Сушка, пожалуй, самый старый метод консервирования в пищевой промышленности. Он препятствует микробному разрушению и активности ферментов и, следовательно, продлевает срок хранения пищевых продуктов. Сушеные продукты более подходят для обработки, поскольку их уменьшенный объем помогает снизить затраты на упаковку, транспортировку и хранение. Регидратационная способность является ключевым параметром, определяющим качество высушенного продукта. Однако продукты, высушенные конвективным горячим воздухом, демонстрируют умеренную или низкую способность к регидратации из-за клеточного и структурного разрушения, происходящего в процессе сушки. Также при обычной сушке происходит деградация питательных веществ, что приводит к потере качества пищевых продуктов. Следовательно, очень важно разрабатывать и изучать новое сушильное оборудование и методы сушки.
Среди различных методов сушки сублимационная сушка или лиофилизация стали одним из наиболее важных процессов сохранения пищевых продуктов. Сублимационная сушка основана на сублимации растворителя в продукте. Растворителем может быть либо вода, либо органический растворитель, который кристаллизуется при низких температурах и после этого непосредственно переходит из твердого состояния в паровую фазу. Сублимационная сушка проводится при более низких температурах, что позволяет сохранить качественные характеристики пищевых продуктов, а также ограничить ущерб, наносимый термолабильными соединениями. Следовательно, основной целью сублимационной сушки является получение вещества с увеличенным сроком хранения, при котором качество пищевых продуктов не меняется после восстановления водой.
Сублимационная сушка имеет множество преимуществ по сравнению с традиционной технологией сушки. Основными преимуществами сублимационной сушки являются сохранение морфологических, биохимических и исходных характеристик, высокое извлечение летучих веществ, сохранение структуры и поверхности. Поскольку сублимационная сушка выполняется при низких температурах, эти продукты представляют меньший риск неустойчивости к термическому разложению. Таким образом, сублимационная сушка может быть применима для ценных материалов, чувствительных к теплу, или образцов, чувствительных к теплу, которые невозможно обработать с помощью других процессов, связанных с высокими температурами. Целью данной статьи является обзор последних достижений в области сублимационной сушки. Также обсуждаются недавние применения сублимационной сушки в пищевой промышленности.
Фундаментальные принципы сублимационной сушки
Сублимационная сушка — это метод консервации, основной принцип которого заключается в удалении растворителя из жидкого состава. Процесс сублимационной сушки обычно делится на три фазы: замораживание, фаза первичной сушки и фаза вторичной сушки.
В рамках этих трех этапов процесс сублимационной сушки включает пять основных действий: замораживание, сублимацию, десорбцию, вакуумную откачку и конденсацию пара.
Сначала жидкие составы охлаждают до низкой температуры и полностью замораживают имеющуюся в продукте воду. Затем при пониженном давлении замороженный растворитель нагревают и переводят из твердого состояния непосредственно в паровую фазу, т.е. процесс сублимационной сушки (первичная сушка). Далее следует процесс десорбции (вторичная сушка) для удаления незамерзшего растворителя. Следовательно, замораживание и сушка являются двумя одинаково важными основными процессами, которые происходят в процессе сублимационной сушки.
Замораживание является критически важным этапом в процессе сублимационной сушки, поскольку эта фаза доминирует в морфологии и распределении кристаллов льда по размерам, что, таким образом, влияет на различные важные параметры, такие как скорость сушки, степень кристаллизации продукта, удельная поверхность и способность к восстановлению высушенного продукта. На этапе замораживания образцы помещаются в специальную форму или резервуар сублимационной сушки.
Процесс замораживания состоит из трех этапов. Первая стадия — это фаза охлаждения, на которой температура образцов снижается с помощью жидкого азота, механического охлаждения или сухого льда до температуры точки замерзания, а температура, при которой появляется первое ядро льда, известна как температура зародышеобразования льда. Вторая фаза известна как стадия фазового перехода, на которой появляется первое ядро льда и происходит рост кристаллов льда. Первичная нуклеация — невероятно быстрый процесс, характеризующийся появлением первой ледяной нуклеазы. Образование первичного зародышеобразования чрезвычайно трудно обнаружить ни на глаз, ни по охлаждающей термограмме, за исключением начальной стадии вторичного зародышеобразования. Вторичная нуклеация быстро следует за первичной нуклеацией и характеризуется расширением мест зародышеобразования льда. На третьем этапе стадии затвердевания большая часть воды переходит в твердое состояние путем образования сети кристаллов льда. На этом этапе кристаллы льда растут до такой степени, что дальнейшее развитие становится невозможным.
Изменения продукта при лиофилизации
Для разработки оптимизированных процессов лиофилизации необходимо лучшее понимание механизмов стабилизации на каждом этапе процесса лиофилизации, а также в твердом состоянии. Хорошо известно, что замораживание и сушка сопровождаются различными стрессами, которые влияют на стабильность белка во время лиофилизации. В последнее время вклад отдельных факторов стресса стал изучаться более подробно. Например, независимо от исследования влияние температуры, образования льда и концентрации при замораживании с использованием температурно-стадийного подхода, было описано, что образование льда является критическим фактором стабильности лактатдегидрогеназы (ЛДГ) во время замораживания. Кроме того обнаружилось, что белки могут быть лиофилизированы значительно выше температуры стеклования без необходимости витрификации, поскольку кинетика разворачивания белка тесно связана с вязкостью системы, и, следовательно, разворачивание белка происходит очень медленно на временные рамки лиофилизации, даже при температурах значительно выше температуры стеклования.
