食品冷冻干燥速率分析

食品冷冻干燥速率分析付晓玲工商职业技术学院，都江堰6830诸因素从理论上进行了综述分析，为食品冷冻干燥技术的进步研究应用提供定的参考。
冷冻干燥有别于普通的常规干燥，它是使含水物质温度降至冰点以下，使水分凝固成冰，而后在较真空度下使冰直接升华而除去水分的干燥方法，又称真空冷冻干燥或冷冻升华干燥。冷冻干燥食品以下几方面，冷冻干燥在低于水的相点压强6093以下进行。其对应的相平衡温度低，因而物料干燥时等营养物质。
③由于物料中水分在预冻结束后以冰晶形式存在，原来溶于水中的无机盐被均匀地分配在物料中，升华时，溶于水中的无机盐就地析出，从而避免了般干燥方法因物料水分向面扩散时携带了无机盐而造成的面硬化现象。
虽然冷冻干燥食品的品质在许多方面优于普通干燥食品，但由于存在过程速率慢，生产周期长，操作费用等缺点，使其应用范围与规模均受到定限制。因此，对影响冷冻干燥速率的诸因素进行分析研究，有助于在工艺上和设备上不断改进，大限度地提高过程速率，节损能耗，降低产品成本，使食品冷冻干燥得到更为广泛的应用。
冷冻干燥过程包括冷冻和干燥两步，本文讨论简称冻干速率。冷冻干燥与其它干燥样，也是包括传热和传质过程。故冻干速率既取决于传热速率，又取决于传质速率又称升华速率。而这两项速率的大小，方面与冻结后的食品特性有关，另方面，与冻干过程有关。
1冻结对冻干速率的彩响冻结是冷冻干燥的预备操作，称为预冻，其目的是创造佳的中间制品，为下步的升华干燥打下良好基础。预冻对冷冻干燥速率的影响主要有以下几方面1.1冻结后的物性参数对冻干速率的影响预冻后的制品其物性参数较冻结前有较大变化，这种变化将直接影响到冻干过程中的传热传质速率。
这些物性参数主要有密度比热容热导率等。
1.1.1密度水在，冻结成冰时，首先现出体积膨胀膨胀率约为9，而冰进步降温会发生体积上的收缩每下降其体积收缩0.000.
005.者相比，膨胀比收缩大得多。食品冻结也有这种效应。如奶油75，冷却状态比热容3.
57幻上，速冻状态比热容2.10幻作。尺，多脂鱼冷却状态比热容2.86尺8.，速冻状态比热容1.60尺乃。尺。且含水分越多的食品冻结后体积膨胀越大，由原来致密的结构变成较为疏松的结构，这在冻干过程中，可使冰晶升华后形成的空隙通道增大，蒸汽逸出的阻力减小，即有利于传质过程的进行。
1.1.2比热容和热导率由于冰的比热容是水的因此总的来说，冻结食品的比热容也较未冻结时小；另面，由于冰的热导率约为水的4倍，因此冻结食品的热导率也较未冻结时的大。食品冻结后，参数的这种变化，有利于在冻干过程中，提供给水分升华所需的升华潜热即有利于传热速率的提。
总之，单纯从物性参数的变化来看，食品预冻后对提高其冻干过程的传热传质速率是有利的。
1.2冻结过程对冻干速率的影响这种影响包括两方面是冻结过程进行的快慢将影响到冻结食品品质结构变化，进而影响冻干速率；是冻结速率将影响冻结物料的结晶型式。
在单纯的冻结过程中，般更多强调的是速冻。
因为冻结过程以较快的速度完成，细胞内的水分大多在原地冻结，形成小又多的冰晶体，可使冷冻食品解冻时大程度保持未冻食品的组织结构。但对冷冻干燥而言，速冻并不利于冻干速率的提高。因冻干过程中，冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸汽的逸出通道，速冻形成的细小冰晶升华后形成的空隙通道小，水蒸汽的逸出阻力大。因此，从提冻干速率的角度来看，以慢冻为好。这是因为冻结过程中温度降低到食品冰点时，处于细胞间隙内的那些与亲水胶体结合较弱或以低浓度溶液状态存在的水分，首先形成冰晶，并出现胞内水分向胞间已形成的冰晶体迁移聚集的趋势，冻结过程进行得越慢，上述水分重新分布愈显著。由于细胞内水分向细胞间迁移，造成细胞内浓度增加，其冰点进步下降，于是水分外逸量增加。正是这样，细胞间的冰晶体颗粒就愈长愈大，终形成大而连续的晶体。
