食品工艺学导论4

第四章食品的干制保藏第一节食品干藏的原理第二节食品的干制过程第三节食品常用的干燥方法第四节食品在干制过程中的变化第五节干制品的包装和贮藏第六节干制品的干燥比和复水性第一节食品干藏的原理一、水分活度与微生物的关系二、水分活度与酶的关系三、水分活度与其它变质因素的关系长期以来人们已经知道食品的腐败变质与食品中水分含量具有一定的关系。但仅仅知道食品中的水分含量还不能足以预言食品的稳定性。如：花生油含水0.6％时变质，淀粉含水20％不易变质。还有一些食品具有相同水分含量，但腐败变质的情况是明显不同的，如鲜肉与咸肉、鲜菜与咸菜水分含量相差不多，但保藏状况却不同，这就存在一个水能否被微生物、酶或化学反应所利用的问题，这是与水在食品中的存在状态有关。食品中水分存在的形式1、自由水（游离水）：是指组织细胞中容易结冰，也能溶解溶质的这部分水。大致分为滞化水（Immobilizedwater）、自由流动水（Fluidalwater）。2、结合水（束缚水）：不易结冰（－40℃），不能作为溶剂。

化学结合水：按严格的数量比例，牢固地同固体间架结合的水；物理化学结合水：包括吸附结合水、结构结合水及渗透压结合水；机械结合水：毛细管水。滞化水：细胞组织中的显微和亚显微结构与膜所阻留的水，一般不易流动。毛细管水：生物组织的细胞间隙和食物组织的毛细结构中由于毛细管力所系留的水。腐败变质微生物生化反应微生物的生长繁殖和生化反应的进行水作为溶剂和溶解介质食品食品干藏脱去食品中的水分降低食品的水分活度限制微生物的活动限制酶活性及生化反应进行长期保藏食品表2-1常见食品中水分含量与水分活度的关系0℃-10℃-20℃-50℃常见食品中水分含量与水分活度的关系一、水分活度与微生物的关系1、水分活度与微生物的发育大多数新鲜食品的Aw在0.99以上，适合各种微生物生长。大多数重要的食品腐败细菌所需的最低Aw都在0.9以上，肉毒杆菌在低于0.95就不能生长。只有当Aw降到0.75以下，食品的腐败变质才显著减慢；若将Aw降到0.65，能生长的微生物极少。一般认为，Aw降到0.7以下物料才能在室温下进行较长时间的贮存。2、水分活度与微生物的耐热性

降低水分活度可以有效地抑制微生物的生长，也使微生物的耐热性增大。这说明食品的干制虽然是加热过程，但是它并不能代替杀菌，或者说脱水食品并非无菌。3、水分活度与细菌芽孢的形成和毒素的产生低水分活度微生物生长受抑制。水分活度较高的情况下微生物繁殖迅速，水分活度对细菌生长及毒素产生的影响0.20.40.60.81.0Aw在水分活度0.9左右霉菌生长最旺盛。水分活度对霉菌生长的影响干制对微生物的影响食品和微生物同时脱水微生物所处环境水分活度不适于微生物生长微生物就长期处于休眠状态环境条件一旦适宜又会重新吸湿恢复活动干制并不能将微生物全部杀死，只能抑制其活动，但保藏过程中微生物总数会稳步下降。二、水分活度与酶的关系0.20.40.60.8Aw

