Интенсификация процесса сублимационной сушки с помощью инновационных технологий (внешних по отношению к продукту) или дополнительных предварительных обработок (внутренних) до или во время сублимационной сушки — это ключевые подходы, направленные на эффективное преодоление технологических проблем для увеличения массопереноса или улучшения качества продукта.
Химическая, механическая и термическая предварительная обработка использовалась для уменьшения эффекта гидрофобности кожицы растений и улучшения транспорта воды во время сушки целых ягод. Химическая предварительная обработка включает погружение продукта в щелочные или кислые растворы олеатовых эфиров перед сушкой. Щелочное погружение облегчает сушку, образуя трещины на поверхности плодов. Однако высокая температура (100 C) химического раствора и длительные периоды замачивания вызывают ухудшение текстуры и низкий уровень вкусовой приемлемости из-за включения химических остатков в мякоть плода.
Механическая предварительная обработка может заменить или дополнить химическую предварительную обработку, главным образом из-за более высокого уровня приемлемости. Он заключается в очистке, истирании поверхности, прокалывании кожицы или нарезании плодов различной формы. Разрезаются пополам ягоды облепихи перед сублимационной сушкой, чтобы получить высококачественные порошки из этих маслянистых фруктов с непроницаемой кожицей. Некоторые другие предварительные обработки включают воздействие диоксида серы и предварительную термическую обработку, такую как бланширование (погружение в горячую воду) или пропаривание. Однако бланширование может привести к потере растворимых веществ, таких как белки и минеральные элементы, в то время как высокие температуры могут вызвать потерю термолабильных веществ, таких как питательные вещества и витамины.
С другой стороны, было проведено мало исследований по предварительной обработке замораживанием перед методами обезвоживания. Медленное замораживание способствует образованию крупных внеклеточных кристаллов льда, повреждающих растительные ткани, тогда как быстрое замораживание способствует интенсивному зарождению и образованию внутриклеточных мелких кристаллов льда, а также замораживанию и растрескиванию пищевых тканей.
Водопроницаемость растительных тканей зависит от их состава, микроструктуры, кристаллического или аморфного состояния матрикса, а также от липидных и стеклообразных переходов, происходящих при охлаждении или нагревании тканей. Все эти сообщения о влиянии замораживания на ткани овощей и фруктов, безусловно, можно использовать для того, чтобы вызвать положительные изменения в микроструктуре пищевых продуктов, чтобы увеличить скорость сушки или улучшить качество сушеных продуктов.
Индивидуальная быстрая заморозка – быстрое индивидуальное замораживание ягод тонким слоем при -40 С в течение заданного времени – применялась в циклах с медленным оттаиванием в холодильнике при 4 С. Этот мягкий тепловой шок (от -40 C до +4 ◦C) вместе с циклическим повторением привел к небольшим изменениям проницаемости восковой кутикулы, достаточным для увеличения скорости высыхания.
Циклическое погружение в жидкий азот черники, ягод облепихи и винограда заметно увеличивало кинетику сушки при сушке горячим воздухом, в вакууме и сублимационной сушке. Исходная толщина эпидермиса плодов уменьшалась от 20% до 50% (в зависимости от плода) после 3–5 погружений в жидкий N2. Также депарафинизация поверхности растений наблюдалась после погружения в жидкий азот кутикулы голубики низкорослой (от 200,33 ± 3,05 до 152,70 ± 0,7 мкг/см2) и высокорослой (от 227,5 ± 2,12 до 112,17 ± 1,66 мкг/см2) [32], что объясняет значительное влияние этой предварительной обработки на ускорение массообмена во время сушки.
Разбавление концентрированного продукта является простым решением проблем, указанных ранее при работе с жидкими пищевыми продуктами с высокими концентрациями сахара/липидов. Однако добавление воды и последующее удаление ее дорогостоящим методом, таким как сушка вымораживанием, не всегда является доступным решением, если в этом нет необходимости. Разбавлялся кленовый сироп до 20% перед сублимационной сушкой в качестве первого этапа производства порошков кленового сиропа высочайшего качества. Вариант предварительной обработки для решения проблем качества при сублимационной сушке высококонцентрированных жидкостей или твердых растительных продуктов, имеющих барьер для влаги (например, ягод), заключается в оснащении сублимационной сушилки системами замороженных частиц вместо лотка с замороженной жидкостью в блоке. Чтобы добиться этого, одним из простых способов является измельчение замороженной жидкости при сверхнизких температурах. Затем замороженные частицы меньшего размера подвергают сублимационной сушке. Впервые об этом методе сообщалось для получения лиофилизированных порошков из растительных тканей для ботанических аналитических целей путем измельчения образцов в жидком азоте с последующей лиофилизацией. Однако одним из недостатков является широкий гранулометрический состав лиофилизированного порошка.
