食品真空冻干机技术发展至今依然还不十分完全成熟,还有许多尚待解决的问题,其中最大障碍是生产成本高。因此,如何进行能源的综合利用,强化装置的功能,降低设备造价都是冻干行业特别是食品冻干行业发展面临的重要课题。另外,控制食品的冻干终点温度还比较困难,冻干食品的口感、脆性、硬度与新鲜食品还有一定的差异,完全保证原来风味还不可能等。下面就冻干食品加工过程中对如何降低冻干能耗和成本提出一些经验和数据,供制冷同行探讨、参考。

   冻干食品的种类很多,食品真空冻干机加工的工艺较为复杂,一般按如下流程进行:原料检查选料洗涤前处理冻结升华干燥分选检查包装成品,生产过程可分为前处理、冻结、冻干和包装四个阶段,现逐步予以分析。

    1、前处理

    由于物料种类多种多样,对需求的食品也要求不一,往往使前处理过程的自动化程度受到限制。前处理过程包括择选、清洗、切分、烫漂、预冷等,能耗主要来自清洗、切分设备及预冷。在物料的切制成片时,应垂直于食品的纤维方向切断,这有利于干燥中产生的水蒸汽逸出和提高已干燥部分的传热系数,可减少能耗。尽量减少固体食品的厚度以减小冻结中的能量消耗,如在相同状态下冻结相同重量相同冻结终温的牛肉,当厚度为0.2米时,冻结时间为26.6小时,当牛肉厚度为0.1米时,冻结时间为10.9小时,减少了59%。在下一阶段的冻结过程中,食品的初始温度直接影响到冻结结束时食品平均温度,因此在前处理时应对食品进行预冷处理。方法是将物料浸入温度为5℃～10℃的水中快速冷却。

    2、冻结

    冻结是食品冻干过程中一个重要的环节,冻结温度和冻结速率对食品质量、水分的升华以及能耗均有很大的影响。当冻结的速度较快时,食品中的水分形成的冰晶体数量多,体积小,这样的冰晶体对细胞的机械损伤较轻,可以较好地保证食品的质量,这对于速冻食品来说是值得提倡的。但速冻所需的温度低,能耗大;另一方面,速冻产生出小而多的冰晶体;令晶体间的孔隙度变小,在升华干燥时,而使水蒸汽逸出阻力增大,造成食品干燥速度减慢,干燥时间延长,能耗设备就增加。解决这个问题的关键是增大冰晶体的体积,从食品冻干曲线上可以知道,在图二中,B～C是食品中绝大部分从液相变为固相的阶段,随着水分的不断冻结,食品的冰点逐渐降低,当降到-5℃时,食品中80%水分已被冻结,故-1℃～-5℃被称为最大冰结晶生成带。在生产过程中有经验的技术员会在冻结阶段将预先设置的温度(如选择-1℃～-10℃)保留一段时间,以促进冰晶的生长,这也是冻干食品较为经济的一种方法。另一种方法又叫“细粒化”冻干法,主要是把小粒尺寸(一般取粒径0.5～3毫米)作为冻干食品体形条件进行冻结。

    3、升华干燥

    这一阶段包括加热、真空、制冷系统三部分的能耗。

    (1).加热部分　食品在升华过程中吸收一定的热量,如果没有外界热源提供热量,会引起食品自身温度的降低,同时冰晶体的饱和蒸气压也随之降低,导致升华速度降低,因此必须向冻结食品提供一定的热量。为防止加热过量引起食品解冻,一般将食品温度控制在

    -10℃～-30℃间。所用热源主要有加热板、辐射加热板和微波发生器,目前大都采用辐射加热板作为热源。其原理如图三,传热和传质都在干燥层内,但方向相反,随着干燥的深入,干燥层厚度增厚,传热和传质阻力逐渐增加,由于传热、传质从两侧进行,因此干燥速度较快。

    (2).真空部分　食品放在真空箱内,以提高升华压力来提高食品已干层的有效导热系数,但压力太大或太小都会降低升华的速度。不同的食品都有其对应的压力在升华干燥中使升华的速度快,这个压力叫做该食品的升华压力。参考文献三,理查菲尔德在实验中列举出多种食品的升华压力,见附图四,牛肉(beef)和火鸡肉(tunrey)所对应的升华压力为1毫米汞柱和3毫米汞柱。在升华干燥过程中,为保证冻干食品的质量和冻干速率,减少不必要的能量损失,必须严格把握好真空箱中的压力。

    (3).制冷系统

    食品中的冰晶升华完毕之后,升华阶段即告结束,转入下一阶段水蒸汽的干燥过程,及时地把升华形成的水蒸汽抽放外界。真空泵主要用来排除干燥箱内的不凝性气体,因为箱内的压力很低,水蒸汽比容很大,大量的水气进入真空泵后很容易损坏真空泵。因此在真空泵和干燥箱之间应设置一个蒸气捕集器,它的表面温度比干燥箱低,水气的凝结是靠箱体与捕集器间的温差而形成的压力差作为动力。为减小制冷机的投资费用和日常运行费用,应保证捕集器有足够大的捕水面积。

    冻干结速后,接下来的程序就是包装和成品,这里无需赘述。为方便了解食品冻干的整个工艺过程,可参考附图四,这是目前广泛采用的间歇式升华干燥装置。