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真空冷凍干燥技術(shù)在果蔬加工中的應(yīng)用

  1、綜述
  
  第二次世界大戰(zhàn)后期,由于軍事戰(zhàn)備食品的需求,真空冷凍干燥用于果蔬高品質(zhì)脫水技術(shù)被迅速發(fā)展起來(lái)。70 年代以來(lái),隨著普通消費(fèi)者對(duì)方便食品的要求日益增多,使凍干食品市場(chǎng)日趨擴(kuò)大,凍干食品在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已相當(dāng)流行,成為國(guó)際貿(mào)易的大宗食品。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,技術(shù)日漸成熟,設(shè)備日趨完善。我國(guó)在50 年代引進(jìn)真空冷凍干燥技術(shù),z*初用于藥物及生物制品的脫水干燥。1953 年衛(wèi)生部所屬北京、武漢兩生物制品研究所先后安裝了大型凍干設(shè)備,邁開(kāi)了我國(guó)生物制品凍干工業(yè)化的第一步。60 年代后期在北京、上海、大連等地相繼建立了一些實(shí)驗(yàn)性凍干設(shè)備,70 年代中期在上海建立了年產(chǎn)3000 噸的食品凍干車(chē)間。但是當(dāng)時(shí)我國(guó)的人民生活水平低,人們有愛(ài)吃新鮮食品的習(xí)慣,凍干食品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不大;80 年代后期,一些外商看中了中國(guó)豐富的原料市場(chǎng),開(kāi)始在大陸投資設(shè)廠。到了90 年代,隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,市場(chǎng)凍干食品的需求越來(lái)越大,特別是外商為打開(kāi)中國(guó)市場(chǎng),紛紛提供設(shè)備貸款以及包銷(xiāo)部分產(chǎn)品,促使一些食品企業(yè)大膽引進(jìn)國(guó)外設(shè)備建廠,而國(guó)內(nèi)一些廠家亦爭(zhēng)先恐后推出國(guó)產(chǎn)凍干設(shè)備。一時(shí)間,凍干食品行業(yè)呈現(xiàn)一派興旺和蓬勃發(fā)展的景象。但真正有經(jīng)濟(jì)效益的企業(yè)并不多,相當(dāng)企業(yè)由于未經(jīng)充分論證后即倉(cāng)促建線生產(chǎn),在原料供應(yīng)、銷(xiāo)售市場(chǎng)、工藝技術(shù)等均不占優(yōu)勢(shì)的情況下,只好暫時(shí)停產(chǎn)以觀市場(chǎng),昂貴的進(jìn)口設(shè)備閑置或部分閑置,實(shí)在令人惋惜。
  
  我國(guó)的農(nóng)副產(chǎn)品資源極其豐富,品種多、質(zhì)量好、價(jià)格低,急需深加工增值。此外,我國(guó)的中草藥、珍貴動(dòng)、植物品種繁多,可生產(chǎn)出具有特色的凍干名貴產(chǎn)品。加入WTO 后,這種高科技含量的行業(yè)市場(chǎng)前景越來(lái)越好。凍干食品在一些發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的普及水平,美國(guó)、日本凍干食品的比重已達(dá)到40% 以上。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì),目前,美國(guó)每年消費(fèi)凍干食品500 萬(wàn)t,日本160 萬(wàn)t,法國(guó)150 萬(wàn)t,其他國(guó)家也很可觀。日本每年約需花1000 億日元進(jìn)口凍干食品,香港、新加坡和南韓每年進(jìn)口凍干食品達(dá)500 億日元。日本、美國(guó)及歐洲等每年約需凍干大蒜粉6000t,可見(jiàn)凍干食品的國(guó)際市場(chǎng)之大。另一方面,我國(guó)勞動(dòng)力密集,加工凍干食品的成本比其他國(guó)家低得多。這種低成本,對(duì)外商產(chǎn)生了巨大的吸引力,近年來(lái),外商轉(zhuǎn)向中國(guó)求購(gòu)大量?jī)龈墒称?,這就為我國(guó)發(fā)展凍干食品提供了機(jī)遇。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)食品質(zhì)量的要求越來(lái)越高,特別是對(duì)高質(zhì)量的嬰幼兒食品和保健食品的需求量急劇增加。另外,我國(guó)旅游、探險(xiǎn)、航海事業(yè)必將有大的發(fā)展,同時(shí)高檔餐飲業(yè)的迅速崛起、人們生活節(jié)奏的加快,都對(duì)方便即食食品的需求量越來(lái)越大。因此,發(fā)展凍干食品具有廣闊的國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。據(jù)國(guó)家海關(guān)總署、國(guó)家商檢局統(tǒng)計(jì),在20 世紀(jì)90 年代,我國(guó)脫水蔬菜出口量每年以30 %的速度增加,出口量約占世界總產(chǎn)量的2/3。而凍干蔬菜在國(guó)際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥脫水蔬菜的4 ~6 倍,正成為國(guó)際貿(mào)易的大宗食品。國(guó)際市場(chǎng)凍干食品供不應(yīng)求,但國(guó)內(nèi)凍干食品工業(yè)尚處于發(fā)展初期,產(chǎn)量還很低。因此我國(guó)應(yīng)加快發(fā)展凍干食品,把豐富的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行深加工增值、外銷(xiāo)創(chuàng)匯。國(guó)內(nèi)外對(duì)凍干食品的巨大需求,為我國(guó)發(fā)展凍干食品工業(yè)提供了機(jī)遇。
  
