微波真空與真空冷凍干燥的組合應用.doc

_微波真空與真空冷凍干燥的組合應用摘 要：隨著人民生活水平的提高,人們越來越關注食品干燥產(chǎn)品的品質(zhì),對食品的品質(zhì)提出了更高的要求。干燥過程對農(nóng)產(chǎn)品和食品產(chǎn)品的品質(zhì)具有很大的影響,有時甚至起到?jīng)Q定性的作用。眾所周知,現(xiàn)在仍占主導地位的熱風干燥對食品的色澤、維生素C及其他生物活性物質(zhì)破壞的程度較大,而目前要獲得優(yōu)質(zhì)干燥產(chǎn)品常常需要采用昂貴的方法和設備,如冷凍干燥。干燥的經(jīng)濟性和產(chǎn)品質(zhì)量之間目前還存在著很大的矛盾,如何以低能耗和低成本去獲得優(yōu)質(zhì)的脫水干燥產(chǎn)品,是當前農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥研究中急需研究和解決的問題,也是干燥技術研究和發(fā)展中的一項最大的挑戰(zhàn)。本文分別介紹了微波真空干燥和真空冷凍干燥及其組合應用，旨在充分利用冷凍干燥在保持水果色香味和微波干燥在節(jié)省能耗和降低成本上的優(yōu)勢，吸收利用兩者的優(yōu)點，解決現(xiàn)在干燥領域發(fā)展的難題。關鍵字：食品干燥，熱風干燥，冷凍干燥，微波干燥 精品資料0 引 言我國是一個農(nóng)業(yè)大國，水果蔬菜資源豐富，品種繁多，且品質(zhì)優(yōu)良，價格低廉。脫水果蔬作為果蔬深加工的一種，具有新鮮果蔬的色、香、味，便于運輸，使廉價的果蔬增值等優(yōu)點，且食用方便，適應現(xiàn)代人們快節(jié)奏的生活方式，在國內(nèi)外受到普遍歡迎。發(fā)達國家脫水蔬菜的比例很高，在美國，洋蔥、大蒜收獲量的絕大部分用來生產(chǎn)脫水洋蔥和脫水大蒜，葡萄干占收獲量的 25%。而我國，除辣椒外，其它脫水蔬菜的比例都較低。近十多年來，我國的脫水果蔬加工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，且脫水果蔬已成為我國重要的出口農(nóng)產(chǎn)品之一1。我國生產(chǎn)的凍干食品，主要包括：湯料、蝦仁、半成品（如雞蛋粉）、保健品（如凍干人參）及方便面調(diào)料（如方便面中的脫水菜、肉?。┑龋戤a(chǎn)量幾千噸。2010 年，僅我國高檔方便面輔料一項，約需凍干食品 4 萬噸，加上各種快餐配料、湯料、飲料等，每年凍干食品的消費將接近 10 萬噸。國際市場凍干食品供不應求，全世界凍干食品的產(chǎn)量，在 20 世紀 70 年代僅 20 萬噸，到 20 世紀 90 年代己達到上千萬噸。近些年凍干食品的消耗量：美國在 500 萬噸以上，日本在 160 萬噸以上，法國在150 萬噸以上。國內(nèi)凍干食品工業(yè)尚處于發(fā)展初期，產(chǎn)量還很低。卻引來了外商向我國市場的大量求購。這既有國際市場對凍干食品供不應求的外因，也有我國凍干食品生產(chǎn)成本相對低的內(nèi)因2。目前，要獲得優(yōu)質(zhì)的脫水果蔬，主要采用冷凍干燥，能保持產(chǎn)品原有的色香味和質(zhì)構（外形），但冷凍干燥設備昂貴，生產(chǎn)能耗費極高。進口設備一般要幾十萬美元，國產(chǎn)的冷凍干燥機也要幾十萬至幾百萬元；操作費用高，冷凍干燥中需要維持-25oC 的低溫，5 Kpa 的高真空，干燥時間 20 h 左右，生產(chǎn)能力也有限。冷凍干燥適合加工附加值較高的藥品、生物制品和食品等，一般說來，絕大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品和食品都是附加值比較低的大眾產(chǎn)品，難以采用冷凍干燥工藝。采用其它干燥方式（如熱風干燥，微波干燥，遠紅外干燥，滲透干燥），目前還不能得到優(yōu)質(zhì)的脫水產(chǎn)品。微波真空干燥是一種新的干燥技術，是一種常溫、快速脫水干燥技術。雖然脫水產(chǎn)品的色、香、味和營養(yǎng)保留能夠接近冷凍干燥產(chǎn)品，生產(chǎn)費用可大大降低，但是干燥后期產(chǎn)品質(zhì)構也發(fā)生較大變化，產(chǎn)品的外形保留與冷凍干燥產(chǎn)品有較大的差距。