1、第一章 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,1.1 概述,1.1.1 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 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
2、空气既是载体，又是载湿体。热风干燥一般多在常压下进行。 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。 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。,1.1.2 食品物料中水分的存在形式,化学结合水 经过化学反应后，按严格的数量比例，牢固地同固体间架结合的水分，只有在化学作用或特别强烈的热处理（如煅烧）才能除去，除去它的同时会造成物料物理性质和化学性质的变化，即品质的变化。化学结合水在物料中的含量较少。如晶体中的结晶水，这种水分
3、不能用干燥方法除去，化学结合水的解离除去不应视为干燥。,物理化学结合水包括吸附水分、渗透水分和结构水分，其中以吸附水分与物料的结合最强吸附结合水是指在物料微粒内、外表面上因分子吸引力而被吸着的水分。胶体食品物料中的胶体颗粒与其他胶体相比，具有同样的微粒分散度大的特点，使胶体体系中产生巨大的内表面积，从而有极大地表面自由能，靠这种表面自由能产生了水分的吸附结合。结构结合水是指当胶体溶液凝固成凝胶时，保持在凝胶体内部的一种水分，它受到结构的束缚，表现出来的蒸汽压很低。果冻、肉冻凝即属此例。渗透压结合水是指在溶液和胶体溶液中，被溶质所束缚的水分。这一作用使溶液表面的蒸汽压降低，且溶液的浓度越高，溶质
4、对水的束缚力越强，水分的蒸汽压越低，水分越难以除去。,机械结合水 是食品湿物料内的毛细管中保留和吸着的水分以及物料外表面附着的湿润水分。这些水分依靠表面附着力、毛细管力和水分黏着力而存在于湿物料中，这些水分的饱和蒸汽压与纯水的饱和蒸汽压几乎没有区别，在干燥过程中既能以液体形式又能以蒸汽的形式移动。,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。,1.1.3
5、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,1.1.4 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
6、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01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。,1.1.5 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
7、.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。,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。,1.1.6 干燥介质（热空气）,一、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。,1.绝对湿度 指单位质量绝干空气中所含有的水蒸气的量。
8、2.相对湿度 指在一定的总压下，湿空气中水蒸气分压与同 温度下纯水的饱和蒸汽压之比。,二、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。,三、湿空气的焓湿空气的焓为干空气的焓和相应水汽的焓之和，也常用干空气为计算基准。一般规定0时干空气和液态水的焓值为零。,四、露点将湿空气在总压和湿度保持不变的情况下冷却，当湿空气达到饱和时的温度即为露点。若是空气的温度降到露点以下，则所含超过饱和部分的水蒸
9、气将以液态形式凝结出来。,1.1.7 干燥机理,干燥介质（热空气）与湿物料相接触，进行能量和物质传递，热空气温度下降，湿度增加，湿物料温度逐渐升高，水分从里向外传递并不断蒸发，从而达到干燥的目的。,一、干燥特征曲线干燥曲线是干燥过程特征的最直观反映，在研究食品物料干燥过程中也最为常用，一般由干燥曲线、干燥速率曲线和干燥温度曲线组成。, 干燥曲线 是指物料湿度随时间的变化曲线。 干燥速率曲线 单位时间内，单位干燥面积上汽化的水 分质量(干燥速率)，将干燥速率与干燥时间作图即可得到干燥速率曲线。 干燥温度曲线 是指干燥过程中食品物料温度与干燥时间的关系曲线。,二、干燥特征分析食品物料干燥过程的特征
10、曲线，因物料种类的不同而有差异。一般将干燥过程明显的分为两个阶段，即恒速阶段与降速阶段。,1. 恒速干燥阶段由于是恒定干燥，空气状态不变，只要表面有足够的水分，则表面汽化速率不变，因此，恒速干燥阶段实际上是表面汽化控制的干燥阶段。在此阶段中，物料表面为水分所饱和，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的潜热。对流干燥时物料表面温度等于空气的湿球温度，真空干燥时物料表面温度接近于操作真空度下水的沸腾温度。,2. 降速干燥阶段降速干燥阶段与恒速干燥阶段的情况相反，属于内部扩散控制。从内部扩散到表面的水分不足以润湿表面，物料表面出现已干的局部区域，同时比表面温度逐渐上升。随着干燥的进行，局部干区逐渐扩大
11、。由于干燥速率的计算是以总表面积为依据的，虽然每单位润湿表面上的干燥速率并未降低，但是，以总比表面积为基准的干燥速率却已下降，此为降速第一阶段，又称为不饱和表面干燥，如图中C至D的范围。至DE时表面全部为干区，水分汽化的前沿平面由物料表面向内部移动，水分就在物料内层汽化，直至物料含水量达到平衡含水量，干燥即停止。这一阶段称降速第二阶段。,三、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
12、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。,四、影响干燥速率的因素,对于对流干燥，主要有以下几方面： 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。 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。 物料的温度 温度与水分的蒸汽压和扩散系数有关。 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。 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。 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
13、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： 物料与加料板或辐射源的靠紧程度，料盘的形状和材料等。 加热蒸汽压强和辐射体的温度、功率。 设备密封性和真空泵的性能。,1.1.8 干燥过程中的食品物料的主要变化,一、物理变化,物料干缩 表面硬化 内部多孔性,二、化学变化,蛋白质、脂肪、维生素、色素等的变化。,1.1.9 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