酶活性开始随水分活度增大上升迅速，到0.3左右后变得比较平缓，当水分活度上升到0.6以后，酶活性随水分活度的增大而迅速提高。水分活度对酶活性的影响（Ⅱ）多分子层水，主要通过水-水和水-溶质氢键同相邻分子缔合，可溶性组分的溶液，大部分多层水在-40℃不结冰。Aw在0.25-0.80之间。（Ⅲ）自由水或体相水，是食品中结合的最弱，流动性最大的水，主要是在细胞体系或凝胶中被毛细管液面表面张力或被物理性截留的水，这种水很易通过干燥除去或易结冰，可作为溶剂，容易被酶和微生物利用，食品容易腐败.Aw在0.8-0.99之间。（Ⅰ）单分子层水，不能被冰冻，不能干燥除去。水被牢固地吸附着，它通过水-离子或水-偶极相互作用被吸附到食品可接近的极性部位如多糖的羟基、羰基、NH2，氢键，当所有的部位都被吸附水所占有时，此时的水分含量被称为单层水分含量。Aw约在0-0.25之间。滞后现象的几种解释（1）这种现象是由于多孔食品中毛细管力所引起的，即表面张力在干燥过程中起到在孔中持水的作用，产生稍高的水分含量。（2）另一种假设是在获得水或失去水时，体积膨胀或收缩引起吸收曲线中这种可见的滞后现象。？解吸：（desorption）干燥过程吸附：（sorption）复水过程WHC三、水分活度与其它变质因素的关系0.20.40.6Aw0.8水分活度对氧化反应的影响当食品所含水分低于单分子吸附水时，部分极性基团由于失去了水的保护作用而与氧直接接触，迅速发生氧化反应。当食品含水量继续升高时，由于大分子发生肿胀而暴露出更多的催化部位，酶及金属催化剂的流动性提高，氧的溶解度增加，使脂质的氧化速度逐渐加快当食品含水量达到单分子吸附水时，由于极性基团均以等摩尔比与水分子结合而受到强烈保护，且由于水与金属离子发生水化作用而显著降低了金属催化剂的催化活性，同时水还可与氢过氧化合物结合使游离基消失，抑制了脂质的氧化反应。0.20.40.60.8Aw水分活度对褐变反应的影响从上图可知：◆非酶褐变的最大速度出现在水分活度为0.6~0.9之间。◆当水分活度﹤0.6或﹥0.9时，非酶褐变的速度将减小。◆当水分活度为0或1时，非酶褐变即停止。

出现上述变化的原因是由于水分活度的增大使参与褐变反应的有关成分在水溶液中的浓度增加，且在食品内部的流动性逐渐改善，从而使它们相互之间的反应几率增大，褐变速度因而逐渐加快。当水分活度超过0.9后,由于与褐变有关的物质被稀释,且水分为褐变产物之一,水分增加将使褐变反应受到抑制。第二节食品的干制过程一、干制过程的湿热传递二、食品干制时间的计算（2）温度梯度ΔT食品在热空气中，其表面受热高于它的中心，因而在物料内部会建立一定的温度差，即温度梯度。温度梯度将促使水分（无论是液态还是气态）从高温向低温处转移。这种现象称为导湿温性。

表面水分扩散到空气中内部水分转移到表面（1）水分梯度ΔM干制过程中潮湿食品表面水分受热后首先由液态转化为气态，即水分蒸发，而后，水蒸气从食品表面向周围介质扩散，此时表面水分含量比物料中心的水分含量低，出现水分含量的差异，即存在水分梯度。水分扩散一般总是从高水分处向低水分处扩散，亦即是从内部不断向表面方向移动。这种水分迁移现象称为导湿性。MM-ΔMTT-ΔT一、干制过程的湿热传递1、干制过程中食品的湿热传递食品干燥的快慢取决于食品与环境之间热交换和质量交换（水分及其挥发性物质的逃逸）的速度。其表层水分将由液态变成气态并向外界转移，形成食品表面与内部之间出现水分梯度。从外界吸收热量使其温度升高到蒸发温度后待干食品

给湿过程：水分从食品表面向外界蒸发转移（外蒸发）。导湿过程：内部水分向表面扩散转移（内扩散）。2、影响湿热传递的因素因在因素：食品的比热、导热系数、导温系数等。外在因素：食品的表面积、干燥介质的温度、空气流速、空气的相对湿度、真空度。在水分递度的作用下，食品内部的水分不断向表面扩散和向外界转移，从而使食品的含水量逐渐降低。因此，整个湿热传递过程实际上包括：3、雷科夫效应：

在普通的加热干燥条件下，食品中不仅存水分梯度，而且还存在温度梯度。因此水分既会在水分梯度的作用下迁移，也会在温度梯度的作用下扩散。后者被称作热湿传导现象或雷科夫效应。4、干制过程的特性

