Сублимационная сушка является важной технологической операцией в пищевой промышленности и производстве консервированной продукции. Метод предлагает обезвоженную продукцию с увеличенным сроком хранения и высоким качеством. Метод сублимационной сушки, часто называемый лиофилизацией или вакуумной сушкой, представляет собой процесс, включающий плавление кристаллов льда с целью удаления воды из замороженных материалов. По сравнению с продуктами, высушенными традиционными методами, продукты более высокого качества могут быть произведены с использованием автоматического поддержания правильных параметров процесса сублимационной сушки.
Различные пищевые продукты, в том числе мясо, кофе, соки, молочные продукты, тыква, клубника, гуава, специи, помидоры и т. д., успешно подвергаются сублимационной сушке. В этой статье мы обсуждаем влияние процесса сублимационной сушки на показатели качества пищевых продуктов, такие как структурные изменения, влияние стеклования во время обработки и хранения пищевых продуктов, морфологические изменения в процессе сушки в результате температуры и времени сушки. Также здесь дан обзор принципов автоматизации процедур сублимационной сушки, деталей сублимационной сушки и того, как обстоятельства сублимационной сушки влияют на физические свойства конкретных пищевых продуктов.
В настоящее время спрос потребителей на качественные, минимально обработанные продукты растет вместе с рынком «натуральных» и «органических» продуктов питания. Эта точка зрения предполагает, что сектор сублимированных обработанных пищевых продуктов растет и диверсифицируется.
Введение
Сушка — один из жизненно важных и широко известных методов консервации пищевых продуктов. Существует множество технологий искусственной сушки. Бактерии, вызывающие порчу и разложение продуктов питания, не могут расти и размножаться при отсутствии достаточного количества воды. Вода необходима для большинства ферментов, способствующих нежелательным изменениям химического состава пищи.
Процесс сушки представляет собой явление тепломассопереноса. Влага перемещается из продукта на поверхность, где диффундирует и испаряется. Различное сушильное пищевое оборудование использует разные процедуры сушки. Однако все методы направлены на достижение более длительного хранения за счет снижения активности воды в пищевых продуктах, что может замедлить скорость порчи, увеличить срок хранения и сохранить их качество.
Сушка пищевых продуктов выгодна тем, что продлевает срок хранения различных пищевых продуктов, минимизирует затраты на упаковку, хранение и транспортировку. Традиционным методом сушки продуктов питания в большинстве слаборазвитых стран является сушка на солнце. Однако такие технологии, как сублимационная сушка, вакуумная сушка, сушка горячим воздухом и распылительная сушка, могут улучшить эту процедуру.
Сушка вымораживанием, также известная как лиофилизация, представляет собой метод удаления воды из замороженного пищевого продукта и помещения его в вакуум, позволяющий льду напрямую превращаться из твердого состояния в пар, не проходя через жидкую фазу. Лиофилизация далее определяется как процесс сушки, при котором кристаллизация растворителя (часто воды) или суспензионной среды происходит при низкой температуре, а затем сублимируется из твердого состояния непосредственно в паровую фазу.
Способность метода сохранять мягкую текстуру сушеных продуктов, особенно тех, которые потребляются в сушеном виде, например, сушеные яблоки, а также способность предотвращать сжатие являются причинами такого широкого признания сублимационной сушки. Он включает в себя замораживание всей доступной влаги, уменьшение разрушения под действием низких температур, сохранение качества и сохранение прочной структуры. Таким образом, во время процедур сублимационной сушки на скорость теплопередачи влияют тепловые свойства пищевых продуктов, такие как удельная теплоемкость и теплопроводность. Термические свойства продуктов питания учитываются при проектировании оборудования для хранения и охлаждения продуктов, а также при оценке времени обработки для охлаждения, замораживания, нагревания или сушки.
Принцип сублимационной сушки
Основная идея сублимационной сушки заключается в том, что используется процесс, известный как сублимация, при котором вода переходит прямо из твердого состояния (льда) в парообразное состояние. Замораживание — это процесс, при котором внутренняя температура пищевых продуктов снижается ниже точки замерзания, а часть содержания влаги изменяется с образованием кристаллов льда. Сублимационная сушка — это процесс сублимации кристаллов льда. Фазовая сублимация происходит, когда замороженная жидкость претерпевает фазовый переход из твердого состояния в пар. Пищевые продукты высушиваются под воздействием температуры и давления ниже тройной точки. Температура и давление являются основными факторами, определяющими фазу, в которой находится материал.