  真空冷凍干燥技術(shù)是一項(xiàng)高新加工技術(shù),被認(rèn)為是生產(chǎn)高品質(zhì)脫水食品的z*好加工方法。其原理是在真空狀態(tài)下,利用升華原理,使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分不經(jīng)過(guò)冰的融化直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去,從而使物料在低溫狀態(tài)下被迅速干燥,稱為真空冷凍干燥,簡(jiǎn)稱凍干。用此方法生產(chǎn)的食品稱凍干食品?,F(xiàn)在除北京、福建、廣東、青島等地還在生產(chǎn)俏銷(xiāo)的蘑菇、調(diào)料以外,食品凍干幾乎沒(méi)有發(fā)展。我國(guó)可用于凍干加工的食品資源特別是土特產(chǎn)十分豐富,如豆制品、蘑菇、苔菜、獼猴桃、椰汁、大蒜、茶葉、蜂蜜等產(chǎn)品在世界上都是有名的。隨著對(duì)外開(kāi)放、對(duì)內(nèi)搞活政策方針的貫徹和我國(guó)人民食品結(jié)構(gòu)的改變,食品凍干業(yè)在我國(guó)將會(huì)得到迅速發(fā)展。
  
  當(dāng)然,凍干技術(shù)還有許多尚待解決的問(wèn)題。如妨礙凍干技術(shù)更為廣泛應(yīng)用的z*大障礙是生產(chǎn)成本高,因此如何縮短凍干周期進(jìn)行能源的綜合利用、強(qiáng)化裝置的功能,降低裝置的耗能,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)展需要解決的重要課題。但是隨著凍干技術(shù)的提高,凍干設(shè)備的日益完善,尤其是凍干設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,凍干食品的生產(chǎn)成本必將而且已經(jīng)進(jìn)一步降低。另外,與罐藏食品、冷凍食品相比,凍干食品的運(yùn)輸、貯存等經(jīng)常性費(fèi)用較低,而凍干食品的高質(zhì)量所附加的高價(jià)值,可以彌補(bǔ)其成本高的缺點(diǎn),尤其是對(duì)于價(jià)格高的食品物料,凍干成本在其產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格中所占的比例并不大。由于凍干食品避免了傳統(tǒng)脫水技術(shù)方法帶來(lái)的變色、變味、營(yíng)養(yǎng)成分損失大、復(fù)水性差等缺陷,具有保持原食品形、色、香、味、營(yíng)養(yǎng)不變、復(fù)水性好、重量輕、可常溫貯藏等優(yōu)點(diǎn)。因此,凍干食品在國(guó)際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥食品4~6 倍,是速凍食品7~8 倍。
  
  2、凍干生產(chǎn)所用設(shè)備
  
  2.1、主要設(shè)備
  
  凍干食品生產(chǎn)z*主要的設(shè)備為食品用真空冷凍干燥機(jī)組,該機(jī)組的性能,能耗和操作自動(dòng)化程度的高低決定了凍干食品生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平的高低,食品用凍干機(jī)分間歇式和連續(xù)式。連續(xù)式機(jī)組在國(guó)內(nèi)企業(yè)尚屬少見(jiàn)。間歇式凍干機(jī)由干燥箱體、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等5 部分組成。
  