Более современная технология сублимационной грануляции включает распыление капель жидкой суспензии или суспензии в жидкий азот с последующей лиофилизацией замороженных капель. Вышеупомянутый процесс проиллюстрирован на рисунке (начало статьи). Значение этой технологии состоит в том, что в гранулах сохраняется структура и однородность частиц шлама или суспензии.
Другим способом предварительной обработки трудно поддающихся вымораживанию растворов/суспензий/эмульсий является вспенивание в так называемом процессе сублимационной сушки «пенопластовый коврик». В целом высыхание вспененных материалов происходит быстрее, чем невспененных. Эксперты по сушке неоднократно указывали на увеличение межфазной поверхности вспененных материалов как на фактор, ответственный за сокращение времени сушки. Однако поскольку плотность вспененных материалов ниже плотности невспененных и составляет от 0,3 до 0,6 г/см3, то и массовая нагрузка сушилки пенопласта меньше. Таким образом, более короткое время сушки должно не только компенсировать снижение загрузки сушилки, но и увеличить производительность сушилки. Обнаружилось, что лиофилизация вспененного яблочного сока ограничивается теплопередачей, а невспененного — массопереносом. В этом исследовании было показано, что изоляционные свойства, характерные для пенопластов, были более значимыми для замедления процесса сублимационной сушки, чем увеличение площади поверхности, доступной для массопереноса вследствие вспенивания. Хотя скорость сублимационной сушки была увеличена за счет вспенивания, не удалось найти практическую минимальную толщину образца, которая также позволила бы увеличить производительность сублимационной сушки.
В дальнейших экспериментах сообщалось, что, подтверждая результаты температуры стеклования, при температуре хранения 20 C и в присутствии воздуха невспененные порошки сублимированного яблочного сока разрушались с заметным изменением цвета, тогда как вспененные сублимированные порошки яблочного сока разрушались с заметным изменением цвета, тогда как вспененные сублимированные порошки сушеные продукты были стабильны до 70 дней.
Некоторые технические проблемы, с которыми сталкивается сублимационная сушка, включают длительное время пребывания, периодический режим работы, высокие эксплуатационные расходы и потребление энергии. Уже отмечалось, что любая новая разработка классической вакуумной сублимационной сушки должна быть направлена на улучшение теплопередачи, чтобы способствовать сублимации и сократить время сушки, или на сокращение/избегание использования вакуума для снижения затрат. В последние годы исследования были сосредоточены на разработке технологий интенсификации процессов для решения некоторых из этих проблем.
Инфракрасное излучение
Инфракрасная энергия попадает на открытые поверхности материала и распространяется через материал, увеличивая тепловую энергию за счет молекулярной вибрации, которая имеет относительно меньшие потери по сравнению с другими типами источников тепла. Применение инфракрасного излучения при сублимационной сушке пищевых продуктов растительного происхождения значительно сократило время сушки сладкого картофеля и яблок, а также улучшило качественные характеристики конечного продукта за счет равномерного нагрева поверхности, например, в случай алоэ вера, клубники и банана.
СВЧ излучение
В последнее время вновь привлекло внимание применение микроволновой энергии для интенсификации сушки вымораживанием. Микроволновое нагревание изучается с 1970-х годов в связи с ускорением сублимационной сушки. Привлекательным аспектом этого источника тепла является то, что на него не только практически не влияют сухие слои материала, подвергающегося сублимационной сушке, но и который поглощается главным образом в замороженной области. Поскольку замороженная область имеет высокую теплопроводность, микроволновая энергия помогает сублимации сократить время сублимационной сушки до 60–75%. Кроме того, по сравнению с обычной сублимационной сушкой, микроволновая сублимационная сушка может привести к получению продуктов аналогичного/лучшего качества.
Хотя микроволновая сублимационная сушка может предложить уникальные преимущества, неотъемлемой проблемой, препятствующей ее коммерциализации, является сложность контроля качества конечного продукта и обеспечения его однородности, возникающая в результате коронного разряда и неравномерного нагрева, которые вызывают таяние льда и перегрев. В интересном обзоре сублимационной сушки продуктов с помощью микроволновой печи было отмечено, что для обеспечения успешного внедрения этого типа технологии в промышленности необходимо решить следующие задачи: масштабирование операций, точный мониторинг температуры, соответствующее моделирование распределения СВЧ-поля и увеличение знаний о диэлектрических свойства продуктов питания. Таким образом, в большинстве многочисленных статей, опубликованных в последнее время, рассматривается влияние микроволновой сублимационной сушки на различные аспекты качества и однородности конечного продукта, например, в случае банана, травы ячменя, картофеля, грибов, яблок, стебля салата, бамия и т. д.