Было продемонстрировано, что вторичная сушка является критическим шагом для стабильности ЛДГ, различая первичные и вторичные стрессы при сушке с использованием мини-лиофилизатора. Детальное изучение стрессов во время вторичной сушки показало, что на ЛДГ существенно влияют температура и продолжительность сушки, и для полной стабилизации белка необходимы как прямое взаимодействие наполнителей, так и витрификация. По распространенному мнению, разрушение, определяемое как потеря структуры продукта под действием вязкого течения лиофилизированного концентрата в процессе сушки, считается вредным из-за потери структуры, повышения уровня остаточной влаги, удлинения время восстановления и неблагоприятное влияние на стабильность белка.
Таким образом, более совершенная фармацевтическая практика сублимационной сушки требует поддержания температуры продукта ниже температуры стеклования или немного выше температуры разрушения продукта во время первичной сушки, хотя сушка при более высоких температурах может значительно ускорить дорогостоящий процесс сушки и, следовательно, сократить общее время процесса и потребление энергии.
Ранее стабилизация белка в матрице сахар-стекло объяснялась термодинамической закономерностью, согласно которой молекулы сахара стабилизируют конформацию нативного белка за счет «замещения воды», или кинетическим механизмом, основанным на том, что механизмы в остеклованной, жесткой сахарной матрице будут ограничены. Последние механизмы, «гипотеза витрификации», сочетают стабильность белков или химических смесей с универсальной подвижностью матрицы сахарного стекла, которую затем называют структурной релаксацией или а-релаксацией. Существуют экспериментальные доказательства обеих гипотез, однако ни одна из них не способна полностью объяснить и предсказать стабилизацию в стеклообразном твердом состоянии.
В настоящее время представление о том, что физическое старение аморфного образца путем термической обработки, также известное как отжиг или «уплотнение», может повысить устойчивость АФИ, было рассмотрено при разработке лиофилизации. На этом этапе «отжиг» обозначается как нагрев аморфного образца ниже его температуры стеклования в течение определенного периода. В процессе отжига стекло переходит в «равновесное стеклообразное состояние», асимптотически вызывая изменение физических свойств стекла, таких как энтальпия, энтропия и объем. Таким образом, период структурной релаксации увеличивается, универсальная подвижность уменьшается и, следовательно, к этому моменту структурная релаксация и реакционная способность совмещаются.
Типы процессов сублимационной сушки
Для сушки пищевых продуктов обычно используются три различных типа процесса сублимационной сушки: (1) сублимационная сушка в вакууме; (2) сублимационная сушка при атмосферном давлении; и (3) распылительная сублимационная сушка.
Вакуумная сублимационная сушка
Вакуумная сублимационная сушка — это метод, который широко используется для производства сушеных пищевых продуктов в пищевой промышленности с 1960-х годов. В последние годы этот метод широко используется для сушки фруктов, овощей, кофе, молока, мяса и других ценных пищевых продуктов. Он используется во всем мире и считается лучшим методом обработки для производства высококачественных обезвоженных пищевых продуктов с минимальными изменениями текстуры, вкуса, способности к регидратации, а также питательного и химического состава по сравнению с другими сушеными продуктами. Вакуумная сублимационная сушка состоит из оборудования заморозки, а также компонента вакуумной сушки и, следовательно, дает комбинированные преимущества вакуумной сушки и сублимационной сушки. Следовательно, можно сохранить внутреннюю структуру частиц и повысить скорость сублимации воды.
При использовании метода вакуумной сублимационной сушки продукт замораживают при низкой температуре, а замороженную воду или растворитель впоследствии удаляют путем сублимации. При вакуумной сублимационной сушке происходит одновременный тепло- и массоперенос. Были разработаны различные методы увеличения скорости тепло- и массообмена на этапе сушки. Отжиг является наиболее эффективным методом увеличения размера кристаллов льда, скорости сушки, а также скорости тепло- и массообмена в процессе сублимационной сушки. В процессе отжига замороженный растворитель поддерживается выше конечной температуры замерзания в течение определенного времени. Обнаружилось, что процесс отжига и различные криопротекторы способствуют росту кристаллов льда как внутри, так и вокруг наночастиц крахмала. Это также повлияло на остаточную влажность, размер частиц и температуру стеклования наночастиц крахмала.
Исследовалось влияние микробной трансглутаминазы на свойства гелей, приготовленных из сурими толстолобика, лиофилизированного в вакууме. Вакуумная сублимационная сушка превращает гидратированный белок в твердый белок, не изменяя его гелеобразующей способности. Однако замечено, что вакуумная сублимационная сушка частично денатурирует белки сурими, что уменьшает текстуру геля. Нагревание до температуры 40°С и добавление трансглутаминазы улучшают гелевую текстуру сушеного сурими. Таким образом, предварительная обработка в сочетании с вакуумной сублимационной сушкой помогает получить порошок сурими с улучшенной гелевой текстурой.
