食品真空冷凍干燥工藝的研究

真空冷凍干燥 陳振華 北京航天科陽技術發展有限公司

  本文基于真空冷凍干燥產品的市場現狀扼要分析了真空冷凍干燥技術在食品應用中的注意問題;針對當前國內真空冷凍干燥設備加工能耗的問題,從食品真空冷凍干燥的前處理、預凍結、升華解析干燥、后處理等四個工藝階段探討了加工過程中的主要問題及因素,著重分析了預凍結工藝的預凍厚度、預凍溫度、預凍時間、預凍速率等主要參數及它們之間的關系,也著重分析了升華解析干燥工藝的產品升華溫度、加熱板溫度、干燥艙內壓力、捕集器表面溫度等主要因素及它們之間的關系,通過本文的研究分析為食品生產企業真空冷凍干燥產品工藝的制定及食品真空冷凍干燥設備工程設計提供參考。

1.引言

  目前,由于真空冷凍干燥技術賦予了產品相對于其他產品無可比擬的性能,使得凍干產品開始逐漸被越來越多的人青睞,但由于加工成本相對昂貴造成市場售價較高,使得凍干產品時下很難“飛入尋常百姓家”。而降低凍干產品加工成本的主要途徑一是凍干設備的制造企業根據國內市場的具體情況在滿足設備質量性能的前提下盡量選用國產的配套設備,以降低用戶的初期投入,還要優化產品的設計和設備分系統的配置,主要從以上兩方面降低設備本身的運行能耗。途徑二就是食品加工企業要在掌握凍干技術原理和凍干設備使用維護的基礎上盡量多做食品凍干過程工藝的研究,這樣不但可以降低設備的能耗,而且能夠生產出優質的凍干產品。下面就結合自己的工作經驗談一下食品凍干過程工藝的研究供大家參考。

2.食品凍干的一般工藝流程

  由于被凍干物料的品種、成分、形狀、狀態、含水率、共晶點、共熔點、崩解溫度等特性的不同,凍干工藝是不同的;對于同一種物料,由于凍干機結構不同、極限真空度不同、加熱方式不同、干燥室容積不同、捕集器溫度不同、捕集能力不同,凍干工藝也不盡相同。因此對某種物料,測出共熔共晶點溫度,制定出工藝參數,給出凍干曲線,確定最佳工藝流程,將是保證凍干產品質量的重要措施。

  盡管各種物料、各種性能不同的凍干機,使得凍干工藝各不相同,但其冷凍干燥工藝都應該包括前處理、預凍、升華解析干燥和后處理四個階段。

凍干工藝總流程框圖

圖1-1 凍干工藝總流程框圖

2.1、食品凍干的前處理

2.1.1、固體食品

  食品冷凍干燥前一般先將干燥原料洗凈,除去其不必要的成分,再整形調理等。

1)肉類食品

  畜肉和魚肉由肌肉組織構成,其主要成分為易變性的蛋白質,夾雜由脂肪組織及1%的糖原,其余為水。畜肉中,長束狀圓柱狀纖維和結締組織一起構成伸縮肌。魚肉組成和畜肉相似,只是纖維組成塊狀,各纖維塊之間是結締組織肌隔。因此,畜肉和魚肉中肌纖維的定向對熱量傳遞和蒸汽傳遞十分重要。

  肉類凍干時一般不允許連骨帶脂一起干燥,因為骨頭的干燥時間長,而脂肪組織在干燥時間長、干燥溫度高時就有可能融化,堵塞凍干層中的空穴,阻礙了蒸汽的傳遞。先將肉剔除脂肪,再沿垂直于肌纖維的方向切成薄片,使凍干時冰晶的升華界面的移動方向與肉的紋理一致[2~5],有利于傳熱傳質,且有利于凍干制品的復水。