14、外线干燥等。,1.2 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。,1.2.1 冷冻干燥的特点,食品干燥是在低温(-40-60)下进行,且处于高真空状态，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。 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。 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
15、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。 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。 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。 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
16、、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。,1.2.2 冷冻干燥的原理,冷冻干燥包括两个过程： 物料冻结； 冰晶升华。,一、水的相平衡关系 气、液、固三态 点、线关系 三相点：610.5Pa，0.0098,二、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
17、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。通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。,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。,食品物料冷冻时，细胞组织可能遭到破坏，而且细
18、胞的破坏也与冷却速度有关。细胞的破坏表现为两种现象：机械效应 当细胞悬浮液被缓慢冷却时，冰晶开始出现于细胞外部的介质中，于是细胞逐渐脱水，这种现象称为低温脱水收缩。而被快速冷却时，细胞内部结冰，而且冷却速度愈快，形成的冰晶体就愈小。如果是超速冷却，则细胞内部水分出现玻璃体化现象，形成的冰晶很大，将会对细胞组织产生严重的机械破坏作用，引起蛋白质的变性，从而影响干制品的弹性和持水性。从这方面看，慢速冷却会形成大的冰晶，对冷冻干燥是不利的，但慢速冷却可使制品的多孔性好，升华时水蒸气容易逸出，干燥速度快。由此可见，选择冷却速度存在一个最适宜的范围。,溶质效应 在冷却的最初阶段，水分的冻结会造成细胞间隙
19、液体的浓缩，随之产生强电解质和其他溶质增浓现象，细胞内对离子的渗透性增加，因而细胞外离子便进入细胞，造成细胞膜破坏，并改变细胞内外的pH值。间隙液体溶质浓度愈高，对细胞膜破坏愈严重，但随着温度不断下降，破坏的速度也随之变慢。因此，溶质的破坏效应也必在某一温度下进行的最快，这一温度值应在冰点和全部间隙液体固化的温度之间。如果冷却时以较快的速度通过此温度之间的一段温度范围，那么溶质效应所产生的破坏效果可大大减弱。总的来说，物料冻结，起决定作用的是冰晶的生长和细胞间隙液体的浓缩，关键是要确定最佳的冷却速度，使机械效应和溶质效应的破坏程度降低到最小。冷却速度的快慢与采用的冻结温度有关，对多数食品物料一
20、般采用-30-40；对某些食品，为确保干燥，其温度还需要更低一些。,三、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。传导传热主要是利用载热体经加热板壁来实现的。辐射传热可利用各种辐射热源直接向被干燥物料表面辐射。采用的传热方式不同，被干燥物料层中的传热和传质的相对方向也有所不同。有如下三种代表性的基本情形。 一(a)为传热和传质沿同一途径，但方向相反；
21、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
22、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。,1.2.3 冷冻干燥装置,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,1.2.3 冷冻干燥在食品工业中的应用,一、咖啡 二、水果（草莓、香
23、蕉等） 三、蔬菜（胡萝卜、菠菜、葱、姜、蘑菇等）,1.3 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。,1.3.1 喷雾干燥技术的特点, 干燥速率高、时间短； 物料的温度较低 ； 制品有良好的分散性和溶解性； 产品纯度高； 生产过程简单，操作控制方便； 适宜于连续化生产。,1.3.2 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
24、 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,喷雾状态,压力喷嘴,不同的
25、喷雾方式,喷雾干燥过程,小型喷雾干燥装置,喷雾干燥室内雾滴与热空气的流动方向,在现有各型喷雾干燥设备中，热气流与雾滴的流动方向可分为并流、逆流以及混合流三大类.,并流操作可分为三种，即水平并流式、垂直上升并流式（此两种流向仅适用于压力喷雾）及垂直下降并流式（不仅适用压力喷雾，也适用于离心喷雾）。,逆流操作热风自干燥室室底上升，料液从顶部喷洒而下。这种操作由于传热、传质的推动力都较大，所以热能利用率较高,混流操作流向的优点是气流与制品有较密切的接触，且接触面积大，并有搅动作用，所以脱水效率高。,（一）开放式喷雾干燥装置系统 是指干燥介质在这个系统中只使用一次就排入大气，不再循环使用。 （二）封闭
26、循环式喷雾干燥系统 干燥介质采用惰性气体，物料中液体或溶剂在干燥室中蒸发后为惰性气体所携带，并在冷凝器中加以分离，经分离后的惰性气体再回到干燥室，构成封闭循环流动 。 （三）自惰循环式喷雾干燥系统 自惰循环系统是封闭循环系统经改进后的变型，系统中有一个自制惰性气体的装置。 （四）无菌喷雾干燥系统 是指系统中安装有高效空气过滤器以及料液消毒过滤后，没有与任何转动或滑动的机器部件相接触的喷雾干燥系统。（五）喷雾沸腾干燥系统 是喷雾干燥与沸腾干燥的结合，利用雾化器将溶液雾化，喷入颗粒做剧烈运动的沸腾床内，借助溶液本身的显热、结晶热及沸腾介质的热量，使水分蒸发。溶质结晶、物料干燥在一步内完成 （六）喷射喷雾干燥系统 采用文丘里管，以高温、高速空气作为介质，加快了干燥速度，使干燥时间极短,1.3.3 喷雾装置系统,开放式喷雾干燥系统 1-空气加热器； 2-料泵； 3-干燥塔； 4-旋风分离器； 5-成品罐； 6-成品,封闭循环式喷雾干燥系统 1-料泵； 2-干燥塔； 3-旋风分离器； 4-贮料器；5-螺旋卸料器；6-冷凝器；7-冷媒； 8-溶剂回收；9-循环泵； 10-加热器,GLP高速离心喷雾干燥机,
