第5章食品真空冷冻干燥技术ppt课件.ppt
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1、第5章 食品真空冷冻干燥技术,5.1真空冷冻干燥基本原理和过程5.2食品真空冷冻干燥设备5.3食品真空冷冻干燥工艺,第5章 食品真空冷冻干燥技术,真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后在适当的温度和真空度下,使冰升华为水蒸气,再用真空系统的捕水器(水汽凝结器)将水蒸气冷凝,从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。,冷冻真空干燥 是一种常用的物质干燥方法,5.1.1真空冷冻干燥基本原理水的平衡相图 生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥,通常是除去物料中的水分。因此,要了解真空冷冻原理,首先须了解水的有关物性。,冰(s)水(l)水蒸气(g),
2、5.1真空冷冻干燥基本原理和过程,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,1.水的平衡相图物质的聚集态由一定的温度和压强条件决定,分子间的相互位置随这些外部条件的改变而改变。O点是固液气三相共存的状态点,称为三相点,其温度为0.01C,压强为610Pa。,水的相图,冰的饱和蒸汽压变化,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,升华曲线是固态物质在温度低于三相点时温度的饱和蒸汽压曲线。冰的温度不同,对应的饱和蒸汽压也不同,只有在环境压强低于对应的冰的蒸汽压时,才会发生升华。,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,在三相点以下,不存在液相。若将冰面的压力保持低于610 Pa,且给冰加热,冰就会不经过液相直接变为气相,这一
3、过程为升华。升华相变的过程一般为吸热过程,这一相变热称为升华热。冰的升华热为2.84KJ/kg,约为融化热和汽化热之和。,冷冻真空干燥优点1、因物料的干燥是在真空条件下进行,系统中高度缺氧,能较好地抑制微生物的生长,使易氧化的物料受到较好的保护。2、由于物料的干燥是在冷冻下进行操作,物料中的水分由冰直接升华为水蒸气被移出,使得物料中的一些挥发性成分或营养成分损失很小,比较适合一些生化制品或食品的干燥。,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,3、真空冷冻干燥是在较低温度(低于水的冰点)下进行操作,对于许多热敏性物质的干燥特别适用。例如,对蛋白质、微生物等物质,采用真空冷冻干燥不会发生变性或失去生物活性
4、。因此在医药上得到广泛应用。,冷冻真空干燥优点,4、物料在真空冷冻操作下干燥,可排出物料中95%-99左右的水分,使得到的干燥产品不易收缩,不易变质,能较好地保留物料的构造(营养纤维和固状物),使其加水后能迅速水化,恢复原来的性状。因此,采用真空冷冻干燥方法生产的食品更接近新鲜食品的风味。,冷冻真空干燥优点,冻干蔬菜,冻干香蕉,冷冻真空干燥应用生物制品方面 疫苗、诊断制剂、血清制品等的冻干 医药工业方面 抗生素、维生素、酶制剂、血液制品等的冻干 食品和化学工业方面 速溶咖啡、果汁、催化剂等的冻干,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,5.1真空冷冻干燥基本原理和过程,5.1.2真空冷冻干燥基本过程食
5、品物料真空冷冻干燥主要由以下几个过程组成:物料的预处理,物料的预冻,升华干燥,解吸干燥,封装和储存。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,1.物料的预处理在对食品冷冻干燥之前,必须对其进行一些必要的物理、化学处理,包括清洗、分级、切片、烫漂、杀菌、浓缩等。对于不同的食品,预处理内容也有所不同,食品冷冻干燥时,一般不加添加剂,在对药品和细胞冷冻干燥之前,必须加一些添加剂,以保证冻干产品效果良好,保持药品的活性和保持细胞的存活。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,2.物料的冷却固化过程冷冻干燥的预备操作,也称为冻结或预冻。物料的冷却固化过程是将物料充分冷却,不仅要使物料中的自由水完全结成冰,还要使物料中
6、其他部分也完全固化,使干燥后产品与干燥前具有相同的形态,防止真空干燥时起泡,浓缩,收缩和溶质移动等不可逆变化产生。物料的预冻可以在干燥箱内进行,也可以先在干燥箱外进行,再将已预冻的物料移入干燥箱内。,2.物料的冷却固化过程,(1)预冻温度冷却固化过程的最终温度应当是完全固化温度,它应低于物料的共晶温度,一般预冻温度要比共晶点温度低510C。,2.物料的冷却固化过程,(2)预冻速率冻结对冷冻干燥的影响主要是冻结速率。物料预冻时形成冰晶,冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时,水蒸气的逸出通道。当预冻速率较慢时,形成大而连续的六方体,冰晶在物料中形成网状的骨架结构。冰晶升华后,空出的网状通道空隙大,
7、后续冰晶升华时,水蒸气逸出的阻力小,制品干燥快。,(2)预冻速率,当预冻速率较快时,形成的树枝形和不连续的球状冰晶升华后其通道小或不连续,水蒸气靠扩散或渗透方能逸出,因而干燥速度慢。仅从干燥速率来说,以慢冻为好,但是慢速冻结对食品原料组织结构破坏较大,影响制品品质。因此应确定合适的预冻速率,既使物料组织造成破坏小,又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。,2.物料的冷却固化过程,(3)预冻时间物料的冻结过程是放热过程,需要一定的时间。达到规定的预冻温度后,还要保持一定时间。为使产品完全固化,一般在产品达到规定的预冻温度后,需要保持2h左右的时间,这是个经验值。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,3
