第六章食品的浓缩与结晶.

课程名称食品加工与保藏原理授课班级食品1431授课时间2015.11.11授课时数2本次内容食品的浓缩和结晶教具多媒体教学目标能力（技能）目标知识目标1.能区分平衡浓缩和非平衡浓缩。1.掌握食品浓缩意义、目的；2.掌握蒸发器的分类。单效、多效蒸发器特点。重点浓缩作用难点不同多效蒸发器作用机理能力训练方式方法讲解、问答、互动教学环节时间安排复习：5min讲解、互动：75min小结：5min看书巩固知识点：5min课外作业预习课堂考勤41参考资料《食品加工与保藏原理》课程名称食品加工与保藏原理授课班级食品1431授课时间2015.11.18授课时数2本次内容食品的浓缩和结晶教具多媒体教学目标能力（技能）目标知识目标1.能进行多效蒸发的温差计算。1.掌握多效蒸发原理；2.掌握冷冻浓缩原理；3.了解冷冻浓缩特点。重点浓缩原理难点多效蒸发温差分配能力训练方式方法讲解、问答、互动教学环节时间安排复习：5min讲解、互动：75min小结：5min看书巩固知识点：5min课外作业预习课堂考勤41参考资料《食品加工与保藏原理》第六章食品浓缩与结晶食品浓缩的分类和目的食品的冷冻浓缩技术食品的膜浓缩技术食品的结晶技术食品的蒸发浓缩技术一、食品浓缩的分类和目的浓缩是从溶液中除去部分溶剂（通常是水）的操作过程，也是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。按浓缩的原理分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。平衡浓缩利用两相在分配上的某种差异而获得溶质浓缩液和溶剂的分离方法。如蒸发浓缩和冷冻浓缩。非平衡浓缩利用半透膜的选择性来达到分离溶质与溶剂的过程。浓缩在食品工业中的其主要目的：①减少重量和体积浓缩去除食品中大量的水分，减少食品包装、贮藏和运输费用。②可提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制微生物生长，延长保质期。③作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。④降低食品脱水过程的能耗。⑤改善产品质量。食品中可溶性固形物（质量分数）65%以上，且物料中有一定酸度。即可用相对缓和巴氏杀菌进行消毒。（一）蒸发浓缩蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具有操作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。其原理是利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，利用热能使溶剂汽化，而溶质是非挥发性的则留在溶液中，从而达到分离的目的。蒸发浓缩主要指水溶液的浓缩1.蒸发浓缩物料发生变化成分变化、黏度增加；结垢过度受热产生结块，焦化；可用高流速或加强设备清洗来减缓结垢生成。起泡尤其是含蛋白质胶体较多的食物。结晶妨碍热传递腐蚀仪器2.蒸发浓缩的分类⑴根据对二次蒸汽的利用分为单效蒸发和多效蒸发；⑵根据操作压力分为常压蒸发、真空蒸发和加压蒸发；⑶根据操作方式分为间歇式蒸发、连续式蒸发和循环式蒸发。双效真空蒸发设备单效真空蒸发设备3.蒸发器的类型及选择蒸发器主要由加热室（器）和分离室（器）两部分组成。加热室：加热室最初采用的是夹层式和蛇（盘）管式，后有各种板式、管式等换热器形式。为了强化传热，采用强制循环替代自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜发器和离心薄膜蒸发器等。蒸发器分离室：将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。为了使雾沫中的液体回到料液中，分离室需具有足够大的直径和高度以降低蒸汽流速，并有充分的机会使其返回到料液中。选择、设计蒸发器，要以料液的特性（热敏性、黏度等）作为重要依据，全面衡量，通常选用蒸发器要满足以下的基本要求：①符合工艺要求，溶液的浓缩比适当；②传热系数高，有较高的热效率且能耗低；③结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠；④动力消耗要低;⑤设备要便于检修，并有足够的机械强度。