食品真空冷凍干燥機(jī)技術(shù)發(fā)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(chǎn)成本高。因此,如何進(jìn)行能源的綜合利用,強(qiáng)化裝置的功能,降低設(shè)備造價(jià)都是凍干行業(yè)特別是食品凍干行業(yè)發(fā)展面臨的重要課題。另外,控制食品的凍干終點(diǎn)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(fēng)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(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),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(jī)加工的工藝較為復(fù)雜,一般按如下流程進(jìn)行:原料檢查選料洗滌前處理凍結(jié)升華干燥分選檢查包裝成品,生產(chǎn)過程可分為前處理、凍結(jié)、凍干和包裝四個階段,現(xiàn)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(yù)冷等,能耗主要來自清洗、切分設(shè)備及預(yù)冷。在物料的切制成片時,應(yīng)垂直于食品的纖維方向切斷,這有利于干燥中產(chǎn)生的水蒸汽逸出和提高已干燥部分的傳熱系數(shù),可減少能耗。盡量減少固體食品的厚度以減小凍結(jié)中的能量消耗,如在相同狀態(tài)下凍結(jié)相同重量相同凍結(jié)終溫的牛肉,當(dāng)厚度為0.2米時,凍結(jié)時間為26.6小時,當(dāng)牛肉厚度為0.1米時,凍結(jié)時間為10.9小時,減少了59%。在下一階段的凍結(jié)過程中,食品的初始溫度直接影響到凍結(jié)結(jié)束時食品平均溫度,因此在前處理時應(yīng)對食品進(jìn)行預(yù)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(jié)
凍結(jié)是食品凍干過程中一個重要的環(huán)節(jié),凍結(jié)溫度和凍結(jié)速率對食品質(zhì)量、水分的升華以及能耗均有很大的影響。當(dāng)凍結(jié)的速度較快時,食品中的水分形成的冰晶體數(shù)量多,體積小,這樣的冰晶體對細(xì)胞的機(jī)械損傷較輕,可以較好地保證食品的質(zhì)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(chǎn)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(shè)備就增加。解決這個問題的關(guān)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?yōu)楣滔嗟碾A段,隨著水分的不斷凍結(jié),食品的冰點(diǎn)逐漸降低,當(dāng)降到-5℃時,食品中80%水分已被凍結(jié),故-1℃～-5℃被稱為大冰結(jié)晶生成帶。在生產(chǎn)過程中有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)員會在凍結(jié)階段將預(yù)先設(shè)置的溫度(如選擇-1℃～-10℃)保留一段時間,以促進(jìn)冰晶的生長,這也是凍干食品較為經(jīng)濟(jì)的一種方法。另一種方法又叫“細(xì)粒化”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(jìn)行凍結(jié)。
3.3升華干燥
這一階段包括加熱、真空、制冷系統(tǒng)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(dǎo)致升華速度降低,因此必須向凍結(jié)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(fā)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(zhì)都在干燥層內(nèi),但方向相反,隨著干燥的深入,干燥層厚度增厚,傳熱和傳質(zhì)阻力逐漸增加,由于傳熱、傳質(zhì)從兩側(cè)進(jìn)行,因此干燥速度較快。
(二)真空部分 食品放在真空箱內(nèi),以提高升華壓力來提高食品已干層的有效導(dǎo)熱系數(shù),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(yīng)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(xiàn)三,理查菲爾德在實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(zhì)量和凍干速率,減少不必要的能量損失,必須嚴(yán)格把握好真空箱中的壓力。
(三)制冷系統(tǒng)
食品中的冰晶升華完畢之后,升華階段即告結(jié)束,轉(zhuǎn)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(nèi)的不凝性氣體,因?yàn)橄鋬?nèi)的壓力很低,水蒸汽比容很大,大量的水氣進(jìn)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(yīng)設(shè)置一個蒸氣捕集器,它的表面溫度比干燥箱低,水氣的凝結(jié)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(jī)的投資費(fèi)用和日常運(yùn)行費(fèi)用,應(yīng)保證捕集器有足夠大的捕水面積。
凍干結(jié)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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