流态化技术在食品工业领域的研究及应用进展

农产品加工（学刊）2014年第1期流态化技术在食品工业领域的研究及应用进展任霞（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100190）摘要：流态化技术具有传质效果好、床层温度分布均匀、易于工程放大等显著优点，在流化速冻、流化干燥、流化造粒、流化吸附等领域有着广泛的应用前景。概括流态化技术在食品工业领域中的应用，并对食品流态化技术的最新研究及进展进行阐述。关键词：流态化；速冻；干燥；喷雾造粒；吸附中图分类号：TS203；TS210.3文献标志码：Adoi：10.3969/jissn.1671-9646（X）.2014.01.049（PatentExaminationCooperationCenterofthePatentOffice，SIPO，Beijing100190，China）Thefluidizationtechnologyhasplentyofoutstandingadvantages，suchasgoodmasstransfereffect，uniformdistributionofbedtemperature，easytoengineeringenlargement，etc.Therearebroadapplicationprospectsoffluidizationtechnologyinthefluidizedquickfreezing，fluidizeddrying，fluidizedgranulationandfluidizedadsorptionfields.Thefluidizationtechnologyinfoodindustryapplicationsaresummarized，andthelatestresearchandprogressonfoodfluidizationtechnologyaredescribed.fluidization；quickfreezing；drying；spraygranulation；adsorption0引言流态化技术在工业中的应用十分广泛，在能源、化工、环保、食品和制药等领域得到了广泛地应用。近年来，食品工业不断发展壮大，生产领域涵盖了气-固、液-固和气-液-固多种反应过程，流化床由于具备独特性能，在食品工业领域的应用愈加广泛[1-2]。特别对于大规模连续化生产需求，通常采用流化床设备型式，利用流态化生产来实现。流态化技术具有如下的特点[3]。（1）流化床采用的颗粒粒径较固定床要小得多，其比表面积更大，颗粒在气体的作用下，具有液体般自由流动的趋势；气力输送实现了固体的连续加工，因此流化床的生产能力要比固定床大得多，易于工程放大，可以实现大规模连续化生产。（2）流化床内颗粒混合剧烈，两相或三相之间相互摩擦与频繁碰撞使固体表面的更新速率加快，气固接触效果良好，有利于传质过程；同时固体颗粒热容量比同体积气体大得多，气-固之间的强烈扰动增强了颗粒自身及颗粒与流体之间的热量传递的同时，也提高了床层的温度均匀性，避免了床层内的轴、径经过大温差，因此对强放热及强吸热过程均适用。（3）对于需要加热或冷却的工艺过程，流化床层内设置的颗粒强烈的扰动使颗粒与设置于其中的换热管壁面间频繁接触，换热表面的颗粒更新速率加快及管壁流体边界层的破坏增强了床层与管壁间的传热。流态化技术在食品工业的主要应用有流化速冻、流化干燥、流化造粒、流化吸附等，本文对食品工业领域中应用的流态化型式进行了概述与总结，以期为后续研究者提供有价值的参考。1流化速冻食品流态化速冻是指食品颗粒在一定流速的冷气体自下而上的作用下保持流化状态，继而实现快速冻结的一种冻结方法，是目前在食品速冻领域中被广泛采用的一种冻结方法[1]。在冻结过程中，比食品温度低的冷风既作为冷冻介质，也用作保持食品颗粒流化状态的介质，利用了流化床气-固之间以及固体之间的剧烈接触、传热效果好等优点，强化了食品与冷风的热交换，较之结构复杂、能耗大、收稿日期：2013-12-27作者简介：任霞（1985—），女，硕士，研究方向为食品领域发明专利审查。