Вакуумная сублимационная сушка обезвоживает филе белого амура для получения высококачественных сушеных продуктов с хорошей питательной ценностью, текстурой, вкусом, цветом, минимальной усадкой и высокой пористостью. Для прогнозирования процента потери массы при обезвоживании и процента прироста массы при регидратации использовались разные подходы.
Атмосферная сублимационная сушка
Сублимационная сушка в атмосфере сочетает в себе сублимационную сушку и конвективную сушку. Сублимационная сушка увеличивает затраты на энергопотребление, поскольку к замороженным образцам применяется высокий вакуум, позволяющий сублимировать замороженный растворитель. Однако замороженные образцы можно сушить естественным путем, не создавая высокого вакуума. Таким образом, фундаментальная концепция создания сублимационной сушки при атмосферном давлении заключается в снижении энергопотребления по сравнению с вакуумной сублимационной сушкой при сохранении высокого качества продукта. Этот процесс возможен, когда парциальное давление водяного пара в сушильной камере ниже давления водяного пара замороженного образца.
Для достижения этого условия через замороженный образец необходимо циркулировать холодный и сухой газ. Продукты сублимационной сушки в атмосфере демонстрируют такие же характеристики кинетики регидратации и гигроскопичности, как и вакуумная сублимационная сушка. Однако в случае яблок наблюдался более высокий уровень ухудшения антиоксидантных свойств по сравнению с вакуумной сублимационной сушкой.
Изучалось влияние различных переменных процесса сушки на антиоксидантные свойства образцов баклажанов. Установлено, что повышение температуры сушки снижает содержание аскорбиновой кислоты, общего содержания фенолов и антиоксидантную способность образцов баклажанов после сублимационной сушки в атмосфере. С другой стороны, атмосферная сублимационная сушка с помощью ультразвука помогает сократить время сушки и не вызывает существенных изменений в содержании антиоксидантов в образце баклажанов.
Распылительная сублимационная сушка
Распылительная сублимационная сушка — это многообещающий метод сушки, позволяющий получать порошкообразные продукты, сочетающие в себе свойства распылительной сушки и сублимационной сушки. Метод можно определить как трехэтапный процесс: (1) распыление: раствор или суспензия распыляются, и большой объем раствора разбивается на мелкие капли, что создает высокое соотношение поверхности к массе; (2) затвердевание капель (замораживание): распыленные жидкие продукты замораживаются при встрече с криогенной средой (обычно жидким азотом); и (3) сублимационная сушка, сублимация замороженных частиц при низкой температуре и давлении.
Распылительную сублимационную сушку можно эффективно использовать для термочувствительных соединений, поскольку этот процесс осуществляется при более низкой температуре. В последние годы метод нашел множество применений для микрокапсулирования термочувствительных пробиотических микроорганизмов и соединений, таких как Lactobacillus plantarum, Lactobacillus paracasei, витамин Е, альбумин бычьей сыворотки, докозагексаеновая кислота и рыбий жир.
Было обнаружено, что распылительная сублимационная сушка является эффективным методом инкапсулирования Lactobacillus paracasei с использованием смеси мальтодекстрина и трегалозы в качестве матрицы с конечной жизнеспособностью более 60%. Исследователи также подчеркнули, что распылитель играет очень важную роль в получении высококачественной продукции, поскольку распыление напрямую влияет на распределение капель распыления по размерам.
В последней инновации использовалась распылительная сублимационная сушка с помощью ультразвука для получения контролируемого размера частиц и более короткого времени сушки. Ультразвук использовался для приготовления крупных пористых частиц маннита, лизоцима и белка BSA, и было замечено, что ультразвуковые сопла контролируют размер частиц и аэродинамические свойства частиц сублимационной сушки. Для процесса распыления использовались двухжидкостные, трехжидкостные, четырехжидкостные и ультразвуковые форсунки. Сообщалось, что среди различных типов используемых насадок ультразвуковая насадка хорошо контролирует размер частиц, а насадки с четырьмя жидкостями оказались подходящими для лекарств с пониженной растворимостью в воде.
Недавно для распыления в распылительной сублимационной сушке стали использоваться четырехжидкостные форсунки. Два независимых потока подачи жидкости распыляются двумя отдельными потоками сжатого воздуха. При соприкосновении потоков ударная волна создает туман из мелких капель в фокальной точке столкновения. Эти крошечные капельки связываются с жидким азотом и создают более однородное температурное поле для теплопередачи, что способствует гомогенному зародышеобразованию и, следовательно, формированию мелких кристаллов льда.
Сравнились физические параметры и качество аромата кофе, полученного с использованием распылительной сублимационной сушки, с показателями, полученными другими методами. Распылительная сублимационная сушка помогает сохранить характерные низкокипящие ароматические соединения кофе, тогда как эти соединения были потеряны на начальных стадиях альтернативных процессов. Была продемонстрирована разница в микроструктуре продукта при разнице в методах сушки. У частиц кофе после распылительной сублимационной сушки наблюдалась сферическая форма с пористой и шероховатой поверхностью. Однако у образцов кофе после других методов наблюдалась сферическая форма с гладкой поверхностью и чешуйчатой структурой.
