进料的物理状态液体、糊状、粉末、块状、连续的片状、厚板块干燥器中原料的状态静止、移动、搅拌、振动、聚合、分散、流化操作压力真空、常压*、髙压热输人方式对流*、传导、辐射、电磁、不同方法的联合、绝热/非绝热干燥介质热空气*、过热蒸气、烟道气干燥温度低于三相点、低于沸点髙于沸点干燥器内原料和空气的相对流动方向顺流、逆流、混合流、错流热输人随时间的变化连续、间断干燥级数单级、多级停留时间短(<1min)、中等(1——30min)、长(〉30min)注:*代表常用类型。
选择要点对众多的干燥设备,只有了解各自的优缺点和适用范围,选型才能得心应手。一般来说,应从脱水工艺性、技术经济指标和安全性三方面来考虑。
①根据脱水工艺性选型。脱水工艺性包括物料本身特性和物料脱水工艺特性两部分。
适宜脱水的物料品种繁多,本身形状和组织有很大的差异,加上不同切分带来的影响,使脱水设备的选型具有很强的针对性。一般来说,红外线、隧道式和箱式干燥机对果蔬物料形状有较强的适应性,可用来干燥各种物料;流化床和喷动床干燥机,不适宜黏性物料、含糖量高的物料及切分厚实的物料;带式(带翻板)干燥机不适宜粉状物料和黏性物料。
物料的特性差异必然带来干燥工艺上的差别。在选择和操作食品干燥器时,需要考虑的最重要因素之一是物料固有的热敏性成分,应确保干燥过程不超过原料热敏性成分的最大变性温度。而同一物料在不同的产品要求下也将有截然不同的脱水工艺。如菜豆和白蘑菇相比,菜豆的抗热敏感性要强些,因此菜豆脱水可采用常压脱水设备,而白蘑菇则最好采用真空或冻结干燥。又如脱水马铃薯片和脱水马铃薯粉由于产品的要求不同,前者可采用常规的干燥设备,而后者则需采用适合粉状物料的喷雾干燥设备。
对高热敏性的高价值食品来说,干燥费用相对于品质要求来说就是次要的了。因此,通常采用较为昂贵的干燥工艺。有时用一些较便宜的工艺,如热泵干燥也有较为成功的应用。当然,有些高热敏性产品也采用如喷雾或流化床等常规短时干燥方法大批量的连续生产。
脉冲燃烧干燥从其原理上讲,将热敏性极高的产品充分雾化,并有很迅速的传热传质速率,这些都在数秒内完成。所以热损坏很低。这一工艺目前尚未被成功运用于实际生产。可能与噪声、规模放大及成本等方面的问题有关。
过热蒸汽干燥的概念提出已有一个多世纪,但仅在二十多年前才有产品上市,如果肉、甜菜泥、蔬菜等。过热蒸汽可在真空低压下操作,这样可以避免热敏性物料受大气中氧气的破坏。由于大多数生鲜产品是以大批量方式生产的,所以过热蒸汽干燥在这一应用领域有较强的竞争力。
当干燥时为防止氧化必须把氧排除时,可用氮作为惰性介质。在间歇干燥中,因为大多数干燥都发生在降速阶段,所以不断地为系统提供能量是一个好想法。Jumah等(1996年)应用新的间歇喷动及间歇加热喷动床干燥机来加工谷物,并解释了其工作原理。这种方法被证明减少了能耗以及热气消耗量,同时由于温度较低,产品品质也得到提高,而且间断喷动可减少谷物的机械磨损。这一思路也可应用于流化床。
高压电场干燥是一种相对较新的技术手段,Kulacki(1982年)讨论了电流体力学的基本原理以及电场对传热传质的影响。在HEF技术中,湿物料在交流高压电场(Hashinaga等,1999年)的作用下,在常温常压下(或在较低的温度、压力下)被干燥。它与微波和射频干燥不同,因为热不是在物料内产生,所以干燥时不会有色泽、营养及质构方面的改变。装置也非常简单,由点式和板式电极组成,主要费用就是电能的消耗。Bajgai和Hashinaga(2000年)表明在430kV/m电场强度下,HEF干燥疲菜的品质较高。虽然干燥速率很慢,但产品质量却非常高,故它适用于小批量物料的干燥。
