为过渡区。区域，称为过渡区。 传导和辐射是冷冻干燥所传导和辐射是冷冻干燥所 采用的主要传热方式。采用的主要传热方式。 一一(a)(a)为传热和传质沿同一途为传热和传质沿同一途

37、径，但方向相反；径，但方向相反； 二二(b)(b)为传热经过冻结层，而为传热经过冻结层，而 传质经过已干层；传质经过已干层； 三三(c)(c)为热量从冰的内部发生，为热量从冰的内部发生， 而传质经过已干层。而传质经过已干层。 冷冻干燥的传热冷冻干燥的传热 物料内部的传热和传质示意图物料内部的传热和传质示意图 冷冻干燥应注意的问题冷冻干燥应注意的问题 升华干燥过程中，保持足够的真空度升华干燥过程中，保持足够的真空度 供热太快，受热不均匀或预冻不完全，则会在升供热太快，受热不均匀或预冻不完全，则会在升 华过程中，使产品部分液化，在减压条件下产生华过程中，使产品部分液化，在减压条件下产生 喷瓶现象，

38、使制品表面不平整喷瓶现象，使制品表面不平整 保持恒定升华温度保持恒定升华温度 速冻过程要快，越快，生成的冰晶越小，速冻过程要快，越快，生成的冰晶越小， 对物品结构影响越小对物品结构影响越小 冻结温度应在三相点以下冻结温度应在三相点以下 二 冷冻干燥的系统设备 控 制 系 统 干燥箱 冷 阱 真 空 系 统 制冷系统 加热系统 冷冻干燥设备冷冻干燥设备 （一）装置系统 1 1制冷系统制冷系统 食品冷冻干燥机中的冷负荷主要有食品冷冻干燥机中的冷负荷主要有 两部分。一部分是冷冻干燥前食品预冻两部分。一部分是冷冻干燥前食品预冻 结的冷耗；另一部分是冷冻干燥过程中结的冷耗；另一部分是冷冻干燥过程中 捕捉

39、水蒸气的冷阱的冷耗。捕捉水蒸气的冷阱的冷耗。 (1)食品预冻结方式食品预冻结方式 在干燥箱内完成（接触导热和箱内空气 的自然对流）； 在干燥箱外专用的冷冻间或冷冻设备上 完成。大中型食品冻干厂，增设一个专 用的冷冻间或冷冻设备。 冻结装置 1冷风冻结 2搁板冻结 3抽空冻结 4喷雾冻结 5流化冻结 优点： a) 采用强制对流换热冻结食品，提高 了食品的冷却与冻结速度；b)提高了冷冻干燥 机的利用率；c)避免干燥箱内预冻结与随后加 热干燥而发生的冷热无为消耗。d)快速冻结可 使食品材料细胞破坏最小，生产出来的产品质 量高。 问题：要求短时间内将冻结食品从冷冻间或冻 结设备装入干燥箱中，并能快速达

40、到工艺所要 求的真空度，防止融化 解决：合理布置冷冻场所与干燥箱的位置，在 冷冻场所至干燥箱间采用吊车或升降叉车等动 力设施以缩短移动时间，增大真空系统的抽除 能力。 (2)冷阱冷阱(cold trap (cold trap 或或condenser) condenser) 冷冻干燥机 中的冷阱是制冷系统中的蒸发器。 应该保持足够低的温度，以保证升华出来的水 蒸气有足够的扩散动力，同时避免水蒸气进入 真空泵。 l表面温度在4050之间 l冷阱应该有足够的捕水面积。冷阱表面结霜厚度 46mm为设计标准 l冷阱结构有螺旋盘管式和平板式。 2真空系统真空系统 真空系统应保证能在一定的时间内抽除水蒸气和

41、干 空气，维持干燥箱内食品水分升华和解吸（吸附水，毛 细管中水）所需的真空度。因此，真空系统的主要性能 指标应该是，a)具有水蒸气抽除能力；b)干燥箱空载极限 真空度足够低；c)干燥箱出口处有效抽速满足要求。 冷阱去除水蒸汽，真空泵用来抽除系统中初始大气， 食品中释放的不凝气体和少量水蒸汽以及系统外渗入的 气体。 (1)带有冷阱的油封式机械真空系统带有冷阱的油封式机械真空系统 (2)不带冷阱的真空系统不带冷阱的真空系统 主要指水蒸气喷射泵。 食品冻干中，大量的水蒸气从食品中升华。如，在温度食品冻干中，大量的水蒸气从食品中升华。如，在温度20和压力和压力 103Pa条件下，条件下，1克冰升华将变

