食品工艺学-第二章.

1、第二章第二章 食品的脱水加工食品的脱水加工 概述1. 食品干藏的概念一种说法：指在自然或控制条件下，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。另一种说法：从食品中较完全地去处水分，该条件不导致或几乎不导致食品性质的其它变化（除水分外）。2. 食品脱水加工的历史3. 脱水加工的特点和好处（1）延长保藏期；（2）某些食品干制后，重量减轻、体积缩小，可节省包装和运输费用；（3）带来了方便性；（4）设备可好可差。4. 脱水技术的进展第一节第一节 食品干藏原理食品干藏原理1. 水分活度 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

2、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）水分活度大小取决于：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表2-1 常见食品中水分含量与水分活度的关系FoodMoisture content (%) Water activityIce1001.00Ice1000.91Ice1000.82Ice1000.62Fresh meat700.985Bread400.96Ma

3、rmalade350.86Wheat flour14.50.72Raisin270.60Macaroni100.45Boiled sweets3.00.30Biscuuits5.00.20Dried milk3.50.11Potato crisps1.50.08(2）测量 利用定义 利用平衡相对湿度的概念 aW100=相对湿度 具体方法参考 Food engineering properties M.M.A.Mao 2. 水分活度对食品的影响 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 p15 图1-1-1；（2）干制对微生物的

4、影响 p18（3）水分活度与酶反应和化学反应的关系见 食品化学P思考题 水分活度概念 水分活度对微生物的影响 水分活度对酶及其它反应的影响3. 食品中水分含量（M）与水分活度之间的关系 水分吸附等温线的认识 温度对水分吸附等温线的影响 水分吸附等温线的应用以珍味鱼干、小麦干制等为例说明4. 对食品干制的基本要求 原料质量 操作环境 原料预处理 干制后食品的水分干藏原理 将食品中的水分活度降到一定程度，使食品能在一定的保质期内不受微生物作用而腐败，同时能维持一定的质构不变即控制生化反应及其它反应。如果干制食品发生腐败变质 原因1. 微生物污染（霉变），是否水分活度不足以控制微生物2. 脂肪蛤败3

5、. 虫害思考题1. 水分活度对微生物、酶及其它反应有什么影响？简述干藏原理2. 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？第二节第二节 食品液体的浓缩食品液体的浓缩 浓缩方式膜浓缩蒸发冷冻浓缩不同浓缩方式的比较表1 不同浓缩方法的能量效率和浓缩程度浓缩方法浓缩方法蒸汽当量（去除蒸汽当量（去除每公斤水分消耗每公斤水分消耗的能量折算）的能量折算）可能的最大浓可能的最大浓缩浓度（缩浓度（%）超滤超滤0.00128反渗透反渗透0.02830冷冻浓缩冷冻浓缩0.090-0.38640蒸发蒸发不带风味回收的三效浓缩不带风味回收的三效浓缩带风味回收的三效浓缩带风味回收的三效浓缩0.370

6、0.5108080一、膜浓缩1. 种类与应用膜浓缩主要采用反渗透与超滤两种反渗透主要用于分离水与低分子量溶液，这些溶液具有高渗透压。超滤用于从高分子量物料（如蛋白质、多糖）中分离低分子量物料。2. 反渗透的原理3. 超滤的原理 与反渗透类似，驱动力也是渗透压与外加压力的差。 差别是超滤不能截留低分子量物料，但反渗透可以。4. 膜 反渗透膜 通常采用醋酸纤维、聚丙烯晴、聚酰胺、聚亚酰胺等具有高度稳定性和高强度并具有要求通透性的材料 超滤膜 通常采用聚砜、聚酰胺、聚氧乙烯、聚碳酸酯、聚酯、刚性醋酸酯等材料 结构通常有两种一种为微孔膜主要用于卷式、板式和管式膜；另一种为中空纤维膜，用于中空纤维系膜系