  (1)干燥箱體 有圓筒形及方形兩種主要的形式,各有優(yōu)點(diǎn),圓筒形制造容易,但無(wú)法利用的空間多;方形則相反,空間利用率高,但制造較困難。
  
  (2)加熱系統(tǒng) 大多數(shù)采用輻射傳熱,輻射板由陽(yáng)極電鍍鋁制成,導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)熱油,飽和水、二次蒸汽,有機(jī)溶劑如丙二醇、甘油等,熱源均系用高壓水蒸汽。
  
  (3)真空系統(tǒng) 采用機(jī)械真空,有羅茨泵+油封泵及羅茨泵+羅茨泵+大氣噴射+水環(huán)泵兩種,兩者主要區(qū)別是前者不能抽水蒸汽,因此對(duì)冷阱效率要求較高,優(yōu)點(diǎn)是能耗小,后者則正好相反,能抽吸少量水蒸汽,缺點(diǎn)是能耗較大。
  
  (4)制冷系統(tǒng) 由制冷機(jī)組與冷卻排管構(gòu)成,作水蒸汽捕集器(亦稱冷阱)依其與輻射板組件的相對(duì)位置,有如下幾種形式:①底置式:放置在輻射板組件的底部;②側(cè)置式:放置在輻射板組件的兩側(cè);③后置式:放置在輻射板組件的后面;④另置式:放置在輻射板組件不在同一容器內(nèi),另外一個(gè)容器放置,兩容器之間有一個(gè)短而粗的管件連接。
  
  (5)控制系統(tǒng) 有手動(dòng)控制及自動(dòng)控制兩大類(lèi),自動(dòng)控制又分儀表自動(dòng)控制與PLC 可編程序控制兩類(lèi)。以PLC 可編程序控制z*先進(jìn),現(xiàn)在已有專(zhuān)用的凍干程序控制儀問(wèn)世,是在PLC基礎(chǔ)上按凍干要求而設(shè)計(jì)的,能自動(dòng)完成凍干過(guò)程中復(fù)雜的控制操作,并且有貯存數(shù)據(jù)的功能。
  
  2.2、凍干食品生產(chǎn)線的配置
  
  (1)清洗機(jī)及容器:用來(lái)清洗果蔬的泥土及表面殘留物。
  
  (2)多用切片機(jī):用來(lái)將原料切成一定厚度的薄片,便于統(tǒng)一完成凍干時(shí)間及加快凍干速度,國(guó)產(chǎn)的即可。我國(guó)臺(tái)灣、日本、美國(guó)產(chǎn)的切片機(jī)價(jià)格高于國(guó)產(chǎn)的約30-50%。
  
  (3)冷卻槽:殺青后的冷卻槽可用清洗槽代替,簡(jiǎn)易生產(chǎn)線通常因自來(lái)水冷卻瀝水可選用振蕩瀝水機(jī),一般選用離心機(jī)脫水。
  
  (4)速凍庫(kù):速凍庫(kù)的配置與凍干機(jī)的處理能力相適應(yīng),以日班生產(chǎn)配料,滿足2 ~3 班凍干為宜。冷源z*好單獨(dú)或半單獨(dú)設(shè)置(低壓循環(huán)部分獨(dú)立)以防止在速凍庫(kù)熱負(fù)荷較大時(shí),影響到正在凍干過(guò)程中的冷卻溫度。
  
  (5)凍干車(chē)間:凍干車(chē)間是凍干食品生產(chǎn)的關(guān)鍵工序,它的設(shè)置同時(shí)要考慮到產(chǎn)品質(zhì)量受影響的程度,一般速凍庫(kù)與凍干箱門(mén)之間的距離越短越好,并且此通道z*好專(zhuān)用,僅作為物流通道,而不兼作人流通道,凍干箱門(mén)端與凍干機(jī)其它部分及設(shè)備z*好隔開(kāi),以減少環(huán)境對(duì)半成品的污染。
  
  (6)卸料與包裝間:卸料與包裝間應(yīng)密閉,地面至少要用水磨石加打蠟,墻體要用白瓷磚貼至1.5m 高,以上部分要刷白色防水涂料,此車(chē)間須裝設(shè)空調(diào)除濕設(shè)備,空調(diào)制冷可與冷庫(kù)系統(tǒng)合用,除濕設(shè)備宜選用轉(zhuǎn)輪式除濕機(jī),以利降低除濕成本,車(chē)間z*好無(wú)窗戶,門(mén)盡可能密閉,z*好采用無(wú)塵凈化室專(zhuān)用的密封門(mén),并要有換氣、消毒、滅菌等設(shè)施。包裝時(shí)一般要有不銹鋼工作臺(tái),抽真空充氮封口機(jī),抽真空設(shè)備宜選用水環(huán)式真空泵,抽速約20L/s,充氮?dú)庠礊楣I(yè)用氮?dú)?,?jīng)減壓過(guò)濾充入即可。
  
