食品的脱水.ppt
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1、第二章 食品的脱水,内 容,概述 第一节 食品干藏原理 第二节 食品的干燥机制 第三节 干制对食品品质的影响 第四节 食品的干制方法 第五节 干制品的包装与贮藏,概 述,一、食品的脱水加工(dehydration) 1 脱水加工的概念 脱水加工就是在不导致或几乎不引起食品性质的其他变化的条件下,从食品中除去水分。,2 脱水加工的操作类型,依据脱水的程度,脱水加工可分为两种类型: 浓缩(concentration):产品是液态,其中水分含量较高15%,如浓缩果汁40-70% 干燥(drying):产品是固体,最终水分含量低15%,如果汁粉、奶粉、粉状咖啡 浓缩往往是干燥操作的前处理工序,3 食品
2、脱水的原理,依据食品组分的蒸汽压不同:在常温下或真空下加热让水分蒸发,而达到分离去除水分至固体或半固体的目的干燥或干制 ; 依据食品分子大小不同:用膜来分离水分;如超滤、反渗透等浓缩 。,超 滤,超滤:有压力驱动的膜分离过程,能截留小胶体粒子、大分子物质,超滤膜孔径为0.01-0.1微米,操作压力为0.1-1MPa。主要用于物料的分离纯化和浓缩 特点:冷操作,蛋白质不会变性; 奶粉的生产 乳清蛋白的回收 果汁的澄清,反 渗 透,反渗透的原理 反渗透的特点 反渗透的例子 果汁浓缩,食品脱水加工是指:,在控制的条件下,通过加热蒸发脱水的方法,几乎完全地除去食品中的大部分水分,并尽量使食品的其他性质
3、在此过程中极小地发生变化,食品被脱水后水分含量在15%以下,即干燥或干制。,4 干燥的目的,降低食品中水分含量:一般由50-90%减为15%以下; 减小食品体积和重量: 一般重量变为原来的1/8-1/2左右,节省包装、贮藏和运输费用,方便性; 为了食品的贮藏和延长保藏期;这就是干燥保藏。 奶粉 红枣 葡萄干 香菇、笋干,5 食品干燥保藏/干藏,定义:指在自然条件或人工控制条件下,使食品中的水分降低到足以防止腐败变质的水平后,并始终保持低水分可进行长期贮藏的方法。 干制食品在室温下一般可贮存一年或一年以上,6 食品干藏的历史,我国北魏在齐民要术一书中记载用阴干加工肉脯的方法。 在本草纲目中,用晒
4、干制桃干的方法。 大批量生产的干制方法是在1795年,将片状蔬菜堆放在室内,通入40热空气进行干燥,这就是早期的干燥保藏方法,差不多与罐头食品生产技术(1810)同时出现。,7 食品干藏的特点,自然干制:简单易行、生产费用低;但时间长、受气候条件影响; 人工干制:不受气候条件限制,操作易于控制,干制时间显著缩短,产品质量显著提高;但需要专用设备,能耗大,干制费用大; 人工干制技术仍在发展,高效节能,第一节 食品干藏原理,食品的腐败变质与食品中水分含量(M)具有一定的关系,但仅仅知道食品中的水分含量还不能足以预言食品的稳定性。 花生油 M 0.6时变质 淀粉 M 20不易变质 鲜肉与咸肉 鲜菜与
5、咸菜(一般80%左右),一 食品中水分存在的形式,结合水/被束缚水 Immobilized water 是指不易流动、有结合力固定、不易结冰(40),不能作为外加溶质的溶剂; 游离水/自由水 Free water 是指组织细胞中易流动、容易结冰,也能溶解溶质的这部分水。,结合水与自由水的区别,游离水和结合水可用水分子的逃逸趋势(逸度)来反映。 食品中水分被利用的难易程度主要是依据水分结合力或程度的大小而定,游离水或自由水最容易被微生物、酶和化学反应所利用,而结合水难以被利用,结合力或程度越大,则越难以被利用。 见Flash1,二 水分活度,1. 定义 可用水分子的逃逸趋势(逸度)来反映游离水和
6、结合水的区别。食品中水的逸度与纯水的逸度之比称为水分活度AW(water activity) f 食品中水的逸度 Aw = f0 纯水的逸度 水分逃逸的趋势通常可以近似地用水的蒸汽压来表示,在常压(低压)或室温时,f/f0 和P/P0之差非常小(1%),故用P/P0来定义AW是合理的。,食品加工中,水分活度通常定义为食品表面测定的水蒸气压(P)与相同温度下纯水的饱和蒸汽压(P0)之比,是一个近似值。 Aw P/P0 其中 P:食品中水的蒸汽分压; P0:纯水的蒸汽压(相同温度下纯水的饱和蒸汽压),蒸汽压与相对湿度有关,因而Aw与环境的平衡相对湿度(ERH,Equilibrium relativ