7、统。5. 设备6.膜浓缩的应用 在处理稀溶液时反渗透可能是最经济的浓缩方式。在食品工业中最大的商业化应用是乳清浓缩，其他还包括 蒸发前果汁的浓缩 柠檬酸、咖啡、淀粉糖浆、天然提取物 乳清脱盐（但保留糖） 纯化水 超滤的最大应用也是乳制品行业，如预浓缩，选择性脱乳糖或脱盐，分离功能性成分。其它应用包括： 酶、其它蛋白质或多糖的分离、浓缩 除菌 酿造工业 果汁澄清 反渗透之前的预处理例例1 乳清分离过程中超滤、反渗透的应用乳清分离过程中超滤、反渗透的应用例例2 Camenbert干酪干酪制造过程中超滤、反制造过程中超滤、反渗透的应用渗透的应用例例3 苹果汁澄清常规方法苹果汁澄清常规方法A与与膜处理

8、方法膜处理方法B的比较的比较AB思考题 膜分离的种类主要有哪些？各自的分离范围和原理是什么？ 举例说明膜浓缩的应用。假设一食品体系中含有大分子的多糖（分子量大于10万），蛋白质（分子量5万左右），低分子多肽，低聚糖（聚合度小于10），单糖和矿物质，请问如何分离并浓缩？二、蒸发1. 蒸发原理传热与传质热量与质量的平衡原理影响传热因素（温差、传热面沉淀、界面膜2. 影响蒸发经济性的因素 由于发泡和夹带等引起的物料损失 能量消耗，减少能量消耗的方法 二次蒸汽再压缩 二次蒸汽再加热 多效蒸发（多效系统的数量取决于节省的能量与操作费用的增加比较）表 不同蒸发方式的蒸汽消耗蒸汽消耗（Kg/Kg蒸发水）效数

9、不带二次蒸汽压缩带二次蒸汽压缩11.10.620.30.430.40.33. 蒸发设备4. 蒸发对食品的影响 风味 风味物质损失 解决方法包括A将浓缩物与部分新鲜物料混合，以提高风味；B风味物质回收 风味劣变 颜色 加深 营养物质损失表 在浓缩和UHT杀菌乳中的维生素损失产品损失（%）硫胺素 VB6VB12叶酸VC蒸发浓缩牛乳2040802560甜炼乳 1010302525UHT杀菌乳10101010255. 蒸发设备的选择 操作能力 物料需要浓缩的程度 物料的热敏性 是否需要回收风味物质 清洁的容易程度 操作的方便性 相对于蒸发能力的蒸发器大小 相对于蒸发能力和产品质量的操作费用三三 冷冻浓

10、缩冷冻浓缩 冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。 采用冷冻浓缩方法，溶液在浓度上是有限度的（溶质浓度不能超过低共熔浓度）。 操作包括两个步骤，首先是部分水分从水溶液中结晶析出，而后将冰晶与浓缩液加以分离。 特别适合于热敏性食品的浓缩，避免芳香物质因加热所造成的挥发损失。思考题 常用的浓缩方法有哪些？如何选择合理的浓缩途径？第三节第三节 干燥干燥一、 食品干制的基本原理1. 食品水分的吸收和解吸2. 食品干制过程特性（1）干燥曲线 干制过程中食品绝对水分和干制时间的关系曲线 干燥时，食品水分在短暂的平衡后，出现快速下降，几乎时直线下降，当达到较低水分含量时（第一临界水分）

11、，干燥速率减慢，随后达到平衡水分。（2）干燥速率曲线 随着热量的传递，干燥速率很快达到最高值，然后稳定不变，此时为恒率干燥阶段，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（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。 曲线特征的变化主要是内部水分扩散与表面水分蒸发或外部水分扩散所决定 食品干制过程特性总结：干制过程中食品

12、内部水分扩散大于食品表面水分蒸发或外部水分扩散，则恒率阶段可以延长，若内部水分扩散速率低于表面水分扩散，就不存在恒率干燥阶段。 外部很容易理解，取决于温度、空气、湿度、流速以及表面蒸发面积、形状等 那么内部水分扩散速率的影响因素或决定因素是什么呢？二、干燥机制温度梯度 表面水分扩散到空气中T T-T 内部水分转移到表面M-M M水分梯度 Food H2O 干制过程中潮湿食品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

13、面方向移动。这种水分迁移现象称为导湿性。 同时，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。1. 导湿性水分梯度若用W绝 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绝+ W绝 ，那么物体内的水分梯度grad W绝 则为：grad W绝= lim （ W绝 /n）= W绝/ n n 0W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）ngrad W绝I图 湿度梯度影响下水分的流向W