食品在干制过程中，食品水分含量逐渐减少，干燥速率逐渐变低，食品温度也在不断上升。水分含量的变化（干燥曲线）干燥速率曲线食品温度曲线（1）干燥曲线干制过程中食品含水量随干燥时间而变化的曲线。干燥初始时，食品被预热，食品水分在短暂的平衡后（AB段），出现快速下降，几乎时直线下降（BC），当达到较低水分含量（C点）时（第一临界水分），干燥速率减慢，随后趋于平衡，达到平衡水分（DE）。平衡水分取决于干燥时的空气状态（3）食品温度曲线初期食品温度上升，直到最高值——湿球温度，整个恒率干燥阶段温度不变，即加热转化为水分蒸发所吸收的潜热（热量全部用于水分蒸发）在降率干燥阶段，温度上升直到干球温度，说明水分的转移来不及供水分蒸发，则食品温度逐渐上升。（2）干燥速度曲线

食品被加热，水分被蒸发加快，干燥速率上升，随着热量的传递，干燥速率很快达到最高值；是食品初期加热阶段；然后稳定不变，为恒率干燥阶段，此时水分从内部转移到表面足够快，从而可以维持表面水分含量恒定，也就是说水分从内部转移到表面的速率大于或等于水分从表面扩散到空气中的速率，是第一干燥阶段；到第一临界水分时，干燥速率减慢，降率干燥阶段，说明食品内部水分转移速率小于食品表面水分蒸发速率；干燥速率下降是由食品内部水分转移速率决定的当达到平衡水分时，干燥就停止。从干燥速度曲线中可得出以下两个概念：●恒率干燥期：

在食品含水量仅有较小变化时，干燥速度即由零增加到最大值，并在随后的干燥过程中保持不变。这个阶段称作恒率干燥期。●降率干燥期：

当食品含水量降低到第Ⅰ临界点时，干燥速度开始下降，进入所谓的降率干燥期。5、食品干制工艺条件的选择（P161）

V1=V2

V1：食品表面水分的蒸发速度，

V2：食品内部水分的扩散速度二、食品干制时间的计算第三节食品常用的干燥方法一、常压空气对流干燥法二、接触式干燥法三、升华干燥法四、辐射干燥法一、常压空气对流干燥法(空气干燥法)①固定接触式对流干燥②悬浮式接触干燥箱式干燥隧道式干燥带式干燥泡沫干燥气流干燥流化床干燥喷雾干燥常压空气对流干燥法以热空气作为干燥介质，通过对流方式与食品进行热量与水分的交换，使食品获得干燥(一)固定接触式对流干燥1.箱式干燥法食品堆积在容器或其它支持器件上进行干燥●特点：间歇型，小批量、设备容量小、操作费用高。●操作条件：空气温度<94℃，空气流速2-4m/s。●适用对象：果蔬或价格较高的食品或作为中试设备，摸索物料干制特性，为确定大规模工业化生产提供依据2.隧道式干燥一些概念：高温低湿空气进入的一端——热端低温高湿空气离开的一端——冷端湿物料进入的一端——湿端干制品离开的一端——干端热空气气流与物料移动方向一致——顺流热空气气流与物料移动方向相反——逆流■

