食品干燥技术的发展与最新动向

众所周知，干燥技术是食品储藏和改善品质必不可缺的单元操作之一，人类有史以来一直利用的食品加工技术。 干燥方法包括最原始的自然干燥法以及利用外来热量的热风干燥法、喷雾干燥法、薄膜干燥法及冷冻干燥法等多种方法。近年来，为了提高干燥作业的质量和效率，还研究开发成功组合利用真空和加压处理的各种新型干燥装置，使食品干燥技术进入了最新的发展阶段。 ■自然干燥是在食品加工历史中有很长的一段时期内得到利用的技术，可以说一直沿用到方便食品，干燥技术取得新发展时期为止。不过至今仍然为某种特殊地区的食品加工业需求，还能得到利用。 ■在方便食品制造过程中主要应用的是喷雾干燥、冻结干燥和滚筒干燥三大技术。 ■目前在食品领域利用的比较新的干燥技术还有真空传送带式干燥、真空脱水干燥、微波和远红外干燥、流动层造粒干燥等。 ■关于干燥装置的发展动向，同其他食品加工技术一样正在向探索节能、省地以及讲究卫生安全和适应环境保护要求，并能进一步提高产品质量高标准要求的方向发展。 特别是近年来出现的某些新的发展动向，如日本的食品加工企业渐渐将原料处理的基地转移到我国的东南亚地区，而其国内的大公司将研究开发高附加值的功能性食品和新材料作为寻求新发展的课题，于是出现了追求这些新目标的高品质干燥装置研究开发和生产。 ■食品生产中经常使用的是无损于食品风味、不易引起变色和变质的喷雾干燥，冷冻真空干燥和真空皮带式干燥等高品质干燥技术。另一方面由于冻结和真空操作的运转费用很高，考虑到产品品质和成本费用，最终的品质低下为妥协点，不得不转用滚筒干燥或其他干燥方法。 此外，也有再同冷冻真空干燥产品混合使用变通方法的。 不过无论如何，由于高品质干燥方法的生产成本过高，往往必须对含有高水分的食品材料采取先进行浓缩处理，除去部分水分的前处理方法，以减少成本费用。尤其是液态物料，通过采取浓缩—干燥等单元操作组合可最终达到降低或除去水分的目的。现在，将干燥—造粒、干燥—粉碎、混合—干燥等单元操作复配组合，以便更有效地制造所需产品，即被称之为工艺过程复合化的新系统正在增加。 在各种干燥装置中，也有将原料滞留时间明显短的装置与滞留时间长的装置组合起来以及将液态原料或浆状态原料等分别采用二次干燥机组，并组成一体生产粉状制品的新趋势。尤其是在成品为低水分含量时，之所以需要考虑采用复合法干燥的原因是：采用单一的干燥装置时，干燥装置必须很庞大，排气温度也很当高，排风量也很大。不仅仅有将两种干燥机组合利用的新倾向，而且由于不同最终制品质量要求上的需要，也有将干燥装置与其他单元操作组合连用的新趋势。 单元操作复合化的优点如下：可防止用单一机器从原料到成品的过程中容易产生的污染和混入异物；减少发热量，降低制品生产成本；设备小型化，结构紧凑化，价格也降低；达到省力化的目标。 近年来，通过单元操作复合化的发展，小型干燥装置的研究开发和生产取得了飞跃的发展和进步。现在，小型干燥机不仅能供研究开发新产品使用，而且中小规模的食品工厂也可以作为实际生产中使用的机器广为利用。 === 食品的干燥技术 食品干燥的主要目的，是保护生鲜食品免遭腐败。干燥的结果，又带来搬运方便，容易吃这些好处，并且有时候还会增加美味，也有产生不同的香味的。例如，把柿子制成柿饼，又增了甜味和独特的吃头。可是如果想把干燥了的食品，再度恢复水分，用历来的干燥法是难以还原的。为此，不去考虑用历来的干燥法使之返回原来状态，而更多地看到生产出别的加工食品来。无怪乎象挂面、通心粉、淀粉那样原料食品，就是尽量抑制变化制造出来的干燥食品。 干燥方法有以列几种： 1、加热干燥 2、真空干燥 3、喷雾干燥 4、冻结干燥 5、其它干燥 一、加热干燥 靠热源使空气加热，通过此热空气使之干燥，有将从燃料出来的火和烟，直接导入干燥器内，使之干燥的直接加热式与将热导入空气加热机，靠加热了的空气使之干燥的间接加热式。还有将加热板加热，在这上将材料压住使之干燥的热板加热式。 箱型热风干燥机是最普通的东西，从干燥室的外边送来热风使之干燥的。用在香蕈、茶叶上。热风温度因对象而导、例如，茶70-130℃，香蕈60℃左右。