食品真空冷凍干燥機技術發展至今依然還不十分*成熟,還有許多尚待解決的問題,其中大障礙是生產成本高。因此,如何進行能源的綜合利用,強化裝置的功能,降低設備造價都是凍干行業特別是食品凍干行業發展面臨的重要課題。另外,控制食品的凍干終點溫度還比較困難,凍干食品的口感、脆性、硬度與新鮮食品還有一定的差異,*保證原來風味還不可能等。下面就凍干食品加工過程中對如何降低凍干能耗和成本提出一些經驗和數據,供制冷同行探討、參考。
凍干食品的種類很多,食品真空冷凍干燥機加工的工藝較為復雜,一般按如下流程進行:原料檢查選料洗滌前處理凍結升華干燥分選檢查包裝成品,生產過程可分為前處理、凍結、凍干和包裝四個階段,現逐步予以分析。
3.1前處理
由于物料種類多種多樣,對需求的食品也要求不一,往往使前處理過程的自動化程度受到限制。前處理過程包括擇選、清洗、切分、燙漂、預冷等,能耗主要來自清洗、切分設備及預冷。在物料的切制成片時,應垂直于食品的纖維方向切斷,這有利于干燥中產生的水蒸汽逸出和提高已干燥部分的傳熱系數,可減少能耗。盡量減少固體食品的厚度以減小凍結中的能量消耗,如在相同狀態下凍結相同重量相同凍結終溫的牛肉,當厚度為0.2米時,凍結時間為26.6小時,當牛肉厚度為0.1米時,凍結時間為10.9小時,減少了59%。在下一階段的凍結過程中,食品的初始溫度直接影響到凍結結束時食品平均溫度,因此在前處理時應對食品進行預冷處理。方法是將物料浸入溫度為5℃～10℃的水中快速冷卻。
3.2凍結
凍結是食品凍干過程中一個重要的環節,凍結溫度和凍結速率對食品質量、水分的升華以及能耗均有很大的影響。當凍結的速度較快時,食品中的水分形成的冰晶體數量多,體積小,這樣的冰晶體對細胞的機械損傷較輕,可以較好地保證食品的質量,這對于速凍食品來說是值得提倡的。但速凍所需的溫度低,能耗大;另一方面,速凍產生出小而多的冰晶體;令晶體間的孔隙度變小,在升華干燥時,而使水蒸汽逸出阻力增大,造成食品干燥速度減慢,干燥時間延長,能耗設備就增加。解決這個問題的關鍵是增大冰晶體的體積,從食品凍干曲線上可以知道,在圖二中,B～C是食品中絕大部分從液相變為固相的階段,隨著水分的不斷凍結,食品的冰點逐漸降低,當降到-5℃時,食品中80%水分已被凍結,故-1℃～-5℃被稱為大冰結晶生成帶。在生產過程中有經驗的技術員會在凍結階段將預先設置的溫度(如選擇-1℃～-10℃)保留一段時間,以促進冰晶的生長,這也是凍干食品較為經濟的一種方法。另一種方法又叫“細?；?rdquo;凍干法,主要是把小粒尺寸(一般取粒徑0.5～3毫米)作為凍干食品體形條件進行凍結。
3.3升華干燥
這一階段包括加熱、真空、制冷系統三部分的能耗。
(一)加熱部分 食品在升華過程中吸收一定的熱量,如果沒有外界熱源提供熱量,會引起食品自身溫度的降低,同時冰晶體的飽和蒸氣壓也隨之降低,導致升華速度降低,因此必須向凍結食品提供一定的熱量。為防止加熱過量引起食品解凍,一般將食品溫度控制在
-10℃～-30℃間。所用熱源主要有加熱板、輻射加熱板和微波發生器,目前大都采用輻射加熱板作為熱源。其原理如圖三,傳熱和傳質都在干燥層內,但方向相反,隨著干燥的深入,干燥層厚度增厚,傳熱和傳質阻力逐漸增加,由于傳熱、傳質從兩側進行,因此干燥速度較快。
(二)真空部分 食品放在真空箱內,以提高升華壓力來提高食品已干層的有效導熱系數,但壓力太大或太小都會降低升華的速度。不同的食品都有其對應的壓力在升華干燥中使升華的速度快,這個壓力叫做該食品的升華壓力。參考文獻三,理查菲爾德在實驗中列舉出多種食品的升華壓力,見附圖四,牛肉(beef)和火雞肉(tunrey)所對應的升華壓力為1毫米汞柱和3毫米汞柱。在升華干燥過程中,為保證凍干食品的質量和凍干速率,減少不必要的能量損失,必須嚴格把握好真空箱中的壓力。
(三)制冷系統
食品中的冰晶升華完畢之后,升華階段即告結束,轉入下一階段水蒸汽的干燥過程,及時地把升華形成的水蒸汽抽放外界。真空泵主要用來排除干燥箱內的不凝性氣體,因為箱內的壓力很低,水蒸汽比容很大,大量的水氣進入真空泵后很容易損壞真空泵。因此在真空泵和干燥箱之間應設置一個蒸氣捕集器,它的表面溫度比干燥箱低,水氣的凝結是靠箱體與捕集器間的溫差而形成的壓力差作為動力。為減小制冷機的投資費用和日常運行費用,應保證捕集器有足夠大的捕水面積。
凍干結速后,接下來的程序就是包裝和成品,這里無需贅述。為方便了解食品凍干的整個工藝過程,可參考附圖四,這是目前廣泛采用的間歇式升華干燥裝置。
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