一些与生鲜食品干燥工艺相关的选择考虑因素有:在所需速率下处理原料的能力和生产指定品质产品的能力;便于无污染的卫生操作;便于灵活性操作(可生产其他类似产品)和多功能操作(可同时实现所需多种干燥过程);便于安全性操作(无燃烧/爆炸危险,冷库工程毒理学安全性);便于控制;便于节能;低成本,占用空间小。
②根据技术经济指标选型。技术经济指标主要包括生产能力(或产量)、能耗、干燥品质、生产成本等方面。从生产能力来看,能产生高温、大风量,且有大容量的脱水设备适合大规模生产的需要,如多隧道式干燥机能达到日产几吨产品的生产能力。从能源来看,在我国太阳能最经济,煤次之,电能最贵。因此在成本合适的情况下优先考虑用太阳能和煤的设备。再从能耗来看,具有废气循环系统设计的设备有节能的作用。从干燥品质来看,真空及冻结干燥设备与常压脱水设备相比,产品的干燥品质有大幅度的提高,因此特别适用于经济价值高的物料。但从生产成本来看,前面谈到的一些产量高、能耗低、干燥品质好的设备往往带来高的生产成本,如冻结干燥产品的成本比同类常压脱水产品成本高一倍以上。因此在设备选型时要综合考虑上述要素。
③根据安全性选型。当食品干燥时,如果直接与含有致癌的多环芳烃的燃烧产物接触,这些燃烧产物就可能被吸附到产品中。此外,在直接燃烧干燥器中使用的燃烧气中的氮氧化合物和在一些食品中作为添加剂的亚硝酸盐。由于上述原因,在缺乏确定、广泛的科研基础的情况下,不推荐使用直接燃烧型干燥器对食品材料进行对流干燥。用于那种干燥操作的空气必须是通过使用适当的换热器进行间接加热。
生鲜食品脱水过程品质调控机理
生鲜食品脱水过程中的物理和化学变化
众所周知,生鲜食品脱水时常常出现的物理变化有干缩、干裂、表面硬化和多孔性形成等。干缩是物料在脱水过程中细胞萎缩的标志。这种萎缩往往超过弹性极限从而使脱水果蔬复原变得困难。半干半潮型脱水产品(半脱水产品)由于脱水程度的降低使其复原程度有所提高,但目前的难题是我们并不清楚各种物料在多少含水率下细胞萎缩开始超过弹性极限变成塑性变形,因此在确定半干型脱水产品的最终含水率时带有一定的盲目性。干裂和表面硬化现象大多出现在高温快速干燥时。为了尽量减少营养和色泽的损失,高温快速干燥是有效的,但由于外扩散远大于内扩散,表面硬化或干裂的出现是难免的,当然这与物料的厚度有密切关系。物料内多孔性的形成与快速干燥也有直接的关系。而真空干燥、冻结干燥等干燥形式有利于产生多孔性的干制品。从复水角度看,多孔性干制品有能迅速复水的优点。除了物理变化外,生鲜食品脱水过程还伴随着色泽、风味、营养成分下降等化学变化。真空干燥、冻结干燥等干燥形式由于在干燥过程中保持较低的烘温,因此有利于色素和营养成分的保存。
生鲜食品保质脱水过程的水分表达