8、、升华干燥过程(一次干燥)升华干燥是第一阶段干燥,也称为一次干燥。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中抽真空,再加热,物料中的冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥层从物料外表面向内部推进,冰晶升华后留下的空隙成为后续冰晶升华水蒸气的逸出通道。已干层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶升华结束时,第1阶段干燥就完成了,此时约除去全部水分的80%。,升华干燥,3、升华干燥过程(一次干燥),一般冷冻干燥采取的绝对压力为0.2kPa左右。升华时所需的热量由加热设备提供,热量从下搁板通过物料底部传到物料的升华前沿,也从上搁板以辐射形式传到物料上部表面,再以热传导,经已干层传到升华前沿。,3
9、、升华干燥过程(一次干燥),此时应控制热量使供热仅转变为升华热而又不使物料升温熔化,冻结层的温度应低于产品共熔点温度,干燥层温度应低于崩解温度或容许的最高温度(不烧焦或变性)。升华产生的大量水蒸气在冷阱表面形成凝霜,部分水蒸气以及不凝气由真空泵抽走,冷阱又称低温冷凝器,用氨、二氧化碳等制冷剂使其保持-40-50C的低温。冷阱的低温使其内的水蒸气压低于干燥箱中的水蒸气压,形成水蒸气传递的推动力。,3、升华干燥过程(一次干燥),(1)物料冻结和干燥过程中的含水量变化物料中的水分可以分为两类:一类是在低温下可被冻结成冰的,自由水,另一类,低温下不可被冻结的水分,结合水。对于含水量高的物料,其中“自由
10、水”含量占总水分量的90%以上。升华干燥,是在低温下对物料加热,使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸气。图6.3是某一物料在冻结和干燥过程中温度变化和含水量变化的示意图。,3、升华干燥过程(一次干燥),(2)物料冻结和干燥过程中的温度分布在一次干燥过程中,所需要的热量为冰的升华热。要维持升华干燥的顺利进行,必须满足两个基本条件:一是升华产生的水蒸气必须不断地从升华表面被移走,二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。上述条件如控制不好,会出现软化,融化,隆起,塌陷等现象。,(2)物料冻结和干燥过程中的温度分布,升华干燥过程实际上是传热,传质同时进行的过程,只有当传递给升华界面的热量等于从
11、升华界面逸出的水蒸气所需的热量,升华干燥才能顺利进行。由于物料中的传热,传质过程受到多方面的限制,所以升华干燥是很费时的过程。,(2)物料冻结和干燥过程中的温度分布,温度分布:搁板表面温度为50C,升华界面的温度为-25C,冰层最高温度约为-16C,干燥层上表面温度可能为25C。图6.3上半部所示,一次干燥的物料温度Tw1必须低于物料的最高允许温度Tmax1,Tmax1为物料的共晶温度TE。如物料温度过高,会出现软化,塌陷等现象。,升华干燥,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,4、解吸干燥过程(二次干燥)在干燥物质的极性基团中还吸附一部分水分,这些水分是未被冻结的。结合水可以成为某些化合物的溶液,
12、也为微生物的生长和某些化学反应提供条件。为了保证冻干产品的安全储藏,还应进一步干燥。由于结合水吸附的能量很大,因此必须提供较高的温度和足够的热量,才能实现结合水的解吸过程。,4、解吸干燥过程(二次干燥),二次干燥过程中,所需要的热量为解吸附热与蒸发热之和。一般简称为“解吸热”。解吸干燥是在较高温度下加热,使物料中被吸附的部分“束缚水”解吸,变成“自由”液态水,再吸热蒸发成水蒸气。,4、解吸干燥过程(二次干燥),一般在解吸干燥阶段采用3060C的温度。如图6.3上半部所示,物料的温度Tw2必须低于物料的最高允许温度Tmax2,最高允许温度Tmax2,由物料的性质所决定。蛋白质药物最高允许温度一般
13、低于40C,果蔬等食品,最高允许温度可以到6070C。,4、解吸干燥过程(二次干燥),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储存,过低也会损伤物料的活性。二次干燥过程结束时,物料中的剩余水分含量应当达到最终要求含水量RMF,一般应低于5%(0.5%4%),视产品种类和要求而定。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,5、封装和储存物料经二次干燥后,要进行封装和储存,在干燥状态下,如果不与空气中的氧合水蒸气相接触,冻干食品可以长时间储存,待需要使用时,再将其复水。封装仍须在真空条件或充惰性气体(氮气或氩气)的条件下进行。对于瓶装的物料,可在干燥室内用压瓶塞器直接将橡
14、胶瓶塞压下,堵住蒸气通道保证密封,如图6.7所示。,一般情况下,冻干曲线的选择是三个参数:板层温度、真空度、产品温度。,制定冻干曲线工艺,制定冻干曲线工艺,通常来说,冻干曲线的制定是一个固定模式:制订冻干曲线应该知道产品的一些数据和装载情况,作为设定温度,时间和真空的依据,这些数据和情况是:产品的共晶点和崩解点温度,产品冷冻时是否会形成玻璃态,如果会形成玻璃态,产品的回热温度是多少,产品的装载厚度,产品的容器和装载方法,产品的浓度,产品的最高许可温度和干燥后的残水含量等。,小知识:玻璃态,玻璃态不是物质的一个状态,是它的结构。固态物质分为晶体和非晶体,构成晶体的原子(或离子或分子)具有一定的空
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