Комбинированная сублимационная сушка с другими методами/модификация сублимационной сушки
Хотя сублимационная сушка является широко распространенным методом сушки, она по-прежнему дорога, поскольку требует высокого энергопотребления из-за длительного времени сушки, что ограничивает ее применение для широкого спектра продуктов в пищевой промышленности. Чтобы преодолеть недостатки сублимационной сушки, необходимы новые методы, позволяющие объединить или модифицировать процесс сублимационной сушки, чтобы сделать его эффективным по времени и затратам.
Инфракрасная сублимационная сушка
Инфракрасное (ИК) излучение представляет собой тепловую энергию в форме электромагнитных волн и окружает тот сегмент электромагнитного диапазона, который граничит с видимым светом и микроволнами. ИК обеспечивает большую тепловую эффективность и высокую скорость нагрева по сравнению с обычным нагревом. Инфракрасная сублимационная сушка эффективно сокращает время сушки и изменяет свойства высушенных продуктов.
Время лиофилизации — это время, необходимое для процесса лиофилизации, тогда как общее время сушки — это время, необходимое для процесса инфракрасной сублимационной сушки. ИК-сушка обеспечивает более высокую скорость сушки и сохраняет лучший цвет конечного продукта, чем другие методы сушки, и может использоваться в качестве метода предварительного обезвоживания перед сублимационной сушкой. Инфракрасная сублимационная сушка нашла множество применений для сушки различных пищевых продуктов, таких как клубника, сладкий картофель, Cordyceps militaris, грибы шиитаке, банановые закуски и др.
Была исследована лиофилизация с использованием инфракрасного излучения для производства порошков алоэ вера. Сублимационная сушка алоэ вера с помощью инфракрасного излучения показала минимальное содержание влаги 3,49%, максимальную смачиваемость 52,84 с и максимальный процент выхода 3,87 при оптимальных условиях методологии отклика поверхности. Обезвоживание банановых закусок изучалось путем сочетания процесса сублимационной сушки с инфракрасным излучением. Исследование проводилось с использованием различных исследований метода сушки. По сравнению с одной только сублимационной сушкой, непрерывная инфракрасная сублимационная сушка заметно сокращает время сушки до 213 минут, что экономит более 70% требуемого времени. Короче говоря, применение ИК при сублимационной сушке банановых снеков указывает на потенциал этого метода для производства высококачественных банановых снеков со значительным сокращением времени и энергии во время сушки.
Инфракрасная сублимационная сушка состоит из следующих пяти основных частей: вакуумного насоса, акриловой камеры, конденсатора и холодной ловушки при температуре 100 C, а также лампы ближнего инфракрасного диапазона. Для оценки энергопотребления конденсатора и насоса использовался счетчик электрической энергии. Напряжение и ток, подключенные к ИК-лампе, оценивались и записывались с помощью датчика тока.
Инфракрасную сублимационную сушку сравнивали при различных температурах сушки: 40, 50, 60 и 70°C, и было замечено, что увеличение температуры сушки значительно сокращало время сушки и потребление энергии. Инфракрасная сублимационная сушка экономит общее потребление энергии по сравнению с другими методами, поскольку требует меньше времени на сушку, а ИК-лампа потребляет минимальное количество электроэнергии. Впоследствии эти авторы пришли к выводу, что инфракрасная сублимационная сушка является перспективным методом получения высококачественных сушеных продуктов.
Сублимационная сушка с использованием микроволновой печи
Микроволновая (МВ) сушка — это метод, основанный на электромагнитных волнах, которые генерируют тепло непосредственно внутри продукта. СВЧ-излучение представляет собой часть электромагнитного спектра в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц. Поскольку СВЧ выделяет тепло внутри пищевого продукта, это вызывает быстрый внутренний нагрев. Когда микроволновый нагрев сочетается с сублимационной сушкой, микроволновая энергия легко проникает сквозь лед и, следовательно, сокращает время сушки примерно на 50–75% по сравнению с традиционным.
Недавние исследования, проведенные на различных пищевых продуктах, таких как шампиньоны, реструктурированная картофельная смесь с яблочными чипсами, морской огурец и закуски из бамии показали, что СВЧ обеспечивает такое же качество продукции, как и процесс без СВЧ, но при меньших затратах. Оценивалась оптимизация условий микроволновой сублимационной сушки для производства порошков сырого белка из гинкго двулопастного. Очевидно, что толщина образца имеет прямую зависимость, а мощность микроволнового излучения косвенно влияет на время сушки. Время сушки изменялось криволинейно и линейно с увеличением мощности СВЧ и толщины образца. Эти исследования также доказали, что время высыхания с СВЧ короче, чем у обычного метода. Таким образом, СВЧ является альтернативной технологией, поскольку она сохраняет структуру продукта, а также обеспечивает экономичный процесс сушки.
Несмотря на свои уникальные преимущества, существуют некоторые трудности при применении метода СВЧ сублимационной сушки в промышленном масштабе. Основная проблема связана с тем, что технология приводит к неравномерному распределению температуры и коронному разряду, что приводит к таянию льда и перегреву. Некоторые ученые пытались решить эти проблемы. Например, разработка импульсной сублимационной сушки в псевдоожиженном слое с использованием микроволнового излучения для улучшения равномерности сушки образцов сублимационной сушки и получения продуктов более высокого качества.