В недавнем обзоре описан обзор текущих разработок в области микроволновой сублимационной сушки фрукты и овощи, где они пришли к выводу о необходимости других новых нетермических технологий, таких как ультразвук, обработка высоким давлением или импульсные электрические поля, для улучшения качества сублимированных термочувствительных фруктов и овощей.
Атмосферная сублимационная сушка
В последнее время повышенное внимание также уделяется атмосферной сублимационной сушке. В этом методе лиофилизация осуществляется при атмосферном давлении в атмосфере сухих инертных газов. Хотя этот процесс сублимационной сушки был открыт в конце 1950-х годов, научный интерес начал проявляться главным образом в середине 1980-х годов. Из-за отсутствия использования вакуума сокращение составило примерно 34% по сравнению с вакуумной сублимационной сушкой. Однако время сушки увеличивается в 1–3 раза, поскольку использование атмосферного давления переводит управление процессом с теплообмена на массоперенос, что делает кинетику крайне медленной.
Другие исследования показали, что, кроме того, качество продукции не было превосходным при использовании атмосферного давления вместо вакуума, поскольку увеличивался риск разрушения продукта. Чтобы ускорить кинетику сушки, а также улучшить качество, атмосферная сублимационная сушка сочетается с другими методами, такими как сушилки с псевдосжиженным слоем и распылительные сублимационные сушилки. Как указано в обзоре атмосферной сублимационной сушки новые исследования сушки вымораживанием при атмосферном давлении в псевдосжиженном слое изучали процесс, в котором система теплового насоса включена в систему сушки.
Совсем недавно ультразвуковая мощность оказалась эффективным, нетоксичным и экологически чистым способом ускорения процесса атмосферной сублимационной сушки. Повторяющиеся циклы сжатия-расширения, генерируемые ультразвуком, помогают создавать микроканалы в твердом теле для облегчения потока пара и микроперемешивания на границе раздела твердое тело-жидкость, уменьшая внешнее сопротивление массообмену. Кроме того, дополнительное применение мягкого нагревательного эффекта повысило интерес к атмосферной сублимационной сушке термически чувствительных продуктов с помощью ультразвука.
Подборку научных публикаций за последние 15 лет в области атмосферной сублимационной сушки продуктов растительного происхождения можно найти в дополнительных материалах, где подробно описаны их основные цели и выводы. Большинство этих статей посвящено усовершенствованию процесса атмосферной сублимационной сушки за счет использования теплового насоса для повышения экономичности или качества конечного продукта, а также за счет использования носика и псевдосжиженного слоя с погружными адсорбентами и без них, распыления распылением, настройки температурных программ и применение ультразвука в качестве стратегии сушки для ускорения атмосферной сублимационной сушки.
Теоретическое математическое моделирование представляет собой интересную стратегию для понимания процесса атмосферной сублимационной сушки и его моделирования в различных условиях для решения конкретных проблем атмосферной сублимационной сушки на прочной основе. В заключение, было удивительно видеть, что в некоторых опубликованных работах мало внимания уделялось проверке того, что на протяжении всего процесса при атмосферном давлении происходила реальная сублимационная сушка, а не сушка на воздухе замороженного продукта. Обязательное непрерывное определение и контроль технологической влажности следует включить в будущие исследования атмосферной сублимационной сушки.
Выводы
Сублимационная сушка широко используется для обезвоживания продуктов растительного происхождения, включая фрукты, овощи, специи и даже некоторые нетрадиционные продукты. Несмотря на длительное время обработки и дорогостоящий метод сушки, он предпочтителен из-за высокого конечного качества. Хотя после лиофилизации можно обнаружить некоторые потери витаминов и других ценных биосоединений, этот метод обезвоживания лучше всего сохраняет питательные качества по сравнению с другими методами обезвоживания, особенно при использовании в вакууме. Кроме того, такие параметры качества, как регидратация и пористость сублимированных продуктов, благоприятны для производства различных пищевых продуктов, таких как супы, растворимые напитки, торты и т. д. В последнее время интенсификация процесса сублимационной сушки с помощью инновационных технологий или предварительной обработки позволяет преодолеть некоторые из проблем обработки этим методом.