第二章 食品的干燥技术

第二章

食品的干燥技术概述食品的冷冻干燥技术食品的喷雾干燥技术§2.1概述

一.食品湿物料去湿的方式

——机械去湿如过滤、离心分离等；

——物理化学去湿如石灰、无水CaCl2吸附去湿；

——热能去湿即狭隘定义上的干燥。

食品的干燥过程涉及复杂的化学、物理和生物学的变化，对产品品质和卫生标准要求很高，有些干燥制品还要求具有良好的复水性。因此要根据物料的性质（粘附性、分散性、热敏性等）和生产工艺要求，并考虑投资费用、操作费用等经济因素，正确合理的选用不同的干燥方法和相应的干燥装置。提供热能的方式①对流干燥（热风干燥）

以热空气为热源，即对流传热将热量传给物料，同时又将汽化水分带走。热空气既是载体，又是载湿体。热风干燥一般多在常压下进行。②传导干燥

靠间壁的导热将热量传给物料，热源可以是水蒸气、热水、热空气等。在常压下操作时，物体与气体间虽有热交换，但气体主要起载湿体的作用。接触干燥也可在真空下进行。③辐射干燥

利用红外线、微波等作为热源，将热量传给物料，此方法与接触干燥的不同仅在于热源的不同。二.食品物料中水分的存在形式

按水分水分除去的难易可分为：

结合水非结合水（区别是水分活度）化学结合水物理化学结合水（包括吸附水、渗透水和结构水）机械结合水按水分与物料间架的结合形式可以将物料中的结合水分为：

食品湿物料在干燥过程中，所除去的水分主要是机械结合水和部分物理化学结合水。在干燥过程中，首先除去的是结合力最弱的机械结合水，然后是部分结合力较弱的物理化学结合水，最后才是结合力较强的物理化学结合水。在干制品中残存的是那些结合力很强，难以用干燥的方法除去的少量物理化学结合水和化学结合水。三.食品物料湿含量的表示方法

1.湿基含水量

是以湿物料为基准，水分占总质量的百分比，即：

式中w――湿基湿含量（％）；

m――水的质量（kg）；

m0――湿物料的总质量（kg）。2.干基含水量

干基湿含量以不变的干物质为基准，指湿物料中水分与干物质质量的百分比。即：

w’――干基湿含量，％；mc――湿物料中干物质的质量，kg。或

是指物料表面水分的蒸气压与相同温度下纯水的饱和蒸气压之比。即：

Aw=PV/PS四、水分活度式中Aw--水分活度;

Pv

--物料表面水分的蒸气压，Pa;

Ps

--同温度下纯水的饱和蒸气压，Pa.

物料中自由水的蒸气压与同温度纯水的蒸气压接近，所以它的活度接近于1。对于理想的结合力为无限大的水分，其蒸气压可假设为0，所以其水分活度也趋近于0。实际上食品物料中水与固相的结合力不同，它们的水分活度在0～1之间。温度不变，Aw增大表示了物料中水分汽化能力的增大，水分透过细胞膜的渗透能力增大，水分在物料内部扩散速率增大。物料湿含量与水分活度之间的关系不仅与温度有关，而且与食品物料的种类有关。五、水分活度与食品的保藏性食品的腐败变质通常是由微生物作用和生化反应所造成的，任何微生物进行正常的生长繁殖以及多数生化反应都需要以水作为溶剂或介质。但它们所能利用的水分主要是物料中的非结合水分，也称之为有效水分，只有有效水分才能被微生物、酶和化学反应所触及。当水分活度降至0.75以下，食品的腐败变质才显著减慢；水分活度降至0.70以下，物料能在室温下进行较长时间的贮存；而当水分含量降低1％以下时可以完全抑制酶的活性。微生物与水分活度的关系Aw微生物生长状况Aw微生物生长状况<0.94大多数细菌不能生长繁殖<0.74大多数霉菌不能生长繁殖<0.85大多数酵母不能生长繁殖<0.62几乎没有能够生长繁殖的微生物目前的干燥方法通常采用的干燥温度不是很高，即使是高温干燥，因脱水时间极短，微生物只是随着干燥过程中水分活度的降低慢慢进入休眠状态。因此食品干燥过程不能代替食品必要的灭菌处理，应该在干制工艺中采取相应的灭菌措施以保证干制品安全卫生并延长货价寿命。也同样不能用干燥来代替对酶的灭活和钝化。六.干燥介质（热空气）1.湿度

空气中的水分含量也用湿度来表示两种表示方法，即绝对湿度和相对湿度。2.温度

湿空气的温度可用干球温度和湿球温度表示。用普通温度计测得的湿空气实际温度即为干球温度。若用湿纱布包扎温度计的感温部分，纱布下端浸在水中，以维持其处在湿润状态，就成为湿球温度计。将湿球温度计置于湿空气中，经过一段时间达到稳定后，其度数称为湿球温度。

