食品脱水干燥原理与新技术介绍

引言

脱水是保存食品最古老的方法。水果在太阳下曝晒、鱼和肉的熏烤等都是源于古代的干燥方法。食品的干燥技术是自古以来利用的基本技术之一，也是近年来用来提 高食品原料附加价值的关键技术。最近，随着各食品企业对HACCP认识的加强及消费者对产品提出了高品质和更加细微化的要求，对食品原辅材料的干燥工艺和 条件以及允许的加工误差也越来越严厉。目前食品加工中经常利用的干燥技术有喷雾干燥、带式干燥、真空冷冻干燥等，近年来新开发应用的还有喷雾干燥加工造粒 技术、微波等复合化干燥技术，运用这些新技术还有可能生产出风味独特的产品来，提高食品的品质。

真空冷冻干燥设备

第二版 单元操作的一体化

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。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。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，排气温度高，排风量大。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。

应用微波的组合式干燥机

1） 日本的微电子公司、卡瓦萨基机工公司等开发生产了可以供食品和药品等两大领域利用和充分发挥微波干燥威力的干燥装置“FMD系列”与“微波液体加热 装置”等。“FMD系列”是组合应用减压、混合与微波加热的方法，可以在无损于食品营养成分的情况下进行杀菌、浓缩和干燥处理。通过与减压条件的组配联 用，实现低温下的浓缩和干燥作用，加热均匀以及短时间内的高效率的浓缩和干燥。如对各种调味液的浓缩、玉米等各种谷物的低温干燥和粉末化加工、天然调味料 的粉末化、调整水分、酵母的干燥和造粒、果汁的减压浓缩、中草药的干燥和杀菌、即食咖啡的造粒和干燥以及各种食品原材料的灭菌等。除此而外，该公司还新开 发了微波与蒸发组配并用的联合装置，除了具有均匀干燥和杀菌的效果以外，同时另有较好的蒸煮效果。这种新干燥装置分别显现出微波和蒸发干燥的特征。此外另 有一大特征仍是两者共存一起还有效果成倍增大的所谓“相乘”作用效果。利用该设备系统除了能取得有潮湿口感的物料干燥以外，还可用于包装物品的杀菌以及原 料和制成品的杀菌试验。

流动层造粒干燥

流动层干燥技术是指利用一台具有搅拌和转动造粒机构的设备可以同时完成物料混合、造粒、涂敷、表面改质和干燥等多种单元操作的多功能干燥技术，而且还可以 通过改变干燥造粒的条件，制成多种多样不同功能的颗粒，因此在近20年间得到迅速普及应用，此项技术经改良和提高以后，更促进了它的发展。

1）大川原料制作所开发生产和经营的流动层造粒干燥装置，是由容器下部喷雾液态原料后制得密度大的重质颗粒的新装备。与从上部喷嘴喷雾的方法相比，“由下 往上喷雾的物料在上行过程中及达到上部顶部附近的滞留时间更长；在容器内作循环运动粉体的四周更容易吸着表面的液体”，这就是新干燥设备的特征。由于这种 液体吸附过程的不断反复，造粒机上制得了平均每一个立方米600公斤以上的高密度坚硬的颗粒，从而连续地制成高质量的颗粒产品。现在这种新型干燥造粒机因 十分适合于调味品、健康食品和粉末汤品生产的需要而得到广泛利用。大川原化工机械公司开发生产的喷雾袋式干燥机，将干燥造粒作业收归在可拆卸的袋中进行， 是世界上率先开发的最新产品。其特点是无杂质，在一个袋中全量回收成品和微粉，成分均一、回收率高，也容易清洗，占地面积少。 并且该公司开发用于食品生产的流动层造粒干燥机“留卓”是在干燥室底部设备兼备造粒和搅拌机构的固定式流动层， 制得的颗粒流动到与之接续的干燥、冷却兼用 的流动层干燥、冷却装置上，从而实现了从液体原料直接形成颗粒制品的目的。颗粒制品的大小在50μ～400μ，对颗粒的直径大小形状、强度和流动性可根据 液体原料种类的情况进行调控。该设备的另一个特点是还可以通过将流动造粒层与干燥塔的特殊组合，使原先造粒困难的液体原料也能制成颗粒产品。因此新装置为 调味料、奶酪、油脂类和香料等生产企业广为使用。