Эта процедура состоит из нескольких этапов и каждый из них принципиально важен. Температура и давление, при которых твердая, жидкая и паровая фазы чистого вещества (воды) могут сосуществовать в равновесии, называются тройной точкой. Это изображено на фазовой диаграмме, где сушка горячим воздухом происходит в газовой и жидкой фазе, вакуумная сушка происходит при пониженном давлении в газовой и жидкой фазе, а сублимационная сушка происходит в твердой и газовой фазах путем сублимации.
Процессы сублимационной сушки
Предварительное замораживание, первичная сушка и вторичная сушка — это три этапа, составляющие процесс сублимационной сушки.
Предварительное замораживание
Предварительное замораживание — это начальный этап разделения в процессе сублимационной сушки, который замораживает пищевые ингредиенты. На размер и формирование кристаллов льда влияет скорость замерзания. Медленная скорость замораживания приводит к образованию более крупных кристаллов, и наоборот. В результате размер кристаллов влияет на скорость высыхания. Более крупные кристаллы льда легче сублимировать и поэтому это ускоряет первичное высыхание.
Стадия первичной сушки или сублимации
Отметим, что стадия первичной сушки, также известная как стадия сублимации, влечет за собой применение вакуума и повышение температуры камеры для инициации сублимации так, чтобы температура продукта была на 2 – 30 градусов Цельсия ниже температуры разрушения. Температура разрушения — это точка, выше которой продукт рискует потерять свою макроскопическую структуру во время процесса сублимационной сушки. Для измерения температуры разрушения можно использовать сублимационный микроскоп, хотя в качестве альтернативы ее можно определить по температуре стеклования.
Следует отметить, что температура разрушения может находиться в диапазоне от 20 до 200 градусов Цельсия выше температуры стеклования, что в основном зависит от состава образца. Однако чрезвычайно осторожные оценки температуры разрушения могут просто привести к значительно более длительному процессу лиофилизации. В результате их следует использовать только в крайних обстоятельствах, когда сублимационная сушка образца проблематична. На каждом этапе процесса сублимационной сушки видно, что при первичной сушке температура продукта должна быть ниже температуры разрушения.
Стадия вторичной сушки или абсорбции
Вторичная сушка, медленная часть процесса сублимационной сушки, которая может занять как минимум на 30% больше времени, чем завершение сублимации, начинается в то время, когда сублимация еще продолжается. Эту заключительную стадию можно проводить при более высокой температуре в камере, но ниже температуры стеклования сухих материалов, чтобы более эффективно удалить оставшуюся незамерзшую или связанную воду путем десорбции. Трудно определить начало фазы вторичной сушки или завершение первичной сушки. До завершения процесса первичной сушки при повышении температуры продукт может разрушиться, что может ухудшить его конечное качество.
Компоненты сублимационной сушилки
Сублимационные сушилки обычно состоят из четырех основных частей: сушильной камеры, вакуумного насоса, источника тепла и конденсатора.
Сушильная камера
Хотя процесс замораживания можно инициировать внутри камер в качестве первого шага, система должна иметь систему замораживания. В сушильной камере хранится замороженный продукт. Учитывая, что операции нагрева и охлаждения происходят внутри камеры, камера должна быть вакуумонепроницаемой, а полки внутри должны поддерживать определенную температуру.
Вакуумный насос
Для достижения желаемого уровня вакуума, который не превышает 0,61 кПа (4,58 мм рт. ст. или 0,006 атм), неконденсирующиеся газы необходимо удалить из камеры с помощью вакуумного насоса.
Источники тепла
Температура стеклования и содержание влаги в пище – два основных фактора, определяющих температуру источника тепла, которая может находиться в диапазоне от 243,15 К до 423,15 К (от – 30 до 150°С).
Конденсатор
Задача конденсатора — собирать водяной пар, выделяющийся при таянии льда внутри продукта. Он должен иметь достаточную площадь поверхности и мощность охлаждения, чтобы полностью конденсировать весь пар, образующийся в процессе сублимации. Когда водяной пар соприкасается с поверхностью конденсатора, он превращается в кристаллы льда, которые выделяют энергию перед выводом из системы.
