第二章 食品干藏(脱水加工)

第二章食品的脱水加工•概述1.食品干藏的概念一种说法：指在自然或人工控制条件下，使食品中的水分降低到足以防止腐败变质的水平后，并始终保持低水分的保藏方法。另一种说法：从食品中较完全地去处水分，该条件不导致或几乎不导致食品性质的其它变化（除水分外）。2.食品脱水加工的历史3.脱水加工的特点和好处（1）延长保藏期；（2）某些食品干制后，重量减轻、体积缩小，可节省包装和运输费用；（3）带来了方便性；（4）设备可好可差。4.脱水技术的进展第一节食品干藏原理1.水分活度：对食品中有效水分的估量。f——食品中水的逸度aw=——f0——纯水的逸度我们把食品中水的逸度和纯水的逸度之比称为水分活度。水分逃逸的趋势通常可以近似地用水的蒸汽压来表示，在低压或室温时，f/f0和P/P0之差非常小（1%），故用P/P0来定义aW是合理的。(1)定义Aw=P/P0=ERH/100=n1/n1+n2其中P：食品中水的蒸汽分压P0：纯水的蒸汽压（相同温度下纯水的饱和蒸汽压）水分活度大小取决于：水存在的量；温度；水中溶质的浓度、食品成分、水与非水部分结合的强度。表2-1常见食品中水分含量与水分活度的关系FoodMoisturecontent(%)WateractivityIce1001.00Ice1000.91Ice1000.82Ice1000.62Freshmeat700.985Bread400.96Marmalade350.86Wheatflour14.50.72Raisin270.60Macaroni100.45Boiledsweets3.00.30Biscuuits5.00.20Driedmilk3.50.11Potatocrisps1.50.08(2）测量•利用定义•利用平衡相对湿度的概念,aW×100=相对湿度具体方法：冰点测定法；相对湿度传感器测定法；恒定相对湿度平衡室法•具体方法参考FoodengineeringpropertiesM.M.A.Mao；食品化学（阚建全）2.水分活度对食品的影响•大多数情况下，食品的稳定性（腐败、酶解、化学反应等）与水分活度是紧密相关的。（1）水分活度与微生物生长的关系p29表2-3；（2）干制对微生物的影响（3）水分活度与酶反应和化学反应的关系见食品工艺学P303.食品中水分含量（M）与水分活度之间的关系•水分吸附等温线的认识MSI（moisturesorptionisotherms)•温度对水分吸附等温线的影响•水分吸附等温线的应用以珍味鱼干、小麦干制等为例说明4.对食品干制的基本要求•原料质量•操作环境•原料预处理•干制后食品的水分干藏原理•将食品中的水分活度降到一定程度，使食品能在一定的保质期内不受微生物作用而腐败，同时能维持一定的质构不变即控制生化反应及其它反应。如果干制食品发生腐败变质•原因1.微生物污染（霉变），是否水分活度不足以控制微生物2.脂肪蛤败3.虫害思考题1.水分活度的概念?水分活度对微生物、酶及其它反应有什么影响？简述干藏原理2.在北方生产的紫菜片，运到南方，出现霉变，是什么原因，如何控制？第二节食品液体的浓缩•浓缩方式–膜浓缩–蒸发–冷冻浓缩•不同浓缩方式的比较表1不同浓缩方法的能量效率和浓缩程度浓缩方法蒸汽当量（去除每公斤水分消耗的能量折算）可能的最大浓缩浓度（%）超滤0.00128反渗透0.02830冷冻浓缩0.090-0.38640蒸发不带风味回收的三效浓缩带风味回收的三效浓缩0.3700.5108080一、膜浓缩1.种类与应用膜浓缩主要采用反渗透与超滤两种•反渗透主要用于分离水与低分子量溶液，这些溶液具有高渗透压。•超滤用于从高分子量物料（如蛋白质、多糖）中分离低分子量物料。2.反渗透的原理3.超滤的原理•与反渗透类似，驱动力也是渗透压与外加压力的差。•差别是超滤不能截留低分子量物料，但反渗透可以。•例：酱油的除菌处理4.