食品冷冻新技术.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,食品冷冻新技术,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,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,Raoult,稀溶液定律：,T,f,=K,f,b,B,，,K,f,为与溶剂有关的常数，水为。即质量摩尔浓度每增加,1 mol/kg,，冻结点就会下降,1.86,。,因此食品物料要降到,0,以下才产生冰晶。,温度,-60,左右，食品内水分全部冻结。,在,-18,-30,时，食品中绝大部分水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低温冷库的贮藏温度一般为,-18,-25,。,冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结量（,%,），又称结冰率,K=100,（,1,T,D,/T,F,）,T,D,和,T,F,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间的变化。,在任一时刻食品表面的温度始终最低,，越接近中心层温度越高。,显示出,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热性有关。在冷冻操作中，采用导热快的,冷却介质,，可以缩短中间阶段的曲线平坦段。,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。,（三）冻结速度,1.,速冻的定性表达：,速冻：,指外界的温度降与细胞组织内的温度降不等，即内外有较大的温差；,慢冻：,指外界的温度降与细胞组织内的温度降基本上保持等速。,2.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.,冻结速度与冰晶,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中液态水的分布情况，,冰晶数量极多，呈针状结晶体,。,冻结速度慢，细胞外溶液浓度较低，冰晶首先在细胞外产生，而此时细胞内的水分是液相。在蒸汽压差作用下，细胞内的水向细胞外移动，,形成较大的冰晶，且分布不均匀,。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使水分转移作用加强，从而产生更多更大的冰晶大颗粒。,不同冻结速度下的冰晶状态,4.,最大冰晶生成带,(,图示,),：,指,-1,-5,的温度范围，大部分食品在此温度范围内约,80%,的水分形成冰晶。,K=100,（,1,T,D,/T,F,）,研究表明，食品冻结应以最快的速度通过最大冰晶生成带。,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,（,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,流态化速冻,：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。,流态化冻结是一种实现食品,单体快速冻结,（Individually Quick Freezing，IQF）的理想方法。,食品流态化速冻的前提,：一是作为冷却介质的冷空气在流经被冻结食品时必须具有足够的,流速,，,并且必须是,自,下而上,通过食品；二是单个食品的,体积不能太大,。,(一)概 述,(二)固体颗粒的流态化原理,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、块状等食品与冷气流间的流动过程属,气固两相流体,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动状态：,固定床阶段,、,流化床阶段,和,气流输送阶段,。,1、固定床阶段,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,AD段,）。,特点,：气体通过床层所发生的压力降P，与空塔气体流速v 在对数坐标纸上成直线关系（图的AB段 ）,2、流化床阶段,概念,：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。,特点：,这种流态化状态可以在一定的,气体流速范围,内,维持；,在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化,系统,具有确定的性质,，如密度、热传导系数、粘度等；,床层的高度和空隙率会随着气流速度而提高，而床层,上下两侧的,压力降,基本维持不变（,DE段,）。,流化床压降：,气流通过流化床层时，由于,筛网,、,食品颗粒,的阻力作用，使床两侧,风压,发生变化所产生的压力差，即,P,L,=P,1,P,2,式中 P,L,流化床压降，N/m,2,P,1,风机出口风压，N/m,2,P,2,流化床食品层上部风压，N/m,2,筛网阻力P,S,损失,与,空气流速,和,筛网的孔隙率,有关，,流速越大或孔隙率越小，阻力越大，反之亦然。,与,D,点相应的气流速度称为,临界流化速度,。,筛网阻力损失的范围相当于流化床食品层阻力,损失的10%20%。,临界流化速度,（V,k,）：,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。,冷空气达到,临界流化速度,是形成,流态化,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。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DE,1,和DE,2,之间的范围内，DE代表了这一范围的平均值。,3 气力输送阶段,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，随着气流运动，此阶段称为气力输送阶段（,图E段,）。,与E点相对应的流速称为最大流化速度(或称固体颗粒的带出速度或悬浮速度）。,(三)不良流化现象,在食品流态化冻结过程中常出现,沟流现象,、,粘结现象,、,夹带现象,等影响食品的IQF冻结不正常的流态化现象。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、食品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素有关。,沟流现象,：,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,沸腾,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。,粘结现象,：,表面潮湿,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成了固定床层，从而不能形成流态化。,夹带现象,：,在流化床中，如果气流速度V大于降落速度Vg则食品颗粒以V-Vg的净速度向上运动，被气流带走，飞出流化床，这种现象称之夹带现象。