1 真空冷凍干燥真空冷凍干燥(又稱凍干, 英文“Freeze Dried”簡稱“FD”), 是真空技術與冷凍技術相結合的新型干燥脫水技術。冷凍干燥的簡單定義是: 先將濕物質(zhì)冷凍, 然后把它放到較低的水蒸氣分壓下, 使冰直接升華成蒸汽的干燥方法。與其他干燥手段( 水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀? 不同, 物料中的水是固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的。真空冷凍產(chǎn)品具有很多優(yōu)點, 能提高產(chǎn)品附加值并促進地方經(jīng)濟發(fā)展, 符合國家提出的農(nóng)副產(chǎn)品加工要講究高水平、高起點、高標準的發(fā)展方向。然而, 冷凍干燥是一項成本和操作費用都很高的工藝, 并且很費時。在 20 世紀 60 年代期間, 人們期望這項工藝能有廣泛的應用, 并投人了相當大的資源去開發(fā)新的設備和方法。在美國和歐洲, 用于冷凍和冷藏食品的高效分配和存儲體系已經(jīng)穩(wěn)固地建立了起來3。1.1 真空冷凍干燥原理真空冷凍干燥基本原理是基于水的三種變化。水(H2O)有三種相態(tài), 即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài), 三相態(tài)既可以相互轉(zhuǎn)換也可以共存。三相點所對應的溫度為0.0098, 水蒸氣壓為 610.5 Pa(4.58 mmHg), 在這樣的溫度和水蒸氣壓下, 水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。只有在三相點以下, 冰才能由固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀? 這個過程稱為升華。在高真空狀態(tài)下,利用升華原理, 使預先凍結的物料中的水分( 不經(jīng)過冰的融化) 直接以冰態(tài)升華為水蒸氣被除去, 從而達到冷凍干燥的目的。真空冷凍干燥設備的工作原理是: 先將物料凍結到共晶點溫度以下, 使水分變成固態(tài)的冰, 然后將經(jīng)過預凍的物料裝入干燥倉內(nèi), 在低溫真空狀態(tài)下, 由加熱板以導熱或輻射方式供給熱能, 使物料中的水分直接由冰升華成水蒸氣。不斷升華出來的水蒸氣, 由真空泵組抽至捕水倉內(nèi), 在 - 40- 45的排管外壁上凝結被捕, 直至按凍干曲線達到規(guī)定的要求而停止供熱和抽真空, 完成物料凍干全過程。真空冷凍干燥機(簡稱凍干機)主要由真空冷凍干燥箱(簡稱凍干箱)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等幾部分組成4。1.2 真空冷凍干燥食品的特點(1) 物料干燥是在低溫下進行, 且處于真空狀態(tài)。因此, 特別適用于高熱敏性和極易氧化物料的干燥, 可以保留新鮮物料色、香、味及營養(yǎng)成份不損失。(2) 可保持食品原有的形狀并具有很好的速溶性和復水性。由于物料在升華前先凍結, 形成了穩(wěn)定的固體骨架, 所以水分升華后固體骨架基本保持不變。在升華干燥過程中, 固態(tài)冰晶升華成水蒸氣后在食品物料中留下了大量空隙, 使得凍干食品具有海綿狀多孔性結構, 食品因此而具有理想的速溶性和快速復水性。復水后的食品無論其外觀和形態(tài)及口味都與凍干前沒有多大差異, 復水率可達 90%以上5。(3) 在升華過程中溶于水中的可溶性物質(zhì)就地析出, 避免了其它干燥方法因物料內(nèi)部水分向表面遷移而將無機鹽和營養(yǎng)物攜帶到物料表面而造成表面硬化和營養(yǎng)損失。(4) 凍干制品采取真空或充氮包裝和避光保存,保質(zhì)期長。由于重量輕, 可室溫儲藏和運輸, 耗損大大降低。1.3 真空冷凍干燥的應用因為冷凍干燥的本質(zhì)就是去水, 所以該過程不適合高脂肪含量食品的處理, 否則會使食品腐敗。冷凍干燥的優(yōu)點: 對不耐熱的物質(zhì)來說, 其活力的破壞和損失最小; 形成一層有孔的脆性結構; 快速并完全復水; 具有無菌過濾液體的能力。