В последние годы изучалось влияние СВЧ сублимационной сушки на качество сушеного Cordyceps militaris и ломтиков стеблевого салата. Было замечено, что образцы СВЧ сублимационной сушки высыхали более равномерно, чем образцы, высушенные в режиме стационарного фонтанирующего слоя. Общее время высыхания образцов Cordyceps militaris в СВЧ сублимационной сушке сократилось на 71,9% по сравнению с простой сушкой, тогда как для ломтиков стеблевого салата время сушки сократилось более чем на 20%. Цвет, хрусткость, усадка и антиоксидантные свойства C. militaris, высушенного в СВЧ сублимационной сушке, были очень похожи на свойства образцов простой сублимационной сушки . Таким образом, можно констатировать, что метод СВЧ сублимационной сушки потенциально может быть использован для производства высококачественной продукции с высокой энергоэффективностью.
Ультразвуковая сублимационная сушка
Ультразвуковые волны относятся к звуковым волнам с частотой от 2 — 104 до 1 — 109 Гц. Ультразвуковой механизм зависит от кавитации. Кавитация возникает в результате проведения ультразвука в положительном и отрицательном чередующемся цикле. Этот цикл вызывает образование и сжатие микропузырька. Микропузырьки лопаются, когда их частота совпадает с частотой ультразвука, и выделяется высокая энергия и давление. Это нарушает клеточную мембрану и повреждает микроструктуру. Недавно различные исследования показали потенциальные преимущества ультразвуковых технологий в пищевой промышленности. Ультразвуковая распылительная лиофилизация использовалась для производства частично очищенного порошка микробной трансглутаминазы, порошка травы ячменя и липосомального сухого порошка.
Было изучено влияние атмосферной сублимационной сушки с помощью ультразвука на антиоксидантные свойства баклажанов. Авторы отметили, что ультразвук эффективен для ускорения атмосферной сублимационной сушки и улучшения качества баклажанов. С другой стороны, было обнаружено, что увеличение скорости воздуха и температуры во время сушки снижает антиоксидантный потенциал высушенных образцов. Изучалось влияние параметров процесса ультразвуковой распылительной лиофилизации на ферментативную активность и размер частиц для получения частично очищенного порошка микробной трансглутаминазы. Ультразвуковое распыление ускоряет этап замораживания.
Было обнаружено, что процесс ультразвуковой распылительной лиофилизации обеспечивает более высокую ферментативную активность, меньший размер частиц и лучшую морфологию при восстановлении по сравнению с лиофилизацией. Метод также лучше защищает образцы при экстремальных уровнях pH и высоких температурах по сравнению с процессом сублимационной сушки. Процесс ультразвуковой распылительной лиофилизации состоит из ультразвукового распыления, быстрого замораживания и лиофилизации. В методе ультразвуковое распылительное сопло распыляет жидкость на мелкие капли. Жидкость распыляется высокочастотными звуковыми волнами непосредственно в жидкий азот, который быстро замораживает распыленные капли. Ультразвуковое сопло распыляет водный состав непосредственно в жидкий азот, который быстро замораживает распыленные капли. Замороженные частицы лиофилизируются, оставляя после себя сухой порошок.
Сублимационная сушка в импульсном электрическом поле
Обработка импульсным электрическим полем основана на приложении коротких электрических импульсов высокого напряжения к продукту, который помещается между двумя электродами. Поляризация вызывает проницаемость клеточной мембраны и ускоряет процесс тепло- и массообмена. Сублимационная сушка в импульсном поле – это нетермическая микробная стерилизация микробных клеток, не вызывающая нежелательных изменений в пищевых тканях. Импульсное электрическое поле вызывает проницаемость клеточных мембран, что приводит к нетермической микробной стерилизации биологических клеток.
Недавно некоторые авторы исследовали потенциальное применение обработки полем с сублимационной сушкой на таких пищевых продуктах, как ткани яблок, ткани картофеля и яблоки. Изучалось влияние поля в качестве предварительной обработки при напряженности электрического поля E ј 800 В/см на яблочные диски в процессах вакуумного охлаждения и сублимационной сушки. Первоначально образцы яблок были предварительно обработаны импульсным полем, а затем подвергнуты вакуумному охлаждению для снижения температуры до отрицательного уровня для сублимационной сушки. Обработка полем влияет на тепломассовые процессы при замораживании, а также ускоряет процесс охлаждения и сушки. Данные испытания на капиллярную пропитку показывают наличие крупных пор, высокую скорость пропитки влагой и большую регидратационную способность по сравнению с необработанными образцами. Обработка импульсным полем показывает относительное увеличение регидратационной способности в 1,3 раза.
Осмотическое обезвоживание — недорогой метод предварительной обработки сублимационной сушки
При осмотической дегидратации условия равновесия поддерживаются по обе стороны мембраны за счет откачивания воды из зоны с более низкой концентрацией растворенного вещества в сторону более высокой концентрации. Осмос — это недорогая обработка, которая сохраняет цвет, вкус и питательную ценность пищевых продуктов за счет частичного удаления воды. Предварительная обработка осмотическим обезвоживанием и бланшированием может применяться к сублимационной сушке, чтобы сократить длительное время обработки и потребность в энергии. Осмотическое обезвоживание производит продукты средней влажности, которые можно дополнительно сушить с использованием метода сушки с сокращенным временем обработки. Обработка осмотическим обезвоживанием с помощью процесса сублимационной сушки приводит к включению пробиотиков в ломтики банана с содержанием микробов 109 КОЕ/г и стабильностью 20–28 дней.