42、为克冰升华将变为1m3水蒸气，如果每秒钟有水蒸气，如果每秒钟有10100克冰克冰 升华，将有升华，将有10 100m3水蒸气。抽除这样大量的水蒸气无论是对油封式水蒸气。抽除这样大量的水蒸气无论是对油封式 真空泵还是常用的罗茨泵都很难胜任，在真空泵进口前增设一个冷阱，真空泵还是常用的罗茨泵都很难胜任，在真空泵进口前增设一个冷阱， 将将1m3的水蒸气重新变成的水蒸气重新变成1克的冰，不但保护了真空泵，而且可大大减少克的冰，不但保护了真空泵，而且可大大减少 所需的真空泵台数。所需的真空泵台数。 a)a)油封式机械泵和冷阱组成的真空系统，油封式机械泵和冷阱组成的真空系统， 主要用在实验干燥机和中小型冷

43、冻干燥主要用在实验干燥机和中小型冷冻干燥 机上。干燥箱升华出来的水蒸气经过机上。干燥箱升华出来的水蒸气经过1 1 2 2通道被冷阱捕捉；而材料释放的不凝结通道被冷阱捕捉；而材料释放的不凝结 气体、系统渗漏气体以及少量的水蒸气气体、系统渗漏气体以及少量的水蒸气 经过经过1 12 23 3被真空泵抽除。被真空泵抽除。 (b)(b)食品冻干常见的真空系统。在冷阱和油封真空泵之间食品冻干常见的真空系统。在冷阱和油封真空泵之间 增设了一台罗茨泵，油封真空泵为前级泵或预抽泵，增设了一台罗茨泵，油封真空泵为前级泵或预抽泵， 而罗茨泵为主泵。前级泵与主泵的串联使用是为了发而罗茨泵为主泵。前级泵与主泵的串联使用

44、是为了发 挥泵的各自最大效率。食品冷冻干燥初期要求能尽快挥泵的各自最大效率。食品冷冻干燥初期要求能尽快 抽除系统内的大气和水蒸气，达到升华所需要的真空抽除系统内的大气和水蒸气，达到升华所需要的真空 度，这时油封式真空泵具有很高的抽速；而食品冷冻度，这时油封式真空泵具有很高的抽速；而食品冷冻 干燥过程中，系统压力往往在干燥过程中，系统压力往往在100Pa100Pa以下，这时油封式以下，这时油封式 真空泵的抽速较低，而罗茨泵在此压力范围内的抽速真空泵的抽速较低，而罗茨泵在此压力范围内的抽速 却很高却很高 (c) (c) 干燥箱与冷阱制成一体形成。不但减干燥箱与冷阱制成一体形成。不但减 少了机组占地

45、面积，而且提高了生产率少了机组占地面积，而且提高了生产率 ，是目前国外食品冷冻干燥机上常见的，是目前国外食品冷冻干燥机上常见的 型式之一型式之一 工作原理工作原理: :利用高压蒸汽利用高压蒸汽 通过喷嘴时所形成的通过喷嘴时所形成的 低压高速气流，将食低压高速气流，将食 品材料中的水蒸气和品材料中的水蒸气和 空气等不可凝性气体空气等不可凝性气体 吸走。当高压蒸汽不吸走。当高压蒸汽不 断从喷嘴喷出时，干断从喷嘴喷出时，干 燥箱内的空气和水蒸燥箱内的空气和水蒸 气就不断地被低压高气就不断地被低压高 速气流吸走，使干燥速气流吸走，使干燥 箱形成真空。吸走后箱形成真空。吸走后 的蒸汽流经升压后在的蒸汽流

46、经升压后在 冷凝器中冷凝成水，冷凝器中冷凝成水， 而不可凝结气体经过而不可凝结气体经过 以下多级抽除，最终以下多级抽除，最终 达到生产工艺要求。达到生产工艺要求。 水蒸气喷射泵一般在水蒸气喷射泵一般在5 5 级以上级以上 能将不凝结气体和水蒸气一并抽除。能将不凝结气体和水蒸气一并抽除。 特点特点: :结构简单，无相对运动部件，成本低，但必结构简单，无相对运动部件，成本低，但必 需配备蒸汽锅炉和有充分的水源。需配备蒸汽锅炉和有充分的水源。 3 3 加热干燥系统加热干燥系统 提供一次干燥和二次干燥的热量 加热干燥系统主要包括干燥箱体和加热元件。加热干燥系统主要包括干燥箱体和加热元件。 (1)干燥箱

