《食品加工新技术》PPT课件.ppt

第六章 食品加工新技术 主讲教师：刘雄 西南大学食品学院 2009.11.25 食品加工新技术领域 1、 生物技术（基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等） 2、 新型分离技术(超临界流体萃取技术、膜分离技术、反渗透技术等) 3、 新型杀菌技术(冷杀菌、超高压杀菌、微波杀菌等) 4、 新型干燥技术(冷冻干燥、真空干燥和喷雾干燥等) 5、 高效制汁与浓缩技术（酶技术、低温多效浓缩技术） 6、 超微粉碎技术 7、 速冻技术 8、 无菌罐装技术 9、 膨化技术 10、辐射技术 11、微胶囊与缓释技术 12、质构重组与淀粉修饰技术 概念 食品的辐射保藏是利用射线照射食品，灭菌、杀虫、 抑制鲜果蔬的生命活动，从而达到防霉、防腐、延 长食品货架期目的的一种食品保藏方法。 食品辐射保藏的特点 “冷杀菌”； 具有良好的保鲜效果； 辐照处理食品能耗低； 对环境的污染小。 。 食品的辐射保藏 美国最早于本世纪四十年代开始进行辐射(照)保 藏食品的研究，当时主要是用于军事上。1943年发 表了对汉堡包进行辐照杀菌的论文后，美国由此解决 了海军食品保存问题。尔后研究遍及美国90多所大学 及科研单位。 五十年代初前苏联、欧洲和日本也相继进行了广 泛的研究。 我国食品辐射(照)的研究则最早于1958年开始， 70年代中在四川、河南、天津、北京、上海、东北地 区、湖南、广东等地相继开展了食品辐照的研究。 在国际原子能机构(IAEA)、联合国粮农组织 (FAO)和世界卫生组织(WHO)的倡议下，1970年在巴 黎成立了“食品辐射(照)国际计划”(IFIP)，先后共有24 个国家参加该计划，分工协作进行研究。 一、食品辐射保藏的历史发展 食品辐照时，射线把能量或电荷传递给食品 以及食品上的微生物和昆虫，引起的各种效 应会造成它们体内的酶钝化和各种损伤会迅 速影响其整个生命过程，导致代谢、生长异 常、损伤扩大直至生命死亡。而食品则不同 ，除了鲜活食品之外均不存在着生命活动， 鲜活食品的新陈代谢也处在缓慢的阶段，辐 射所产生的影响是进一步延缓了它们后熟的 进程，符合储藏的需要。 二、食品辐射保藏的基本原理 第三节 食品的辐照效应 1、辐射术语与单位 （1）放射性强度的单位 放射性强度是度量放射性强弱的物理量，常用的单 位有居里(Ci)、贝克(Bq)和克镭当量。 辐射强度也可用辐射线的能量来表示，辐射能量德 单位是电子伏特（eV),它表示任何带单位电荷的粒 子弹其越过1V点位差时所需的能量。 (2) 照射量及其单位 照射量(Exposure)是用来量度X射线或g射线在空气 中电离能力的物理量，其单位为伦琴(R)。 （3）吸收剂量及其单位 被照射物质所吸收的射线的能量称为吸收量，其单 位为J/kg,专用名为戈瑞(Gy)，或拉德(rad) 。 2、食品辐射效应 (1) 食品辐射的物理效应 a. g射线和X射线的作用 康普顿散射、 感生放射性 b. 电子射线的作用 电离 散射 韧性辐照 湮没辐射 契论科夫辐射 (2) 食品辐射的化学效应 辐射的化学效应是指被辐射物质中的分 子所发生的化学变化。食品的辐射处理，发 生化学变化的物质，除了食品本身及包装材 料之外，还有附着在食品表面及内部的微生 物、昆虫和寄生虫等生物体。 辐射化学效应的强弱用G值表示，所谓G值就是 介质中每吸收100eV能量时发生变化的分子数。 例如，麦芽糖溶液经过辐射发生降解的G值为 4.0，则表示麦芽糖溶液每吸收100eV的辐射能，就 有4个麦芽糖分子发生降解。不同介质的G值可能相 差很大，G值大的，辐射引起的化学效应较强烈；G 值相同者，吸收剂量大者所引起的化学效应较强烈 。例如G值等于3，吸收剂量为1Mrad时，每千克介 质发生变化的摩尔数为3.110-6，剂量提高到6Mrad 时，则每千克发生变化的摩尔数达1.910-2。 a.