Сублимационная сушка пищевых продуктов
Лиофилизация — это промышленный метод, который включает обезвоживание молекул пищи путем сублимации замороженного льда. Поскольку он работает при низких температурах и в высоком вакууме, его рекомендуется использовать для сушки пищевых продуктов, содержащих химические вещества, чувствительные к температуре и склонные к окислению. Метод использовали в различных продуктах питания, включая клубнику, яблоки, помидоры, картофель, спаржу и тыкву. Однако к его недостаткам можно отнести неизбежную усадку и разрушение, которые могут произойти в процессе сушки, если все сделано неправильно.
За последние три десятилетия сублимационная сушка стала предметом обширных исследований. Благодаря недавним предположениям о том, что качество продукции остается хорошим при низкой температуре, уменьшается количество травм, причиняемых ответственным пищевым продуктам, которые могли бы возникнуть при сушке при высокой температуре или температуре окружающей среды. Благодаря одобрению органов по стандартизации пищевых продуктов, сублимационная сушка постепенно становится широко используемой технологией обработки в пищевой промышленности.
Поскольку, как сообщается, лиофилизация сопровождается несколькими сложными взаимодействиями, которые могут оказаться проблемой на разных стадиях обработки, необходимо обратить внимание на возможность применения методов автоматизации при выборе типа методов обработки, которые будут использоваться для конкретного продукта. Следует учитывать, что замерзание, нагревание и массоперенос внутри оборудования также могут происходить в сочетании с химическими и физическими изменениями.
Применение сублимационной сушки
Фрукты и овощи
Овощи являются богатым источником необходимых питательных веществ, необходимых для долгосрочного потребления. Обезвоживание обычно является хорошим методом консервации.
Например, существует несколько способов использования сублимированной тыквы при производстве готовых пищевых продуктов, таких как супы, лапша, хлеб и пирожные. Чтобы описать пищевые и физико-химические характеристики тыквы для вышеупомянутых пищевых применений, несколько авторов исследовали лиофилизацию тыквы. По опытным данным сублимационная сушка снизила содержание влаги в тыкве с 90% до 8%, однако этот смягчающий эффект привел к снижению твердости тыквы с 19,37 Н (свежая) до 1,59 Н (сушеная/регидратированная). Кроме того, изменение цвета (общее изменение цвета, DE = 12) было значительным.
Согласно исследованиям влияния солнца, духовки, вакуумной печи и сублимационной сушки на содержание фенолов, антиоксидантную способность и содержание аскорбиновой кислоты в томатах, содержание фенолов в сублимированных томатах было примерно в два раза выше, чем в томатах, прошедших через другие методы сушки (654,60 мг эквивалента галловой кислоты/100 г дм по сравнению с 314,27–355,79 мг/100 г дм).
Новые промышленные применения метода лиофилизации разрабатываются как результат постоянных инноваций и совершенствования процессов. Это становится жизнеспособным методом обезвоживания материалов, чувствительных к теплу, включая фрукты.
Условия обработки влияют как на продолжительность сублимационной сушки, так и на стандарты качества, используемые для оценки фруктов, подвергнутых сублимационной сушке. Регидратация и текстура фактически являются двумя критериями, которые тесно связаны с конечным использованием лиофилизированного продукта и не могут рассматриваться как абсолютные стандарты.
Обезвоженные фрукты обычно добавляют в такие продукты, как кукурузные хлопья, зерновые батончики, мороженое, кондитерские соусы и т. д. Свежие фрукты с высоким содержанием влаги трудно обезвоживать с помощью обычных процедур сушки, поскольку это приводит к значительным физическим повреждениям, включая разрушение и серьезное сокотечение из-за разрыва кожицы. При различных температурах в камерах для сублимационной сушки (30, 40, 50, 60 и 70) изучались различные показатели качества (кинетика сушки, цвет и изменение объема) нарезанной и целой клубники. После сублимационной сушки при температуре камеры среднее уменьшение объема цельной и нарезанной клубники составило 8% и 2% соответственно. Было показано, что этот уровень усадки не зависит от температуры полки камеры. С другой стороны, было обнаружено, что вероятность разрушения возрастала экспоненциально после того, как температура на полке для сублимационной сушки превысила температуру стеклования сушеной клубники.