膜•反渗透膜–通常采用醋酸纤维、聚丙烯晴、聚酰胺、聚亚酰胺等具有高度稳定性和高强度并具有要求通透性的材料•超滤膜–通常采用聚砜、聚酰胺、聚氧乙烯、聚碳酸酯、聚酯、刚性醋酸酯等材料–结构通常有两种一种为微孔膜主要用于卷式、板式和管式膜；另一种为中空纤维膜，用于中空纤维系膜系统。5.设备6.膜浓缩的应用•在处理稀溶液时反渗透可能是最经济的浓缩方式。在食品工业中最大的商业化应用是乳清浓缩，其他还包括–蒸发前果汁的浓缩–柠檬酸、咖啡、淀粉糖浆、天然提取物–乳清脱盐（但保留糖）–纯化水•超滤的最大应用也是乳制品行业，如预浓缩，选择性脱乳糖或脱盐，分离功能性成分。其它应用包括：–酶、其它蛋白质或多糖的分离、浓缩–除菌–酿造工业–果汁澄清–反渗透之前的预处理例1乳清分离过程中超滤、反渗透的应用例2Camenbert干酪制造过程中超滤、反渗透的应用例3苹果汁澄清常规方法A与膜处理方法B的比较AB思考题•膜分离的种类主要有哪些？各自的分离范围和原理是什么？•举例说明膜浓缩的应用。假设一食品体系中含有大分子的多糖（分子量大于10万），蛋白质（分子量5万左右），低分子多肽，低聚糖（聚合度小于10），单糖和矿物质，请问如何分离并浓缩？二、蒸发1.蒸发原理传热与传质热量与质量的平衡原理影响传热因素（温差、传热面、沉淀、界面膜2.影响蒸发经济性的因素•由于发泡和夹带等引起的物料损失•能量消耗，减少能量消耗的方法–二次蒸汽再压缩–二次蒸汽再加热–多效蒸发（多效系统的数量取决于节省的能量与操作费用的增加比较）表不同蒸发方式的蒸汽消耗蒸汽消耗（Kg/Kg蒸发水）效数不带二次蒸汽压缩带二次蒸汽压缩11.10.620.50.430.40.33.蒸发设备4.蒸发对食品的影响•风味–风味物质损失•解决方法包括A将浓缩物与部分新鲜物料混合，以提高风味；B风味物质回收–风味劣变•颜色–加深•营养物质损失表在浓缩和UHT杀菌乳中的维生素损失产品损失（%）硫胺素VB6VB12叶酸VC蒸发浓缩牛乳2040802560甜炼乳1010302525UHT杀菌乳10101010255.蒸发设备的选择•操作能力•物料需要浓缩的程度•物料的热敏性•是否需要回收风味物质•清洁的容易程度•操作的方便性•相对于蒸发能力的蒸发器大小•相对于蒸发能力和产品质量的操作费用三冷冻浓缩•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。•采用冷冻浓缩方法，溶液在浓度上是有限度的（溶质浓度不能超过低共熔浓度）。•操作包括两个步骤，首先是部分水分从水溶液中结晶析出，而后将冰晶与浓缩液加以分离。•特别适合于热敏性食品的浓缩，避免芳香物质因加热所造成的挥发损失。思考题•常用的浓缩方法有哪些？如何选择合理的浓缩途径？第三节干燥一、食品干制的基本原理1.食品水分的吸收和解吸2.食品干制过程特性（1）干燥曲线–干制过程中食品绝对水分和干制时间的关系曲线–干燥时，食品水分在短暂的平衡后，出现快速下降，几乎是直线下降，当达到较低水分含量时（第一临界水分），干燥速率减慢，随后达到平衡水分。（2）干燥速率曲线–随着热量的传递，干燥速率很快达到最高值，然后稳定不变，此时为恒率干燥阶段，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（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，说明水分的内部转移来不及供水分蒸发，则食品温度逐渐上升。•三曲线特征的变化主要是内部水分扩散与表面水分蒸发或外部水分扩散所决定•食品干制过程特性总结：干制过程中食品内部水分扩散大于食品表面水分蒸发或外部水分扩散，则恒率阶段可以延长，若内部水分扩散速率低于表面水分扩散，就不存在恒率干燥阶段。•外部很容易理解，取决于温度、空气、湿度、流速以及表面蒸发面积、形状等（后面介绍）•那么内部水分扩散速率的影响因素或决定因素是什么呢？