,四、流化速冻中的流态化操作及装置,1、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,冷气吹成离网不高的悬浮状态（AB 段）。,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。食品层厚度一般可控制在,30100mm之间。,（一）流态化操作,2、全流态化操作,2.l 气力流态化,2.2 振动流态化,气力流态化：,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。,振动流态化,：,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，从而实现单体快速冻结的方法。,振动流态化有两种方式：,往复式振动,和,直线振动,。,ZLG系列振动流化床,（二）食品流化速冻装置,1、带式流化速冻装置,2、振动流化速冻装置,特点,：,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。,3、斜槽式流化速冻装置,主要特点：,物料传输系统,无运动机构,，,是全流态化(或纯流态化)速冻。,因而结构紧凑、简单、维修量小、易于操作。,缺点,：,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,。,五、食品的其他冻结方式,产生内压出现龟裂（速冻）,transition temperature)。,在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化,高真空 1 101Pa1106Pa,此时，物料中最初水分的90%以上已被除去。,（二）冷冻干燥(freeze-drying),不同冻结速度下的冰晶状态,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,如物料温度过高，会出现软化、塌陷等现象。,FD苹果复水后可以用在苹果酱、麦片和水果馅饼里。,预冻结：冻结装置中的冷源，液体食品，避免飞溅；,吸走后的蒸汽流经升压后在冷凝器中冷凝成水，而不可凝结气体经过以下多级抽除，最终达到生产工艺要求。,优质：基本保持食品原有的色、香、味、形，维生素和蛋白质等营养物质损失少。,transition temperature)。,国际制冷协会对冻结速度的定义,上个世纪80年代，学者Levine和Slade在深入的实验研究基础上，提出了“食品聚合物科学”的理论。,基本思想：食品材料的分子与人工合成聚合物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，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-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。,食品的玻璃化,(glass transition theory),从,热力学观点，晶态是稳定的，而玻璃态是亚稳态,(metastable)。,从,动力学角度来看，玻璃态却是很稳定的。,1、聚合物科学：,低分子物质的凝集状态有四种：,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，,它的粘度很高(10,14,Pa.s)。,食品和食品材料是典型的聚合物系统。,食品的玻璃化,(glass transition theory),(10,14,Pa.s，分子,运动几乎为0),玻璃态的一个判断标志：,l0,14,Pas,，,对应=l0,14,Pas的温度称为,玻璃化温度Tg,(glass,transition temperature)。,玻璃化过程如同把液态的无序结构“定位”一样，所以，,玻璃态的固体像液体一样，是非常,均质化,的。,2、聚合物的冷却经过三个区域,液态区、橡胶态区和玻璃态区。,在,非晶态,系统中，,玻璃化转变,则被看作是,从橡胶态,（rubbery state）到玻璃态（glass state）,的转变，,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,：,Tg,相应的溶液浓度：,Wcg,。,冷却速率足够快：迅速通过TgTTm的结晶区。,温度足够低：TTg,3、玻璃化转变温度与溶液浓度的关系,食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。,玻璃态：,基质在小于玻璃化转变温度时所处的状态，TTg；,橡胶态：,基质在大于玻璃化转变温度时所处的状态，T,Tg。,直径lum的纯水滴完全玻璃化条件：,冷却速率：10,7,K/S，Tg：-135。,溶液的浓度，玻璃化的临界冷却速率。,4、玻璃化形成的条件,对于高水分或中等水分食品(HMF、IMF，水的质量,分数大于20%)，一般不能实现完全玻璃化，此时，,玻璃化转变温度指的是,最大冻结浓缩溶液发生玻璃化,转变,时的温度，定义为,Tg,。,对于低水分食品(LMF，水的质量分数小于20%)，其,玻璃化转变温度一般大于0，称为,Tg,；,Tg为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。,熔融线,液相中溶质的,镶嵌着冰晶的玻璃体,5、冻结食品的玻璃化保存,橡胶态的冻结食品：,基质中结晶、再结晶和酶活性等变得,十分活跃减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量；,玻璃态的冻结食品：,一切受扩散控制的松弛过程将极大地,被抑制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。,冻结食品,的质量下降的原因：,主要是由,结晶、再结晶和酶的活性,引起的，而结晶、,再结晶和酶的活性是,受扩散控制,的、在一定温度范围,下发生的特殊物质的结构松弛过程。,，冰淇淋的玻璃化,转变温度为-30-43。,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。,当冰淇淋在玻璃态保存时，其中的结晶、再结晶过程,将变得极其缓慢，可以有效延长它的保存期。,但对草莓来说，冷冻速率影响很大。当将草莓直接投入,液氮(降温速率达到150k/min左右)，草莓会发生低温断裂。,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。,添加低DE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。,常用：CMC、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。,例如：,思 考 题,1、何谓流态化速冻，适合于何种食品的冻结？,2、简述实现快速冷冻的途径,3、简述半流态化操作、全流态化操作方式,4、简述流态化速冻中的不良流化现象，流态化速冻中,如何克服其不良流化现象？,5、简述流化速冻的三个阶段,6、何谓玻璃态、橡胶态？其转变有何意义？,1,冻结前的原料处理,a.,原料的选择,品种优良、成熟度适宜、质地坚脆、大小均匀。,b.,预处理,清洗,去皮、去核、切分。,c.,灭酶护色处理,热烫、冷却、沥干,d.,其他前处理,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,Lyophilization),。