Усушка и разрушение плодов часто встречаются во время сушки, в основном при использовании методов сушки на воздухе. Сравнивалось качество гуавы, полученной с помощью сушилок с тепловым насосом, вакуумной сушки и сублимационной сушки. По сравнению с продуктом, полученным с помощью вакуумных и тепловых насосных сушилок, лиофилизированная гуава имела большую пористость, цвет, регидратацию и удержание витамина С. В результате это был наиболее предпочтительный метод. По сравнению с сушилками с тепловым насосом при сублимационной сушке удалось сохранить 63% витамина С.
Дополнительные специальные продукты
Сублимационная сушка использовалась для производства сушеных специальных продуктов, включая кофе, чай и специи. Т. .е метод используют не только для фруктов и овощей. Кофе и чай в настоящее время являются двумя наиболее потребляемыми жидкостями во всем мире. Поскольку сублимационная сушка позволяет сохранить летучие компоненты, ее использовали для производства растворимого чая. Лиофилизированный растворимый чай имел концентрацию летучих компонентов 318,65 нг/г, что было намного выше (в два-пять раз), чем растворимый чай, приготовленный с использованием традиционных методов сушки (от 68,60 до 143,33 нг/г).
В случае с кофе сообщается, что количество фенольных кислот в кофейных зернах после сублимационной сушки увеличилось на 41% по сравнению со свежими зелеными кофейными зернами. Чтобы определить, как методы сублимационной сушки влияют на компоненты запаха и ароматический профиль обжаренных кофейных зерен проводилось исследование. Интересно, что было обнаружено, что основная органическая кислота, хинная кислота, от которой зависит качество кофе, была идентифицирована только в образце, обезвоженном методом сублимационной сушки.
Функциональные качества яичного желтка, лишенного добавок, можно сохранить за счет сублимационной сушки, включающей предварительную кристаллизацию и быстрое замораживание. Сублимированный яичный желток можно производить даже с коммерческими затратами, поскольку быстрая контактная заморозка устраняет необходимость в жидком азоте.
Также были сообщения об использовании сублимационной сушки для обезвоживания специй, таких как имбирь и чеснок. Исследовалось влияние температуры на полках сублимационной сушки на развитие пор чеснока. Обнаружилось, что меньшая открытая пористость возникает в результате сушки чеснока при более высокой температуре на полке камеры. Кроме того, по мере высыхания чеснока его кажущаяся пористость становилась значительно более пористой.
Влияние сублимационной сушки на способность производства аллицина исследовали в 2007 году. Количество аллицина в материале уменьшалось по мере повышения температуры сушки, и материал, высушенный при температуре 20°С, сохранял большую часть своей способности генерировать аллицин. Гингеролы, фенольное содержание, флавоноиды, антиоксидантная активность и некоторые летучие компоненты хорошо сохранялись после сублимационной сушки.
Можно использовать и другие продукты, помимо продуктов питания, такие как цветы, микробы, фармацевтические препараты, медицинское оборудование и косметика, особенно химикаты и пигменты, ферменты и керамические порошки.
Параметры сублимационной сушки
Условия выбора физических свойств материалов. На качество конечного продукта питания могут существенно влиять физико-химические и структурные изменения, происходящие в процессе переработки. Важные проблемы, возникающие при обработке и хранении пищевых продуктов, включают изменение цвета и недостаточную стабильность цвета. Методы обработки влияют на пористость, текстуру, вкус, сохранение питательных веществ и сорбцию компонентов. Физические, химические и питательные характеристики продуктов питания существенно изменяются в процессе сушки. Установлено, что сублимационная сушка менее вредна, чем сушка на воздухе и сушка распылением. В результате лиофилизация считается лучшим методом обезвоживания пищевых продуктов. Для производства сублимированного продукта достаточного качества необходимо регулировать скорость замораживания, уровень температуры, общее давление газа и конечное среднее содержание влаги.
Температура в камере
Многие качественные характеристики пищевых продуктов и других материалов, подвергающихся этому типу обезвоживания, могут сильно зависеть от параметров процесса сублимационной сушки. Одним из факторов, который имеет решающее значение для формирования структуры материала в процессе сублимационной сушки, является температура нагревательной пластины. Использование неподходящей температуры во время процедуры может привести к непреднамеренным изменениям в структуре материала. Чрезмерное разрушение структуры во время вторичной сушки может снизить скорость сублимационной сушки и ухудшить многие характеристики продукта, такие как текстура, пористость, объем, форма, липкость, способность к регидратации и стабильность. Параметры процесса сублимационной сушки могут оказывать существенное влияние на ряд качественных характеристик пищевых продуктов и других материалов, подвергаемых этому методу обезвоживания.