蒸发器的选用物料热敏性制品黏度适用的蒸发器类型说明无低或中等管式、板式、固定圆锥式水平管式不适合于结垢制品无或小高真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式琼胶、明胶、肉浸出液的浓缩采用间歇式热敏低或中等管式、板式、固定圆锥式包括牛奶、果汁等含适度固形物的制品热敏高刮板膜式、固定圆锥式包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式高热敏低管式、板式、固定圆锥式要求单效蒸发高热敏高板式、固定圆锥式要求单效蒸发，包括橙汁浓缩液、蛋白4.蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发单效真空蒸发①容易操作控制；可依据物料的粘性、热敏性等，控制蒸；②发温度和蒸发速率；③物料在不断地浓缩，其沸点、黏度也随浓度的提高而增大；④由于液层静压效应，液面下局部沸腾温度高于液面上的沸腾温度，引起局部结垢、焦化，严重影响热传递；⑤热耗高，传热面积不能太大。1.多效真空蒸发的特点①在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体之间的温差，增大传热效率，减少传热面积；②物料在较低温度下蒸发，可以减少对热敏性物料的破坏；③便于采用低压蒸汽和废热蒸汽作为热源，降低能耗，提高生产效率。④真空蒸发需要配备真空系统，会增大设备投资及动力消耗。顺流式料液蒸汽成品冷水至真空泵（a）2.多效蒸发的形式按照多效蒸发加料方式和蒸汽流动方向，可分为顺流式、逆流式和平流式三种多效蒸发。成品加热蒸汽原料液（b）逆流式至真空泵冷水成品蒸汽冷凝水冷凝水冷凝水成品成品平流式（a）顺流法料液蒸汽成品冷水至真空泵由于后一效蒸发室的压力比前一效低，料液在效间的输送不用泵而可利用各效间的压力差；后一效料液的沸点比前一效低，当料液进入下一效时发生闪蒸现象，产生较多的二次蒸汽；浓缩液的温度依次降低，对热敏性物料的浓缩有利；但随着逐效料液浓度增高，温度降低，黏度增大，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。成品加热蒸汽原料液（b）（b）逆流法随着料液向前一效流动，浓度越来越高，而蒸发温度也越来越高，故各效料液黏度变化较小，有利于改善循环，提高传热系数。但高温加热面上的浓料液的局部过热易引起结垢和营养成分的破坏，且效间料液的输送需用泵来实现。与顺流相比，水分蒸发量稍低。逆流法适合黏度随温度和浓度变化大的料液的蒸发。（c）平流法平流法适用于在蒸发进行的同时有晶体析出的料液的浓缩，如食盐溶液的浓缩结晶。有些多效蒸发同时采用顺流和逆流加料法，即某些效采用顺流，而另些效采用逆流，充分利用其优点，这种蒸发方法称为混流加料法，尤其适用于料液黏度随浓度而显著增加的料液蒸发。在多效蒸发流程中，有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用于预热物料或用于其他加热目的。被引出的二次蒸汽称为额外蒸汽。从蒸发器中引出额外蒸汽作为它用，是一项提高热能利用率和经济性的措施。作业1.超高压、脉冲电场杀菌原理、特点。超高压原理：高压下，蛋白质和酶发生变性，微生物细胞核膜被压成很多小碎片和原生质一起变为糊状，这种不可逆变化造成微生物死亡。特点：酸性食品（Ph4.6）：可达到商业杀菌非酸性食品（Ph4.6）：可作为巴氏杀菌辅助手段。对芽胞需结合其它方法使用。脉冲电场原理1.将食品置于两个电极间产生瞬间高压电场、高压电脉冲破坏细胞膜，改变其通透性、从而杀死细菌。2.电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用，因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行。同时，液体介质电离产生氧化性离子发生强烈氧化作用，能与细胞内物质发生一系列化学反应。特点P175：试述常见的食品物料的冻结方法及特点P159：空气冻结法间接接触冻结法直接冻结法3.多效蒸发的温差分配若将第一效的加热蒸汽温度设为T1，冷凝器的冷凝温度为TK，则总温差为ΔT＝T1－TK，。在理想的情况下（无能量损失），有效温差∑ΔT等于总温差；实际上，有效温差小于总温差。各效间有效温差的分配应符合下列比例关系：132123112233::::::nnnnQQQQTTTTKAKAKAKAA:传热面积；K:传热系数①各效面积相等原则按此原则，各效传热面积A相等。使用相同的大小的蒸发器也便于制造、安装、检修和操作。