3、临界含水量

扩散控制的转折点。临界点处物料的含水量称为临界含水量或临界湿含量。其因物料的性质、厚度和干燥速率的不同而异。同一物料，如干燥速率增加，则临界含水量增大；在一定的干燥速率下，物料愈厚，则临界含水量愈高。在食品工业中，物料的降速干燥最为常见。如新鲜水果、蔬菜、畜肉、鱼肉等加工制品以及果胶、明胶、酪蛋白等胶体物质的干燥均以降速阶段为主。有时甚至无恒速段，此时干燥操作的强化须从改善内部扩散着眼。不同性质物料的临界含水量范围物料特征示例临界含水量/%粗核无孔物料50＞目晶体粒状，孔隙较少，粒度为50～325目晶体，粒状，孔隙较少粗纤维细粉和无定性、胶体状细纤维，无定性和均匀状态的压紧物料、有机物的无机盐胶体和凝胶状态，有机物和无机盐石英食盐谷氨酸结晶醋酸纤维淀粉、硬脂酸钙动物胶、硬脂酸钙3～55～1515～2525～5050～100100～20004、影响干燥速率的因素

对于对流干燥，主要有以下几方面：①湿物料的性质与形状包括物理结构、化学组成、形状大小、料层厚薄及水分结合方式。②物料的湿度物料中的水分活度与湿度有关，因而影响干燥速率。③物料的温度温度与水分的蒸汽压和扩散系数有关。④干燥介质的状态温度愈高相对湿度愈低，对增大干燥速率愈有利。⑤干燥介质的流速由边界层理论可知，流速愈大，气膜愈薄，愈有利于增加干燥速率。⑥介质与物料的接触状况，主要指介质的流动方向。流动方向垂直与物料表面时，干燥速率最快。对真空干燥，除湿物料的性质、形状、温度、湿度影响干燥速率外，影响传热的因素也影响干燥速率，主要有几个方面：①物料与加料板或辐射源的靠紧程度，料盘的形状和材料等。②加热蒸汽压强和辐射体的温度、功率。③设备密封性和真空泵的性能。

八.干燥过程中的食品物料的主要变化

1.物理变化物料干缩表面硬化内部多孔性2.化学变化蛋白质、脂肪、维生素、色素等的变化。九.干燥方法

按干燥方式：间歇式和连续式；

工作原理：对流干燥、传导干燥、辐射干燥；

按操作压力：常压干燥和真空干燥；

对流干燥应用最多：自然干燥、喷雾干燥、

流化床干燥等对辐射干燥包括：微波干燥、红外线干燥等。§2.2食品的冷冻干燥技术

定义：冷冻干燥是将物料预冷至-30～-40℃，使物料中的大部分水冻结成冰，然后提供低温热源，在真空状态下，使冰直接升华为水蒸气而使物料脱水的过程。因此，冷冻干燥又称真空冷冻干燥、冷冻升华干燥。

一、冷冻干燥的特点

①食品干燥是在低温(-40～-60℃)下进行,且处于高真空状态，因此，特别适用于热敏性高和极易氧化食品的干燥,可以保留新鲜食品原有的色、香、味及营养成份。②冻干制品不失原有的固体骨架结构,保持物料原有的形态,同时干制品可以加工成极细的粉状物料,用于制作保健品、调味品和速溶品等。③在升华干燥过程中,固态冰晶升华成水蒸汽后在食品物料中留下空隙，故冷冻干燥食品具有干燥的海绵状多孔性结构，食品因此具有理想的速溶性和快速而近乎完全的复水性。④由于在升华干燥过程中,食品中的可溶性物质在原位置就地析出，这就避免了一般干燥方法中由于物料内部水分向其表面毛细流动迁移而将可溶性物质和营养物质携带至物料表面所造成的营养损失和物料表面硬化等不良现象。新鲜蔬菜、水果经脱水后，由于香味、糖分被浓缩，吃起来比原来更香甜可口。鲜肉脱水后的味道比原来更鲜美，且复水性好。⑤冻干食品采用真空或充氮包装和避光贮藏，可保持5年不变质，与速冻食品相比，免除了运输、储存和销售过程中耗费很高的冷藏链。⑥冷冻干燥食品的脱水彻底，重量轻，尤其适合于长途运输以及野外作业，如军事、航空、航天、勘探等特殊环境下的食品供给。在快餐以及其他即时食品业中也有广泛应用。二、冷冻干燥的原理

冷冻干燥包括两个过程①物料冻结；②冰晶升华。1、水的相平衡关系①气、液、固三态②点、线关系③三相点：610.5Pa，0.0098℃水的相平衡示意图温度/℃温度℃2、冻结冷冻