这样，冰晶升华后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小。因此，从加快冻干速率来说，这样的结构变化有利于冰晶升华。但值得注意的是，冻结过程的速率并不是越慢越好，冻结速率越慢，对食品细胞组织的破坏越大，从而降低了冷冻食品的复原质量。
故应分为地看待。
为保证佳的冰晶升华速率，应针对不同的食品，根据其形状与结构，研究其佳冻结速率。而冻结速率取决于冻结时间。冻结时间是指温度均匀食品中心温度从初温下降到定程度低温所需的时间。冻结时间可根据国际制冷协会推荐的冻结时间预测公式即，131冻结时间预测方程进行计算。该方程为，H食品初终温时的焓差8sc板状食品厚度，对圆柱或球状食品疋直径⑴P，R与冻结食品的几何形状有关的系数，如板状食品，=12，尺=18，球状食品1a面传热系数界，A食品的导热系数界，2冻干过程的传热传质速率如前所述，冻干过程包括传热和传质过程。在产品冷冻干燥时，若传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量，则升华界面的温度和压强均达到平衡，升华正常进行；若供给升华界面的温度降低，对应温度下的蒸汽压降低，传质推动力减少，传质速率降低；若从界面逸出的水蒸汽少于冻结食品内部冰晶升华的水蒸汽，多余的水蒸汽聚集在升华界面使其压强升高，对应的升华温度提，终可能导致制品熔化。故冷冻干燥速率方面取决于单位时间供给升华界面的热量的多少即传热速率；另方面取决于单位时间通过干燥层从升华界面逸出水蒸汽的快慢即传质速率。
2.1理想条件下冻干过程的传热和传质速率为分析方便，先考虑理想条件下的情形即假设冰层厚度很小；从冰层到低温冷凝器之间的蒸汽流动阻力忽略不计；升华时不出现已干层，即整个升华过程的传质阻力忽略不计。升华速率只与蒸汽压有关。在此理想情况下，根据气体分子撞击率来分析，可推知大传质速率又称升华速率应正比于冰的蒸汽压，反比于冰的温度的平方根，故有T1冰的热力学温度，Pi冰的蒸汽压，14S升华面积，2 K0常数，取决于升华物质的相对分子量，对于冰，在31制中取0.0184.在上述理想情况下，维持升华速率需要供给的升华潜热为若上述热量通过热传导方式供给。此时，为避免冰融化，冰块的下面温度应维持在小于273.
设冰的导热系数为，冰层厚度为3，冰层面温度为丁，传热速率为结合23式，就可确定保证高升华速率时条件下，工业生产中难以实现，但它为如何提高实际冻干过程的升华速率在理论上指明了方向。
同理，若升华所需的热量由辐射方式来供给。
设辐射体的温度丁冰块面的温度丁1为，两者之间辐射换热的传热速率为，辐射体和冰块面的温度同样通过计算可知，为保证较的升华速率，辐射源的温度就要很高，其供热在工业上难以实现。尽管上述情形与实际物料升华干燥的情形有异，但得到的启是，实际物料的升华干燥应尽可能接近纯冰面的升华。
2.2实际情况下的冷冻干燥中的传热和传质上述讨论的是理想情形下的干燥，即升华时不出现已干层，没有传质阻力，升华速率只与蒸汽压有关。实际上，冷冻干燥与其他干燥样，也同时存在着传热和传质阻力。因此，考虑传热和传质阻力的实际升华速率可为Rd食品与低温冷凝器之间的阻力R0面升华反应的阻力p界面上冰的蒸汽压Po冷阱内靠真空泵维持的蒸汽分压同理，满足水分升华所需的热量为由此可知，设法降低3项阻力，是提传热和传质速率的根本。尤其是干燥过程中食品内部已干层形状大小及组织结构的变化情况前已述，另方面，取决于水分升华所需热量的供给方式。水分升华所需热量的供给方式不同，传热传质阻力不同。