7、e humidity)也相关。 Aw = P/P0 = ERH/100 测定相对湿度使用水分活度测定仪 注意: 1. Aw是食品的固有性质,反映了食品中水分的结合状态;而ERH反映了与食品相平衡时周围的空气状态或大气性质。2. 当水分含量很低时,测量结果不准确。,水分活度数值的意义,Aw =1的水就是自由水(或纯水),指可以被利用的水; Aw 1的水就是指水被结合力固定,数值的大小反映了结合力的多少; Aw越小则指水被结合的力就越大,水被利用的程度就越难; 水分活度小的水是难以或不可利用的水。,2. Aw大小的影响因素,温度; 取决于水存在的量; 水中溶质的种类和浓度; 食品成分或物化特性;
8、水与非水部分结合的强度,表2-1 常见食品中水分含量与Aw的关系,0 -10 -20 -50,3. 水分含量(M)与水分活度(Aw),在恒定温度下,食品中水分含量(M)与水分活度(Aw)之间的关系曲线称为该食品的水分吸附等温线(Moisture sorption isotherms,MSI)。 吸附:当食品表面水分蒸汽压低于空气蒸汽压时,空气中的水蒸气会不断向食品表面附近扩散,食品从它表面附近的空气中的吸收水蒸气而增加水分; 解吸:当食品水蒸汽压大于空气蒸汽压时,食品中的水分就蒸发,蒸汽压相对下降,水分含量降低; 吸附和解吸的最终结果都是食品表面附近蒸汽压和空气蒸汽压相平衡。,水分吸附等温线-
9、高水分含量(反向L),0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 (Aw),80 60 40 20 0 含水量%,水分吸附等温线-低水分含量(反S),含水量的小幅变化会导致Aw的大幅度增加 I区:第一转折点前(水分含量 1%),离子或偶极作用,单分子层吸附水(单层水分); II区:第一转折点与第二转折点之间(水分含量 5%) ,氢键,多分子层吸附水(多层吸附水); III区:第二转折点之后(水分含量95%) ,在食品内部的毛细管内或间隙内的游离水(自由水或体相水),0 0.25 0.5 0.8 1.0 (Aw),含水量,I区,II区,III区,()自由水或体相水,是食品中结合得最弱,流动性最大
10、的水,主要是在细胞体系或凝胶中被毛细管液面表面张力或被物理截留的水。这种水很易通过干燥被除去或易结冰,可作为溶剂,容易被酶和微生物利用,造成食品腐败,通常占95%以上;,()多层水,主要通过水-水和水-溶质氢键同相邻分子缔合,为可溶性组分的溶液,大部分多层水在-40不被冻结,I+II的水占5%以下;,()单分子层水,不能被冰冻,不能干燥除去。水被牢固地吸附着,它通过水-离子或水-偶极相互作用被吸附到食品可接近的极性部位如多糖的羟基、羰基、NH2,氢键,当所有的部位都被吸附水所占有时,此时的水分含量被称为单层水分含量, -40不能冻结,占总水量极小部分。,吸附等温线的加工意义,I单水分子层区和I
11、I多水分子层区是食品被干燥后达到的最终平衡水分(一般在5%以内);这也是干制食品的吸湿区; III自由水层区,物料处于潮湿状态,高水分含量,是脱水干制区。,温度对水分吸附等温线的影响,同一原料随着温度的升高吸附等温曲线向水分活度增加的方向抬升; 相同水分含量,水分活度随温度增高而增大; 相同水分活度,水分含量随温度升高减小。,食品种类对水分吸附等温线的影响,食品的组分或成分不同,会影响水分含量和水分活度之间的关系 高糖及可溶性小分子且无高聚物的食品的MSI呈J形,加工对食品水分吸附等温线的影响,食品在脱水过程中水分含量和水分活度之间的关系就是解吸等温曲线; 吸附等温线和解吸等温线两者之间除首尾
12、之外不能重合,且在相同水分含量下,解吸等温线中的Aw比吸附等温线中低,这种现象称为吸附滞后现象。 滞后环的形状取决于食品的类型和温度,滞后现象的几种解释 (1)这种现象是由于多孔食品中毛细管力所引起的,即表面张力在干燥过程中起到在孔中持水的作用,产生稍高的水分含量。(2)另一种假设是在获得水或失去水时,体积膨胀或收缩引起吸收曲线中这种可见的滞后现象。,解吸/desorption:干燥过程 吸附/sorption:复水过程,吸附等温线滞后现象的意义,吸附和解吸等温线有滞后圈,说明干制食品与水的结合力下降或减弱了。 解吸和吸附的过程在食品加工中就是干燥和复水的过程,这也是干制食品的复水性为什么下降
