食品中高新技术

冷冻浓缩技术的应用摘要：阐述了冷冻浓缩原理，介绍了国内外冷冻浓缩技术的应用现状，并展望了未来的发展趋势。关键词：冷冻浓缩应用现状因素近几年来，随着人类对自身健康的关注及生活水平的提高，高品质、高附加值产品日益增加，高档饮料、果汁、生物制药等也逐渐成为人们日常消费的主体。与此同时，食品的加工技术与方法也需要进行相应的改变与调整，以使加工过程中食品原料中含有的营养成分与风味物质等得到最大限度的保护。冷冻浓缩由于在低温下操作,具有可阻止不良化学变化和生物化学变化及风味、香气和营养损失小等优点，特别适用于浓缩热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的高档饮品及中药汤剂等。随着社会对高档产品需求量的增加,冷冻浓缩技术将进一步显示出其优越性及必要性。因此,开展冷冻浓缩技术的研究及应用，对推动传统工艺技术的进步和提高浓缩汁产品品质均具有重要意义。在此就国内外学者的近期研究成果进行介绍。1冷冻浓缩的理论基础稀溶液的相图如图1所示，横坐标表示溶液的浓度X,纵坐标表示溶液的温度T。曲线DABCE是溶液的冰点线，D点是纯水的冰点，E是低共溶点。当溶液的浓度增加时，其冰点是下降的(在一定的浓度范围内)。某一稀溶液起始浓度为X1,温度在A1点。对该溶液进行冷却降温,当温度降到TDFCEBXX2X1AA1图1冷冻浓缩的相平衡图冰点线A点时，如果溶液中无“冰种”，则溶液并不会结冰，其温度将继续下降至C点，变成过冷液体。过冷液体是不稳定液体，受到外界干扰(如振动)，溶液中会产生大量的冰晶，并成长变大。此时，溶液的浓度增大为X2，冰晶的浓度为0(即纯水)。如果把溶液中的冰粒过滤出来,即可达到浓缩目的。这个操作即为冷冻浓缩。设原溶液总量为M，冰晶量为G，浓缩液为P，根据溶质的物料平衡，有：(G+P)X1=PX2或上式表明，冰晶量与浓缩液量之比等于线段BC与线段FC长度之比，这个关系符合化学工程精馏分离的“杠杆法则”。根据上述关系式可计算冷冻浓缩的结冰量。当溶液的浓度大于低共溶点浓度XE时，如果冷却溶液，析出的是溶质，使溶液变稀，这即是传统的结晶操作，所以冷冻浓缩工艺与结晶工艺是相反的。要应用冷冻浓缩,溶液必须较稀,其浓度须小于低共溶点浓度XE。2冷冻浓缩技术的国内外发展现状2.1国外发展概况自上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来,人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的历史。荷兰Eindhoven大学Thijssen[1]等在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。依此制造的Grenco冷冻浓缩设备在食品工业中用于果汁、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的浓缩,得到了高质量的产品。随着众多学者的深入研究及实验设备的不断改进,近年来有关冷冻浓缩技术的研究成果时常见诸报道。Shirai等为降低成本在采用悬浮结晶冷冻法时将小冰晶凝聚成为大冰晶来减小单位体积冰晶的表面积。研究者以10%(质量分数)的葡萄糖溶液做试料,在0.212K的过冷却度下,添加占溶液总量6%（质量分数)的种晶,经7h凝聚成直径为0.77mm～2.85mm的大冰晶。他们还将此方法用于海水淡化及烧酒废液处理等方面。MarinoRodriguez等[2]对比研究了反渗透法和冷冻浓缩法在从废水中去除戊酸中的应用,两种操作方法的经济运算结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的五倍,但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。