47、体干燥箱体(drying chamber) (drying chamber) 干燥箱 体有圆筒形(大中型）和矩形（有效空间大， 受力性差，加工难）两种。 (2)加热方式加热方式(heating types) (heating types) 加热方 式主要有直接加热和间接加热两种,及辐射加 热和微波高频电磁场加热 (3)物料容器物料容器 物料容器影响食品冷冻 干燥中的传热与传质性能和液体食品干制后的 形状。 直接加热一般均采用外包绝缘矿物材料直接加热一般均采用外包绝缘矿物材料 和金属保护套的电热丝和金属保护套的电热丝 间接加热即利用各种热源在干燥箱外部将载间接加热即利用各种热源在干燥箱外部将载

48、热介质首先加热，然后再泵送至干燥箱内搁板热介质首先加热，然后再泵送至干燥箱内搁板 中。加热热源有电、煤、气等。载热介质有水中。加热热源有电、煤、气等。载热介质有水 蒸气、水、矿物油、乙二醇和水的混合液等。蒸气、水、矿物油、乙二醇和水的混合液等。 在上下薄板间设置栅格，形成大通道的中空结在上下薄板间设置栅格，形成大通道的中空结 构。载热介质在这种结构中流动阻力小，搁板构。载热介质在这种结构中流动阻力小，搁板 (shelf)(shelf)温度比较均匀，但其耐压性较差。温度比较均匀，但其耐压性较差。 物料容器影响食品冷冻干燥中的传热与传质性能和液 体食品干制后的形状。因此，它应该满足如下条件： l1

49、)有较好的传热性能，同时利于食品材料的传热与 传质； l2)有足够的强度和刚度，保证在装卸料过程中和冷 热条件下不变形； l3)清洗消毒容易，避免存在死角； l4)装卸料容易，通用性好，能满足多种形状食品材 料的生产要求。 常见的容器有不锈钢盘、铝盘和塑料盘。 为了提高容器的传热与传质性能，盘的深浅、盘内栅 格数量和型式、涂料以及塑料中的填充剂等均不同。 有的容器外另加金属膨胀网以提高导热接触面积。 二二 食品冷冻干燥机型食品冷冻干燥机型 间歇式 优点 a)适用于多品种、小产量的生产，特别是适合于季节性强的食品生产； b)单机操作，如一台设备发生了故障，不会影响其他设备的正常运行； c)便于设

50、备的加工制造和维修保养； d)便于控制物料干燥时不同阶段对加热温度和真空度的要求。 缺点： a)由于装料、卸料和启动等预备性操作，使设备的利用率低，能量浪 费大； b)若满足一定量的生产要求，往往需要多台单机，且各单机均需配以 整套的附属系统，使设备投资费用和操作费用增加。 接触导热式 辐射传热式 图图8-48-4接触导热接触导热 间歇式冷冻干燥间歇式冷冻干燥 机简图机简图 1干燥箱 2冷阱 3真 空系统 4 制冷系统 5 加热系统 应用：医药生物 制剂和液体食品 (果汁、咖啡等) 特点:多层搁板 搁置被干燥的食 品，预冻结，提 供升华热量和解 吸热量 食品 特点：盛有食品 的料盘悬于上下 两

51、块加热板之间 ，料盘与加热板 不直接接触 吊车或小推车 托盘滑移式 干燥箱壳体移动 2 连续式 特点：连续式冷冻干燥机适用于品种单一、 产量大、原料充足的产品生产，尤其适用于 浆状或颗粒状食品的生产。 优点:设备利用率高，便于实现自动化生产。 缺点:设备复杂，难于加工制造，尤其是装卸 料口的真空密封问题需要更高的加工工艺。 a水平隧道式 b垂直螺旋式 交替开启的进料口，交替开启的出料口，交替融霜冷阱 连续式冻干机 连续式冻干机 生 产 线 生产线 药用冻干机 三 冷冻干燥工艺 食品冻干工艺 预处理 装盘 速冻 捕水器温度降至40以下 加热 真空 升华干燥 解吸干燥包装 预处理预处理 冷冻干燥冷