基本结构湿端即冷端，干端即热端(1)逆流式隧道干燥设备特点及应用A湿物料遇到的是低温高湿空气，虽然物料含有高水分，尚能大量蒸发，但蒸发速率较慢，这样不易出现表面硬化或收缩现象，而中心能保持湿润状态，因此物料能全面均匀收缩，不易发生干裂；B逆流干燥，湿物料载量不宜过多，因为低温高湿的空气中，湿物料水分蒸发相对慢，若物料易腐败或菌污染程度过大，有腐败的可能。载量过大，低温高湿空气接近饱和，物料有增湿的可能C干端处食品物料已接近干燥，水分蒸发已缓慢，虽然遇到的是高温低湿空气，但干燥仍然比较缓慢，因此物料温度容易上升到与高温热空气相近的程度。此时，若干物料的停留时间过长，容易焦化，为了避免焦化，干端处的空气温度不宜过高，一般不宜超过66-77℃。由于在干端处空气条件高温低湿，干制品的平衡水分将相应降低，最终水分可低于5%——适合于干制水果湿端即热端，冷端即干端（2）顺流隧道式干燥特点与应用A湿物料与干热空气相遇，水分蒸发快，湿球温度下降比较大，可允许使用更高一些的空气温度如80-90℃，进一步加速水分蒸干而不至于焦化。B干端处则与低温高湿空气相遇，水分蒸发缓慢，干制品平衡水分相应增加，干制品水分难以降到10%以下，因此吸湿性较强的食品不宜选用顺流干燥方式。●3.带式干燥●物料有翻动物流方向有顺流和逆流操作连继化、自动化，生产能力大、占地少。4.泡沫干燥●工作原理：将液态或浆质态物料首先制成稳定的泡沫料，然后在常压下用热空气干燥。●造泡的方法：机械搅拌，加泡沫稳定剂，加发泡剂●特点：接触面大，干燥初期水分蒸发快，可选用温度较低的干燥工艺条件●适用对象：水果粉，易发泡的食品。（二）悬浮式对流干燥法1、气流干燥法基本结构：见图用气流来输送物料，使粉状或颗粒食品在热空气中干燥。关键是稳定而均匀加料，加料器

特点干燥强度大,悬浮状态,物料最大限度地与热空气接触。干燥时间短,0.5-5秒,并流操作，散热面积小,热效高,小设备大生产;适用范围广,物料(晶体)有磨损,动力消耗大。适用对象：水分低于35%-40%的物料，例如糯米粉、马铃薯颗粒。使颗粒食品在流化床上呈流化状态或缓慢沸腾状态（与液态相似）。适用对象：粉态食品（固体饮料、造粒后的食品）2、流化床干燥流化床类型3、喷雾干燥将液态或浆质状食品喷成雾状液滴，悬浮在热空气中进行脱水干燥过程。设备主要由雾化系统、空气加热系统、干燥室、空气粉末分离系统、鼓风机等。二、接触式干燥法被干燥物与加热面处于密切接触状态，蒸发水分的能量来自传导方式进行干燥间壁传热，干燥介质可为蒸汽、热油。特点：可实现快速干燥，采用高压蒸汽，可使物料固形物从3-30%增加到90-98%，表面温度可达100-145℃，接触时间2秒到几分钟，热能经济，干燥费用低，带有煮熟风味。适用对象：浆状、泥状、糊状、膏状、液态，一些受热影响不大的食品，如麦片、米粉1、滚筒干燥基本结构金属圆筒在浆料中滚动，物料为薄膜状，受热蒸发，热由里向外设备类型(1)单滚筒,示意图(2)双滚筒，示意图(3)真空滚筒干燥,示意图真空滚筒干燥2、带式真空干燥三、冷冻干燥（升华干燥）干燥是保持物质不致腐败变质的方法之一。干燥的方法有许多，如晒干、煮干、烘干、喷雾干燥和真空干燥等。但这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品，一般是体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性。干燥后的物质不易在水中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。

冷冻干燥法不同于以上的干燥方法，产品的干燥基本上在0℃以下的温度进行，即在产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低产品的残余水份含量，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过40℃。

食品在冷冻状态下，食品中的水变成冰，再在高真空度下，冰直接从固态变成水蒸气（升华）而脱水，故又称为升华干燥。要使物料中的水变成冰，同时由冰直接升华为水蒸气，则必须要使物料的水溶液保持在三相点以下。