F.A.Ramos等[3]将冷冻浓缩技术应用于一种生长于安第斯山脉的浆果,发现此技术并未改变其果肉的色泽及pH值,并明显降低了挥发性物质的损失量,且很好FCBCXXXGP112地保留了浆果独特的香味。OsatoMiyawaki等[4]将管式结冰渐进式冷冻浓缩系统应用于咖啡萃取物可其溶液浓缩至30%,含果肉的番茄汁可浓缩至12.5%,而将夹带有5%果肉的冰相溶解再次经过管状结冰器浓缩后所得冰相的浓度低至0.25%,如果事先将果肉去除,则番茄汁可浓缩至40%,蔗糖水溶液可由41.8%浓缩至54.8%,且浓缩效果非常好。DurwardSmith等[5]采用小型简单装置对苹果汁进行了冷冻浓缩工艺的研究,试验表明冷冻浓缩技术很好地保留了果汁中挥发性物质的香气成分,浓缩效果比冷冻干燥包括在内的任何其他浓缩技术都要好。MilindV.Rane对甘蔗汁进行冷冻浓缩时,在原有设备基础上安装了热泵,建立了相应的数学模型,研究表明热泵性能系数相对较高。该技术将甘蔗汁由20°Bx浓缩至40°Bx,因减少了焦糖化现象改善了蔗糖的色值,保证了产品的质量,而且每天可节约蔗渣1338千克。2.2国内研究及应用现状由于冷冻浓缩的基本原理很简单,我国传统的老陈醋生产工艺中就曾应用过冷冻浓缩技术。近年来,该技术在国内已被广泛应用于各行业中,并在相关理论和设备开发上取得了许多新进展。2.2.1酿酒业冷冻浓缩的优势尤其可用于酿酒产业。詹晓北[6]最早介绍了冷冻浓缩技术在啤酒工业中的应用,表明该技术可在除去冰晶的同时除去形成混浊的多酚、丹宁酸等物质,从而减少啤酒的贮存容积,特别是对冷冻浓缩后的啤酒采用混合水技术可以完全恢复到原来的啤酒。张春娅等[7]通过对葡萄酒进行冷冻分离实验,发现酒精和还原糖比较易于利用冷冻法在液相中进行浓缩分离,通过冷冻浓缩技术改善了干白葡萄酒的品质。孙卉卉等[8]采用根据刘凌等方法改装的冷冻浓缩装置研究了冷冻浓缩对低糖葡萄汁及葡萄酒品质的影响,证明冷冻浓缩是一种可以较好地保持葡萄汁的品质、香气和营养成分的浓缩方法。经过冷冻浓缩折光度提高5°Bx的玫瑰蜜葡萄汁含糖量提高了53.8g/L,可滴定酸含量增加接近1倍,但果汁的pH值变化不明显。2.2.2果汁工业我国是生产甘蔗的大国,将糖蔗改种果蔗并加工成甘蔗汁既解决了甘蔗的销路,又满足了人们对果汁日益增长的需要。甘蔗汁的热敏性很强,对其进行普通的蒸发浓缩极容易使甘蔗汁焦糖化,丧失其特有的风味。袁林峰[9]研究了冷冻浓缩工艺对甘蔗汁的影响,对浓缩前后的甘蔗汁进行了感官上的比较,发现浓缩后的甘蔗汁品质稳定,除了在颜色、气味、甜味方面感觉更加浓重外,其它基本保持了冷冻浓缩前甘蔗汁的原有风味。肖旭霖等[10]应用渐进冷冻浓缩原理对苹果汁冷冻浓缩特性进行研究,证明了渐进浓缩法对苹果汁浓缩效果良好,苹果汁中酸度和维生素C含量无影响,浓缩产品感官质量均匀一致,保持了果汁的原有风味。3选择冷冻浓缩工艺时要考虑的因素食品冷冻浓缩技术与传统浓缩方法相比,其浓缩产品的质量是最好的,但仍存在某些问题。当物料粘度高时难以生成大冰晶,且由于迅速冷却而形成的微小冰晶不能彻底从母液中分离出来,难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分,从而限制了它的推广与使用。3.1冷冻浓缩工艺适用的物料任何一种加工工艺都有一定的适用范围，经过分析,认为冷冻浓缩工艺比较适合粘度较小饮料的浓缩,如植物水提取液、苹果汁等,原因是这种物料流动性好,有利于溶液内部溶质分子的迁移。相反,粘度较大的饮料,如橙汁等,在实践上不适合使用冷冻浓缩工艺(尽管理论上可以),原因是橙汁含果胶多,低温时果胶更粘,溶液内部溶质分子的迁移阻力很大。3.2冷冻浓缩所能达到的极限速度饮料一般含有多种成分,在选用冷冻浓缩前,应首先确定要保留稀饮料中哪些有效成分。这些有效成分在稀饮料中的浓度须小于低共溶点浓度XE,在形成的冰晶中才不含有它们。同时,冷冻浓缩所能达到的极限浓度是这些有效成分的低共溶点浓度。