Для осмотически обезвоженной сублимированной малины наблюдалась более высокая твердость и меньшая деформируемость по сравнению с воздушно-сушеными образцами. Аналогично, предварительная обработка осмотическим обезвоживанием применялась для сушки клубники в печи и сублимации. Применение осмотического обезвоживания сокращает время обработки и сохраняет пищевые свойства. При изучении видны неповрежденные клетки, что свидетельствует о том, что процесс не влияет на микроструктуру образцов. Напротив, в высушенных в печи образцах микроструктура клеток была полностью разрушена, и клетки было трудно идентифицировать. Клетки после осмотического обезвоживания и термосухих образцов были частично разрушены. Таким образом, применение осмотического обезвоживания приводит к большей регидратации образцов. Можно констатировать, что предварительная обработка осмосом существенно сокращает время обработки и сохраняет механические и структурные свойства клубники.
Применение сублимационной сушки
Сублимационная сушка — перспективная технология, которая широко используется, особенно для дорогостоящих пищевых продуктов. Она широко используется при производстве фруктов, овощей, мяса, рыбы, кофе и т. д. Из-за высоких производственных затрат использование сублимационной сушки для коммерческого производства пищевых порошков по-прежнему ограничено в основном растворимым кофе, высококачественными продуктами питания, такими как такие как специи и травы, продукты для экстремальных видов спорта, детские смеси быстрого приготовления, инкапсулированные пищевые соединения и микроорганизмы.
В последнее время рынок «натуральных» и «органических» продуктов значительно увеличился, а также требования потребителей к здоровым ингредиентам и продуктам питания с минимальной обработкой и высоким качеством. Коммерческое производство лиофилизированных порошков из «органических» фруктов и овощей и нутрицевтических продуктов, то есть изофлавонов из соевых бобов или порошка, богатого фукоксантином, из водорослей, уже началось.
Сублимационная сушка нашла свое место на мировом рынке и значительно увеличится в ближайшие годы. Для производства микроорганизмов в форме порошка в промышленности предпочтительным методом сушки является сублимационная сушка, поскольку она вызывает наименьшую потерю жизнеспособности клеток по сравнению с другими методами сушки. Было показано, что выдерживание замороженных образцов при температуре выше температуры стеклования в течение определенного времени увеличивает образование льда и снижает конечное содержание влаги в лиофилизированных образцах, тем самым продлевая время хранения и стабильность лиофилизированных порошков.
Поскольку сублимационная сушка широко признана лучшим методом обезвоживания с точки зрения конечного качества порошка, ее часто используют в качестве эталона для проверки эффективности других методов сушки. Применение нетрадиционных технологий сублимационной сушки для производства пищевых порошков в основном прогрессирует при атмосферной, традиционной или сублимационной сушке распылением. Было отмечено, что использование системы теплового насоса с экологически чистыми хладагентами вместе с температурными программами может помочь в повышении конечного качества порошка, полученного с помощью атмосферной сублимационной сушки. По сравнению с традиционным методом сублимационной сушки при атмосферном давлении, сублимационная сушка распылением при атмосферном давлении обеспечивает улучшенный тепло- и массоперенос, более высокие и однородные свойства порошка с повышенным сохранением аромата, отсутствием «слеживания», мгновенной растворимостью и смачиванием.
Комбинируя сушку замораживанием распылением при атмосферном давлении с псевдосжижением в противоточном потоке получены сыпучие углеводные порошки за сокращенное время обработки. Совсем недавно сообщалось о возможности использования атмосферной сублимационной сушилки с вибрирующим слоем для экономичной сушки термочувствительных материалов, таких как фрукты и овощи.
Фруктовые и овощные продукты/Свежие продукты
Интерес потребителей к свежим продуктам постоянно растет. Однако поддержание качества свежих продуктов остается критической проблемой. Срок хранения свежих продуктов ограничен из-за высокого содержания воды и ограниченной доступности из-за сезонности.
Сушка — один из наиболее распространенных методов, используемых для продления срока хранения свежих продуктов, что, в свою очередь, обеспечивает их постоянную доступность. Также сушка дополнительно предполагает уменьшение объема и веса свежей продукции, что облегчает ее транспортировку и обработку. Однако биоактивные соединения, термолабильные питательные вещества, такие как витамины или каротиноиды, могут разлагаться во время термической обработки, и, следовательно, свежие продукты могут потерять свою пищевую ценность и пользу для здоровья. Таким образом, сублимационная сушка является многообещающим методом сушки термочувствительных продуктов, таких как свежие продукты.
Сублимационная сушка – это процесс обезвоживания, оказывающий номинальное влияние на качество пищевых продуктов. Сублимационная сушка в настоящее время используется в ряде случаев для обработки свежих продуктов. Недавнее исследование показало, что добавление биополимеров, таких как 5 г гуммиарабика и 1 г изолята сывороточного белка, на 100 г мандаринового сока при сублимационной сушке, улучшает его текстурные свойства. Кроме того, это сокращает время обработки, не влияя на органолептические свойства или содержание витаминов.