冷凍干燥的主要缺點是: 設備投資大(大約是其他方法的三倍); 能耗高(大約也是其他方法的三倍); 處理時間長(典型的干燥周期一般在 410h之間); 當純水凍結成冰時溶解物被濃縮, 由于 pH值和張力的變化, 可能會損壞產(chǎn)品。當產(chǎn)品需要滿足下列一個或多個標準時, 冷凍干燥方法是非常適用的: 產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定; 不耐熱; 要求快速和完全復水; 高價值或高附加值產(chǎn)品; 要求質(zhì)量最小化; 不適合長期冰凍冷藏的產(chǎn)品6-8。2 微波真空干燥微波真空干燥是隨微波干燥技術發(fā)展起來的一項新的組合干燥技術。它不僅具有干燥速度快、溫度低、物料溫度低、色香味及營養(yǎng)成分保留好等優(yōu)點，而且參數(shù)可以控制，能夠干燥多種不同類型的物料。目前我國雖然有一些單位正在研究，但其技術性能還需要完善，在機理和工藝方面也還有很多問題需要深化和研究。2.1 微波真空干燥原理微波是指頻率在300MHz到300KMHz的電磁波。介質(zhì)物料由極性分子(水分子)和非極性分子組成,在電磁場作用下,這些極性分子從原來的隨機分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場的極性排列取向。在高頻電磁場的作用下,這些取向按交變電磁場的變化而變化,這一過程致使分子的運動和相互磨擦效應,從而產(chǎn)生熱量。此時交變電磁場的電磁能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的動能,動能再轉(zhuǎn)化成熱能,使介質(zhì)溫度不斷升高。微波加熱是使被加熱物體本身成為發(fā)熱體,故稱之為內(nèi)部加熱方式。這種方式不需要熱傳導的過程,電磁波從周圍或特定的方向穿過物料,使得物料內(nèi)各部分在同一瞬間獲得熱能而升溫,因此能在短時間內(nèi)達到均勻加熱。此時,由于物料表面水份蒸發(fā),致使表面溫度降低,從而造成一個內(nèi)高外低的溫度梯度,這個梯度的方向正好與水份蒸發(fā)的方向一致,使得蒸發(fā)加快,所以效率極高。同時由于內(nèi)部產(chǎn)生熱量,以致于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生,形成壓力梯度,如果物料的初始含水率很高,物料的內(nèi)部壓力非?？斓纳?水分會在壓力梯度的作用下從物料排除。在干燥的過程中能量轉(zhuǎn)化經(jīng)過了兩個步驟,先是電磁能轉(zhuǎn)化為有序運動的分子動能,然后通過碰撞轉(zhuǎn)化為熱能。在真空狀態(tài)下,水的沸點降低,從而使物料在相對較低的溫度下就可以沸騰蒸發(fā)。真空不僅能使物料在保持低溫狀態(tài)下蒸發(fā),還能產(chǎn)生壓力梯度提高干燥效率。真空干燥具有干燥溫度低、產(chǎn)品復水性高,同時對食品的色澤和口感也保持較好。所以微波干燥和真空干燥的結合不僅使得物料能在較低的溫度下蒸發(fā)干燥,而且可以提高干燥效率9。2.2 微波真空干燥特點(1)干燥速率高。普通的干燥方法如熱風干燥,對物料來說熱量是從表面向內(nèi)傳遞,而水分從內(nèi)向外遷移,溫度梯度與水分轉(zhuǎn)移方向相反,這樣將導致干燥速率下降。微波干燥不必以熱傳導的形式從表面向內(nèi)部傳遞,而是通過微波將能量直接作用于整個物料,使物料整體均勻被加熱,大大縮短了加熱時間；同時由于壓力遷移動力的存在,是微波干燥具有由內(nèi)向外干燥的特點,即對物料整體而言,首先從內(nèi)部干燥,克服了在常規(guī)干燥中因物料外層首先干燥而形成硬殼板結阻礙內(nèi)部水分繼續(xù)外移的缺點。特別對于物料本身不是熱的良導體,微波干燥優(yōu)勢更明顯。(2)提高干燥品質(zhì)。微波加熱,物料內(nèi)部和表面同步進行加熱,溫度分布均勻。一般微波只與物料中的水分而不與干物質(zhì)相互作用,含水較高的地方吸收輻射能較多,干物質(zhì)相對較少,能更迅速地干燥,這樣起到了熱量分配自動平衡的作用。