2）细川微粒子株式会社（Hosokawa Micron Corp.)于1999年独立开发的Drymeister装置，如图1所示。具有粉碎、干燥和分级联合功能。滤饼、糊状或浆状物料进入该装置内，在下部分 散转子的回转作用下（圆周速度为100ｍ/ｓ)，湿物料被破碎、分散成微小的粒子，同时与从下部进入的热空气充分接触，发生瞬时的热质交换，从而被干燥成 粉体产品。在上部设置多叶片的分级转子，通过其回转速度和叶片间隙，调节产品的湿含量和粒度，而达到要求湿含量和粒度的粉体随气流从叶片间隙中穿过，被收 集为产品。

3）三友工学株式会社开发，利用超声速冲击波对湿物料进行破碎、蒸发和干燥操作。其关键部分是USS 装置，如图2所示。高压饱和蒸汽（0.3～0.4MPa）在喷射作用下吸引燃烧气体，并与之混合，产生高温高压的过热蒸汽。此时形成的亚声速蒸汽流经收缩 管道被加速，形成马赫数为１的超声速汽流。之后,该气流发生多次膨胀和收缩，形成菱形状的冲击波，从喷嘴喷射出来。该冲击波将含有水分的固形物破碎成细小 的粒子，由于干燥表面积大幅增加，在与过热蒸汽接触时，瞬间蒸发和干燥（装置内温度为90～120℃）。为了防止干产品吸湿，也可以在喷射作用下，吸入热 空气，以降低水汽的浓度。

4）弗洛英特产业公司生产的“旋管式流动”（品名）是一种在流动层底部装备了旋转盘、搅拌振荡器和灯光解离机等设施的复合型流动层造粒装置。特征是一台机 器同时进行造料、涂敷和干燥等多道操作工序；通过离心转动、浮游流动、旋转运动和整理颗粒形状等各种功能的组合复合化可以任意调整颗粒形状、粒度分布和体 积密度等对产品的要求。

第三版 组合干燥

在工业生产中，由于物料的多样性及其性质的复杂性，有时用单一形式的干燥器来干燥物料时，往往达不到最终产品的质量要求，如果把2 种或2种以上的干燥器组合起来，就可以达到单一干燥所不能达到的目的，这种干燥方式称为组合干燥。组合干燥可以较好地控制整个干燥过程；同时又能节约能 源，尤其适用于热敏性物料组合干燥是干燥技术未来的发展趋势之一。

微波－远红外干燥

由于单一使用微波干燥除去物料水分设备的运转费用很高，引起产品成本过高的问题，因此许多生产公司采用各种干燥方法配以微波干燥的方法来开发新产品。

日本的千代田公司制作所开发生产的“超级干燥系统”是利用在减压条件下组合应用微波加热和远红外线加热的新干燥装置。由于在减压条件下，物料内部水分的沸 点降低，因此可以利用很少的热能就可以使之容易蒸发为蒸汽状态，然后再通过微波加热将物料内部水分挤出到外部表面，由微波和远红外线联用的加热方法将这些 表面部分的水分快速汽化，最终制得优质的干燥物成品。这种干燥由于是减压下低温加热使水分快速除去的方法，因此原材料原有的营养成分几乎完全不遭到损失， 干燥成品充分保持了原有材料的营养成分。