此外，还有向隧道状的干燥机内送进热风。比箱型干燥机的热效率高，用在蔬菜、水果、淀粉等的干燥上。还有，回转式干燥机，是具有不陡的倾斜的干燥圆筒回转，从上部添入材料后，边干燥边从下部出来。可以连续处理。用在砂糖、葡萄糖、糕点等的干燥上，另外还有，转筒干燥机，用的是把表面磨光了的金属性汽油筒，把它水平放着，将一半左右浸泡在液体内，使之静静地回转，靠着汽油筒内的热，使液体干燥成为薄膜状。将薄膜扒出来，汽油筒继续在液内回转。再进行下次的干燥。 二、真空干燥 适于加热后容易变化的东西的干燥上，用于香料、果实、蔬菜的干燥上，靠着干燥机内是真空状态，所以即使是低温，水分也能急速排除，热效率也好，据说使用大型机时，费用并不比热风干燥贵。 三、喷雾干燥 液体材料或固形物在液体非常细碎分散的情况下，使之干燥时用的。将液体喷入热气中时，液体变成细小的微粒子，因表面积增大，热交换便迅速进行，瞬间便可使之干燥。此干燥法因干燥时间短，所以能够抑制食品中成分的变质并将其制成粉末。 四、冻结干燥 此法是将准备干燥的食品，事先用-30℃—-40℃冻结之后，把它放在高真空之中，将食品中生成的冰，以直接蒸气的形式除掉，这样进行干燥的。此方法的好处是：1、因原料是以低温保存着的，所以能够防止因热的变质，能够抑止食品的色、味、香、维生素类等的变化；2、原料的状态，干燥后也能保持；3、向干燥品加入凉水或温水，很容易恢复到原来状态，多用在快餐食品的蔬菜类上，最近用在袋装鸡蛋挂面等的“菜码儿”上。 五、其他干燥 加压干燥是在能够加热、加压的密闭容器中，放入谷类、半干燥的水果、蔬菜等密封起来，从外部加热，达到一定压力、温度时，打开盖，使之返回大气中，借此来使食品膨胀、干燥的，膨化食品便是一例。最近在美国早餐用谷物上也是常见的。在我国，古来就将不易干燥的食品先冻结起来，保存一个时期以后，再解冻、脱水、干燥的方法。冻豆腐、淀粉、绿豆粉等便是。脱水之后，干燥时，即使是普通的加热干燥也能作好，并不会引起角质化。 冷冻干燥机的工作原理 冷冻干燥是利用升华的原理进行干燥的一种技术，是将被干燥的物质在低温下快速冻结,然后在适当的真空环境下,使冻结的水分子直接升华成为水蒸气逸出的过程. 冷冻干燥得到的产物称作冻干物（lyophilizer），该过程称作冻干（lyophilization）。 物质在干燥前始终处于低温(冻结状态),同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫、氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状，体积基本不变，极易溶于水而恢复原状。在最大程度上防止干燥物质的理化和生物学方面的变性。 冷冻干燥机系由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。它的工作原理是将被干燥的物品先冻结到三相点温度以下，然后在真空条件下使物品中的固态水份（冰）直接升华成水蒸气，从物品中排除，使物品干燥。物料经前处理后，被送入速冻仓冻结，再送入干燥仓升华脱水，之后在后处理车间包装。真空系统为升华干燥仓建立低气压条件，加热系统向物料提供升华潜热，制冷系统向冷阱和干燥室提供所需的冷量。 本设备采用高效辐射加热，物料受热均匀；采用高效捕水冷阱，并可实现快速化霜；采用高效真空机组，并可实现油水分离；采用并联集中制冷系统，多路按需供冷，工况稳定，有利节能；采用人工智能控制，控制精度高，操作方便。 对冻干制品的质量要求是：生物活性不变、外观色泽均匀、形态饱满、结构牢固、溶解速度快，残余水分低。要获得高质量的制品，对冻干的理论和工艺应有一个比较全面的了解。冻干工艺包括预冻、升华和再冻干三个分阶段。合理而有效地缩短冻干的周期在工业生产上具有明显的经济价值。 闪蒸干燥的原理工作原理：热风从干燥机底部的旋流器沿切线方向进入干燥机内，并产生高速回旋的上升气流；待干燥的物料由加料器输送至干燥室内，并在高速回旋气流的和底部搅拌器的共同作用下，团块状物料被不断破碎、分散、沸腾和干燥。