真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的研究进展_陈瑞瑞.pdf
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1、真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的研究进展陈瑞瑞,谢婵媛,柴燃,张紫阳,田振扬,常世敏*(河北工程大学生命科学与食品工程学院,河北邯郸056002)摘要:综述了热风、喷雾、微波、红外等不同干燥技术联合真空冷冻干燥的工艺参数及对产品品质的影响,阐述了真空冷冻干燥联合其他不同干燥技术的干燥原理与特点,分析了不同联合干燥技术在缩短干燥时间、节约成本、改善食品品质方面的协同作用,以期为真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的研究与应用提供参考。关键词:真空冷冻干燥;联合干燥;喷雾;微波;食品工业Research Progress of Vacuum Freezing Combined Drying Tech
2、nologiesin Food IndustryCHEN Rui-rui,XIE Chan-yuan,CHAI Ran,ZHANG Zi-yang,TIAN Zhen-yang,CHANG Shi-min*(College of Life Science and Food Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056002,China)Abstract:In this paper,the effects of process parameters of different drying technologies such as h
3、ot air,spray,microwave and infrared combined with vacuum freeze-drying on products qualities were summarized,the dryingprinciples and characteristics of vacuum freeze-drying combined with other drying techniques were elaborated,andthe synergistic effects of different combined drying technologies on
4、shortening drying time,saving cost andimproving foods qualities were analyzed,in order to provide references for the researches and applications ofvacuum freeze-drying combined technologies in food industry.Key words:vacuum freeze-drying;combined drying;spray;microwave;food industry基金项目:河北省重点研发计划项目(
5、18227139D)作者简介:陈瑞瑞(1992),女,汉族,硕士在读,研究方向:食品营养品质评价与功效。*通信作者:常世敏,博士,副教授,研究方向:食品营养品质评价与功效。中图分类号:TS205.1DOI:10.3969/j.issn.10096221.2023.03.010文献标识码:A保鲜与加工Storage and Process2023,23(3):62-69专 题 论 述干燥是食品加工和储藏的主要技术手段,目前常用的干燥方法主要有热风干燥、辐射干燥、喷雾干燥、真空干燥等。真空干燥技术又包括真空冷冻干燥、真空微波干燥1、红外真空干燥2和组合干燥等。其中,真空冷冻干燥生产的产品品质好、复
6、水率高、能更好地保留食物的营养成分和风味3,因而在食品行业中应用较广,多用于新型食品研发、功能性食品干燥、高档产品加工。然而单独使用真空冷冻干燥技术存在时间长、能耗高的缺点,通过真空冷冻干燥联合其他干燥技术能够很好地解决此类问题。真空冷冻联合干燥技术相比于单一真空冷冻干燥,节约了能耗,降低了生产成本,丰富了食品加工应用领域,并进一步提升了产品品质,逐渐成为现代食品工业研究的热点。真空冷冻联合干燥技术主要有喷雾-真空冷冻62投稿平台:2023年第3期干燥(Spray-freeze drying,SFD)技术、超声波喷雾-真空冷冻干燥(Ultrasonic spray-freeze drying,