Температура нагревательной пластины является одним из элементов, который имеет важное значение для формирования структуры материала в процессе сублимационной сушки. Утверждается, что выполнение операции при неправильной температуре может привести к нежелательным изменениям в структуре материала. Обширное разрушение во время вторичной сушки может снизить скорость сублимационной сушки и ухудшить многие свойства продукта, включая текстуру, пористость, объем, форму, липкость, способность к регидратации и стабильность.
Первичная и вторичная стадии лиофилизации имеют разные механизмы сушки и порообразования, а также стабильности продукта. Самая длительная стадия сушки — сублимация льда, на которую уходит больше энергии, чем на последующую стадию сушки. По этой причине была проделана значительная работа по разработке соответствующих циклов сублимационной сушки, особенно первичной сушки, для различных пищевых продуктов. На начальном этапе лиофилизации растворов гуммиарабика с концентрацией 20–60% использовались различные температуры на полках (–20, –30 и –40). При постоянном давлении в камере 0,1 мбар вторичную сушку проводили при 20°С. Эксперимент показал, что при сушке при температуре полки -30 и -20°С эффект вспучивания был значительным для образца, содержащего 60% гуммиарабика.
Когда первичная сушка происходила при более высоких температурах камеры, пористость лиофилизированного гидроколлоида также была выше. Поскольку эти температуры превышали точку плавления, образец не мог быть достаточно охлажден при -20°C или -30°C. Также отмечается, что увеличение температуры процесса с 40 до 70°С привело к существенному сокращению времени сушки на 37% при сушке гриба Cordyceps militaris.
Хотя материал, высушенный при высоких температурах, может разрушиться и потерять пористую структуру, образовавшуюся в процессе замораживания, скорость сублимации обычно выше при более высоких температурах. Для термочувствительных материалов температура продукта должна быть ограничена диапазоном от 10 до 35°С, а для менее термочувствительных материалов температура может быть выше 50°С, чтобы контролировать стабильность продукта, особенно на этапе вторичной сушки. Более высокие температуры сублимационной сушки на вторичной стадии, которые следует ускорить для процесса сушки, поскольку для удаления излишков воды из материала требуется больше энергии. Однако слишком высокая температура может привести к усадке или таянию льда на сублимационной стадии сушки.
При выборе подходящей температуры на полке камеры следует учитывать баланс между подачей и необходимым теплом. Кроме того, при разработке процесса сублимационной сушки важным фактором является качество конечного продукта.
Например, возможно производить продукт улучшенного качества и с использованием более эффективной процедуры за счет использования более высоких температур во время сублимационной сушки фруктового пюре. Пористость лиофилизированного грейпфрутового пюре незначительно увеличивалась с 0,81 до 0,83 при повышении температуры на полке камеры от комнатной до 40°С. Кроме того, увеличилась средняя площадь поверхности пор. Здесь не только изменилась структура материала, но и он высыхал с меньшим механическим сопротивлением (силой разрушения) при более низкой температуре нагревательной пластины.
Физические характеристики пищевых продуктов включают такие аспекты, как форма, объем, цвет и текстура, которые особенно важны для потребителей. Ключевым критерием оценки качества сублимированного продукта является его пористость. Текстура продуктов питания, особенно их свежесть и хрусткость, в значительной степени зависит от размера и распределения пор в материале. В литературе опубликованы некоторые исследования связи между плотностью, усадкой и пористостью сублимированного продукта и температурой хранения. Для морского ушка, картофеля и коричневых фиников наблюдалась тенденция к уменьшению кажущейся пористости и увеличению кажущейся плотности с повышением температуры на полке в диапазоне от -45 до 15°С. Аналогичная тенденция была показана для сублимированного картофеля, моркови и бананов.
Однако когда температура тарелки повышалась для сублимированных фруктов, таких как яблоки и желтые финики, кажущаяся пористость увеличивалась, и вещество сжималось меньше. Все высушенные продукты не могут быть включены в идею стеклования, которая утверждает, что основные изменения кажущейся пористости (уменьшение порообразования) и коллапс структуры происходят при температуре стеклования или около нее.