  3、凍干果蔬的生產(chǎn)工藝
  
  3.1、工藝流程 原料選擇→整理→預(yù)凍結(jié)→升華干燥→后處理→包裝、貯藏。
  
  3.2 操作要點(diǎn) (1)預(yù)處理 一般預(yù)處理是指升華干燥前的所有處理,所以干燥前凍結(jié)也屬于預(yù)處理。原料預(yù)處理和常規(guī)的果蔬干燥及果蔬速凍制品相同,如需進(jìn)行挑選、清洗、去皮、切分、燙漂、冷卻等處理,具體操作參見(jiàn)有關(guān)內(nèi)容,在此不作詳述。在進(jìn)行果汁或蔬菜汁凍干時(shí),則先用較低廉的加工方法預(yù)先將其濃縮,后在預(yù)凍結(jié)時(shí)將產(chǎn)品變成粒狀。
  
  預(yù)凍結(jié)是把經(jīng)前處理后的原料進(jìn)行冷凍處理,它是凍干的重要工序。由于果蔬在冷凍過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的生物化學(xué)及物理化學(xué)變
  
  化,因此預(yù)凍的好壞將直接影響到凍干果蔬質(zhì)量。冷凍過(guò)程中重點(diǎn)考慮的是被凍結(jié)物料的凍結(jié)速率對(duì)其質(zhì)量和干燥時(shí)間的影響。速凍與慢凍有以下差別:速凍產(chǎn)生的冰晶較小,慢凍產(chǎn)生的冰晶較大;大的冰晶有利于升華,小的冰晶不利于升華;小的冰晶對(duì)細(xì)胞的影響較小,冰晶越小,干燥后越能反映出產(chǎn)品原來(lái)的組織結(jié)構(gòu)和性能。但凍結(jié)速率高,所需的能耗也高。應(yīng)綜合考慮,選擇一個(gè)z*優(yōu)的凍結(jié)速率,在保證凍干食品質(zhì)量的同時(shí),使所需的冷凍能耗z*低。
  
  (2)升華干燥 升華干燥是凍干食品生產(chǎn)過(guò)程中的核心工藝,要控制好工藝條件。①裝載量 干燥時(shí),凍干機(jī)的濕重裝載量即單位面積干燥板上被干燥的質(zhì)量,是決定干燥時(shí)間的重要因素。被干燥食品的厚度也是影響干燥時(shí)間的因素。冷凍干燥時(shí),物料的干燥是由外層向內(nèi)層推進(jìn),因此,被干燥物料較厚時(shí),需要較長(zhǎng)的干燥時(shí)間。在實(shí)際干燥時(shí),被干燥物料均被切成15~30mm 的均勻厚度。單位面積干燥板所應(yīng)裝載的物料量,應(yīng)根據(jù)加熱方式及干燥食品的各類(lèi)而定。在采用工業(yè)化大規(guī)模裝置進(jìn)行干燥時(shí),若干燥周期為6~8h,則干燥板物料裝載量為5~15kg/m2。②干燥溫度 冷凍干燥時(shí),為能縮短干燥時(shí)間,必須有效地供給冰晶升華所需要的熱量,因此設(shè)計(jì)出各種實(shí)用的加熱方式。干燥溫度必須是控制在以不引起被干燥物料中冰晶融解、已干燥部分不會(huì)因過(guò)熱而引起熱變性的范圍內(nèi)。因此,在單一加熱方式中,干燥板的溫度在升華旺盛的干燥初期應(yīng)控制在70~80℃,干燥中期在60℃,干燥后期在40~50℃。③干燥終點(diǎn)的判斷 干燥終點(diǎn)可用下列指征來(lái)判定:物料溫度與加熱板溫度基本趨于一致并保持一段時(shí)間;泵組(或冷阱)真空計(jì)與干燥室真空計(jì)趨于一致,并保持一段時(shí)間;干燥室真空計(jì)冷阱溫度基本上回復(fù)到設(shè)備空載時(shí)的指標(biāo)并保持一段時(shí)間;對(duì)有大蝶閥的凍干機(jī),可關(guān)閉大蝶閥,真空機(jī)基本不下降或下降很少。以上4 個(gè)判定依據(jù),即可單獨(dú)使用,亦可組合或聯(lián)合使用。
  