13、的原因。 注意:还没有完全了解所有的相互作用机制。,三 水分活度对食品保藏性的影响,水分活度和微生物生长活动的关系 水分活度对酶活力的影响 水分活度对化学反应的影响,大多数新鲜食品的水分活度在0.98以上。 大多数重要的食品腐败细菌所需的最低Aw都在0.9以上。 水分活度降到0.75以下,食品的腐败变质才显著减慢;若将水分降到0.65,能生长的微生物极少。 一般认为,水分活度降到0.6以下食物才能在室温下进行较长时间的贮存。,1. 水分活度和微生物生长活动的关系,食品中水分活度与微生物生长,Aw0.85微生物生长受抑制 水分活度较高的情况下微生物繁殖迅速,水分活度对细菌生长及毒素的产生的影响,
14、0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,Aw,Aw0.65霉菌被抑制,在0.9左右霉菌生长最旺盛。,水分活度对霉菌生长的影响,0.2,0.4,0.6,0.8,Aw,呈倒S型,开始随水分活度增大上升迅速,到0.3左右后变得比较平缓,当水分活度上升到0.6以后,随水分活度的增大而迅速提高。 Aw0.15才能抑制酶活性。,2. 水分活度对酶活力的影响,0.2,0.4,0.6,Aw,0.8,Aw在0.4左右时,氧化反应较低,这部分水被认为能结合过氧化物,干扰了它们的分解:另外还同催化氧化反应的金属离子发生水化作用,从而显著地降低了催化效率。 Aw超过0.4时氧化速度增加,加入的水增加了氧的溶解度和使大
15、分子溶胀,暴露更多的催化部位。,3. 水分活度对氧化反应的影响,0.2,0.4,0.6,0.8,Aw,水分活度对非酶褐变反应的影响,食品在Aw在0.4-0.8之间最适合非酶褐变 Aw无法完全抑制褐变,第二节 食品干燥机制,一、 干燥机制(湿热的转移) 二、 干制过程的特性 三、 影响干制的因素 四、 合理选用干制工艺条件,一、干燥机制,干燥是指食品在热空气中受热蒸发进行脱水的过程 在干燥时存在两个过程: 食品中水分子从内部迁移到与干燥空气接触的表面(内部转移),当水分子到达表面,根据空气与表面之间的蒸汽压差,水分子就立即转移到空气中(外部转移)水分转移; 热空气中的热量从空气传到食品表面,再由
16、表面传到食品内部热量传递; 食品的干燥过程是一个湿热转移过程,Food H2O,(2)温度梯度T 食品在热空气中,食品表面受热高于它的中心,因而在物料内部会建立一定的温度差,即温度梯度。温度梯度将促使水分(无论是液态还是气态)从高温向低温处转移。这种现象称为导湿温性。,表面水分扩散到空气中,内部水分转移到表面,(1)水分梯度M 干制过程中潮湿食品表面水分受热后首先由液态转化为气态,即水分蒸发,而后,水蒸气从食品表面向周围介质扩散,此时表面湿含量比物料中心的湿含量低,出现水分含量的差异,即存在水分梯度。水分扩散一般总是从高水分处向低水分处扩散,亦即是从内部不断向表面方向移动。这种水分迁移现象称为
17、导湿性。,M,M- M,T,T- T,干燥过程湿热传递的模型,1. 导湿性,(1) 水分梯度 若用M 表示等湿面水分含量(kg/kg干物质),则由内到外沿法线方向相距n的另一等湿面上的水分含量为M+M,那么物体内的水分梯度grad M 为: grad M=lim(M/n)=M/n n0 M-物体内的湿含量,即每千克干物质内的水分含量(kg/kg干物质) n-物料内等湿面间的垂直距离(m),n,grad M,I,水分梯度影响下水分的流向,M+ M,M,导湿性引起的水分转移量可按照下述公式求得: I湿= -K0(M/n)= -K0M(kg/(m2h)) 其中:I湿- 物料内水分转移量,单位时间内单
18、位面积上的水分 转移量(kg/m2h) K- 导湿系数(m2/h) 0 -单位潮湿物料容积内绝对干物质质量(kg干物质/m3) M- 物料水分(kg/kg干物质) 由于水分转移的方向与水分梯度的方向相反,所以式中带负号。,注意 导湿系数在干燥过程中并非稳定不变的,它随着物料温度和水分含量的变化而异,(2)物料水分与导湿系数间的关系,K值的变化比较复杂。当物料处于恒速干燥阶段时,排除的水分基本上为自由水分,以液体状态转移,导湿系数稳定不变(ED段);在区时,被除去的水分基本上为渗透水分,水分以液体状态和蒸汽状态转移,导湿系数下降(DC段);区中排除的水分为吸附水分,基本上以蒸汽状态扩散转移,先为