Пищевые продукты могут различаться по своей структуре, составу, начальной пористости материалов, разновидности, степени спелости, размеру, форме, предварительной обработке перед сушкой и условиям процесса, что может влиять на механизм образования пор и усадки во время сушки. Некоторые конструкции также могут быть более устойчивыми к разрушению в процессе высыхания. Исследования продемонстрировали, что на конечную пористость и кажущуюся плотность сублимированного чеснока не влияют применяемые температуры хранения -5, -15 и -25°С. Однако исследование показало, что во время сушки при температуре полки -5 пористость постоянно увеличивалась по мере уменьшения содержания воды в материале, тогда как при более низких температурах полки общая тенденция была аналогичной, но наблюдались колебания пористости (падение), когда была достигнута критическая влажность. Влияние температуры на развитие пор в этот момент не наблюдалось, поскольку предполагалось, что в высушенном материале больше нет льда.
Состав и вид материала могут влиять на степень усадки лиофилизированного продукта. Для лиофилизированной цельной клубники при различных температурах в диапазоне от 30 до 70°С усадка материала существенно не различалась при разных температурах хранения 20°С, 40°С и 70°С для яблок (13%) и клубники (8%). Это исследование показало, что, хотя количество разрушившихся плодов увеличивалось с повышением температуры нагрева, величина усадки плодов оставалась независимой от температуры хранения. В случае груш высокая температура хранения (70°С) привела к усадке образца максимум на 12%, однако при более низких температурах этот параметр уменьшался примерно до 6%. Было установлено, что стеклование груши может быть связано со склонностью образца к усадке при высоких температурах лиофилизации.
Из-за наличия воздушных зазоров и пор пористая структура высушенных материалов может влиять на характеристики цвета, особенно на легкость материала. Определение параметров цвета сушеного продукта имеет важное значение, поскольку цвет продукта является одним из основных критериев качества, который учитывают потребители. Непреднамеренное термическое разрушение некоторых полезных химических веществ можно обнаружить по изменению цвета сушеных продуктов. В некоторых работах изучалось влияние температуры на полке на цвет различных предметов. Различные температуры полки (20, 40 и 60°С) использовали для сублимированного пюре из красного перца. За счет увеличения температуры полки в диапазоне от 20 до 60°С время процесса сократилось более чем вдвое. При повышении температуры нагревательной пластины с 30 до 70°С при сушке цельной и размолотой клюквы наблюдалась аналогичная тенденция. Потребовалось примерно на 40 % меньше времени на сушку.
По сравнению со свежим материалом, после сублимационной сушки яркость и желтизна перцового пюре усиливаются. В 20 лет краснота уменьшилась, а в 40 и 60 — усилилась. В целом деградация каротиноидов, вызванная длительным временем сушки перца при 20°С и применением высокой температуры 60°С, привела к снижению интенсивности окраски.
При сублимационной сушке апельсинового пюре не замечалось никаких изменений в освещенности при повышении температуры процесса с 30 до 50°С, но было замечено, что цветность улучшалась при более высоких температурах полки 40 и 50°С, а угол оттенка уменьшался при температурах ниже 50°С. Цветовые вариации яблок, груш и клубники после сублимационной сушки при температуре хранения 20, 40 и 70°С были исследованы в 2003 г. При более низких температурах нагрева 20° и 40°С не было заметных различий в цвете и характеристиках яблок и груш.
В случае клубники за повышение значения цвета по сравнению с сырьем непосредственно ответственен метод сублимационной сушки, а не степень нагрева. На потемнение яблок и груш повлияла более высокая температура. В качестве показателя потенциальных изменений цвета использовалась температура стеклования. Было обнаружено, что клубника имеет наибольшее значение температуры стеклования, тогда как груша имеет самое низкое значение. Было установлено, что при одинаковых условиях сублимационной сушки клубника должна быть менее подвержена выцветанию, чем груша.
Повышение температуры нагревательной полки до 70°С не повлияло на цвет и объём сублимированной клубники. Нагревание вещества до 40°C во время сублимационной сушки грейпфрутового пюре не оказало влияния на цвет готового продукта.