冷冻干燥产品的质量以及干燥持续的时间与冻结过程密切相关，冻结速率和最终温度是取得良好结果的决定性参数。

冻结速率即单位时间的温度降。冻结速率很大程度上影响冻结物品的颜色、坚固性、香味和结构。冻结速率小，形成少量的晶核，但成长为大的晶体。大晶体有利于在较短时间内完成升华过程，但是大晶体会损坏物料的细胞结构。大的冻结速率可形成很多晶核并生长为小的冰晶，则可很好地保持原来的结构形状，以及原有的色香味和生物活性等。常采取极快的冻结速率，很好地保持物料原有的纤维组织结构或生物活性等。而冷冻干燥食品的香味是判定质量的一个重要准则。冻结时的溶质效应随着食品物料温度的下降至冰点以下，开始有纯冰晶析出，但剩余的溶液溶质浓度越来越大，那么再继续结冰的温度也越来越低，即只有达到最低共熔点温度，才能全部结冰。如NaCl、CaCl2的最低共熔点温度为-20℃和-54.9℃。事实上，食品物料还要残留一部分的水分，同时为了节约冷量，降低生产成本，冷冻温度并非达到最低共熔温度。许多食品物料的组织结构中不仅含有纯水，而且含有稀的盐溶液。温度℃温度℃盐水最低共熔点3.食品冷冻干燥过程的传质和传热①冷冻干燥的传质

物体冷冻干燥时在整个升华过程中总是存在着一定的升华表面，把物料固相内部分成两个区域：即已干层和冻结层。实际上，上述两层之间不会存在明显的界限，界面内外的水分含量有一个逐渐过渡的区域，称为过渡区。传导和辐射是冷冻干燥所采用的主要传热方式。一(a)为传热和传质沿同一途径，但方向相反；二(b)为传热经过冻结层，而传质经过已干层；三(c)为热量从冰的内部发生，而传质经过已干层。②冷冻干燥的传热物料内部的传热和传质示意图③冷冻干燥应注意的问题

升华干燥过程中，保持足够的真空度供热太快，受热不均匀或预冻不完全，则会在升华过程中，使产品部分液化，在减压条件下产生喷瓶现象，使制品表面不平整保持恒定升华温度

速冻过程要快，越快，生成的冰晶越小，对物品结构影响越小冻结温度应在三相点以下一、冷冻干燥装置的系统组成1.冷冻干燥室：冷冻干燥室有卧式圆柱形、箱形等类型2.真空系统：由冷冻干燥室、低温冷凝器、真空阀门和管道、真空泵和真空仪表等构成冷冻干燥设备的真空系统，系统要求密封性能好。3.制冷系统：制冷系统由冷冻机组、冷冻干燥室和低温冷凝器内部的管道组成

。4.加热系统

5.控制系统控制系统：由各种开关、安全装置、自动监测传感器和仪表组成。

三、冷冻干燥装置

原料冷冻干燥室加热系统加热系统冻结系统制冷系统真空系统控制系统干制品冷冻干燥设备

冷冻干燥装置的型式

（一）间歇式冷冻干燥装置（二）多箱间歇式和隧道式冷冻干燥装置（三）连续式冷冻干燥装置1－冷凝器；2-膨胀阀；3-干燥室；4-水气冷凝进口阀；5-冷阱；6-膨胀阀；7-冷凝器；8-制冷压缩机；9-热交换器；10-真空泵；11-制冷压缩机疫苗生产的冷冻干燥过程四、冷冻干燥在食品工业中的应用

1.咖啡2.水果（草莓、香蕉等）3.蔬菜（胡萝卜、菠菜、葱、姜、蘑菇等）§2.3食品的喷雾干燥技术

定义：喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳浊液、悬浮液或浆状物料加工成粉状干制品的一种干燥方法。它将液体通过雾化器的作用，喷成极细的雾状液滴，并依靠干燥介质（热空气，烟道气或惰性气体）与雾滴的均匀混合，并进行能量交换和物质交换，使水分（或溶剂）汽化的过程。一、喷雾干燥技术的特点

①干燥速率高、时间短；②物料的温度较低；③制品有良好的分散性和溶解性；④产品纯度高；⑤生产过程简单，操作控制方便；⑥适宜于连续化生产。二、雾化形式与喷雾器

雾化形式一般有三种：气流喷嘴式雾化、压力式喷嘴雾化和离心旋转式雾化：1.气流喷嘴式雾化是利用压缩空气压缩空气(或水蒸气)以高速从喷嘴喷出，借助于空气(或蒸汽)、料液两相间相对速度的不同产生的摩擦力，把料液分散成雾滴。

2.压力式喷嘴雾化是利用压力泵将料液从喷嘴孔内高压喷出,将压力能转化为动能,与干燥介质接触分散成雾滴。3.旋转式雾化是指料液经高速旋转的盘或轮,在离心力作用下,从盘或轮边缘甩出,与周围介质接触形成料雾。喷雾干燥设备一般由干燥室、喷头、空气滤过器、预热器、气粉分离室、收集桶、鼓风机组成。喷雾器是喷雾干燥设备的关键部分，它影响到产品的质量和能量消耗。常用喷雾器有三种类型:

压力式喷雾器、气流式喷雾器、离心式喷雾器喷雾器离心喷雾器操作示意图压力式喷雾操作示意图二流式喷嘴三流式喷嘴四流式喷嘴1-干燥用热风；2、4-空气；3-料液喷雾状态压力喷嘴不同的喷