19、多分子层水分,后为单分子层水分,故K先上升后下降(CA段),导湿系数K(m2/h),物料水分M(kg/kg干物质),A,C,D,E,物料水分和导湿系数间的关系 吸附水分 渗透水分 毛细管水分,B,(3)导湿系数与温度的关系,K与温度指数成正比 启示: 若将导湿性小的物料在干制前加以预热,就能显著地加速干制过程。 如果加热时要避免食品物料表面水分的蒸发,可在饱和湿空气中加热。,导湿系数(K102),K102=(T/290)14,温度(),硅酸盐类物质温度和导湿系数的关系,2. 导湿温性,干燥中,物料表面受热高于它的中心,因而在物料内部会建立一定的温度梯度。温度梯度将促使水分(不论液态或气态)从高
20、温处向低温处转移。这种由温度梯度引起的导湿温现象称为导湿温性。 导湿温性是在许多因素影响下产生的复杂现象,高温将促使液体粘度和它的表面张力下降,将促使水蒸汽压上升,高温区水蒸汽压大于低温区; 此外,高温区毛细管内水分还将受到挤压空气扩张的影响,结果使毛细管内水分顺着热流方向转移; 沿热流方向转移的毛细管内水分与水分梯度的方向相反,导湿温性成为食品干燥时水分减少的阻碍因素。,T,T+T,T/ n,I,内,表面,温度梯度下水分的流向,n,(1)温度梯度,导湿温性引起水分转移的流量将和温度梯度成正比,它的流量可通过下式计算求得: I温= -K0(T/n) 其中: I温-物料内水分转移量,单位时间内单
21、位面积上的水分 转移量(kg/(m2h) K-导湿系数(m2/h) 0 -单位潮湿物料容积内绝对干物质重量(kg干物质/m3) -湿物料的导湿温系数(1/,或kg/kg干物质) (单位温度梯度引起物料水分梯度的变化) “ ”表示水分转移和温度梯度方向相反,(2)导湿温系数,就是温度梯度为1/m时所引起的水分转移量,即 M T = - n n 导湿温系数和导湿系数(K)一样,会因物料水分的差异 (即物料和水分结合状态)而变化。 导湿温系数和物料水分的关系见右图。,导湿温系数(1/),0,A,B,物料水分M(%),O,在水分含量较低时,即AB段,导湿温系数随物料水分含量M的增加而上升; 1) 低水
22、分含量时物料水分主要是吸附水分,以气态方式扩散,当水分含量很低时,由于受空气挤压的影响,值甚至出现负值; 2)随着水分含量增加,转变为多层分子吸附水,结合力减弱,扩散方式向液态转变,直至达到水分含量最高点,即B点,水分以液态转移为主; 3) 最高值,即B点,是吸附水和自由水分(渗透水分和毛细管水分)的分界点。,在水分含量高的时候, 自由水(渗透水分在渗透压下和毛细管水分在毛细管势能作用下)总是以液体状态流动,因而导湿温性不随着物料水分含量而发生变化(曲线) ; 但如果因受物料内挤压空气的影响,妨碍液态水分的转移,则导湿温性下降(曲线),3. 干制水分总量,水分的总流量是由导湿性和导湿温性共同作
23、用的结果: I总=I湿+I温 对于对流干燥,温度由物料表面向中心传递(温度梯度促使水分从高温处向低温处转移),而水分流向正好相反,即温度梯度和水分梯度的方向恰好相反时: I总= I湿-I温,当I湿 I温 以导湿性为主,物料水分将按照水分减少方向转移;导湿温性为次要因素; 当I湿 I温 水分随热流方向转移,并向物料水分增加方向发展,物料水分含量减少的进程变慢或者停止。,例1:饼干生产 例2:面包的生产,二、干制过程的特性,1. 干燥曲线 食品在干制过程中,食品水分含量逐渐减少,干燥速率逐渐变低,食品温度也在不断上升。这些特性组合在一起可以全面表达食品的干燥曲线。 水分含量曲线 干燥速率曲线 食品
24、温度曲线,(1)水分含量曲线(干燥曲线) 干制过程中食品绝对水分和干制时间的关系曲线。干燥初始时,食品被预热,食品水分在短暂的平衡后(AB段),出现快速下降,几乎是直线下降(BC),当达到较低水分含量(C点)时(第一临界水分),干燥速率减慢,随后趋于平衡,达到平衡水分(DE)。 平衡水分取决于干燥时的空气状态,(2)干燥速率曲线 干燥速率是水分子从食品表面逸散至干燥空气的速度。 食品被加热,水分开始蒸发,干燥速率上升,随着热量的传递,干燥速率很快达到最高值(AB),此为升速阶段; B点时干燥速率最大,此时水分从内部转移到表面的速率大于或等于水分从表面扩散到空气中的速率,然后保持稳定不变,此为第
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