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。,实质性的发展成功地冻干保存血清和血浆，,食品材料,无活力的生物材料,(,血浆、血清、,),有活力的生物材料的冻干保存微生物,制造超细微粒,(10,-9,m),。,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)=1.0110,5,帕,(Pa)=760,毫米汞柱,(torr),。,低真空,1atm(110,5,Pa)110,2,Pa,中真空,1 10,2,Pa110,1,Pa,高真空,1 10,1,Pa110,6,Pa,超高真空,1 10,6,Pa,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：,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；,1928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。,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 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：,结合水,非结合水,（,区别是水分活度,）,化学结合水,物理化学结合水（包括吸附水、渗透水和结构水）,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：,（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）.食品冷冻干燥过程的传质和传热,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，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区域，称为过渡区。,传导和辐射是冷冻干燥所采用的主要传热方式。,一(a)为传热和传质沿同一途径，但方向相反；,二(b)为传热经过冻结层，而传质经过已干层；,三(c)为热量从冰的内部发生，而传质经过已干层。,冷冻干燥的传热,物料内部的传热和传质示意图,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,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，在减压条件下产生喷瓶现象，使制品表面不平整,保持恒定升华温度,速冻过程要快，越快，生成的冰晶越小，对物品结构影响越小,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,（一）装置系统,1,制冷系统,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结的冷耗；另一部分是冷冻干燥过程中捕捉水蒸气的冷阱的冷耗。,(1),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,(cold trap,或,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。,表面温度在,40,50,之间,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,冷阱结构有螺旋盘管式和平板式。,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。,剩余含水量过高不利于长期贮存；,冷气吹成离网不高的悬浮状态（AB 段）。,在-18 -30时，食品中绝大部分水分已冻结，能够达到冻藏的要求。,解吸干燥，又称二次干燥，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”的液态水，再吸热蒸发成水蒸汽。,2肉类、鱼类食品预处理:剔除肥膘、切分、蒸煮和添加必要的抗氧化剂等,温度-60左右，食品内水分全部冻结。,食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。,FD苹果复水后可以用在苹果酱、麦片和水果馅饼里。,国际制冷协会对冻结速度的定义,夹带现象：在流化床中，如果气流速度V大于降落速度Vg则食品颗粒以V-Vg的净速度向上运动，被气流带走，飞出流化床，这种现象称之夹带现象。,主要是由结晶、再结晶和酶的活性引起的，而结晶、,ZLG系列振动流化床,中真空 1 102Pa1101Pa,残余水分要求低的制品，降低捕水器温度。,按水分水分除去的难易可分为：,系统具有确定的性质，如密度、热传导系数、粘度等；,2,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,(2),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,20,和压力,103Pa,条件下，,1,克冰升华将变为,1m,3,水蒸气，如果每秒钟有,10100,克冰升华，将有,10 100m,3,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，将,1m,3,的水蒸气重新变成,1,克的冰，不但保护了真空泵，而且可大大减少所需的真空泵台数。,a),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冻干燥机上。干燥箱升华出来的水蒸气经过,1,2,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经过,1,2,3,被真空泵抽除。,(b),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，而罗茨泵为主泵。前级泵与主泵的串联使用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；而食品冷冻干燥过程中，系统压力往往在,100Pa,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却很高,(c),干燥箱与冷阱制成一体形成。不但减少了机组占地面积，而且提高了生产率，是目前国外食品冷冻干燥机上常见的型式之一,工作原理:利用高压蒸汽通过喷嘴时所形成的低压高速气流，将食品材料中的水蒸气和空气等不可凝性气体吸走。当高压蒸汽不断从喷嘴喷出时，干燥箱内的空气和水蒸气就不断地被低压高速气流吸走，使干燥箱形成真空。吸走后的蒸汽流经升压后在冷凝器中冷凝成水，而不可凝结气体经过以下多级抽除，最终达到生产工艺要求。水蒸气喷射泵一般在5级以上,能将不凝结气体和水蒸气一并抽除。,特点: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。,3,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。,(1),干燥箱体,(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,(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构。