Аналогично исследовалось влияние импульсного электрического поля и сублимационной сушки на макро- и микроскопические свойства, цвет, общее содержание фенолов и антиоксидантную активность путем обработки яблок при различных температурах (установленных на 40 C и 60 C) и давлениях (0,1, 0,25 и 1 мбар). В импульсе использовалась напряженность электрического поля 1,07 кВ/см и удельные энергоемкости 0,5, 1 и 5 кДж/кг. Образцы, предварительно обработанные электрическим импульсом, показали увеличение общего содержания фенолов до 47% по сравнению с необработанными образцами. Однако антиоксидантная активность яблок, обработанных импульсом, была снижена до 60% по сравнению с контрольными образцами. Эти наблюдения объясняют необходимость оптимизации таких комбинаций процессов.
В исследованиях стабильности микрокапсулированного клубничного ароматизатора сравнивались три различных метода сушки: распылительная сушка, сублимационная сушка и псевдосжиженный слой. Смеси замораживали при температуре 80°С в течение 24 ч с последовательной лиофилизацией до получения порошка. Самый высокий выход был получен при использовании метода сублимационной сушки, тогда как метод распылительной сушки давал порошок с самым низким содержанием влаги. Однако в отношении стабильности этилацетоацетата, бензилового спирта и фрейстона наилучшие результаты показал метод распылительной сушки с последующей сушкой вымораживанием и псевдоожиженным слоем.
Сравнения методов ленточной сушки, сублимационной сушки и вакуумной сушки показали, что лиофилизированные банановые порошки имеют оптимальный аромат после последующей вакуумной сушки. Было оценено влияние процессов горячего воздуха и сублимационной сушки на сохранение и концентрацию биологически активных соединений в порошке плодов облепихи. Удивительно, но кинетика сублимационной сушки облепихи была намного быстрее, чем сушка на воздухе, вероятно, из-за состава плодов, богатых как маслом, так и углеводами. Удержание биоактивных соединений было выше в лиофилизированных образцах, чем в образцах, высушенных горячим воздухом, из-за низких температур и более короткого воздействия кислорода во время процесса.
Мясо и птица
Продукты из мяса и птицы являются скоропортящимися из-за большого количества полезных питательных веществ, активности воды и pH. Микробное заражение мяса может вызвать у потребителей тяжелые заболевания пищевого происхождения. Поэтому безопасность мяса и птицы считается важнейшим фактором для потребителей. В последние годы широко изучается использование сублимационной сушки для продуктов из мяса и птицы. Сублимационная сушка сохраняет естественный цвет, аромат, вкус и пищевую ценность мяса. Этот метод не повреждает белок мяса и сохраняет жирорастворимые витамины А и D. Таким образом, сублимационная сушка является перспективным методом сушки пищевых продуктов, чрезвычайно чувствительных к нагреванию и легко окисляющихся.
Недавно было проведено несколько исследований влияния сублимационной сушки на мясо и мясные продукты; однако лишь в нескольких исследованиях изучалось использование сублимационной сушки на птице. Как уже известно, мясо сублимированной вакуумной сушки имеет более яркий цвет, более высокую пищевую ценность и легко переваривается. В настоящее время некоторые отрасли промышленности начали производить полноценные мясные продукты с высокой питательной ценностью с использованием технологии сублимационной сушки.
Оценивалось совместное использование озона и сублимационной сушки по общему количеству аэробных мезофильных бактерий (TAMB) и молочнокислых бактерий (LAB) в мясном филе цыплят-бройлеров. Снижение количества TAMB и LAB на 6,8 и 4,77 log КОЕ/г наблюдалось при сочетании обработок озоном (0,6 частей на миллион в течение 10 минут) и лиофилизации по сравнению с необработанными образцами, тогда как по сравнению с неозонированным замораживанием было зарегистрировано снижение на 3,26 и 1,41 log. Авторы указали, что комбинированная обработка будет полезна для улучшения микробных свойств и продления срока хранения сырого мяса куриной грудки до 8 месяцев при температуре 21 C. Напротив, срок хранения чисто лиофилизированных образцов составлял всего 4 месяца. Аналогично, воздействие озона на образец в концентрации 0,4 ppm ухудшило его текстурные свойства.
Аналогичным образом указывается, что три комбинированных метода (озонирование, сублимационная сушка и упаковка в модифицированной газовой среде) могут успешно использоваться для обеспечения длительного хранения и высококачественного мяса птицы. Комбинация газов 20% CO2/80% N2 обеспечивает наилучшие условия хранения высушенного озоном филе куриной грудки, хранящегося при комнатной температуре.
Соление эффективно в качестве консервирующего метода, поскольку снижает содержание влаги в мясе и, таким образом, уменьшает рост микробов. Изучалось влияние содержания соли, прессования и влажности на текстурные и микробиологические параметры мяса грудки индейки. В образцах, подвергнутых засолке, прессованию и частичной сублимационной сушке, в течение 70-дневного периода хранения количество микрококков/стафилококков не наблюдалось. Общее время сушки было сокращено до 7 часов с 27 часов в сублимационной сушилке для снижения содержания влаги в мясе грудки индейки до 40%.