此时132123123::::::nnnQQQQTTTTKKKK有效温差确定原则：②邻效间等压差原则即各效之间的压力降相等。③各效蒸发量按比例原则若无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量（W）可按经验比例进行初步估计：双效：W1∶W2＝1∶1.1三效：W1∶W2∶W3＝1∶1.1∶1.24.多效蒸发的效数多效蒸发充分利用热能，蒸发单位质量的水所消耗的蒸汽消耗降低，且效数越多，冷却水用量越少。但随着效数的增加，电耗、泵、蒸发器、预热器等也随之增加。用于脱脂乳真空浓缩的效数与其他消耗的关系指标蒸发效数1234一次蒸汽消耗/t•h-16.873.232.071.57二次蒸汽消耗/t汽•h-10.8550.4040.2590.182电耗/kW•h11.29.713.316.7电耗比/kW•h•t-1水1.41.211.662.09冷却水耗量/m3•h57520110976换热器面积/m2126185230300预热器、灭菌器等28405255冷凝器53618810273总热交换面积/m2690413384428奶受热时间/s270270380500多效真空蒸发浓缩可以节省蒸发的蒸汽消耗，且随效数的增加，耗汽量不断下降。但并非效数越多越好，在食品工业中，目前应用最多的是3～5效真空蒸发，工业上采用最多的也只有7效，即效数是有限的，其原因：①物料性质的限制（物料初始温度和最终温度）②设备费用增加（维护、安装费用等）③温差损失增加（损失温差可能等于总温差）5.多效蒸发过程中的节能措施①设计开发新型蒸发设备（扭流管）；②蒸汽再压缩蒸发；③利用余热预热物料或用于其他加热目的。蒸汽在压缩蒸发过程中，利用各种压缩方法，将二次蒸汽的热力状态提高到接近原来的生蒸汽状态，是多效蒸发过程中最为常用的节能措施。§8.3食品的冷冻浓缩技术一、概述冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。即将水溶液中的一部分以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩。冷却冷冻浓缩的流程图原料液结晶分离浓缩液冰晶特点：1.产品需再次进行热处理或冷冻保藏；2.溶液黏度增加，分离困难；3.除去溶剂时溶质也有损失，成本高。适合对象：热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的饮料及中草药浸提液等。结晶时避免局部过冷为了更好地使操作时形成的冰晶不混有溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，造成过多的溶质损失在一些二元体系中，在升温过程中，两组分能以任何比例互相熔成一个液相。如果两个组分以适当比例混合，在某一温度下两个固体组分可同时熔化，且这个温度通常低于每一纯组分的温度，该温度叫低共熔温度冷冻浓缩原理温度℃温度℃溶质水最低共熔点A原理：此法溶液在浓度上有限度，当溶液中溶质浓度超过低共熔浓度时，过饱和溶液冷却的结果表现为溶质转化为晶体析出。这种操作不但不会提高溶液中溶质的浓度，反而降低了溶质的浓度。但当溶液中所含溶质的浓度低于共熔浓度时，则冷却结果表现为溶剂（水）变成晶体（冰晶）析出。与此同时，剩下溶液中的溶质浓度就大大提高。冷冻浓缩和结晶是相反的过程X（浓度）T（温度）DEFCABX1X2A1冷冻浓缩过程示意图（P241）设原溶液的总量为M，浓缩后，冰晶的量为G，浓缩液为P，根据溶质的物料平衡，有：12()GPXPX冰晶量与浓缩液量之比等于线段BC与线段FC的长度之比，这个关系也即是化学工程中精馏分离的“杠杆法则”。MX1=PX2当溶液的浓度大于低共熔点浓度时，如果冷却溶液，则析出的是溶质，使溶液变稀，即所谓传统的结晶操作。由此可见冷冻浓缩工艺和结晶工艺是相反的过程。要应用冷冻浓缩，溶液必须较稀，其浓度要小于低共熔浓度。理论上，冷冻浓缩过程可以进行到低共熔点。但实际上，大多数食品没有明显的低共熔点，而且在此点远未达到之前，浓溶液的黏已经很高，其体积与冰晶相比甚小，就不可能很好地将冰晶与浓溶液分离。由此可见，冷冻浓缩在实际应用中也是有一定限度的。二、冷冻浓缩的分类工业上冷冻浓缩过程根据结晶方式的不同，分为两种形式：1.在搅拌的冰晶悬浮液中进行，称为为悬浮结晶浓缩法；2.在管式、板式以及带式设备中进行的，称为渐进冷冻浓缩法。悬浮结晶浓缩法悬浮结晶浓缩法又称为分散结晶浓缩法。其特征为无数自由悬浮于母液中的小冰晶，在带搅拌的低温罐中长大并不