而热量的供给方式，可归纳为如下种代性的基本情形①被干燥物料的加热是通过面的已干层辐射来进行，升华的蒸汽也是通过已干层逸出即传热和传质沿同途径，但方向相反，中传热直接经过冻结层，不经过已干层，而传质经过已干层，中2；热量从冰的内部发生，而传质经过已干层，第种情形，主要是针对辐射传热，在此种情形下，由于被干燥物料的加热是通过面的已干层辐射来进行，故内部冻结层的温度取决于传热和传质允许的高温度1冷阱内的蒸汽压保持定值0；全部供热完全用于冰的升华而无盈余。则任时刻的传热速率可为冷冻干燥中的传热和传质已干层的导热系数，心已干层的厚度已干层面允许的高温度，尺冻结层的温度，尺p冻结层温度下的蒸汽压，3P0冷阱内蒸汽分压强，1在这种情形下，随着干燥过程的进行，已干层逐渐增厚，传热传质的阻力均逐渐增大，但因传热传质过程是双面进行，故干燥阶段进行到后期时，对传热传质速率影响不是很大。存在的问是传热经过已干层，若温度控制不当，易发生已干层溶化的现象。
第种情形，主要是针对传导传热，在此种情形下，热量通过冻结层传递即不通过已干层，水汽仍然通过已干层扩散。相对于第种情形，传热传质均是单面进行，其水蒸汽的传递方式虽与第种情形样，但在冻结食品形状大小不变的情况下，蒸汽逸出明显减小。热量的传递速率也与第种情形有别，主要是通过冻结层的传递，且传递的热恰好用3冰的升华，对已干层的温度不产生影响，则有S，冻结层的厚度，1 Tw与冻结层相接触的壁面温度，1 r，冻结层面的温度，在这种情形下，随着干燥的进行，传热传质的难易程度也在发生变化，因传质过程单面进行，已干层越来越厚，故传质愈来愈困难，其传质阻力较第种情形大，相反，因冻结层越来越薄，故传热愈易。
第种情形是利用微波加热作为冷冻干燥的热源，其传质过程与第种情形样，但热量传递较前两种情形发生了根本性的变化。首先，微波加热的及时性给微波加热带来了如下特点热量传递直接发生在物料的内部，对物料加热无惰性，即只要有微波辐射，物料立刻得到加热；其次，微波加热利用率大大高于常规加热，再加上微波加热不需要高温介质，故绝大部分微波能量被物料吸收转为升温的热量，形成能量利用率的特征。故使用微波可产生快速干燥，因为热量不靠物料内部的温度梯度来传递，同时冻结层温度可维持在接近允许的温度，而不必给界面留有过高温度，从而可避免已干层溶化。
上述种供热方式中，比较而言，第种方式理想。相对于第种情形，传热速率快，能量利用率高，既避免了第种情形中，热量由及里，易使已干层溶化的现象，又避免了第种情形中，干燥后期传质阻力越来越大的缺点。同时，微波加热时热量传递与蒸汽迁移的方向相同，是物料升华干燥的理想状态，因此微波加热干燥速率远大于常规加热。
3结言综上所述，提冻干过程的传热传质速率，方面是控制好冻结过程的条件，使生成的纯冰晶的形状大小和排列适当，冻结体的形状要好，以利于干燥过程的进行；是冻干过程中，为减小传热传质阻力，关键是要选择好冰晶升华所需热量的供给方式，以微波加热理想，能大限度地降低干燥过程中传热和传质的阻力。总之，冷冻干燥具有其他干燥方法无可比拟的优点，其用于食品加工是种能获得优质食品的方法，随着研究工作的深人，加工材料及制造技术的改进，冷冻升华干燥在食品生物制品医药等方面必将获得更为广泛的应用。
周庆珠。真空干燥技术在食品加工方面的实践与应用。食品科王绍林。微波加热技术在食品加工中应用。食品科学，2002.1张裕中。臧其梅。食品加工技术装备。中轻1业出版社，2000.3高福成等。食品工程原理，中国轻工业出版社，1998.12