但單純的微波加熱容易產(chǎn)生由于過熱引起的燒傷、焦化、結殼和硬化等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象主要是因為溫度過高和干燥過快引起的。真空干燥可以降低水的蒸發(fā)溫度,使物料在較低的溫度下迅速蒸發(fā),同時還可以避免氧化,因此改善了干燥品質(zhì)。尤其在醫(yī)藥、食品和化工等領域存在熱敏性物料的情況下,需要低溫快速干燥的條件；同時對于食品和醫(yī)藥,由于微波的微生物效應,能在較低的溫度下即可達到除菌的目的。(3)成本低、無公害。微波真空干燥新技術,不需要電熱烘干設備和蒸汽加熱設備；微波直接與物料相互作用,不需要加熱空氣、大面積器壁及輸送設備等,而且加熱腔為 金屬制造的密閉空腔,能反射微波,是指不向外泄漏,從而被物料吸收。其耗能是普通干燥設備的 1/3 1/4,也低于紅外干燥 ,同時對環(huán)境幾乎沒有影響。如果使用一般的加熱設備干燥,不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至產(chǎn)生污染 ,而且也造成過多的能源消耗 ,設備存在運行成本高、經(jīng)濟效益差,設備利用率低、維護費用高等突出問題 。(4)安全性。微波不會對被加熱物料產(chǎn)生不安全影響,其安全性得到國際認可。但設備仍然存在微波泄漏,所以為了保證設備的安全性,微波的泄漏量應滿足國際電工委員會(IEC)規(guī)定量。(5)自動化控制過程。對干燥過程進行適當?shù)目刂剖潜匾?。微波的輸出可以通過發(fā)生器的開關來控制,操作方便,而且加熱的強度可以通過控制輸出功率來實現(xiàn)。如干燥的過程控制,干燥過程分為常率期、降率期和擴散期:常率期蒸發(fā)溫度基本恒定,表面呈濕潤狀態(tài)；降率期水分奇異速度減慢,物料溫度開始上升；擴散期物料導熱性變差,需要較為溫和的干燥條件。在不同時期,隨著物料干燥程度不同,溫度相應變化,因此在干燥過程中,微波功率隨著物料的干燥程度做主動調(diào)節(jié),將物料溫度控制在設定的范圍內(nèi),從而保證成品的質(zhì)量10。3 微波真空與冷凍干燥組合應用真空冷凍干燥(凍干)能夠有效保留物料中的熱敏性成分,維持生物活性成分的活力,被廣泛應用于藥品、生物制品、高附加值食品等的干燥。但是冷凍干燥具有干燥速率低、時間長、能耗高等缺點,因而制約了其進一步的應用。冷凍干燥的這些缺陷主要是由于冷凍干燥裝置所采用傳統(tǒng)加熱方式造成的。微波加熱是利用介電加熱原理,具有加熱迅速、均勻、節(jié)能高效、加熱質(zhì)量高、營養(yǎng)破壞少等特點,有研究證實,將微波作為冷凍干燥的熱源,可以顯著地提高凍干效率、降低能耗11。近年來,微波真空冷凍干燥(微波凍干)這一新型干燥技術已引起了國內(nèi)外食品干燥研究人員的廣泛關注。3.1 微波真空冷凍干燥的基本原理和特點微波真空冷凍干燥是將高效的微波輻射加熱技術和真空冷凍干燥技術相結合的極具有應用價值的一項新技術。微波真空冷凍干燥就是利用微波輻射處于凍結狀態(tài)的被干燥物料,在高頻交變電磁的作用下使物料(主要是水)分子發(fā)生振動和相互摩擦從而將電磁能轉(zhuǎn)化為物料中的水分升華所需的升華潛熱。微波真空冷凍干燥具有以下優(yōu)點:(1)物料不易氧化變質(zhì),同時因低壓缺氧及微波環(huán)境,能滅菌或抑制某些細菌的活力; (2)可以最大限度的保留食品原有成分、味道、色澤和芳香;(3)由于固體骨架的存在,干制品具有很理想的速溶性和復水性;(4)避免了因物料內(nèi)部水分向表面遷移所攜帶的無機鹽在表面析出而造成表面硬化的現(xiàn)象;(5)脫水徹底,質(zhì)量小,適合長途運輸和長期保存, 在常溫下,采用真空包裝,保質(zhì)期可達35年; (6)干燥速度快,其干燥速度和熱效率是常規(guī)加熱方法的420倍。經(jīng)大量實驗和模擬表明,用微波作為熱源進行冷凍干燥能夠有效提高脫水速率和產(chǎn)品總體品質(zhì)12-14。如果在解析階段采用微波加熱的方法,可以大大縮短干燥時間15-16。