在脱水过程中,水与生鲜食品中各种物质相互作用,使各种果蔬具有不同的理化特性。物料中的水分按其结合形式分为两种,一种是把其分为游离水、胶体水和结合水三类。游离水,即细胞毛细管中的水分,易蒸发,是生鲜食品水分中的主要部分,它具有普通水的性质;胶体水是由于胶体的水合作用吸附的水分,这种水分比游离水稳定,在一般情况下只有当游离水蒸发掉后,才能在腾出的蒸发面上蒸发一部分;结合水则根据物料的组织结构的特性呈现出不同的结合特性。另一种是更为精确的列宾杰尔分类法:分化学结合水、物理化学结合水和物理机械结合水三类。化学结合水以准确的数量关系结合,仅在超高温时才能脱去,生鲜食品脱水时不能也不应脱去,脱去化学结合水后,实质上改变了物料的物理特性;物理化学结合水是无准确的数量关系的理化结合,如吸附结合水、细胞内的渗透压保持水等;物理机械结合水为不定量的水,如各种大小毛细管水。列宾杰尔利用热力学关系得出了水与物料结合能的数量量级表达,从而使其分类有了实用价值。
根据能量特征可把生鲜食品脱水归人两种基本脱水原理:①水分以液态由物料中脱去,而物态不变化,如渗透脱水、离心甩干等;②水分脱去时有物态变化,如热风干燥由液体变成蒸汽的相变、冷冻干燥由固态变成蒸汽的相变等。采用哪些脱水方法取决于水分与物料的结合能及所需脱去哪部分水分。
生鲜食品脱水过程理论
生鲜食品脱水过程理论按目前的发展主要有固液吸附理论、内外扩散理论、热变性理论等。
固液吸附理论物料相界面(液体-固体)的吸附现象理论认为,由于吸附现象产生了吸附结合水,使干燥时消耗大量能量。吸附一般有物理吸附和化学吸附两种。其区别在于前者是以分子形式吸附,而后者是以原子或原子团形式吸附。化学吸附的结合强度大大高于物理吸附,在干燥过程中化学吸附引起的结合是不易被破坏的。此理论为物料中水分的分类提供了理论依据。本书主要讨论干燥过程中易破坏的物理吸附。物理吸附时水层厚度及其结合强度都是不同的,吸附理论的另一应用是目前根据物理化学的多分子吸附层理论可用吸附方程式把物料的水分活度和含水率联系起来。
吸附理论还认为,物料与环境空气的相互作用有两种,①物料表面的蒸汽分压大于空气的蒸汽分压时,产生蒸发(解吸),②反之,则吸收空气中蒸汽(吸湿)。经过一定时间的平衡,可使两个分压相等,此时得出的在各种恒温下物料水分活度(又称平衡相对湿度)与空气湿度(物料含水率)间的关系即是吸附和解吸等温线。脱水过程从本质上看是一个解吸过程。根据解吸等温线图可以清楚地得出可干燥区域,而吸附等温线图则可反映出吸附区域。同一物料的解吸线与吸附线间有滞后现象,此现象说明,物料干燥后重新吸湿,为了得到同样的含水率,需要更高的空气湿度。这结论对调味脱水果蔬后期预处理、干制品的吸潮和复水过程的研究都很重要。前苏联的菲洛年科等得出了分为两部分的等温线模型:
=(d+RH)/K(7-23)
W^=B(RH-RHJ/[b-(RH-RHJ]+Wm,(7-24)式中,RH表示相对湿度(%)。K,S和IF;表示关于温度的多项式模型系数,b和d为等温线模型系数。t的多项式,如对马铃薯片,/C=4.75+0.00075t2,B=13.4-0.2,=18.8-0.。
内外扩散理论内外扩散理论认为,生鲜食品脱水过程是外扩散(即水分通过表面蒸发向环境散发)和内扩散(即物料内部的水分向表面移动,有蒸汽迁移和液体迁移两种形式)同时进行的结果。已经发现,当物料含水率很大时,内部水分以液体形式迁移,而当含水率很小时,由于物料的温度升高至接近介质温度,且已不存在游离水,故内部水分以蒸汽形式迁移并蒸。
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