水 水辐射的化学效应可概括为： H2O 2.7OH +0.55H +2.7e-水化+0.45H2 +0.71H2O2 +2.7H3O b. 蛋白质和酶 蛋白质 结构破坏 辐射交联 辐射降解 蛋白质辐照时交联与降解同时发生，而 往往是交联大于降解，所以降解常被掩盖而 不易觉察。 酶 酶的主要组成部分是蛋白质，所以辐射 对酶所引起的作用与蛋白质类似，酶中所含 的巯基(-SH)由于容易氧化会增大酶对辐射的 敏感性，但在复杂的食品体系中，由于其他 物质的伴生存在而使酶得以保护，欲使酶钝 化需要相当大的辐射剂量。 c. 糖类 糖类在辐射过程中发生的变化主要是降 解作用和辐解产物的形成，若干固态糖类的 辐解产物见表。 糖辐解产物G值500krad时浓度(10mgkg- 1) 葡萄糖甲醛0.060.095 乙醛 丙酮 葡糖醛酸0.44.1 葡糖酸0.88.2 5-脱氧葡糖酸0.323 果糖甲醛2.54 蔗糖甲醛0.160.25 果糖 葡萄糖 甘露糖醇甲醛0.81.26 果糖0.565.2 表 辐射不同固态糖类的主要辐解产物 d. 脂类 脂肪和脂肪酸被射线照射时，饱和脂肪比较稳 定，而不饱和脂肪容易氧化，出现脱羧、氢化、脱 氨等作用。有氧存在时，由于会发生自动氧化作用 ，饱和脂肪也会被氧化。辐射促进自动氧化过程可 能是由于促进自由基的形成和氢过氧化物的分解， 并使抗氧化剂遭到破坏。 食品中的脂类组分受辐射而产生的化合物，除了 有辐射诱导的自动氧化产物外，也有非氧化的分解 产物。 e. 维生素 食品中维生素在辐射中的稳定性和食品 的性质及成分有密切的关系，其损失率随着 辐射剂量的增大而增大。 (3) 食品辐射的生物学效应 a. 抑制蔬菜发芽和果实后熟 蔬菜中的马铃薯和洋葱，主要是通 过控制其休眠来进行储藏的。在结束 休眠后，如果温度和湿度适宜时，便 会旺盛地发芽；果实采收后的成熟现 象称为后熟，后熟的速度影响着储藏 期的长短。 辐射对生物体作用的机理目前尚未十分清楚 ，但可能与下列原因有关： (1) 由于射线的辐照，细胞中的DNA和RNA 受到损伤，植物体生长点上的细胞不能发生 分裂，所以马铃薯、洋葱等经辐照后不会发 芽。 (2) 食品辐照时，干扰了ATP的合成，使细胞 的核酸减少，抑制了植物体的发芽。 (3) 植物组织处于休眠状态时，其生长点缺 乏植物生长激素或生长激素被钝化，若把经 过辐射的马铃薯放入一种生长激素赤霉素 酸溶液中，马铃薯就开始发芽。 (4) 对于具有呼吸高峰的果实，在高峰开始 出现前夕，体内乙烯的合成明显增加，从而 促进成熟的到来。若在高峰前对果实进行辐 照处理，由于干扰了果实体内乙烯的合成， 就能够抑制其高峰的出现，延长果实的储藏 期。 b. 导致微生物和昆虫的死亡 食品经辐射后，附着在食品上的微生物和 昆虫发生了一系列生理学与生物学效应而导 致死亡，其机理是一个十分复杂的问题，目 前还没有完全搞清楚，一般认为与下面两点 有密切关系： (1) 造成遗传物质DNA的损伤； (2) 辐射化学效应的产物与细胞组成发生反 应。 食品的辐射装置包括辐射源、 防护设备、输送系统和自动控制与 安全系统。 二、食品辐射装置 1. 辐射源 辐射源是食品辐射加工的核心部 分，它可以分为放射性同位素和电子 加速器两大类。 (1) 放射性同位素 60Co辐射源、 137Ce辐射源 (2) 电子加速器 电子射线射程短，密度大，穿透力差，一般 适用于食品表面的照射。如对易腐食品辐射 时，选定适当的“加速能”，就可使射线不穿 透食品内部，只进行表面杀菌。 X射线 X射线具有高穿透能力，可以用于食品辐 射加工。但是由于电子加速器作X射线源效 率低，而且能量中包含大量低能部分，难以 均匀照射大块样品，故没有得到广泛的应用 。 三、食品的辐射剂量 及辐照食品安全 1、食品辐射的类型 联合国粮农组织(FAO)、国际原子能机构(IAEA) 和世界卫生组织(WHO)联合专家委员会把食品 辐射分为下列三类：低剂量辐照、中等剂量辐 照、大剂量辐照。 2.