Полуэмпирические модели использовались для характеристики механических свойств пористых пищевых продуктов на основе изменений плотности во время обработки. При оценке качества пищевых продуктов текстура является одним из наиболее важных факторов. В нескольких исследованиях изучалось, как температура на полке влияет на текстуру продуктов, подвергнутых сублимационной сушке. По опытным данным сублимированное апельсиновое пюре, уплотненное в цилиндры, которые вели себя аналогично материалам с более высокой жесткостью при хранении при более высоких температурах на полках. Наклон значений кривой разрушения также коррелировал с сопротивлением образца и увеличением деформации с температурой полки. Прежде чем он сломался, лиофилизированный продукт имел механическую жесткость из-за высокой температуры 50°С. Это была важная характеристика высушенного материала, поскольку она могла быть связана с более высокой механической стойкостью продукта при транспортировке.
Текстуру регидратированной сублимированной клубники оценивали с помощью тестов на проникновение. Было показано, что текстурные характеристики регидратированной клубники не зависят от температуры нагревательной пластины. Было обнаружено, что температура полки 15°С и скорость повышения температуры 1,6/мин или температура полки 45°С и скорость нагревания 0,4/мин вызывают наименьшее ухудшение текстуры лиофилизированной клубники.
Механические свойства сублимированной закуски из мандарина были измерены с помощью теста на прокол. Исследование показало, что текстура значительно изменилась, когда полки были нагреты от комнатной температуры до 40°С. С повышением температуры камеры сила разрушения и площадь под кривой прокола уменьшались, а количество пиков увеличивалось. Несмотря на то, что образец характеризуется как хрустящий продукт с деликатной структурой, образец без интеграции биополимера, лиофилизированный при 40°С, оказался более прочным при хранении с точки зрения механических параметров, чем закуска, приготовленная при более низкой температуре нагрева.
Во время вторичной сушки изучалось влияние температуры хранения на текстуру лиофилизированных драконовых фруктов. Самая низкая твердость и лучшая хрусткость были обнаружены у мякоти в процессе ее сушки. Однако твердость сушеной кожуры заметно не изменилась с повышением температуры, тогда как ее хрусткость изменилась. Отмечается, что содержание воды и активность воды в высушенном материале оказывают существенное влияние на его текстурные характеристики. Хотя было замечено, что многие исследователи не всегда контролируют и управляют значениями содержания воды и активности воды после лиофилизации, несмотря на то, что эти параметры имеют решающее значение для правильной оценки многих других характеристик лиофилизированных продуктов.
Давление в камере
Применение правильных рабочих параметров во время лиофилизации, особенно рабочего давления, может оказать существенное влияние как на ход процесса, так и на качество конечных продуктов.
При различных давлениях (5 и 100 Па) апельсиновое пюре лиофилизировали внутри камеры. На характеристики цвета было замечено значительное влияние давления. Значения светлоты увеличивались при низком давлении, тогда как значения цветности уменьшались. Образцы, высушенные при более высоком рабочем давлении, были темнее и имели более насыщенный цвет.
Плиты папайи были лиофилизированы при трех различных уровнях давления в камере и постоянной температуре полки 20°С. Для образцов, высушенных при рабочем давлении 28 и 77 кПа, все показатели цвета были сопоставимы.
Для сублимированной клубники также отмечается снижение значения насыщенности цвета при более высоком давлении, что сопровождалось значительным сжатием образца.
Чтобы уменьшить усадку образцов фруктов, таких как клубника, приложенное давление во время сублимационной сушки должно быть ниже 50 Па. На кажущуюся плотность, плотность твердого вещества и пористость лиофилизированной папайи рабочее давление не влияло. Образцы, высушенные при наименьшем давлении 9 кПа, показали несколько повышенную пористость.
Микрофотографии показали, что давление, оказываемое во время сублимационной сушки, оказало заметное влияние на изменения поверхности и структурного состава продукта. По сравнению с образцами папайи, высушенными при давлении 9 и 77 кПа, которые имели структуру с плотными сухими слоями и значительными полостями, образцы, полученные при 28 кПа, характеризовались менее разрушенной, более однородной и пористой структурой. Кроме того обнаружилось, что лиофилизированная клубника, грибы и картофель имеют повышенную пористость и большее количество больших отверстий при использовании более низкого рабочего давления. Объемная плотность этих лиофилизированных материалов падала по мере уменьшения приложенного давления (с 1,5 до 0,06 мбар).
На процесс сублимации, особенно на температуру сублимации льда, сильно влияет давление. Лед сублимируется, оставляя после себя поры и пустоты с различными свойствами. Таким образом, регулируя настройки сублимационной сушки, можно достичь желаемой пористости, плотности и предельного содержания воды. Текстуру высушенных продуктов можно описать структурными характеристиками, такими как плотность и пористость.