3.3冷冻浓缩方式的选择依据国外学者对浓缩方式的分类,冷冻浓缩可分为悬浮结冰晶式和渐进结冰式[11]。悬浮结冰晶式是让物料溶液在刮板换热器内过冷,然后形成冰晶长大成冰粒。渐进结冰式是让物料溶液在冷的壁面结成厚冰层,然后再把冰层取出来。从理论上或实验上说,上述两种方式是可行的,但从应用的角度来说,悬浮结冰晶式更好。原因是:A1渐进结冰式是在冷的壁面结成厚冰层,因为冰的导热系数很小,所以结冰很慢,在生产上很难提高生产率；B1笔者曾把一桶稀中药水提取液放在低温冷冻液(27℃)中冷却结冰,结果发现在桶壁形成致密的纤维状冰层(如牛肉纤维状),包含在其内的浓药液很难用高速离心机分离出来。4前景展望冷冻浓缩技术现已证明优质可靠,极具市场活力。随着社会的进步,经济的发展,人们生活水平的提高,冷冻浓缩这一低能耗、可生产高质量产品的加工技术具有很大的发展潜力。此方法除了用于浓缩,也可考虑用于有机废水的处理,活性物质的回收再利用等方面。同时,整体的冰结晶又是很好的蓄冷、降温用冷源。这些方面对于保护环境、促进资源的再利用都是很有意义的。对食品冷冻浓缩技术来说,应在提高冰晶纯度、减少固形物损失及降低生产成本方面加以深入研究,这样才能充分发挥其自身的优势。冰核微生物用于食品冷冻浓缩中,属于生物技术与食品加工相结合的一项高新技术,极富应用潜力。参考文献：[1]HuigeN.J.J.andThijssenH.A.C.Productionoflargecrystalsbycontinuousripeninginastirredtank[J].Crystalgrowth,1972(13/14):483-487.[2]MarinoRodriguez,SusanaLuque,JoseR.Alvarez,JoseCoca.Acomparativestudyofreverseosmosisandfreezeconcentrationfortheremovalofvalericacidfromwastewaters[J].Desalination,127(2000):1-11.[3]F.A.Ramos,J.L.Delgado,E.Bautista,A.L.Morales,C.Duque.Changesinvolatileswiththeapplicationofprogressivefreeze-concentrationtoAndesberry(RubusglaucusBenth)[J].JournalofFoodEngineering,69(2005):291-297.[4]OsatoMiyawaki,LingLiu,YoshitoShirai,ShigeruSakashita,KazuoKagitani.Tubularicesystemforscale-upofprogressivefreeze-concentration[J].JournalofFoodEngineering,69(2005):107-113.[5]DurwardSmith,CarolRingenberg,ErikOlson.FreezeconcentrationofFruitjuice[R].Food﹠NutritionSafety,2006.[6]詹晓北.冷冻浓缩技术在啤酒工业中的应用[J].冷饮与速冻食品工业,1996,(1):14-16.[7]张春娅,张军,王树生,张美玲,高年发.葡萄酒冷冻浓缩技术的研究及应用[J].酿酒科技,2007,(2):55-57.[8]孙卉卉,马会勤,陈尚武.冰冻浓缩对低糖葡萄汁及葡萄酒品质的影响[J].食品科学,2007,28(5):86-89.[9]袁林峰,闵华,黄霞萍.甘蔗汁冷冻浓缩特性研究初报[J].江西农业学报.2002,14(1):61-64.[10]肖旭霖,李慧.苹果汁冷冻浓缩工艺的研究[J].农业工程学报,2006,22(1):192-194.[11]刘凌等.液体食品的渐进冷冻浓缩[J].食品与发酵工业,1999,25(4):31～34