微波冷冻干燥

冷冻干燥是指冻结物料中的冰直接升华为水汽的工艺过程。在干燥时，需要外部提供冰块升华所需的热量，升华的速率则取决于热源所能提供能量的多寡。微波可克 服常规干燥热传导率低的缺点，从物料内部开始升温，并由于蒸发作用使冰块内层温度高于外层，对升华的排湿通道无阻碍作用。微波还可有选择性地针对冰块加 热。而已干燥部分却很少吸收微波能，从而干燥速率大大增加，干燥时间可比常规干燥缩短1/2以上。此外，因为微波冷冻干燥物料速度快，物料内冰块迅速升 华，因而物料呈多孔性结构，更易复水和压缩，而且微波冷冻干燥可更好地保留挥 发性组分。相 比 较 而言，微波冷冻干燥比其它冷冻干燥方式更适合较厚物料的干燥。由于微波冷冻干燥技术生产的产品品质与常规冷冻干燥产品没有多大差别，但加工周期大大缩短， 因而微波冷冻干燥在经济上较合算。

喷雾-流化床组合干燥

喷雾干燥主要用来干燥液状物料，但当空气温度低于150 ℃时，容积传热系数较低，83～418 kJ /（m3·h·K),所用设备体积大，而且热效率不高。而流态化干燥主要用于固态颗粒的干燥，其热容量系数较大，8000～25000 kJ/( m3·h·K )。将这2种干燥器组合起来干燥液状物料，和单纯利用喷雾干燥相比，在相同处理量的情况下，喷雾流化床组合干燥减小了喷雾干燥塔的尺寸，节约了操作空间， 产品质量较好。喷雾干燥和流化床干燥的组合在食品、医药和轻工产品干燥中均有应用。如奶粉的干燥，微囊化粉末酒的生产等。其组合形式有二级，三级干燥，如 图3所示。

气流-流化床组合干燥

气流干燥采用高温高速气体作为干燥介质，且气固二相间的接触时间很短，因此气流干燥仅适用于除去物料表面水分的恒速干燥过程。当产品的含水量要求很低，而 用一个气流干燥管又很难达到要求时，应选择气流干燥和流化床干燥的二级组合系统，而不应该采用延长干燥管长度或再串联一套气流干燥管的方法。因为第一级气 流干燥后剩下的水分已是难以除掉的结合水分，而流化床干燥器最适宜除掉部分这种水分。

第四版 其他食品干燥新技术

超声波干燥

超声干燥液体原理:超声波在掖体中传播时，使液体介质不断受到压缩和拉仲。而液体耐压不耐拉，液体若受不住这种拉力，就会断裂而形成暂时的近似真空的空洞 (尤其在含有杂质、汽泡的地方):而到压缩阶段，这些空洞发生崩溃。崩溃时，空洞内部最高瞬压可达几万个大气压，同时还将产生局部高温以及放电现象等，这 就是空化作用。超声引起的空化作用在液体表面形成超声喷雾，使液体蒸发表面积增加，可提高真空蒸发器的蒸发强度与效率。这为食品工业中热敏性稀溶液物料的 浓缩干燥提供了一条良好的途径。超声 干 燥 与普通的加热和气流干燥相比，具有干燥速度快、温度低、最终含水率低且物料不会被损坏或吹走等优点.适合于食品、药品及生化制品的干燥,Boucher采 用超声波干燥蔗糖，可很快干燥到1.2%含水率。然后将蔗糖在超声一明处理16min，将去除所有水分。在食品加工中。还会遇到粘稠物料的干燥问题.超声 喷雾器的问世解决了传统的离心式喷雾头的粘料的堵塞问题。它是利用超声变幅杆端面的强烈振动使液体从喷口处快速喷出。此外，对食品进行超声脱水干燥不仅速 度快、时间短、复水性好，而且食品的色、香、味和营养成分都能很好地得到保留。这种方法还适用于植物标本的制作。