干燥合格的物料被气流从干燥机上部出口带出，经捕集后得到干燥成品；颗粒太大或湿度较高的物料被设置在干燥室上部的分级堰板阻拦，而在干燥室内继续得到进一步干燥，直至被气流带出。 喷雾干燥原理在一种带有干燥腔并在干燥腔底部有保持在多孔板(9,21)上的流化床的喷雾干燥设备中，借助于一个隔离构件(12,24)将流化层分成两个区(13,14和22,23)，其中来自喷射干燥腔的颗粒只供给一个区，而第二区基本上只由第一区供给颗粒，第二区被设计为处理以一种基本上不回混的流动流过该区的颗粒。该设备无需经后处理就可生产出大致无尘的产品，而且颗粒尺寸分布、潮湿的程度和表面处理均符合要求。此外还能提高能量的利用率。 *************************影响干燥速率的因素 影响干燥速率的因素有，传热速率、外扩散速率、内扩散速率。 （一）加快传热速率 为加快传热速率，应做到：①提高干燥介质温度，如提高干燥窑中的热气体温度，增加热风炉等，但不能使坯体表面温度升高太快，避免开裂，②增加传热面积：如改单面干燥为双面干燥，分层码坯或减少码坯层数，增加于与热气体接触面，③提高对流传热系数。 （二）提高外扩散速率当干燥处于等速干燥阶段时，外扩散阻力成为左右整个干燥速率的主要矛盾，因此降低外扩散阻力，提高外扩散速率，对缩短整个干燥周期影响最大。外扩散阻力主要发生在边界层里，因此应做到：①增大介质流速，减薄边界层厚度等，提高对流传热系数。也可提高对流传质系数，利于提高干燥速度，②降低介质的水蒸汽浓度，增加传质面积，亦可提高干燥速度。 （三）提高水分的内扩散速率 水分的内扩散速率是由湿扩散和热扩散共同作用的。湿扩散是物料中由于湿度梯度引起的水分移动，热扩散是物理中存在温度梯度而引起的水分移动。要提高内扩散速率应做到：①使热扩散与湿扩散方向一致，即设法使物料中心温度高于表面温度，如远红外加热、微波加热方式，②当热扩散与湿扩散方向一致时，强化传热，提高物料中的温度梯度，当两者相反时，加强温度梯度虽然扩大了热扩散的阻力，但可以增强传热，物料温度提高，湿扩散得以增加，故能加快干燥，③减薄坯体厚度，变单面干燥为双面干燥，④降低介质的总压力，有利子提高湿扩散系数，从而提高湿扩散速率，⑤其他坯体性质和形状等方面的因素。 干燥技术分类 按干燥制度是否进行控制可分为，自然干燥和人工干燥，由于人工干燥是人为控制干燥过程，所以又称为强制干燥。 按干燥方法不同进行分类，可分为： ①对流干燥，其特点是利用气体作为干燥介质，以一定的速度吹拂坯体表面，使坯体得以干燥。 ②辐射干燥，其特点是利用红外线、微波等电磁波的辐射能，照射被干燥的坯体使其得以干燥。 ③真空干燥，这是一种在真空（负压）下干燥坯体的方法。坯体不需要升温，但需利用抽气设备产生一定的负压，因此系统需要密闭，难以连续生产。 ④联合干燥，其特点是综合利用两种以上干燥方法发挥它们各自的特长，优势互补，往往可以得到更理想的干燥效果。 还有一些干燥方法，按干燥制度是否连续分为间歇式干燥器和连续式干燥器。连续式干燥器又可按干燥介质与坯体的运动方向不同分为顺流、逆流和混流：按干燥器的外形不同分为室式干燥器、隧道式干燥器等。 热风快速干燥 快速干燥就是干燥气氛按坯体的不同及坯体干燥程度而变化，时刻保持最佳干燥气氛，提高干燥速度。温湿度自动调节快速干燥室具有以下几个特点，①空间小，参数调整时响应快，精确度高；②可以根据坯体的情况，设定不同的干燥曲线；③工控机控制，自动化程度高，减少人为失误的因素，坯体干燥合格率高。这一系统由房体结构、热风炉、布风系统、搅拌系统、控制系统、湿度系统等六部分组成。 蒸汽快速干燥 这里讨论的是蒸汽直接干燥，就是坯体出模后，沿轨道进入末端封闭的干燥室中，关闭干燥室后将蒸汽沿顶部的管道直接进入密封干燥室中，蒸汽在密室中膨胀降压，湿蒸汽由密室底部的管道排出回收。它的最大的优点是干燥快，正品率高。 工频电干燥 就是将工频电（50Hz）通过坯体，由于坯体的电阻作用使得整个坯体均匀升温干燥，使达到了既升温又无温度梯度的目的。工频电干燥的缺点是干燥前的准备工作很麻烦，而且它只适合单件产品干燥。 