Сублимационная сушка использовалась для улучшения растворимости, стабильности эмульсии, водоудерживающей способности и прочности теплового геля белка яичного белка. Некоторые исследователи проанализировали обработку сушкой, растворимость, свойства геля и свойства эмульгирования, чтобы оценить обработку белка яичного белка сублимационной сушкой. Обнаружилось, что время сушки белка яичного белка было значительно сокращено при комбинированном эффекте сублимационной сушки и микроволновой вакуумной сушки по сравнению с использованием только сублимационной сушки.
Морепродукты
Рыба является важным диетическим компонентом в различных странах. Существуют различные исследования по сушке и консервированию рыбы. Однако сообщений о сублимационной сушке рыбы мало. Технология сублимационной сушки может преобразовать гидратированный белок в форму порошка без изменения его гелеобразующих свойств, поскольку низкая температура в процессе сушки защищает белок от термической денатурации. На гелеобразующую способность сурими влияют различные факторы, такие как способ нагревания, свойства сурими и функциональные добавки (крахмал, гидроколлоиды, ферменты и т. д.). Недавно было проведено исследование влияния метода нагревания и включения микробной трансглутаминазы на свойства гелей, приготовленных из сурими, высушенных в вакууме сублимацией. Результаты показали, что текстура геля сурими, высушенного сублимацией в вакууме, частично ухудшалась во время сушки, но улучшение текстуры геля было достигнуто за счет добавления трансглутаминазы и использования температуры отверждения 40°C. Однако при сравнительном исследовании различных свойств желатина из плавательного пузыря методы сушки распылением, сублимационной сушки и вакуумной сушки лиофилизация показала самый высокий выход желатина, за которым следовали вакуумная сушка и распылительная сушка.
Кофе
Кофе – один из самых популярных напитков, который ценят потребители во всем мире. Распылительная сублимационная сушка — это уникальный метод сушки, позволяющий получить сыпучий кофейный порошок с пористой микроструктурой. Распылительная сублимационная сушка сохраняет больше ароматических и вкусовых соединений, чем обычная сублимационная сушка.
Было обнаружено, что распылительная сублимационная сушка сохраняет 93% летучих веществ в растворимом кофе, тогда как обычная сублимационная сушка содержат 77% и 57% летучих веществ соответственно. Другое исследование по инкапсуляции фенольных соединений, извлеченных из отработанной кофейной гущи, показало, что сублимационная сушка с использованием мальтодекстрина в качестве материала покрытия сохраняет 62% и 73% фенольных соединений и флавоноидов соответственно.
Другие применения
Сообщалось, что лиофилизация не повлияла на активное высвобождение альгинатных жидких гелей, когда гель был сформирован из наночастиц. Однако на поведение активного высвобождения повлияла лиофилизация, когда гель был сформирован из микрочастиц, что объясняет влияние на поведение высвобождения в зависимости от размера. Показано, что метод сублимационной сушки показал наименьшую потерю выживаемости клеток во время хранения.
Изучалось влияние процесса сублимационной и распылительной сушки на содержание b-лактоглобулина и лизоцима в ослином молоке. В частности, процесс распылительной сушки существенно снижал ферментативную активность лизоцима (58% от остаточной активности) и содержание b-лактоглобулина (6,43 мг/мл в свежем молоке против 5,51 мг/мл в высушенном распылением молоке) из-за высокого содержания температура, которой подвергалось ослиное молоко.
Изучалось производство порошков бычьего лактоферрина (LFb) с использованием распылительной и сублимационной сушки. Результаты показали, что как порошки LFb, высушенные распылением, так и лиофилизированные, имели незначительную денатурацию и конформационные изменения по сравнению с жидкими. Методы продемонстрировали сорбционное поведение типа II с почти одинаковым содержанием влаги в монослое. Аналогичным образом, в исследовании сообщалось о влиянии лиофилизированных плодов японской айвы (FJQF; 0–9%), добавленных в печенье для улучшения их антиоксидантных свойств во время хранения, сенсорных и летучих характеристик, а также приемлемости для потребителей.
Заключение и перспективы на будущее
В отличие от некоторых других подходов к сушке, сублимационная сушка ценится за превосходство, которое она обеспечивает с точки зрения качества продукции. Этот подход лучше всего подходит для пищевых продуктов, содержащих термочувствительные компоненты, и когда приоритетом является сохранение внешнего вида, близкого к свежему. Тем не менее, хотя сублимационная сушка широко используется в исследованиях и промышленности для ряда применений, связанных с пищевыми, фармацевтическими и другими ингредиентами, сохраняется обеспокоенность по поводу технологических затрат и связанных с ними затрат на продукцию.
В последние годы исследователями было разработано несколько методов предварительной обработки материалов, подлежащих сублимационной сушке. Еще одной развивающейся областью является разработка гибридных систем сублимационной сушки, которые обеспечивают преимущества в виде сокращения времени сушки, снижения технологических затрат и улучшения качества продукции. Задача состоит в том, чтобы распространить такие методы, разработанные на лабораторном уровне, на промышленность. Непосредственное требование – найти баланс между стоимостью и качеством продукции.