远红外线干燥

远红外线为波长4.0～1000ｍｍ 的电磁波（放射线），此波长易被生物吸收，对细胞的培养以及物质的合成起作用。其中９.3ｍｍ 波长的放射线具有抗氧化作用，可以使细胞活性化，被称为培养光线。株式会社Ｖｉａｎｏｖ开发出波峰为9.3mm 的面状远红外线加热元件，可设置在干燥箱的上下面和被干燥物料的上下两面。此加热元件具有温度自控机能，当温度达到干燥温度时，加热元件可以自己感知和调 节（只是对感知的部分进行调节）。即发热体之间互相接触以及发热体与周边的介电体接触而导电，产生热量。由于发热，加热元件的分子膨胀，发热体与介电体分 离，产生感应电流；当它们之间的距离超过一定值时，电流消失，元件开始冷却收缩。由于收缩，发热体之间的距离接近，再度导电而产生热量。此过程循环往复， 实现一定温度的调整（４０～５５℃）。这对于干燥食品相当重要——因为食品材料中的各种酶在６０℃以上时失活。

低温真空油炸干燥

该方法是在真空条件下，把果品切块后投人高温油槽，均匀地脱去果品组织中所含的大量水分，再继续用油抽取装置进行部分脱油。这样所得的果品脆片的含油量一 般小于25%，含水率小于6%，而常压油炸食品的含油率为40%-50%。在低温真空中进行油炸，可以防止油脂劣化变质，不必加人其它抗氧化剂，油脂可以 反复使用。据营养学家分析，目前，果品脆片正风行世界，尤其是在欧洲各国 及美、日等发达国家和香港地区。与冷冻、热风干燥相比，该方法有如下优点:(1) 灭 菌 作用好。(2)在真空条件下，使原料在80～110℃脱水，有效地避免了果品菜营养成分及品质的破坏。(3)由于在真空状态下，果品细胞间隙的水分急剧汽 化膨胀，体积迅速增加，间隙扩大，因此具有良好的膨化效果，产品的口感清脆，复水性好。(4)可大幅度降低成本。(5)干燥果品质量稳定，在空气中吸水性 小，可长期保存。

CO2干燥

该方法是用CO2代替空气作为介质对果品进行干燥的方法。只要将传统的热风干燥设备稍加改造，增加CO2循环管路和冷凝、加热装置，便可组成CO2干燥果 品新系统。用该工艺得到的干制果品质量好。与热空气干燥、真空干燥及冷冻干燥相比，CO2干燥法有以下优点:(1)设备投资费用低，对热空气干燥设备进行 改造即可。(2)采用多效干燥、CO2循环利用和热泵干燥技术，能量消耗低。(3) 可在较低的温度及隔绝空气的状态下操作。不用油炸，不需使用抗氧剂及烟熏灭菌剂等化学药品，是生产纯天然绿色食品的理想干燥方法。(4)产品质量好。不仅 保留了原产品的色泽及风味，而且干燥过程中对产品的物理化学性质影响很小经CO2干燥的果品不会象热空气干燥那样产生褐变和表面干缩.也不会象冷冻干燥那 样使细胞迅速脱水。

吸附式低温干燥技术

吸附式低温干燥技术属于热泵干燥。热泵干燥是目前应用于食品干制加工的主要方法,它的实质是冷风干燥,能耗低,干燥气流温度在50℃以下,相对湿度在 15%左右。它能一定程度上克服热风干燥使物料表面硬化、干缩严重,营养成份损失大,复水后很难恢复到原状的缺点,但热泵干燥压缩机所用的制冷工质 CFCs会破坏大气臭氧层,不利于环保。为克服以上各干燥方法的不足，华南理工大学化工所研究开发了一种全新的食品脱水分离法-吸附式低温干燥,这是一种 以传质推动力为主的新型干燥工艺,制品原色原味、营养损失小、复水效果好;系统杀菌性能高、无环境污染、能耗低,且可利用低品位热源(太阳能、工业废热、 换热器余热等)。干燥过程中干燥气流露点可达-10℃以下,温度在10~50℃内可调,特别适用于热敏性物料的干燥。研究所试验考察了干燥气流的湿度、温 度、流速和物料表面积对胡萝卜薄片干燥特性的影响,并建立了干燥恒速、降速阶段水分传递的数学模型。经实验证明新型的食品脱水分离方法-吸附式低温干燥能 以较低的能耗取得很好的干燥效果。