7、USFD)技术、红外-真空冷冻干燥技术、真空冷冻-变温压差膨化联合干燥技术4等。本文阐述了不同真空冷冻联合干燥技术的原理和特性,分析了其对水果、蔬菜、汤料、果粉等原料进行加工时,不同工序和工艺参数对产品品质、节约能耗等方面的影响,以期为真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的应用提供理论参考。1热风-真空冷冻联合干燥技术1.1热风干燥原理及特点热风干燥以热空气为干燥介质与食品进行湿热交换,物料外周的水分通过表面的气膜向气流主体扩散,物料内部和表面之间产生水分梯度差,物料内部的水分因此以气态或液态的形式向表面扩散5,故干燥时间较长,复水率较低6。1.2真空冷冻干燥原理及特点真空冷冻干燥(Freeze
8、drying,FD)是将物料置于干燥箱内,使含水物料冷冻成固态,通过减小干燥仓中的压强使物料所含水分沸点降低,由冰晶直接升华成气体,干燥物料7。真空冷冻干燥不能灵活控制物料的温度和水分,需通过热传导的方式由隔热板控制物料温度8,升华阶段去除了物料中的大部分自由水,解吸阶段耗时长,但只是去掉了少部分结合水9。1.3热风-真空冷冻联合干燥原理及特点热风干燥需长时间高温运行,在此运行模式下会损失挥发性成分,钝化酶的活性并破坏活性成分。热风-真空冷冻联合干燥(Hot air-vacuum freeze drying,HA-VFD)结合了热风干燥和真空冷冻干燥两种干燥方式的优点,可显著缩短干燥时间,节约
9、能耗,提高干燥效率和食品品质。热风-真空冷冻联合干燥分为两种形式:一种为先热风干燥,然后进行真空冷冻干燥;另一种为先进行真空冷冻干燥,然后进行热风干燥。1.4热风-真空冷冻联合干燥应用研究热风-真空冷冻联合干燥主要应用于果蔬干燥加工。邓媛元等10分别采用热风干燥、真空冷冻干燥和热风-真空冷冻联合干燥制备龙眼果干,发现热风-真空冷冻联合干燥的龙眼果干复水比、水分活度、皱缩率介于热风干燥、真空冷冻干燥之间,但与真空冷冻干燥相比,热风-真空冷冻联合干燥技术可节约时间 12.16%,减少 25.40%单位能耗。徐英英等11将热风-真空冷冻联合干燥工艺应用于土豆片的脱水加工过程,该方法既克服了热风干燥品
10、质差,冷冻干燥时间长、成本高的缺点,又发挥了热风干燥效率高,真空冷冻干燥品质好的优点,较大地提升了土豆片干燥加工的效率和品质。将热风-真空冷冻联合干燥调换工序流程,先进行真空冷冻干燥,再进行热风干燥可获得色、香、形、味具佳的产品。罗小梅等12采用冷冻真空-热风联合干燥技术处理金花茶花朵,以微波干燥、冷冻真空干燥作为对照,发现冷冻真空-热风联合干燥技术较好地解决了金花茶花朵在微波干燥过程中的外形皱缩、色泽褐变的问题,有效弥补了真空冷冻干燥产品干燥时间长、能耗高、不耐储藏的缺点。应用热风-真空冷冻干燥技术的参数及特点见表 1。原 料技术参数特点参考文献龙眼果热风干燥 100,3 h;真空冷冻干燥-
11、20 预冻12 h;真空度 34 Pa,低温-80,50 h节约干燥时间 12.16%,节约单位能耗 25.40%10土豆片热风干燥 63,转换含水率 36%,真空度 40 Pa,真空冷冻干燥 12.2 h提升了土豆片干燥加工的效率和品质,复水比为 4.711金花茶花-20 预冻结冰,真空度 0.090.095 MPa,35 烘2 h,40 烘 23 h,45 烘 45 h,转换含水率 18%,热风干燥 90100,含水率 7%结束产品色泽金黄,花形完整,总耗时 21 h,比单独真空冷冻干燥缩短 5 h12杏鲍菇热风干燥 55,54 min;真空冷冻干燥 11 h联合干燥耗能比热风干燥减少 6
12、3.3%,比真空冷冻干燥减少 6.3%13表 1热风-真空冷冻干燥技术的参数及特点Table 1Parameters and characteristics of hot air-vacuum freeze-drying technology2喷雾-真空冷冻联合干燥技术2.1喷雾干燥原理及特点喷雾干燥(Spray drying,SD)是指用雾化器将料液分散成雾状液滴,同时在热风中干燥,最终获得粉状或颗粒状成品的过程14,其主要特点是干燥速度快、产量大、成本低,但存在对活性物质破坏大,容易糊化等缺点,为解决此类问题,可在进行喷雾干燥时对原料进行包埋,或降低料液黏性,从而保留料液中的活性成分15。