食品冻干原理：

水在不同压力和温度下，可呈现固态（冰）、液态（水）和气态（蒸气）。由液态转为气态称为“蒸发”，由固态转为气态称为“升华”。要实现升华必须具备一定的条件，对于纯水来说，这个条件大致是：压力低于610Pa，温度低于0℃。由于食品中存在的水不是纯水，所以升华的条件略有差异。利用这个原理，人们只要预先将食品冻结好，再建立低气压条件，并提供适当的升华潜热，则食品中的冰即可升华而被脱除掉，这样就可获得冻干食品。O点（固、液、气）三相点：压力600Pa，温度0℃，BO：升华曲线，OA：液化曲线冰气水冰水融化水冰冻结冰气升华气冰凝华气水凝结水气蒸发水有三种聚集状态，即液态、固态和气态。随着压力的不断降低，冰点的变化不大，而沸点侧越来越低，越来越靠近冰点。当压力下降到某一值时，沸点即与冰点相结合，固态冰可以不经过液态而直接转化为气态。水的三相点压力为610.5Pa，三相点温度为0.0098℃，在压力低于三相点压力时，固态冰可以吸收热量直接转化为气态的水蒸气候，冷冻干燥的原理就在于此。冰水蒸汽压力＜610.5Pa吸收热量含大量水分的食品降温冻结真空下水蒸气升华而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此食品干燥后体积不变，疏松多孔升华时吸收热量，食品温度下降升华速度减慢。为了加快升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。整个干燥是在较低的温度下进行的。

1、冷冻干燥条件

（1）真空室内的绝对压力至少＜0.5×1000Pa，高真空一般达到0.26-0.01×1000Pa。

（2）冷冻温度＜-4℃2、冷冻干燥设备基本结构

(1)冷冻干燥设备组成和真空干燥设备相同，但要多一个制冷系统,主要是将物料冻结成冰块状。间歇式冷冻干燥设备隧道式连续式冷冻干燥设备冷冻干燥设备

冷冻干燥设备3、冷冻干燥的冻结方法自冻法：就是利用物料表面水分蒸发时从它本身吸收汽化潜热,促使物料温度下降,直至它达到冻结点时物料水分自行冻结,如能将真空干燥室迅速抽成高真空状态,即压力迅速下降,物料水分就会因水分瞬间大量蒸发而迅速降温冻结.但这种方法因为有液→气的过程会使食品的形状变形或发泡,沸腾等.适合于一些有一定体形的如芋头\碎肉块\鸡蛋等。预冻法：用一般的冻结方法如高速冷空气循环法、低温盐水浸渍法、液氮或氟利昂等制冷剂使物料预先冻结，一般食品在-4℃以下开始形成冰晶体，此法较为适宜。主要将液态食品干燥.4、冷冻干燥的特点①干燥过程处于低温和基本无氧状态，因此干制品的色、香、味及营养成分保存率较高，适合于热敏食品以及易氧化食品的干燥.②冰晶体升华留下空间，使固体框架结构不变，食品干燥后成为疏松多孔状物质，复水性好。③由于冻结对食品中的溶质产生固定作用，冰晶升华后，溶质将留在原处，避免了一般干燥方法中常出现的因溶质迁移而造成的表面硬化现象。④升华干燥制品的最终水分极低，因此具有极好的储藏稳定性，在有良好的包装情况下，储藏期可达2-3年。⑤升华干燥过程中所要求的加热温度较低，干燥室通常不必绝热，热损耗少。⑥由于操作在高真空和低温下进行，需要高真空设备和制冷设备，投资费用大，故产品成本高。干制品易吸潮氧化。

四、辐射干燥法利用电磁波作为热源使食品脱水的方法。根据使用的电磁波的频率，辐射干燥可分为：（一）红外线干燥法（二）微波干燥法（一）红外线干燥法红外线热源照射食品水分蒸发温度升高食品干燥红外线干燥法的特点：

干燥速度快，干燥时间仅为热风干燥的10%~20%，生产效率高。由于食品表层和内部同时吸收红外线，因而干燥均匀，干制品质量较好。设备结构简单，体积较小，成本也较低。输送带式远红外干燥器示意图

图1V—CID实验装置1一真空处理罐；2一真空泵；3一制N2(或O2)机组；4一贮气罐；5一酒精罐；1＇一托盘；2＇一棒式远红外加热器；3＇一酒精喷头。真空冷却红外线干燥技术真空冷却红外线干燥技术

真空冷却红外线脱水技术(VacuumCoolinginfraredraysDryingsystem，V—CID)，是目前国外比较流行的一种用于鲜鱼、鲜肉等食品原料保鲜的干燥加工技术。就干燥而言可以认为是真空干燥技术与红外干燥技术的结合。鲜肉、果蔬等生制品或半成品；面条、面包、煎肉、鱼糕、蛋糕、鱼片、色拉等熟制品；果干、鱼干等半干制品。(二)微波干燥