文章编号：1671-9646（2014）01b-0056-04第1期（总第341期）农产品加工（学刊）No.12014年1月AcademicPeriodicalofFarmProductsProcessingJan.2014年第1期成本高的真空制冷和沉浸式冷冻等传统工艺，具有冻结速度快、冻结产品质量好、能耗低、干耗少等优点，是实现食品单体快速冻结的一种理想设备。尤其适宜球状、圆柱状、片状及块状颗粒食品的冻结加工，对于果蔬类单体食品效果更佳，能最大限度地保持食品原有的营养成分和新鲜状态。此外，食品颗粒保持流态化操作方式，能有效地避免黏连的发生，便于包装与食用[4]。近年来，研究者研究开发了多种形式的流态化速冻方式与装置，可按照机械传送方式、流态化程度和冻结区段来划分[4]。特别是近10年来，将液氮速冻与流态化技术相结合，利用无毒的液氮喷淋雾化产生的冷风作为冷冻介质更加推进了流化速冻行业的发展。流态化速冻方式划分见表1。刘宝林等人[5]将液氮速冻与流态化技术结合，以液氮喷淋雾化产生的冷风取代流态化装置中传统的制冷系统，对新鲜黄瓜片进行了流化速冻。结果表明，流态化速冻比液氮直接喷淋换热更加均匀，降温速率适中，避免了表面龟裂；液氮雾化较之直接喷淋有效地降低了成本，液氮的引入具有抗氧化、杂菌少等特点。樊建等人[6]采用液氮速冻与流态化技术相结合的方式，对比研究了草莓在速冻与缓冻状态下冻品解冻后汁液流失率的大小。结果表明，快速冻结时细胞和原生质受损伤的程度较低，解冻时不会出现严重的汁液流失，保持了草莓原有的营养成分和风味。2流化干燥流化床干燥器又称沸腾床干燥器，它可以使食品颗粒在气流自下而上的作用下保持流化状态，物料与气体充分接触，进行快速传质（水分传递）与传热，最终由气体将水分带出，进而实现干燥目的。流化床干燥装置自20世纪40年代末开始应用，至今已发展了单层和多层圆筒型流化床、卧式多室流化床、振动搅拌流化床、离心式流化床、脉冲流化床、惰性粒子流化床等多种型式[7]。流化床吸附干燥原理见图1，热泵流化床干燥装置见图2。流化床床层内气体与颗粒剧烈混合，接触面积增大，两相间传热传质速率高、床层热容量大、温度分布均匀；物料在床层内停留时间短，干燥速率快；物料含水量发生波动时，可适时进行调整，对物料具有很高的适应性。此外，流化床干燥器自身不含机械转动部件，降低了机械故障的发生几率，投资及维护成本减少，是目前农副产品干燥的先进装备[8]。影响流态化干燥效果的主要因素有颗粒的传热传质特性、颗粒的初始含湿量、空气的温度和湿度及空气的流量等。众多研究者对上述因素进行了理论与实验研究，并取得了一定成果。金丽梅等人[9]采用流化床对甘蓝进行干燥，研究了气流量、气流温度、甘蓝尺寸对干燥效果的影响，并与洞道干燥试验进行了平行对比。结果表明，流化床干燥所需时间大幅缩短；减少甘蓝的尺寸，提高热气流温度及降低气流量均可提高甘蓝干制品的复水性和感官品质。刘彬等人[10]采用流化干燥方法对发酵柑橘皮渣的干燥过程进行了试验研究，分析了风速、颗粒粒径等因素对柑橘皮渣传热传质的影响，并根据试验结果建立了传质与传热的经验表达式。结果表明，相对于此外颗粒粒径与物料含水率，风速对传热的影响最大。谢丽芳等人[11]对小米和硅胶2种物料对脉动流化床干燥与无脉动流化床干燥效果进行了对比研究。结果表明，脉动流化床干燥能显著提高物料的干燥速率，其床层温度低于进风温度相同条件下的流化床干燥，且明显提高干燥物料品质，因此更适用于热敏性物料的干燥。