食品辐照的卫生与安全 o辐照食品的安全性通过以下五个方面研究： o1、食品的辐照剂量 o2、食品的包装方法和包装材料 o3、辐射化学变化 o4、动物或家畜喂养实验 o5、辐照食品的毒理学研究 FAO、 IAEA和 WHO联合专家委员会得出结论 ，任何商品食物辐照总平均剂量达10kGy水平 时，不具有毒理学上的危害性，这样处理的食 品毋需进行毒理学检查。用10kGy剂量辐照过 的食品，不会引起特殊的营养或微生物问题。 FAO、IAEA和WHO联合专家委员会于 1980年10月27日至11月3日在日内瓦召 开了关于辐照食品卫生会议。依据以前 各届专家委员会的建议和这些机构组织 的其他技术或法律专家会议所作出的结 论，允许食品辐照的最大能量水平是： 电子射线为10MeV；射线和X射线为 5MeV。 1.超临界流体的概念 物质有三中状态，气态，液态和固态。 除了这三中常见的状态外物质还有另的一些状态，如等离子状态 、超临界状态等。 2. 超临界流体的特性 o超临界状态下的流体对溶质的溶解度大大地增加了，一般可达几个 数量级，而在某些条件下甚至可达到按蒸气压计算的1010倍； o超临界流体的密度与液体很接近，而它又具有气体扩散性能； o在超临界状态下气体和液体两相的界面消失，表面张力为零，反应 速度最大，热容量、热传导率等出现峰值； o在临界点附近，压力和温度的微小变化可对溶剂的密度、扩散系数 、表面张力、黏度、溶解度、介电常数等带来明显的变化。 o超临界流体的这些特殊性质，使其成为良好的分离介质和反应介质 ，根据这些特性发展起来的超临界流体技术在分离、提取、反应、 材料等领域得到了越来越广泛的开拓利用。 超临界流体萃取技术 3超临界二氧化碳的溶解性能 o作为一种新型溶剂，超临界二氧化碳能得到广泛的 工业化应用，是因为它具有不同于传统的液体溶剂 的性能。 o超临界二氧化碳的密度接近于液体，使它具有很好 的溶解能； o另一方面它又有与气体相近的高渗透能力和低黏度 ，表面张力接近于零，因此它具有良好的传递性能 ，可以很快的进出被萃取物的微小结构中，这是一 般溶剂所没有的。 o通过改变超临界二氧化碳的压力或温度，可使它的 密度随之大幅度地改变。 o由于超临界二氧化碳的溶解度与密度密切相关，所 以我们可以很方便的改变超临界二氧化碳的溶解度 。 工业用超临界萃取设备 三、超临界二氧化碳萃取的影响因素 o影响因素包括：温度、压力、流量、夹带剂 ；样品的物理形态、粒度、黏度等。 Lab SCF系列超临界萃取仪 超临界水 o所谓超临界水，是指当气压和温度达到 一定值时，因高温而膨胀的水的密度和 因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相 同时的水。此时，水的液体和气体便没 有区别，完全交融在一起，成为一种新 的呈现高压高温状态的液体。 o当水处于其临界点(374，22.1MPa)以 上的高温高压状态时被称为超临界水 (Supercritical Water，简称SCW)，在此 条件下水具有许多独特的性质。 超临界水氧化装置 oSupercritical Water Oxidation(SCWO)法国SEPAREX公司 生产的超临界水氧化装置采用特殊的金 属材料作为釜体，不但可以满足苛刻的 超临界水氧化所需要的条件，而且还具 有强抗腐蚀性。并根据自己二十多年的 研究经验向用户提供多种超临界水氧化 完美解决方案。 特点 反应压力：1000bar 反应温度： 700C 超临界水具有两个显著的特性 o一是具有极强的氧化能力，将需要处理的物质 放入超临界水中，充入氧和过氧化氢，这种物 质就会被氧化和水解。有的还能够发生自燃， 在水中冒出火焰。 o另一个特性是可以与油等物质混合，具有较广 泛的融合能力。如烃类等非极性有机物与极性 有机物一样可完全与超临界水互溶，氧气、氮 气、一氧化碳、二氧化碳等气体也都能以任意 比例溶于超临界水中，无机物尤其是盐类在超 临界水中的溶解度很小。 o超临界水还具有很好的传质、传热性质。