13、陈瑞瑞,等:真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的研究进展63保鲜与加工Storage and Process联系邮箱:2023年第3期2.2喷雾-真空冷冻干燥原理及特点喷雾-真空冷冻干燥是一种非常规的冷冻干燥技术,一般包括两步:第一步是将悬浮液雾化、冻结,第二步是真空冷冻干燥16。SFD 技术可避免单一真空冷冻干燥成粉易结块、需轻微碾压过筛的缺点,可将物料直接干燥成粉状颗粒,比表面积大,结晶度低。微观外貌呈球形,SFD 在常压下可得到粒径 1030 m 的颗粒17,在室温条件下可将乳液固化并保护芯材不被氧化18,同时具有生产过程快、连续19、产量高、成本低的特点。在制备粉末的过程中 SFD 可控
14、制产品规格,如平均粒径、粒度分布、湿含量等,设备操控具有灵活性20,制出的粉状颗粒粒径分布均匀,分子结构有序,呈多孔性,溶解度大,可更好地应用于保健食品、特需食品的生产。SFD还可有效保留生物活性成分,适用于制备温度敏感的速溶性特效药21。2.3喷雾-真空冷冻干燥应用研究喷雾干燥、真空冷冻干燥、喷雾-真空冷冻干燥 3种干燥工艺制备的粉体颗粒微观形态具有一定的差异,进而影响产品品质。苏小军等22应用喷雾冷冻干燥、真空冷冻干燥、喷雾-真空冷冻干燥 3 种技术处理紫淮山,发现真空冷冻干燥制备的紫淮山颗粒表面有褶皱,微粒间有相互作用;喷雾干燥制备的颗粒大小不一,表面较光滑,溶解性差;喷雾-真空冷冻干燥
15、得到的全粉堆积密度小、蓬松度高、冲调性好。SFD 应用于粉末颗粒制备,所制成的产品具有很好的冲调性,较好地保护了产品中的活性成分。刘丽莉等23对比了喷雾冷冻干燥蛋清粉与喷雾干燥蛋清粉,结果表明:喷雾冷冻干燥制得的蛋清粉为大孔隙颗粒网络结构,溶解度增大,分子结构有序,蛋白质聚集程度小,更好地保留了蛋白质活性;而喷雾干燥制得的蛋清粉蛋白变性和聚集程度较大,凝胶硬度大,保水性好,二者起泡性无明显差别。Laglar 等24比较了真空冷冻干燥与喷雾干燥两种干燥方式生产的酵母粉,结果表明:喷雾干燥制得的酵母粉微观结构为多面体,边缘呈刺状、弧形、拉长和脊状形状,而真空冷冻干燥酵母粉微观结构更接近球形。喷雾干
16、燥与真空冷冻干燥都可使酵母粉货架期更长。车馨子等25采用喷雾冷冻干燥技术制备鱼油微胶囊,运用加权综合评分法确定喷雾冷冻干燥的最佳工艺参数为:真空压力 35 Pa,冷风风量5.5 m3/min,制得的鱼油微胶囊产品品质最佳,且鱼油包埋前后经喷雾冷冻干燥后脂肪酸成分变化不大,鱼油微胶囊饱和脂肪酸相对含量减少,不饱和脂肪酸相对含量增加。Tanaka 等26利用喷雾-真空冷冻干燥分别制备了茶碱粉末和茶碱-草酸共晶体粉末,发现茶碱-草酸共晶体在 40 室温,96.4%盐水浸湿 1 500 min后,高湿度条件下吸湿性减少,微观形态保持完好。SFD 结合共晶工艺生产出的低密度多孔晶体具有较大的比表面积和较
17、低的吸湿性,更加适用于吸入式粉雾剂型的药物制备。综上所述,相比于 FD,SFD 提升了产品品质,制得的产品结构完整,活性成分含量高。喷雾-真空冷冻干燥技术参数及特点如表 2 所示。表 2喷雾-真空冷冻干燥技术的参数及特点Table 2Parameters and characteristics of spray-vacuum freeze-drying technology产品技术参数特点参考文献奶粉-40 加热到 40,614 min单一真空冷冻干燥 48 h,采用喷雾-真空冷冻干燥缩短为 10 h19紫淮山全粉进料流量 25 mL/min,固液比 11,冻结温度-30 紫淮山药全粉品质好,
18、含水率 3.89%,溶解度23.12%,花色苷含量 13.28 mg/100 g22鱼油微胶囊真空压力 35 Pa,冷风风量 5.5 m3/min鱼油微胶囊产品质量较优,粒径分布较为集中,集中分布于 117.13200.06 m253超声波喷雾-真空冷冻联合干燥技术3.1超声波喷雾技术原理超声波喷雾技术是利用超声波的振峰将液滴分离并破碎,使液体在气相中形成微细雾滴的过程27。食品加工中常使用 16100 kHz 的超声波改变食品的物理、化学性质28。超声波喷嘴因使用低频超声波进行雾化,喷雾冲击力很小,可避免物料飞溅及浪费29。3.2超声波喷雾-真空冷冻干燥技术原理及特点超声波喷雾-真空冷冻干燥
19、是喷雾-真空冷冻干燥应用超声波雾化形式的一种技术。在干燥腔低温和真空环境下通过超声波雾化器将液体样品雾化,瞬时冻结30。超声波喷雾-真空冷冻干燥与喷雾干燥相比,减少了干燥过程中热和氧的胁迫作用31,同时超声波喷雾技术有利于黏稠物料的干燥32。但因超声波过程产热,热量过多会使冻结物料塌陷,破坏冷冻干燥64投稿平台:2023年第3期表 3超声波喷雾-真空冷冻干燥技术的参数及特点Table 3Parameters and characteristics of ultrasonic spray-vacuum freeze-drying technology过程中物料的内部结构,因而需要严格控制超声作用