此外，众多研究者将流态化干燥与热泵技术相结合，采用干燥介质的密闭循环方式，利用热泵的除湿-加热循环研究开发了热泵流化床干燥器，具表1流态化速冻方式划分分类形式物料传送形式流态化程度冻结区段带式（单层、多层），振动式（往复式、直线式），斜槽式半流化，全流化一段，两段图1流化床吸附干燥原理[2]图2热泵流化床干燥装置[2]排气干燥物料明附剂气体分布器空气低温干空气热泵蒸发器低温干空气循环风道流化床排水口凝结液滴热泵冷凝器风机中温干空气任霞：流态化技术在食品工业领域的研究及应用进展57··农产品加工（学刊）2014年第1期有热效率高、节能、干燥温度低、安全卫生、环境友好等特点，特别适合于谷物、种子及食品原料等热敏性物料的干燥。朱保利等人[12]开发了热泵流化床干燥设备，并以胡萝卜为原料进行了对比试验验证。结果表明，流化床干燥过程比箱式热泵干燥效率高，干燥时间短；流化过程气-固之间的剧烈接触减小了物料表面阻碍传热传质的滞留边界层，减少了传热与传质的阻力，因此强度高于穿流干燥。向飞等人[13]对小麦进行了流化床薄层干燥试验，回归了可用于预测的经验关联式，并开发了热泵流化床谷物干燥试验系统，用该系统对经验关联式进行了验证。结果表明，使用热泵作为热源，流化床作为干燥器，可大大降低能耗，采用流化床作为干燥器可以提高干燥速度。但采用热泵式流化床干燥装置时，技术含量、初投资和设备管理要求也相应提高，具体进行方案优选时，应针对具体条件和要求考虑综合技术经济性。3喷雾造粒流化床造粒是指使粉体物料在溶液的雾状气氛中保持流化状态的同时，使溶液在颗粒表面凝集的过程，集成粒、混合、干燥等过程于一身，在食品领域（尤其速溶食品）已经得到了广泛应用。流化床造粒可以改变产品结构形状，进而改进产品外观；通过控制流化操作参数便于控制产品性质、溶解度、孔隙率、比表面积等；在实现产品生产的同时可以降低能耗、减少物料损失，回收工业中产生的粉尘。流化床造粒主要可分为流化床喷雾造粒、喷动流化床造粒、振动流化床造粒等。近几年，高速超临界流体（RESS）造粒也有所发展[14]。流化床造粒中的团聚和涂布见图3，流态化超高温杀菌原理流程见图4。齐涛等人[16]探索了流化床喷雾造粒制取低糖速溶豆粉的新工艺，研究了豆粉在间歇式流化喷雾造粒床内的颗粒生长机理和规律，对床层温度、流化气速、料液的黏度等参数对颗粒生长速率的影响进行了研究分析。结果表明，豆粉造粒过程以团聚生长为主，料液流量和黏度、晶种的粒度和数量、晶种是影响颗粒生长速率的重要因素。谭凤娟等人[17]研究开发了集造粒、结晶、干燥等过程于一体的硫酸锰喷雾流化造粒技术，可以一步实现硫酸锰的结晶、造粒、干燥过程，该工艺采用闭路循环，采用过热蒸汽作为干燥介质，减少了传统生产工艺的诸多工序，提高产品品质的同时降低了成本，减少了环境污染。4流态化杀菌对于尺寸较小的颗粒状物料，在蒸汽的驱动下保持流动状态，并实施杀菌，将大幅度提高加热的均匀度，避免过度加热的缺点，实现高效、快速的杀菌效果。较之固定床堆积状态杀菌存在的传热慢、加热不均等弊端有着巨大优势。谢堃等人[18]分别以黑胡椒粒、胡萝卜粒和番茄粒为原料，探究了不同蒸汽温度和流量条件下流态化杀菌效果。结果表明，流态化蒸汽杀菌装置可以有效地对颗粒状物料进行杀菌。菌落总数随着蒸汽流量的增加、蒸汽温度的提高而递减；杀菌后各物料的含水量均随着蒸汽流量的增加而增大；杀菌前后各物料的色泽与气味无明显差异。近年来，流态化固体食品超高温杀菌逐渐得到了研究者的关注。其具体过程是工艺传热介质以错流的方式流经固体食品，在135~150℃下保持流态化状态加热2~16s，以强制对流方式加热食品颗粒。达到杀菌条件后，再通过减压蒸发冷却或流态化冷却，处理后产品达到商业无菌要求的杀菌过程，是一种以不含液体的主食固体食品为最终产品的热杀菌工艺。整个过程快速加热、快速冷却，食品不会因过热导致品质破坏。邓力等人[19]对流态化固体食品超高温杀菌的流体力学、传热学等理论进行了分析与优化，对核心理论参数进行实验验证，并与当前主流的传统固体食品杀菌技术进行比较，初步确定流态化固体食品超高温杀菌技术理论基础和关键研究方法，构想并成功设计制造了原理验证设备。高毅等人[20]在邓力等人的研究基础上，构建了新的食品模拟系统，并利用颗粒食品在湍流热水中加热的杀菌过程对其进行了检验。5流化床吸附流化床主要有两方面的用途，即流化床接触吸附