微波是指波长在1mm~100cm范围的电磁波。（频率在300~3000MHz）

原理

水分子是一个偶极分子，一端带正电，一端带负电，在没有电场存在的情况下，这些偶极分子在介质中作杂乱无规则的运动。在电场作用下，偶极分子定向排列，有规则的取向排列。若改变电场方向，则偶极分子取向也随之改变。若电场迅速交替改变方向，则偶极分子亦随之作迅速的摆动，由于分子的热运动和相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦作用，使得分子以热的形式表现出来，表现为介质温度升高。工业上采用高频交替变换电场，如915MHz和2450MHz，即意味着在1秒钟内有9.15╳108次或2.45╳109次的电场变化，分子如此频繁的运动，其摩擦产生的热量则相当大，故能瞬间升高温度。特点加热速度快，仅及常规方法的1/10-1/100时间；均匀性好，内部加热，避免表面硬化。微波穿透深度大致在几十厘米到几厘米的厚度；加热效率高，由于微波加热主要是食品中水分子吸收而使物料本身被加热，避免了环境的高温和热损耗，所以热效率高，可达80%；选择性吸收，某些成分非常容易吸收微波，另一些成分则不易吸收微波，如食品中水分吸收微波能比其他成分多，温度升高快，有利于水分蒸发，干物质吸收微波能少，温度低，不过热，能够保持色香味等。微波干燥设备的组成示意图连续式谐振腔干燥器结构图腔体两侧出入口造成微波泄漏,输送带上加挡板;有些波导里安装金属链条,形成局部短路,防止微波能辐射.多管并联的谐振腔干燥器示意图水负载,防止微波能辐射.土豆片微波干燥示意图87.7-104.4℃,2.5-4min,产量达9kg/h第四节食品在干制过程中的变化一、物理变化二、化学变化三、组织学变化一、物理变化1、干缩干缩水分被除去而导致体积缩小,肌肉组织细胞的弹性部分或全部丧失。均匀干缩和非均匀干缩有充分弹性的细胞组织在均匀而缓慢的失水时，产生均匀干缩。反之为非均匀干缩。多孔结构：快速干速时，由于食品表面的干燥速度比内部水分迁移速度快，迅速干燥硬化。在内部继续干燥收缩时，内部应力将使组织与表层脱开，干制品中就会出现大量的裂缝和孔隙，形成多孔性结构。多孔结构的形成有利于干制品的复水和减小干制品的松密度。松密度：单位体积的制品中所含干物质的量。2、表面硬化表面硬化干制品外表干燥而内部仍然软湿的现象。食品干燥时，其内部的溶质随水分不断向表面迁移和积累而在表面形成结晶所造成的

食品表面干燥过于强烈，内部水分向表面迁移的速度滞后于表面水分汽化速度，从而使表层形成一层干硬膜造成的结果食品表层的透气性变差，干燥速度急剧下降，延长了干燥过程。另外，在表面水分蒸发后，其温度也会大大升高，将严重影响食品的外观质量。3、溶质迁移现象溶质迁移食品在干燥过程中，其内部除了水分向表层迁移外，溶解在水中的溶质也会迁移。迁移趋势食品干燥时表层收缩使内层受到压缩，导致组织中的溶液穿过孔穴、裂缝和毛细管向外流动。迁移到表层的溶液蒸发后，浓度将逐渐增大。在表层与内层溶液浓度差的作用下出现溶质由表层向内层迁移。使溶质分布均匀化食品内部的溶质分布不均匀。①②二、化学变化1、蛋白质的脱水变性：含蛋白质较多的干制品在复水后，其外观、含水量及硬度等均有能回到新鲜时的状态。蛋白质脱水变性干燥温度干燥时间水分活度脂质干燥方法2、脂质变化虽然干制品的水分活度较低，脂酶及脂氧化酶的活性受到抑制，但是由于缺乏水分的保护作用，因而极易