  (3)后處理 后處理包括卸料,半成品選別,包裝等工序。凍干結(jié)速后,往干燥室內(nèi)注入氮?dú)饣蚋稍锟諝馄瞥婵?,然后立即移出物料在一個(gè)相對(duì)濕度50% 以下,溫度22~25℃,塵埃少的密閉環(huán)境中卸料,并在相同的環(huán)境中進(jìn)行半成品的選別及包裝。因?yàn)閮龈珊蟮奈锪暇哂旋嫶蟮谋砻娣e,吸濕性非常強(qiáng),因此需要在一個(gè)較為干燥的環(huán)境下,完成這些工序的操作。
  
  (4)包裝與貯存 食品凍干后具有龐大的表面積,食品中的一些成分直接裸露到空氣中,易接觸到空氣中的氧及吸附水分,從而導(dǎo)致凍干
  
  食品的逐漸變質(zhì)。其次,大多數(shù)凍干食品均具有天然色澤,這些天然色素易在光照下降解。在氧化作用及色素降解過(guò)程中,溫度也是一個(gè)影響此類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的重要因素。因此,凍干食品的包裝主要考慮如何防止或減輕上述4 個(gè)因素的影響。
  
  凍干食品所具有的多孔海綿狀結(jié)構(gòu),既有其有利的一面,也有其不利的一面:一是產(chǎn)品一旦暴露于空氣中容易吸濕和氧化降質(zhì),所以,凍干食品應(yīng)抽真空包裝,z*好充氮包裝;二是凍干食品所占體積相對(duì)較大,不利于包裝、運(yùn)輸、銷(xiāo)售,因此凍干食品常被壓縮后包裝。此外,多孔疏松狀結(jié)構(gòu)使得凍干食品在運(yùn)輸、銷(xiāo)售途中極易破碎,因此,對(duì)于那些不便壓縮包裝的凍干食品,應(yīng)具有一定保護(hù)作用的包裝材料或包裝形式。凍干食品常用的包裝材料為PE 袋及復(fù)合鋁鉑袋,PE 袋常用作大包裝用,復(fù)合鋁鉑袋常用作小包裝用,外包裝通常都選用牛皮瓦楞紙板箱,其大小符合集裝箱運(yùn)輸之需要,用PE 袋作內(nèi)包裝時(shí),為強(qiáng)化其隔絕氧、水、汽的作用,常用雙層,必要時(shí),還可采用鐵罐包裝,但價(jià)格較高,應(yīng)用不很普遍。不論采用何種包裝材料,均需采用抽真空充氮,并添加除氧劑及干燥劑。凍干食品應(yīng)貯存在陰涼、干燥處,如有條件,z*好放置在低溫低濕的環(huán)境中,保質(zhì)期通常為1 ~2年,采用鐵罐包裝時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)。
  
  4、凍干質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
  
  凍干果蔬的質(zhì)量要求較為嚴(yán)格,質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí),抽樣率占每批總數(shù)的10%(客戶有特需要求除外)每件隨機(jī)抽取小樣,混勻后作待檢樣品,下述檢驗(yàn)項(xiàng)目均為行業(yè)推薦指標(biāo),大致如下:
  
  (1)感官指標(biāo):色澤:應(yīng)有該品種原料的色澤。香味:應(yīng)有該品種的香味(或熟制后的香味)。粒度:指規(guī)格,依客戶要求而定,其中粉末≤ 2%。
  
  (2)水分 ≤ 5%
  
  (3)夾雜物 不得檢出(指非原料或其裂解物)。
  
  (4)微生物 細(xì)菌總數(shù)≤ 500 個(gè)/ g;大腸菌群≤ 10 個(gè)/ 100g;致病菌:不得檢出,或依客戶要求另定。
  
  (5)重金屬 砷(以As 計(jì))≤ 1.0mg / kg;鉛(以Pb 計(jì))≤ 2.0mg / kg;銅(以Cu 計(jì))≤ 60mg / kg。
  
  (6)裝量 不低于標(biāo)示量。
  
  (7)包裝材料 依客戶要求而定。
標(biāo)簽: 真空冷凍干燥  

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