14、绝+ W绝W绝 导湿性引起的水分转移量可按照下述公式求得： i水= -K0（ W绝/ n）= -K0 W绝千克/米2小时其中： 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/kg干物质米2小时） K 导湿系数（米2小时） 0 单位潮湿物料容积内绝对干物质重量 （kg干物质/米2 ） 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。物料水分与导湿系数间的关系 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，导时系数稳

15、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K（m2/h）物料水分W绝（kg/kg绝干物质）ACDE图物料水分和导湿系数间的关系 吸附水分 毛细管水分 渗透水分导湿系数与温度的关系图的启示： 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。导湿系数（K102）K102=(T/290)14温度（）图 硅酸盐类物质温度和导湿系数的关系2. 导湿温性导湿温性

16、 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。TT+T T/ ni内表面图 温度梯度下水分的流向n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= -K0（ T/ 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/kg干物质米2小时） K 导

17、湿系数（米2小时） 0 单位潮湿物料容积内绝对干物质重量 （kg干物质/米2 ） 湿物料的导湿温系数（1/，或kg/kg干物质）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 W T = - n n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。导湿温性（1/）OAB物料水分W（%）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。以上我们讲的都是热空气为加热介质。 若是采用其它加热方式，则干燥速率曲线将会变化。思考题1. 干燥机制2. 预测微波干燥的干制过程特性3. 如果想要缩短干燥时间，该如何从

18、机制上控制干燥过程？3、影响干制的因素 干制过程就是水分的转移和热量的传递，即温湿传递，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A. 温度 对于用空气作为干燥介质时，提高空气温度，干燥加快。 由于温度提高，传热介质和食品间的温差越大，热量向食品传递的速率越大，水分外逸速率因而加速。 对于一定湿度的空气，随着温度的提高，空气相对饱和湿度下降，这会使水分从食品表面扩散的驱动力更大。 另外，温度高，水分扩散速率也加快，使内部干燥也加速 注意：若以空气作为加热介质，温度并非主要因素，因为食品内水分以水蒸汽状态从它表面外逸时，将在其表

19、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。B 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。C 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

20、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。D 大气压力和真空度操作条件对于干燥的影响条件恒率阶段降率阶段温度上升干燥速率增加干燥速率增加空气流速上升 干燥速率增加无变化相对湿度下降 干燥速率增加无变化真空度上升干燥速率增加 无变化E 蒸发和温度 干燥空气温度不论多高，只要由水分迅速蒸发，物料温度一般不会高于湿球温度。 若物料水分下降，蒸发速率减慢，食品的温度将随之而上升。 脱水食品并非无菌。（2）. 食品的性质的影响A 表面积B 组分定向C 细胞结构D 溶质的类型和浓度4、合理选用干制工艺条件、合理

21、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时它的主要工艺条件。 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： 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。 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。 降率干燥阶段时，应设法

22、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。 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。三 干制对食品品质的影响1. 干制过程中食品的主要变化（1）物理变化 干缩 表面硬化 多孔性 热塑性（2）化学变化 营养成分 蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素 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） 天然色素：类胡萝卜素、花青素、叶绿素 褐变 风味 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 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2. 干制品的复原性和复水

23、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。 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 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：P109 复重系数：食品的干制方法的选择 干制时间最短、费用最低、品质最高 选择方法时要考虑： 不同的物料物理状态不同：液态、浆状、固体、颗粒 性质不同：对热敏感性、受热损害程度、对湿热传递的感受性 最终干制品的用途 消费者的要求不同四、 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

24、然干制：在自然环境条件下干制食品的方法：晒干、风干、阴干 人工干制：在常压或减压环境重用人工控制的工艺条件进行干制食品，有专用的干燥设备 人工干制：空气对流干燥设备、真空干燥设备、滚筒干燥设备 （P50）一、空气对流干燥 空气对流干燥时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。因此干制过程重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 特点： 间歇型，

25、小批量、设备容量小、操作费用高 操作条件： 空气温度94，空气流速2-4m/s 适用对象 果蔬或价格较高的食品 或作为中试设备，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 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

26、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

27、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） 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 特点 操作连续化、自动化、生产能力大4. 气流干燥 用气流来输送物料使粉状或颗粒食品在热空气中干燥 适用对象：水分低于35%40%的物料 例糯米粉、马铃薯颗粒5. 流