冷冻浓缩与冷冻干燥

冷冻浓缩与冷冻干燥一、冷冻浓缩的原理冷冻浓缩冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理而实现分离的方法。采用冷冻浓缩时，溶液的浓度必须低于低共熔浓度。（一）冷冻浓缩中的相平衡冰点下降：：)1ln(m20iwrRTT稀溶液：wrRTTm20iT0:纯溶剂的冰点，K；w：浓度rm：溶解热，J/kg冷冻浓缩溶液浓度必须低于低共熔点平衡相为冰晶和溶剂1—咖啡2—蔗糖3—苹果汁4—葡萄糖5—果糖流体食品的冻结曲线（二）冷冻浓缩中的结晶过程冰晶颗粒大，结晶操作成本高；分离容易；溶质夹带损失少小，结晶操作成本低；分离困难；溶质夹带损失大最优冰晶尺寸结晶形式结晶条件分离器形式浓缩液价值最主要因素在冰晶晶核形成的情况下，也不是所有冷点所发生的晶核都能保存下来。在一定浓度的溶液中，与晶体成平衡的温度（称为平衡温度）与晶体的大小有关，只有当晶体直径相当大时，才等于溶液的冰点。小晶体的平衡温度比大晶体低，所以与小晶体成平衡的溶液，其过冷度要大些。在一定的溶液过冷度下，与溶液成平衡的晶体直径，称为临界直径。溶液主体过冷度与晶体临界直径的关系图思考：在悬浮冻结中，如果将小晶体悬浮液与大晶体悬浮液混合在一起1Torr（托）＝1mmHg＝133Pa冬天结冰衣服风干？真空冷冻干燥1、增加压差2、减少阻力温度℃升华/汽化热kJ/kg饱和蒸气压Pa102477.1122802500.8/2835611.2-102836.5259.9-202838.0103.3-302838.738.0-402838.612.8-502837.83.9-602836.31.08冷冻干燥一、冷冻干燥的原理冷冻干燥：使含水物质温度降至冰点以下，再使由水凝固的冰在较高真空度下直接升华而除去的干燥方法。冷冻干燥具有如下特点：（1）冷冻干燥在低压低温下进行，可以保留新鲜食品的色、香、味及维生素C等营养物质，特别适用于热敏性食品以及易氧化食品的干燥；（2）由于物料中水分存在的空间在水分升华以后基本维持不变，故干燥后制品不失原有的固体框架结构，保持原有的形状；（3）升华时原来均匀地溶于水中的无机盐就地析出，避免了因物料内部水分向表面扩散时携带无机盐而造成的表面硬化现象，制品复水后易恢复原有的性质和形状；（4）升华所需的热可用常温或温度稍高的加热剂提供，热能利用的经济性好；（5）操作是在高真空和低温下进行，需要有一整套高真空获得设备和制冷设备，故投资和操作费用都大，生产成本高。（一）水的相图技术装备示意图控制系统干燥箱捕水器真空系统制冷系统加热系统（二）冻结速率对冷冻干燥的影响冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸汽的逸出通道，慢冻时形成的大而连续的六方晶体升华后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；反之，速冻时形成的树枝形和不连续的球状冰晶通道小或者不连续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度慢。因此，仅从干燥速率来说，以慢冻为好。但从干燥品质来说，以速冻为好。（2）升华干燥:对物料进行供热,使供热仅转变为升华热而不使物料升温熔化。一般冷冻干燥采取的绝对压强为0.2kPa左右。升华产生的大量水蒸气以及不凝气经冷阱除去大部分水蒸气后由其后的真空泵抽走。（1）物料的预冻:通过实验确定合适的冻结速度，使物料组织造成的破坏小，又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。（三）冷冻干燥过程（3）解吸干燥:在真空下提高物料温度，一般采用30~60℃。待物料干燥到预期的含水量时，解除真空，取出产品。1—干燥室2—产品3—热板4—冷凝器（冷阱）5—真空系统6—制冷剂进7—制冷剂出8—加热流体进9—加热流体出（四）冷冻干燥中的传热和传质冷冻干燥物中水分分布主要组成二、主要组成制冷真空加热控制干燥机清洗消毒二、冷冻干燥装置（一）冷冻干燥装置的主要构成（1）预冻系统对固态物料，应用最多的预冻手段为鼓风式和接触式冻结法。对液态物料，也可用真空喷雾冻结法进行预冻。冻结技术必须具备的条件1应避免物料因冻结而引起破坏和损害；2确定低共熔温度以及防止冻结层熔解；3控制冻结过程的条件，使生成的纯冰晶的形状、大小、排列适当；4冻结体的形态要好。蒸汽喷射加热流程1—水槽2—水泵3—蒸汽4—蒸汽喷射器5—加热板6—真空泵（2）供热系统供热系统主要提供冻结制品水分不断升华所需的热量，其次是间歇性地提供低温凝结器（冷阱）积霜熔化所需的熔解热。传热方式主要采用传导和辐射两种。工厂常用喷射混合换热法。加热系统供热不足：升华热补充不上，造成冻干品温度下降，饱和蒸气压随之下降，在捕水器温度不变情况下，水蒸气驱动压差减小。供热过多：升华界面容易融化，此外，升华干燥层可能出现塌陷。接触加热法辐射加热法微波加热法接触、辐射混合加热法（3）蒸汽和不凝结气体的排除系统多采用低温冷凝器（冷阱）。物料中升华的水蒸汽在冷阱中大部分结霜除去后，还有部分的水蒸汽和不凝结气体必须通过真空泵抽走。这样就构成了冷阱—真空泵的组合系统。（二）冷冻干燥装置的型式1．间歇式冷冻干燥装置1—干燥箱2—冷阱3—真空泵4—制冷压缩机5—冷凝器6—热交换器7—冷阱进口阀8—膨胀阀冻干过程除自由水（游离水）除束缚水（结合水）Q2Q3下搁板冻结层升华界面干燥层Q1样品瓶上搁板冻结和干燥过程中物料的温度和含水量变化的示意图共晶点、共熔点WeW1a1b1BAb2EHa2W2共晶点是冷冻过程中全部结冰的温度点，共熔点是升温过程中的开始融化温度点共晶点和共熔点的测定方法主要有电阻测定法、热差分析测定法、低温显微镜直接观察法和数字公式计算法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(95~100℃)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。冻干终点判断常规方法：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）动压测量技术265431压力（Pa）时间（s）包装与贮藏(后处理)尽管冷冻干燥食品的含水率很低，若酶活性未被钝化，仍会发生酶促反应。此外，多孔疏松结构使食品极易吸湿和氧化，尤其是含糖和有机酸较高的果汁等食品，尽管在真空状态下贮藏，如果贮藏温度偏高，也极易出现结块、塌陷、变色等现象，使果汁粉末失去其速溶性而变成不易溶解的块状体。因此，冷冻干燥食品的包装与贮藏是一个重要的生产环节。一般要求包装材料安全、无毒副作用、不吸湿、不透气、能遮光并有一定的机械强度，能适合于机械填充、密封以及容易贮运和使用。常见的包装容器有：复合薄膜袋、马口铁罐、铝拉罐、棕色玻璃瓶和聚丙烯杯等。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。冻干食品的特点