52、冻干燥 包装贮藏包装贮藏 复水复水 由于食品种类、品种、预处理方式、冻结快慢以及冷冻 干燥机性能等多因素影响，目前没有一个通用的工艺技 术能适用于多种食品的生产。常用的工艺研究方法是在 小型实验用冷冻干燥机上摸索工艺参数，随后在工业用 冷冻干燥机上试用并做适当修改。 （一）预处理（一）预处理(preparation and pretreatment) 指冻结前对食品进行必要的物理和化学处理。主要内容有：指冻结前对食品进行必要的物理和化学处理。主要内容有： 清洗、分级、切分、漂烫、杀菌、添加抗氧化等反应制剂、浓缩清洗、分级、切分、漂烫、杀菌、添加抗氧化等反应制剂、浓缩 等。食品材料不同，预处理内

53、容也不同。等。食品材料不同，预处理内容也不同。 1果蔬类食品的预处理果蔬类食品的预处理:漂烫漂烫 ,切分成型切分成型 目的是尽量减少其营养成分和色、香、味在加工、贮运中的损失，目的是尽量减少其营养成分和色、香、味在加工、贮运中的损失， 同时利于传热与传质。同时利于传热与传质。 漂烫是钝化蔬菜中酶活性的常用方法漂烫是钝化蔬菜中酶活性的常用方法(表表8-3)。通常将其在沸水中。通常将其在沸水中 (95100)浸泡数分钟，或用蒸汽熏蒸数分钟均可达到很好效果。浸泡数分钟，或用蒸汽熏蒸数分钟均可达到很好效果。 水果预处理可用漂烫或用硫磺熏蒸水果预处理可用漂烫或用硫磺熏蒸 切分成型也是预处理工艺中的主要内

54、容，尺寸大小和切分形状应切分成型也是预处理工艺中的主要内容，尺寸大小和切分形状应 该根据是否有利于冷冻干燥中的传热与传质，是否符合食用习惯，该根据是否有利于冷冻干燥中的传热与传质，是否符合食用习惯， 是否有利于包装贮运等因素而定是否有利于包装贮运等因素而定 2肉类、鱼类食品预处理肉类、鱼类食品预处理:剔除肥膘、切分、蒸煮和剔除肥膘、切分、蒸煮和 添加必要的抗氧化剂等添加必要的抗氧化剂等 3液体食品的预处理液体食品的预处理: 主要指果汁、咖啡、蔬菜汁、茶叶和调味品提取汁、 蛋汤等食品。杀菌、浓缩、制粒、添加各种抗氧化、抗 结块等制剂。 蔬菜蔬菜漂烫时间漂烫时间min蔬菜蔬菜漂烫时间漂烫时间min

55、 龙须菜龙须菜热水热水24白菜白菜热水热水11.5 蚕豆蚕豆热水热水24葱葱热水热水11.5 青豆青豆5%食盐热水食盐热水510芋头芋头热水热水812 菜豆菜豆热水热水24辣椒辣椒热水热水24 菠菜菠菜热水热水12菜花菜花蒸汽蒸汽45 表8-3冷冻干燥前部分蔬菜漂烫条件 表8-4冷冻干燥前部分液体食品合理浓缩浓度 材料材料浓度浓度 (%) 材料材料浓度浓度 (%) 材料材料浓度浓度 (%) 葡萄汁葡萄汁4550苹果汁苹果汁4050咖啡咖啡3035 柠檬汁柠檬汁4045西红柿西红柿2535全乳全乳4050 密柑汁密柑汁5055绿茶绿茶30油油2530 菠萝汁菠萝汁5060红茶红茶3035味素味素

56、3053 （二）冷冻干燥（二）冷冻干燥(freeze-drying) 主要包括冷却固化、升华干燥和解吸干燥。主要包括冷却固化、升华干燥和解吸干燥。 1冷却固化冷却固化（freezing, solidificationfreezing, solidification） ： 是将物料充分冷却，不仅要使物料中的自由水完全结成冰；还要 使物料中其他部分也完全固化，形成固态的非晶体（玻璃态）。 冻结方式可分为预冻结和蒸发自冻结两种。冻结方式可分为预冻结和蒸发自冻结两种。 预冻结预冻结：冻结装置中的冷源，液体食品，避免飞溅； 蒸发自冻结蒸发自冻结：真空中蒸发吸热，固体食品（对干制品外 观要求不严） 降温速率、冻结温度和热历史降温速率、冻结温度和热历史（降温过程随时间变化 情况）对食