这些 特性使得超临界水成为一种优良的反应介质。 膜分离技术 o所谓膜分离，系利用高分子半渗透性膜 ，以膜两侧的压力差或电位为动力，促 使流体中的某些分子或离子透过半透膜 或被半透膜留下来，以获得或去除流体 中某些成分的一种分离技术。 o如果通过半透膜的只是溶剂，则溶液获 得了浓缩，此过程为膜浓缩。如果在过 程中，通过半透膜的不仅是溶剂，而且 选择性地让某些溶质通过，因而溶液中 不同溶质得到分离，此过程也称膜分离 。 几种主要分离膜的分离过过程 膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型 微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜 超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子 胶体和超过截 留分子量的分 子 非对称性膜 纳滤压力差离子大小及电荷 水、一价离子、多价 离子 有机物复合膜 反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐 非对称性膜复 合膜 渗析浓度差溶质的扩散传递低分子量物、离子溶剂非对称性膜 电渗析电位差 电解质离子的 选择传递 电解质离子 非电解质， 大分子物质 离子交换膜 气体分离压力差 气体和蒸汽的 扩散渗透 气体或蒸汽 难渗透性气 体或蒸汽 均相膜、复合 膜，非对称膜 渗透蒸发压力差选择传递易渗溶质或溶剂 难渗透性溶 质或溶剂 均相膜、复合 膜，非对称膜 液膜分离浓度差 反应促进和 扩散传递 杂质溶剂 乳状液膜、支 撑液膜 （1） 微滤（MF） 截留颗粒直径0.22m，可除去淀粉、细菌、霉菌、乳化油等。 （2） 超滤（UF） 截留颗粒直径0.020.22m，相当于分子量10005105道尔顿。 可滤出蛋白质、脂肪、病毒、树脂和色素物质。 （3）反渗透 被截留物质分子量小于1000道尔顿，只允许溶解质或水通过，被形容 为脱水浓缩技术。 (4) 电渗析 应用海水淡化、溶液脱盐等。可提高发酵液中谷氨酸收得率。 (5) 透析 应用生物大分子分离纯化，除去小分子、脱盐等。 食品工业业中几种主要膜分离 超滤 o利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大 溶质分子的操作称为超滤，而这样的半 透膜称为超滤膜。 o 超滤的驱动力是压力，通常高达 1.0MPa。 反渗滤 超微粉碎技术原理 o根据粉碎加工技术的深度和粉体物料物理化学 性质及应用性能的变化，一般将细粉体和微细 粉体分为101000m（细粉），0.110m （超细粉）和0.0010.1m的细粉 o一般采用传统的粉碎或磨粉设备及相应的分级 设备等进行加工，这种加工技术称为磨粉；小 于0.1m的超微细粉目前还难以完全用机械粉 碎的方法加工，需要采用其他物理，化学，方 法进行加工；一般将加工0.110m的超细粉 体和相应的分级技术称为超细粉碎。 超微粉特点及应用 o超细粉体由于粉度细，分布窄，质量均匀，缺陷少，因 而具有比表面积大，表面活性高，化学反应速度快，溶 解度大，烧结温度低且烧结体强度高，填充补强性能好 等特性以及独特的电性，磁性，光学性能. o超微粉碎是近年来世界材料加工业的一项新技术，广泛 应用于化工、冶金、制药、保健品、生物工程、矿产、 农业、建材、军工等领域，该技术可提高产品的加工精 度、档次，提高产品的附加值，尤其在医药领域有广阔 的应用前景。 o广泛应用与高科技陶瓷，微电子及信息材料，塑料，橡 胶及复合材料填料，润滑剂及高温润滑材料，精细磨料 及研磨抛光剂，造纸填料及涂料高级耐火材料及保温隔 热材料等高技术和新材料产业。 气流粉碎机 o工作原理：在旋转叶轮形成的流场中， 颗粒主要受到离心力和气体阻力同时作 用，受到较大离心力的颗粒易被分离， 受阻力大的颗粒易被气流带出。 o气流粉碎机类型：水平圆盘式气流粉碎 机、