2)果蔬類食品

  各種果蔬,如蘋果、草莓、胡蘿卜、香菇、蘑菇等。凍干前需先經挑選、漂洗、漂燙、冷卻等工序。

  ① 應選擇品種優良、成熟度適宜、鮮嫩、大小長短粗細均勻的,注意輕拿輕放、不能損傷。因果蔬表面都貼有粘土、沙子、灰塵、農藥及活物(菌、蟲),故應認真清洗。

  ② 果蔬洗滌后,一般要在2%左右鹽水中浸泡20~30min,達到驅蟲目的,必要時可延長。浸過鹽水的蔬菜,需在清水中漂洗一次,以去除蔬菜表面的鹽水和跑出來的小蟲,并達到進一步洗凈的目的。

  ③ 漂洗完畢后進行漂燙,將果蔬放在沸水中或常壓蒸汽中一定時間使加熱均勻,來全部或部分地破壞果蔬中的酶類活性(如過氧化酶、過氧化氫酶等),以便保持果蔬的原有色澤和營養成分,并防止果蔬在冷藏過程中的變質;同時漂燙還能消滅原料表面的微生物、蟲卵,除去果蔬組織內的空氣,有利于減少維生素C 和胡蘿卜素的損失,并能排除果蔬中的部分水分。漂燙完畢后迅速放入低溫水中進行短時間冷卻,然后取出瀝干。

2.1.2、液態食品

  液態食品沒有固定的形狀,而含有大量的水。在將水脫除后即成為可復水的粉末。由于含水量高,將它們直接干燥成低水分含量的粉末,在經濟上不合算。因此,在不影響產品質量的前提下,凍干前應先進行濃縮。濃縮一般采用低溫真空濃縮[1]。

2.2、食品的預凍

  它是經前處理裝盤后的冷卻物料送至速凍機、冷凍隧道或凍結間按工藝要求凍結后,裝入干燥艙或放入低溫冷藏間儲藏備用。

2.2.1、預凍厚度

  進入冷凍干燥室預凍的物料應冷卻、瀝干,然后用托盤盛放,應盡量增大物料表面積,減少厚度,一般以不超過20mm 為宜,較松散物料厚度取較大值,較密實物料取小值。減薄物料的厚度,即可降低熱、質通過干燥層的阻力,干燥速率增大。但是如果物料太薄,雖然縮短了凍干時間,卻導致了生產能力下降[2];太厚則水蒸氣逸出阻力大,升華速率減慢,干燥時間延長,效率低。所以對不同品種應考慮物料及冷凍干燥階段能耗和人力物力的消耗,選取一個最佳經濟厚度。

2.2.2、預凍溫度

  預凍溫度一般應低于物料的共晶點溫度5~10℃。這是因為物料的冷凍干燥過程是在真空狀態下進行的,只有物料中水分在全部凍結后才能在真空下升華。否則,若有部分液體存在,在真空狀態下會迅速蒸發,造成液體的濃縮,使冷凍干燥產品體積縮小,而且溶解在溶液中的氣體會在真空下迅速放出,使凍干產品鼓泡。預凍溫度避免過低或過高,造成能耗過高或影響產品質量。

2.2.3、預凍時間

  物料在凍干室的凍結應快速,一般1~2h 達到預凍溫度。通常的做法是在物料達到預凍溫度后,還需在此溫度下停留0.5~1h,而不是立即進行升華干燥,這樣可以使物料凍透。

2.2.4、預凍速率

  預凍速率直接影響干燥速率和產品質量。在慢速冷凍條件下,由于細胞外溶液濃度低,結晶首先在細胞外發生,而此時細胞內水分還以液態存在,因為水蒸氣分壓的關系,細胞內的水分向細胞外已形的冰晶移動,使冰晶體積增大且形狀不規則,分布不均勻。大冰晶對細胞組織造成機械損傷,使汁液流出,結構破壞,制成品復原性差。而在快速冷凍時,食品組織內冰層推進速度大于水移動的速度,冰晶分布接近食品中液態水的分布狀態,并且冰的結晶細小,制品復原性好。冰晶小,物料內部孔隙小,不利于傳質,干燥時間長;而冰晶大則干燥時間短[3]。在不影響產品質量的前提下,選取適當的預凍速率。