远红外干燥技术 红外辐射干燥技术越来越受到各行各业人们的重视，在食品干燥、烟草、木材、中草药、纸板、汽车、自行车、金属体烤漆等方面发挥很大作用。此外，远红外干燥也被应用于陶瓷干燥中。大部分物体吸收红外线的波长范围都在远红外区，水和陶瓷坯体在远红外区也有强的吸收峰，能够强烈地吸收远红外线，产主激烈的共振现象，使坯体迅速变热而使之干燥。且远红外对被照物体的穿透深度比近、中红外深。因此采用远红外干燥陶瓷更合理。远红外干燥比一般的热风、电热等加热方法具有高效快干、节约能源、节省时间、使用方便、干燥均匀、占地面积小等优点，从而达到了高产、优质、低消耗的优良效果。 微波干燥技术 微波是指介于高频与远红外线之间的电磁波，波长为O.001—1m，频率为300-300000MHz。微波干燥是用微波照射湿坯体，电磁场方向和大小随时间作周期性变化使坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化，使分子产生剧烈的转动，发生摩擦转化为热能，达到坯体整体均匀升温、干燥的目的[2、3、4]。微波的穿透能力比远红外线大得多，而且频率越小，微波的半功率深度越大。微波干燥的特点： （1）均匀快速，这是微波干燥的主要特点。由于微波具有较大的穿透能力，加热时可使介质内部直接产生热量。不管坯体的形状如何复杂，加热也是均匀快速的，这使得坯体脱水快，脱模均匀，变形小，不易产生裂纹。 （2）具有选择性，微波加热与物质的本身性质有关、在一定频率的微波场中，水由于其介质损耗比其它物料大，故水分比其它干物料的吸热量大得多；同时由于微波加热是表里同时进行，内部水份可以很快地被加热并直接蒸发出来，这样陶瓷坯体可以在很短的时间内经加热而脱模。 （3）热效率高、反应灵敏，由于热量直接来自于干燥物料内部，热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔本身不吸热，不吸收微波，全部发射作用于坯体，热效率高。 微波加热设备主要由直流电源、微波管、连接波导、加热器及冷却系统等几个部分组成微波加热器按照加热物和微波场作用的形式可分为驻波场谐振加热器、行波场波导加热器、辐射型加热器、慢波型加热器等几大类。 国际先进的急速变温干燥技术微波技术前景如何微波功率应用处在一个关键的历史转折点，即从一般的加热干燥转向高科技应用。国内已经在微波等离子体、微波辅助催化化学反应、微波处理材料和微波生物和生理效应等方面取得了许多令人振奋的实验室科研成果。目前迫切需要将这些科研成果推向产业化，以使对我国的经济建设发生巨大的影响。 2、应当看到目前微波应用发展在特定时代下，形成几个方面问题： ●与国外设备相比稳定性有差距。 ●制造工艺落后，难以形成规模经济。 ●与其他科技技术衔接不够。 ●微波技术的新成果落入深闺，无法转化，无法获取应有的经济效益。 成立微波应用工程研究中心，注重深入的展开微波工程和各应用学科穿插、结合，能找到微波规律和应用规律的明确会合点，发掘重大产业项目。具体的说，应尽可能的找到传统工艺流程和微波技术兼容的方法。在此基础上，进行新方向设备的研制，并逐步把成果推向产业化。 3、微波应用从加热干燥，转向高科技应用，已从实验室应用中暴露出许多问题，必须切实解决这些问题。 （1）即增加微波功率源的输出稳定性，强调功率的一致性，毫秒级调制手段和调制重复精度，研制超大功率的微波功率源。 （2）提高大功率微小传输元件，功率比例取样元件的质量。 （3）研究有效的传感工艺参数方法和闭环控制方法。 （4）为适应新的应用发展方向必须研究多种应用器设计方法，使应用器的设计具有高度兼容性及适应性。为逐步做到为各行业新方向中试设备的设计，具有将成功的单元技术，综合积木化的过程，微波应用工程研究中心必须加强这些设备单元的研制。 4、微波应用工程研究中心，必须使自己具有快速组织中等规模试验的能力，以减少许多项目，长期停留在实验未能转个向生产。因此微波应用工程研究中心必须备有规模试验的能力，就可以使微波应用工程研究中心在必要时可先住址组织规模实验，使超大规模产业化工程设计更具有可靠性。 