20、的时间33。3.3超声波喷雾-真空冷冻干燥应用研究超声波喷雾-真空冷冻干燥一般应用于高黏度、高油脂含量粉体颗粒的制备。表 3 列举了两种采用超声波喷雾-真空冷冻干燥技术制备高汤粉体的参数。郑旭等34研究发现,超声波喷雾-真空冷冻干燥技术制备高汤微胶囊粉体调味料时,利用超声喷雾可增加物料表面积,缩短生产周期,增加经济效益,制得的高汤粉体品质高。与真空冷冻干燥相比,超声波喷雾-真空冷冻干燥的可控参数增多,制出的粉体颗粒大小可调,稳定性和溶解性好。刘雨曦等35研究发现,与喷雾干燥、真空冷冻干燥相比,超声波喷雾-真空冷冻干燥技术加工出的佛跳墙汤料粉尺寸可控、粉体均匀、多孔、呈球状,复水时溶解性好,利用
21、超声波喷雾-真空冷冻干燥处理的粉末样品不仅可检测出39 种挥发性风味物质,而且能较好地保留汤的原有风味。产品技术参数特点参考文献高汤微胶囊粉体超声波功率 3 W,体积流量 3 mL/min,物料固形物浓度 5%,退火时间 5 h,退火温度-40 相比常规干燥工艺,以低成本、低周期获得了较高品质、复水后风味保留较好的高汤微胶囊粉体34佛跳墙高汤粉体超声功率 3 W,进料流量 3 mL/min,喷雾后,将小液滴转移至-40 的冰箱中,退火 5 h。干燥压力1 kPa。升温程序:隔板温度-25,30 h;-15,1 h;-5,1 h;5,1 h;20,10 h检测出 39 种挥发性风味物质,制成的粉
22、体能更好地保留高汤总体风味35陈瑞瑞,等:真空冷冻联合干燥技术在食品工业中的研究进展4微波-真空冷冻联合干燥技术4.1微波干燥原理及特点微波干燥是利用高频电磁波为加热源,食品通过吸收微波使内部直接升温进行干燥36。微波干燥具有速度快、可随时调节微波功率、热效率高、节约能源的特点37,但单独使用微波干燥使物料表面干燥不均匀,产品颜色和形状发生较大变化,水分含量难以控制38。4.2微波-真空冷冻干燥原理和特点微波-真空冷冻干燥(Microwave vacuum freeze-drying,MVFD)是一种低温快速干燥的方法,可使两种干燥方式优势互补。微波-真空冷冻干燥先对原料进行真空冷冻干燥去除大
23、部分水分,形成了半干产品的“骨架”,再采用真空微波方式去除剩余水分,利用微波的穿透性,快速高效地穿透至物料内部39,辐射能转化为热能,使物料内、外同时加热40,加速水分的扩散和蒸发。微波-真空冷冻干燥使真空微波干燥阶段替代冗长的冻干解吸干燥阶段,从而缩短干燥时间,最大限度地保留食品的原始颜色和营养成分41。热风-真空冷冻干燥和微波-真空冷冻干燥多用于果干的加工制备,两者的区别在于微波-真空冷冻干燥在干燥的同时可对原料进行物理杀菌、营养损失小,能够较好地保留产品营养和原有色泽。对菌类进行加工时,微波-真空冷冻干燥与热风-真空冷冻干燥总时长相近。4.3微波-真空冷冻干燥技术应用研究微波-真空冷冻干
24、燥技术在对物料进行干燥的同时可物理杀菌,该技术现多用来加工大型子实体真菌、水果、蔬菜等。表 4 列举了多种原料使用微波-真空冷冻干燥技术的参数及特点。孙静儒42利用微波-真空冷冻干燥联合技术制作芦笋干可降低能耗,脱水时间缩短 40%,脱水率可达 95.4%,杀菌率可达86.9%。廉苗苗等43发现猕猴桃具有疏松的内部结构和较高的初始含水量,先利用真空冷冻干燥去除自由水,形成“骨架”,再进行真空微波干燥,可在原有空间结构稳定的情况下进行水分迁移,水分被快速汽化,使得新鲜的猕猴桃片快速干燥。朱彩平等44采用微波-真空冷冻干燥技术处理平菇,当微波功率 300 W、转换点含水率 37%、真空冷冻干燥时间
25、 11 h 时,得到的平菇制品品质最好,营养价值最高。研究表明,微波-真空冷冻干燥技术不仅可以缩短干燥时间、进行杀菌、提高产品品质,而且还可以较大程度地保留产品的风味物质。韩玮等45对比了真空冷冻干燥和真空冷冻-微波联合干燥的李果干香气成分种类及数量,结果表明,前者处理的李果干鉴定出 51 种物质,后者制备的李果干香气成分种类总数为 52 种,说明联合干燥对李果干的风味影响较小。5红外-真空冷冻联合干燥技术5.1红外干燥原理及特点红外干燥是辐射能直接将热量传递给被干燥的65保鲜与加工Storage and Process联系邮箱:2023年第3期表 4微波-真空冷冻干燥技术的参数及特点Tabl
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