微波真空冷凍干燥的主要缺點在其經(jīng)濟性方面:首先,冷凍干燥設備一次性投資成本高;其次,由于其干燥速率低,產(chǎn)品要達到設定的水分含量,耗時相對就要長,制冷系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的能耗就增加,結果造成干燥成本提高。因此,目前冷凍干燥僅局限于對具有高附加值產(chǎn)品的應用。3.2 微波真空冷凍干燥的應用現(xiàn)狀微波凍干技術的應用和發(fā)展,與微波加熱技術的發(fā)展是密不可分的。1965年,美國Crydry公司開發(fā)出大功率磁控管后,微波在食品工業(yè)加熱中的應用才全面展開。尤其是20世紀80年代后,微波能的有效利用和加熱體系的不斷完善才使微波在脫水干燥、烹調(diào)焙烤、微波解凍等方面的應用極大地發(fā)展和豐富起來17。經(jīng)文獻檢索,國外關于微波凍干技術應用于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的報道基本上沒有。我國在微波凍干領域研究及應用方面起步較晚,1987年才開始著手研究微波凍干設備, 1993年有大尺寸微波凍干設備用于對蔬菜的干燥。國內(nèi)微波凍干設備生產(chǎn)廠家主要有:南京華盛微波系統(tǒng)有限公司、南京三樂微波技術發(fā)展有限公司和南京亞泰微波能技術研究所等。雖然已有一些公司或研究機構在生產(chǎn)、銷售微波凍干設備,但真正能將其用于工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品不多,大多數(shù)設備只是用于實驗研究。工業(yè)化應用進程的受阻,其主要原因是微波凍干技術存在一些問題:首先,微波加熱量不好控制,易造成物料溫度過高,超過共融點或崩解溫度,從而影響凍干的進行;其次,微波加熱過程中還會產(chǎn)生輝光放電等現(xiàn)象;再次,為優(yōu)化和控制微波凍干工藝,需要準確地測量物料干燥過程中的溫度變化,但微波場的存在給溫度測量帶來了困難。常規(guī)測溫方法(如熱電偶和熱電阻測溫)在微波場中會產(chǎn)生以下問題:一是由于微波場中的元件發(fā)熱,傳感器得到的溫度并不能真實地反映物料的溫度;二是高頻電壓和電流對溫度信號產(chǎn)生強烈的干擾;三是金屬導線在微波場中可能發(fā)生短路、放電現(xiàn)象并可能燒毀測溫元件18。最后在于經(jīng)濟方面的原因,微波凍干盡管在技術上具有優(yōu)勢,但經(jīng)濟上能否獲得效益,還需要從技術經(jīng)濟的角度進行分析。以上諸多問題的存在,使得微波凍干技術在大規(guī)模工業(yè)化應用方面面臨著很多困難,因此要進一步發(fā)展微波凍干技術,還需要在理論和實驗方面進一步深入研究。4 展望隨著微波冷凍干燥設備和干燥工藝的不斷完善、微波凍干實驗和理論(包括常規(guī)微波凍干理論和帶電介質(zhì)核的微波凍干理論)研究的逐步深入,尤其是對一些關鍵技術難題,如輝光放電、溫度測量等的攻克,微波真空冷凍干燥技術將會日益成熟。同時,近年來國內(nèi)外對一些生物制品、藥品以及高檔食品的產(chǎn)量和品質(zhì)要求越來越高,使得微波冷凍干燥設備具有空前的市場潛力,微波冷凍干燥技術的應用前景也將更為廣闊。參 考 文 獻1張愍, 徐艷陽, 孫金才. 國內(nèi)外果蔬聯(lián)合干燥技術的研究進展J. 無錫輕工大學學報,2003,22（6）:105-106.2徐小東, 崔政偉. 農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥技術及設備的現(xiàn)狀和發(fā)展J. 農(nóng)業(yè)機械學報,2005, 36(12): 171-174.3許韓山，張愍，孫東風，毛文岳. 真空冷凍干燥在食品中的應用J.干燥技術與設備，2008,6（2）:102-1064沈健,崔偉.淺談真空冷凍干燥技術J.農(nóng)業(yè)裝備技術,2006,32(2):26- 28.5李志平.真空冷凍干燥技術分析研究及應用J.四川食品與發(fā)酵,2005: 41(3): 51- 54.6LorentZen. 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