5、成立微波应用工程研究中心最大意义是把大专院校、研究所、实验室的科研成果转到产业化，起到桥梁作用，以克服目前长期许多只见开花，不见结果的局面。 二、研究内容和目标： 1、联系磁控制管的生产单位，使其产品保持长寿命、高可靠、高效率协同方法，克服目前产品质量降低不理想的局面，在此基础上研究长寿命、高可靠、高稳定度的微波功率源。研制成套大功率微波元件及应用器设计方法，包括气相、液相、固相处理。及真空干燥应用器。研制高效、环保干燥设备、取代部分以蒸汽、油锅炉为能源的干燥领域。研制多种传感方法及闭环控制。 2、研究如下课题中等规模实验及产业化的途径： （1）微波等离子体方法制备钠米、粉末技术，微波等离子体灭菌技术的研究，眼制内窥镜灭菌设备，手术材料的灭菌设备。 （2）研制微波石油高温烧结陶瓷和传统方法相结合的生产设备，使烧结陶瓷的时间缩短到传统电热法的三分之一，并提高固相反应，加快固相反映的质量。 （3）研制微波石油破乳设备，使油包水的乳液脱水，达到规范标准；研制石油废料及高凝石油微波裂解设备，使这些废油、高凝油成为高质量油。 （4）研制矿物的微波辅助热解设备，以使该设备用有色金属的硫化矿转变为有色的金属的氧化物，以解决云南有色金属硫化矿的问题及含硫金矿的问题。这个方法可推广用于含碳铁矿球团的微波加热革新高炉炼铁新工艺。 （5）系统研究微波辅助萃取技术，加快萃取速度，提高萃取质量，在此基础上研制多种萃取技术，加快萃取速度，提高萃取质量，在此基础上研制多种萃取设备。使在中药、制药、香料、化工行业中广泛应用。中药制药现代化是我国当前的一个大课题，微波萃取比超临界萃取更有优越性。此外在制药领域微波还可可以进行浓缩、灭菌、干燥。 （6）系统研究低气压微波干燥技术，研究多种馈能方法，探讨多种材料低温脱水工艺，研制多种真空干燥设备。 三、近期目标 明确实用方向就清楚了必须提高微波工程自身的基础建设。通过微波应用的具体项目，逐步的把科研成果较快的转向产业化。微波应用市场的前景是非常看好，目前有几个意义很大的项目可以开展，因为我们掌握着核心技术，通过努力可迅速打开市场，取得可观的经济利益。 *应用提示一：保持合理的预冻温度 在真空冷冻干燥过程中，需要先对被干燥的药品进行预冻，然后在真空状态下，使水分直接由冰变为气而使药品干燥。在整个升华阶段，药品必须保持在冻结状态，否则就不能得到性状良好的产品。在药品预冻阶段，要严格控制预冻温度（通常比药品的共熔点低几度）。如果预冻温度不够低，则药品可能没有完全冻结，在抽真空升华时会膨胀起泡；若预冻温度太低，不仅会增加不必要的能量消耗，而且对于某些生物药品，会降低其冻干后的成活率。 *应用提示二：关注升华吸热 在干燥升华阶段，物料需要吸收热量（每克冰完全升华成水蒸气约吸收2.8千焦耳的热量）。如果不对药品进行加热或热量不足，则在水分在升华时会吸收药品本身的热量而使药品的温度降低，致使药品的蒸气压降低，于是引起升华速度的降低，整个干燥的时间就会延长，生产率下降；如果对药品加热过多，药品的升华速率固然会提高，但在抵消了药品升华所吸收的热量之后，多余的热量会使冻结药品本身的温度上升，使药品可能出现局部甚至全部熔化，引起药品的干缩起泡现象，整个干燥就会失败。 *应用提示三：采用计算机自动化控制 为了获得良好的冻干药品，一般在冻干时应根据每种冻干机的性能和药品的特点，在经过试验的基础上制订出一条冻干曲线，然后控制机器，使冻干过程各阶段的温度变化符合预先制订的冻干曲线。目前，真空冷冻干燥的生产过程控制可借助于计算机来控制生产系统按照预先设定的冻干曲线工作。如计算机对链霉素硫酸盐的冻干过程控制可分为两个阶段：第一阶段，在低于熔点的温度下，将水分从冷冻的物料内升华，约有98%～99%的水分均在此时被除去。第二阶段，将物料温度逐渐升到或略高于室温，经此阶段水分可以减少到低于0.5%。此过程预冻温度为－40℃左右，时间约两小时。冻干药品的干燥升华阶段，物料温度约为－30℃～－35℃，绝对压强约为4～7帕。链霉素的最终干燥温度可升至40℃，总干燥时间约18小时。采用计算机自动化控制系统，有助于保证药品符合质量要求。