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冷冻干燥原理
发布时间:2019-10-24   点击次数:308次

冷冻干燥

    又称升华干燥。将含水物料冷冻到冰点以下,使水转变为冰,然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。物料可先在冷冻装置内冷冻,再进行干燥。但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。升华生成的水蒸气借冷凝器除去。升华过程中所需的汽化热量,一般用热辐射供给。

水的三相点

    由物理学可知,水有三相,O点为三相共点,OA为冰的融解点。根据压力减小、沸点下降的原理,只要压力在三相点压力之下,物料中的水分则可从水不经过液相而直接升华为水汽。根据这个原理,就可以先将食品的湿原料冻结至冰点之下,使原料中的水分变为固态冰,然后在适当的真空环境下,将冰直接转化为蒸汽而除去,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸汽冷凝,从而使物料得到干燥。这种利用真空冷冻获得干燥的方法,是水的物态变化和移动的过程,这个过程发生在低温低压下,因此,冷冻干燥的基本原理是在低温低压下传热传质的机理 。

    冷冻干燥不同于普通的加热干燥,物料中的水分基本上在0℃以下的冰冻的固体表面升华而进行干燥,物质本身则剩留在冻结时的冰架子中,因此,干燥后的产品体积不变、疏松多孔。冰在升华时需要热量,必须对物料进行适当加热,并使加热板与物料升华表面形成一定温度梯度,以利于传热的顺利进行。

制品的冷冻干燥过程包括冻结、升华和再干燥3个阶段。

冻结

先将欲冻干物料用适宜冷却设备冷却至2℃左右,然后置于冷至约-40℃(13.33Pa)冻干箱内。关闭干燥箱,迅速通入制冷剂(氟里昂、氨),使物料冷冻,并保捧攀邸h或更长时间,以克服溶液的过冷现象,使制品完全冻结,即可进行升华。

升华

制品的升华是在高度真空下进行的,在压力降低过程中,必须保持箱内物品的冰冻状态,以防溢出容器。待箱内压力降至一定程度后,再打开罗茨真空泵(或真空扩散泵),压力降到1.33Pa,一60。C以下时,冰即开始升华,升华的水蒸气在冷凝器内结成冰晶。为保证冰的升华,应开启加热系统,将搁板加热,不断供给冰升华所需的热量。

再干燥

在升华阶段内,冰大量升华,此时制品的温度不宜超过低共熔点,以防产品中产生僵块或产品外观上的缺损,在此阶段内搁板温度通常控制在±10℃之间。制品的再干燥阶段所除去的水分为结合水分,此时固体表面的水蒸气压呈不同程度的降低,干燥速度明显下降。在保证产品质量的前提下,在此阶段内应适当提高搁板温度,以利于水分的蒸发,一般是将搁板加热至30~35。C,实际操作应按制品的冻干曲线(事先经多次实验绘制的温度、时间、真空度曲线)进行,直至制品温度与搁板温度重合达到干燥为止。

冷冻干燥的食品与其他干燥方法比较有许多的优点,主要为:

(1)大限度地保存食品的色、香、味,如蔬菜的天然色素保持不变,各种芳香物质的损失可减少到低限度;冷冻干燥对保存含蛋白质食品要比普通冷冻保存的好。

(2)对热敏性物质特别适合,可以使热敏性的物料干燥后保留热敏成分;能保存食品中的各级营养成分,尤其对维生素C,能保存90%以上。

(3)在真空和低温下操作,微生物的生长和酶作用受到抑制。

(4)脱水彻底,干制品重量轻,体积小,贮藏时占地面积少,运输方便;各种冷冻干燥的蔬菜经压块,重量减轻显著。由于体积减小,相应地包装费用也少得多。

(5)复水快,食用方便。因为被干燥物料含有的水分是在冻结状态下直接蒸发的,故在干燥过程中,水汽不带动可溶性物质移向物料表面,不会在物料表面沉积盐类,即在物料表面不会形成硬质薄皮,亦不存在因中心水分移向物料表面时对细胞或纤维产生的张力,不会使物料干燥后因收缩引起变形,故极易吸水恢复原状。

(6)因在真空下操作,氧气极少,因此,一些易氧化的物质(如油脂类)得到保护。

(7)冷冻干燥法能排除95%~99%以上的水分,产品能长期保存而不变质。

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