二、干燥机制温度梯度表面水分扩散到空气中TT-ΔT内部水分转移到表面M-ΔMM水分梯度FoodH2O•干制过程中潮湿食品食品表面水分受热后首先有液态转化为气态，即水分蒸发，而后，水蒸气从食品表面向周围介质扩散，此时表面湿含量比物料中心的湿含量低，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。•同时，食品在热空气中，食品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。1.导湿性水分梯度若用W绝表示等湿面湿含量或水分含量（kg/kg干物质），则沿法线方向相距Δn的另一等湿面上的湿含量为W绝+ΔW绝，那么物体内的水分梯度gradW绝则为：gradW绝=lim（ΔW绝/Δn）=W绝/nΔn0W绝——物体内的湿含量，即每千克干物质内的水分含量（千克）Δn——物料内等湿面间的垂直距离（米）ΔngradW绝I图湿度梯度影响下水分的流向W绝+ΔW绝W绝•导湿性引起的水分转移量可按照下述公式求得：i水=-Kγ0（W绝/n）=-Kγ0ΔW绝千克/米2·小时其中：i水——物料内水分转移量，单位时间内单位面积上的水分转移量（kg/米2·小时）K——导湿系数（米2/小时)γ0——单位潮湿物料容积内绝对干物质重量（kg干物质/米3)ΔW绝——物料水分梯度（kg/kg干物质•米）水分转移的方向与水分梯度的方向相反，所以式中带负号。需要注意的一点是：•导湿系数在干燥过程中并非稳定不变的，它随着物料温度和水分而异。物料水分与导湿系数间的关系•K值的变化比较复杂。当物料处于恒率干燥阶段时，排除的水分基本上为渗透水分，以液体状态转移，导湿系数稳定不变（DE段）；再进一步排除毛细管水分时，水分以蒸汽状态或以液体状态转移，导湿系数下降（CD段）；再进一步为吸附水分，基本上以蒸汽状态扩散转移，先为多分子层水分，后为单分子层水分。物料水分W绝（kg/kg绝干物质）ACDEⅠⅡⅢ图物料水分和导湿系数间的关系Ⅰ—吸附水分Ⅱ—毛细管水分Ⅲ—渗透水分导湿系数与温度的关系图的启示：•若将导湿性小的物料在干制前加以预热，就能显著地加速干制过程。•因此可以将物料在饱和湿空气中加热，以免水分蒸发，同时可以增大导湿系数，以加速水分转移。K×102=(T/290)14温度（℃）图硅酸盐类物质温度和导湿系数的关系2.导湿温性•在对流干燥中，物料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梯度。温度梯度将促使水分（不论液态或气态）从高温处向低温处转移。这种现象称为导湿温性。导湿温性是在许多因素影响下产生的复杂现象。•高温将促使液体粘度和它的表面张力下降，但将促使蒸汽压上升（蒸汽压差），而且毛细管内水分还将受到挤压空气扩张的影响。结果是毛细管内水分将顺着热流方向转移。TT+ΔTT/ni内表面图温度梯度下水分的流向n导湿温性引起水分转移的流量将和温度梯度成正比。•它的流量可通过下式计算求得：i温=-Kγ0δ（T/n）其中：i温——物料内水分转移量，单位时间内单位面积上的水分转移量（kg/米2·小时）K——导湿系数（米2·小时）γ0——单位潮湿物料容积内绝对干物质重量（kg干物质/米3）δ——湿物料的导湿温系数[1/℃，或kg/（kg干物质·℃）]导湿温系数就是温度梯度为1℃/米时物料内部能建立的水分梯度，即WT•δ=-nn导湿温性和导湿性一样，会因物料水分的差异（即物料和水分结合状态）而异。P35导湿温性δ（1/℃）OAB物料水分W（%）ⅡⅠ干制过程中，湿物料内部同时会有水分梯度和温度梯度存在，因此，水分流动的方向将由导湿性和导湿温性共同作用的结果。以上我们讲的都是热空气为加热介质。•若是采用其它加热方式，则干燥速率曲线将会变化。思考题1.干燥机制2.预测微波干燥的干制过程特性3.如果想要缩短干燥时间，该如何从机制上控制干燥过程？•3.食品的给湿过程(1)食品中水分存在的形式胶体化学角度