载热介质在这种结构中流动阻力小，搁板,(shelf),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：,1),有较好的传热性能，同时利于食品材料的传热与传质；,2),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；,3),清洗消毒容易，避免存在死角；,4),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 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 费用和操作费用增加。,接触导热式,辐射传热式,图,8-4,接触导热间歇式冷冻干燥机简图,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,冷冻干燥,包装贮藏,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,(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：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，预处理内容也不同。,1,果蔬类食品的预处理,:,漂烫,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，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,(,表,8-3),。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。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，是否有利于包装贮运等因素而定,2,肉类、鱼类食品预处理,:,剔除肥膘、切分、蒸煮和添加必要的抗氧化剂等,3,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,漂烫时间min,蔬菜,漂烫时间min,龙须菜,热水24,白菜,热水11.5,蚕豆,热水24,葱,热水11.5,青豆,5%食盐热水510,芋头,热水812,菜豆,热水24,辣椒,热水24,菠菜,热水12,菜花,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,浓度(%),材料,浓度(%),材料,浓度(%),葡萄汁,4550,苹果汁,4050,咖啡,3035,柠檬汁,4045,西红柿,2535,全乳,4050,密柑汁,5055,绿茶,30,油,2530,菠萝汁,5060,红茶,3035,味素,3053,（二）冷冻干燥(freeze-drying),主要包括冷却固化、升华干燥和解吸干燥。,1冷却固化（freezing,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。,预冻结：冻结装置中的冷源，液体食品，避免飞溅；,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 （降温过程随时间变化情况）对食品质量及冷冻干燥速率的影响非常大。,2,干燥（一次（升华）干燥，二次（解吸）干燥）,一次干燥,，又称升华干燥，是指在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的,“,自由水,”,直接升华成水蒸汽。,一次干燥的物料温度，必须低于最高允许温度；为物料的玻璃化转变温度,或共晶温度。如物料温度过高，会出现软化、塌陷等现象。,所需要的热量,：为冰的升华热，它是融化热与蒸发热之和。加热的方式可以是搁板导热加热；或辐射加热。,升华干燥过程实际上是传热、传质同时进行的过程。,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汽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。如控制不好，会出现软化、融化、隆起、塌陷等现象。因此，只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽所需的热量时，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。,解吸干燥（二次干燥）过程（,desorption,secondary drying,）,解吸干燥，,又称二次干燥，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,”,的液态水，再吸热蒸发成水蒸汽。在解吸干燥过程中，物料的温度，必须低于最高允许温度；为物料的性质所决定，如对蛋白质药物，最高允许温度一般应低于,40,；对果蔬等食品，最高允许温度可以到,60-70,。,在第一阶段干燥结束后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附有未被冻结的结合水。由于吸附的能量很大，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。但温度又不能过高，否则会造成药品过热而变性。,所需要的热量：,为解吸附热与蒸发热之和，一般简称之为,“,解吸热,”,。,剩余含水量,：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%,3,后处理,由于冻干食品为多孔疏松形态，表面积增大数十倍，而且水分低，干物质浓度高，且直接暴露在环境中，因此，在不影响食品质量前提下，可以采用钝化酶活性的处理方法。,在冻干后，包装环境湿度和包装材料的透气性要求严格。,4,冻干终点判断,冻干品温度内外一致（升华干燥结束）,捕水器温度下降（升华干燥结束）,干燥箱压力下降,解吸干燥结束（试验确定）,5,解吸干燥时间,残余水分要求低的制品，降低捕水器温度。,提高供热量，加速解吸。,适当提高干燥箱的压力，改善供热条件。,药品冻干工艺,四 冷冻干燥技术应用,冻干技术发展史,50,年代 中国冻干技术开始起步。,60,年代 引进的同时，自行设计制造。,70,年代 冻干食品几乎消失。,80,年代 开始复苏。,90,年代 冻干食品得到快速发展,。,冻干食品的特点,优质：基本保持食品原有的色、香、味、形，维生素和蛋白质等营养物质损失少。,方便：食用或加工前，复水快，可直接食用或烹调。,不用冷藏：密封包装后，可在常温下长期贮存、运输和销售。,重量轻：满足宇航、旅游等人员需求。,成本高：冻干食品成本是热风干燥食品的,4,6,倍。,冻干药品,冻干食品,冻干食品,火龙果,FD黄桃,Detail:,口味：纯正，其他特性：复水性好，营养价值丰富,FD 苹果,Detail:,清洗-速冻-切形-速冻-32度-干燥-分选-过金探-包装,FD苹果复水后可以用在苹果酱、麦片和水果馅饼里。它们可以用来做苹果布丁、苹果煎饼或是与火腿、鸡蛋一起煎来吃。FD苹果是非常美味的零食。,家常老鸭汤等冻干食品,生津靓汤，开胃消食。以猪排骨、猪瘦肉为主，辅以薏苡仁、胡萝卜、扁豆、淮山、鸡内金、山楂、生姜等配料，具有生津健脾、开胃消食之作用,冻干标本,谢谢,