真空技术在冷冻干燥领域中的作用

有很多种方法可以延长食品的保质期。最古老的熏制法和腌制法中的重要一步就是晾干,在冷冻、高温煮制或真空包装之前,这种方法就已经流传很久了。现代的冷冻干燥技术是对传统干燥方法的改良升华,可以在更长时间内防止食品变质。这一过程只有通过现代真空技术才能实现,因为冷冻干燥食品需要在真空下进行。

用于何处?

冷冻干燥适用于水果和浆果,也适用于熟肉或蔬菜。香草和香料也可以通过冷冻干燥来保存,经过处理后,这些产品中仅残留低至百分之几的水分。最著名的冷冻干燥食品可能是可溶性(速溶)咖啡。许多只溶于沸水,并且已被制成颗粒状或粉末状的即食食品也都经过冷冻干燥处理。一般来说,食品也可以用更简单的方式进行干燥,例如:晾干。但这样做的不足之处就是可能会改变食品的结构和外观, 此外,香味会与大气中的氧气发生反应,影响口感。

冷冻干燥过程不会改变食品的结构,干燥后的食品细胞在烹制过程中很容易再次吸收水分。通过真空干燥,香味被很尽可能多地保留下来。

冷冻干燥工艺

冷冻干燥(图 1)是一个利用升华原理的纯物理过程。在干燥室的真空环境下,结冰后的水分升华为水蒸气。冰跳过“液态”,直接从“固态”变成“气态”。

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图 1:冷冻干燥机示意图:1. 干燥室,2. 冷凝器(冷阱),3. 真空系统,4. 开启闸门,5. 可加热中间板,6. 冷却盘管。来源:Busch 普旭

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图 2:冷冻干燥食品制造商的两个并行工作的干燥室。来源:Busch 普旭

实际上,在开始利用干燥工艺进行处理前,无论是浆果、水果片还是咖啡萃取物,都必须在冷藏室中被低温冷藏。为此,产品会被铺放在托盘上,然后直接或用手推车放置在冷藏室中, 之后,冷冻后的产品被放置在干燥室中(图 2)。

在一些冷冻干燥机中,直接在干燥室中即可进行冷冻, 冷冻干燥机也被用于食品的连续加工。

冷却后,实际的干燥过程是在气密室中进行的,通过真空泵降低气密室中的气压,直至达到 1 至 0.5 mbar 的真空度。现在,被冷冻的水分在 -50 至 -40 ℃ 的低温下开始蒸发, 水蒸气被真空泵从干燥室抽吸至下游冷凝器。在这个冷却到至少 -70 ℃ 的“冰阱”中,水蒸气在冷却盘管上升华凝结成冰, 在此过程中,产品中的大部分水分被去除,称为初步干燥。

在水分升华时,它会从干燥室中吸收热能, 这意味着,在此过程中,腔室中的温度会下降, 因此需要对该腔室进行加热。必须注意确保只添加与从水中获得的升华能相同的热能,以保持温度恒定或允许温度略微上升至 -20 ℃。

对大多数食品来说,初级干燥之后要立即进行二级干燥。这包括通过将真空度降低到 0.01 mbar 或以下,并将温度提高到冰点以上,以去除产品中处于强吸附状态的残余水分。然后将干燥室通风至大气压,并将含水量为 1 – 4% 的干燥后产品移出,以供进一步加工。采用干燥空气或惰性气体进行通风,使干燥后的产品不能吸收环境空气中的水分。

物理参数

  • 冷冻干燥过程基本上取决于这些参数(图 3)
  • 压力或真空度
  • 温度
  • 时间
  • 当然,产品及其特性也起着重要的作用。因此,在工业冷冻干燥前或对大量产品进行干燥前,将在试点工厂进行试验。
冷冻干燥工艺

图 3:冷冻干燥工艺

用于冷冻干燥的真空技术

冷冻干燥需要稳定可靠、精准可调的真空供给。有两种真空产生方式已在食品行业的冷冻干燥机中得到广泛应用:

配备旋片真空泵和罗茨泵的真空系统(图 4)

配备螺杆真空泵和罗茨泵的真空系统(图 5)

这两种真空系统中具体哪一种更合适,取决于干燥设备的大小、待干燥的产品以及上述物理参数。

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图 4:配备 R5 旋片真空泵(作为前级泵)和 PANDA 罗茨泵的 Busch 普旭标准真空系统

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图 5: 配备 COBRA 螺杆真空泵(作为前级泵)和 PANDA 罗茨泵的 Busch 普旭标准真空系统

配备旋片真空泵和罗茨泵的真空系统

旋片真空泵采用油润滑,可以达到 0.1 mbar 的极限压力。为了产生更高的真空度,并在小于 1 mbar 的工作范围内有足够高的抽气速率,建议使用罗茨泵。从而不仅满足所需的抽气速率,更可达到 < 0.005 mbar 的真空度。此外,使用旋片真空泵和罗茨泵组合,不仅可以满足大型冷冻干燥机大抽气量的需求,与单台大型旋片真空泵相比,此真空系统更节能。

配备螺杆真空泵和罗茨泵的真空系统

螺杆真空泵采用干式运行原理,即无油运行,配合罗茨泵使用,极限压力最高可达 < 0.005 mbar。另外,与单台螺杆真空泵相比,配备罗茨泵的真空系统在大抽气量方面也更为理想。螺杆真空泵可以配备变频电机,使抽气速率自动适应冷冻干燥过程中各个加工步骤的要求。

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