Кроме того, можно адаптировать процесс сушки и влиять на множество различных аспектов, таких как текстурные характеристики блюд, контролируя формирование и распределение пор в предметах во время сушки. Хотя эффект был статистически значимым, различное рабочее давление очень незначительно влияло на силу разрушения сушеного апельсинового пюре.
По мнению специалистов, более низкое технологическое давление может привести к получению сухого продукта с более устойчивой к разрушению текстурой. Более низкое давление приводило к уменьшению проникающей силы. Разрушение структуры во время сублимационной сушки было причиной увеличения силы, наблюдаемой для образцов киви, полученных при более высоком давлении. Без нагрева камеры операция была завершена. Образцы разрушались в результате повышения давления, что также повышало температуру, при которой происходит сублимационная сушка.
Скорость замерзания
Еще одним важным этапом производства сублимированной продукции является замораживание сырья перед процедурой сублимации. Скорость замерзания влияет на структуру как высушенных, так и замороженных продуктов. Подобные средние значения можно найти в цветовых свойствах лиофилизированного апельсинового пюре, которое было заморожено как при низкой скорости (-45 в обычной морозильной камере), так и при высокой скорости (-38 в камере шоковой заморозки). Скорость замерзания также не оказала существенного влияния на текстуру.
На консистенцию и цветовые показатели лиофилизированных образцов моркови не повлияло ни постепенное, ни быстрое замораживание. Однако усадка лиофилизированных образцов моркови снизилась с 3,2% до 2,2% при использовании быстрого замораживания в жидком азоте вместо постепенного замораживания.
Исходная структура и состав материалов могут влиять на качество сублимированных продуктов. Текстура, уровень спелости и влажность растительной ткани оказывают существенное влияние на процесс сублимационной сушки. Другие факторы, которые могут влиять на скорость сублимационной сушки, включают плотность загрузки, высоту слоя продукта, поверхность продукта и емкость конденсатора. Образцы яблок подвергали сублимационной сушке после охлаждения до -25°С с различными скоростями 0,5, 2 и 3 об/мин. Сравнение медленного замораживания с самой быстрой скоростью замораживания привело к сокращению времени сушки на 8,3%. Клеточная стенка была повреждена в результате отсроченного замораживания, что способствовало удалению влаги. Текстура яблок смягчилась, а их способность к регидратации увеличилась в результате снижения скорости охлаждения.
Хранение сублимированных продуктов
Хотя высокая пористость высушенных материалов отрицательно влияет на стабильность при хранении, время, температура и давление считаются наиболее важными параметрами в процессе сублимационной сушки. Если эти параметры четко определены, они действительно могут повлиять на качество конечного продукта. Поэтому хранить сублимированные изделия необходимо в герметичной таре.
Пищевые продукты, подвергнутые сублимационной сушке, необходимо упаковывать в герметичные контейнеры, чтобы предотвратить утечку кислорода и влаги. Для массовой упаковки используются пакеты из ламинированной фольги, металлические и пластиковые банки. Для сублимированных пищевых продуктов также подходят вакуумная упаковка и упаковка инертным газом, чтобы предотвратить окисление и порчу пищевых продуктов.
Преимущества и недостатки сублимированных продуктов
Основными преимуществами сублимационной сушки перед другими традиционными методами консервирования пищевых продуктов (такими как традиционная сушка и др.) являются следующие: сохранение морфологических, биохимических и иммунологических свойств, высокий уровень жизнеспособности и активности, более низкие температуры и условия сдвига, чем при других методах сушки, высокая степень восстановления летучих веществ, сохранение структуры, площади поверхности и стехиометрических соотношений, высокая урожайность и длительный срок хранения.
Оборудование для сублимационной сушки достаточно дорогое и может оказаться нерентабельным для некоторых продуктов. Оборудование для сублимационной сушки продуктов достаточно габаритное, так как требует много места и работает в течение длительного периода времени. Не все продукты можно подвергать сублимационной сушке, а в некоторые продукты могут потребоваться добавки. По сравнению с лиофилизацией консервирование или традиционная сушка более экономичны.
Выводы
Особый метод сушки, называемый сублимационной сушкой, позволяет производить сушеные продукты с характеристиками, уникальными для сырья. Обычно его используют для обезвоживания самых разных продуктов, включая фрукты, овощи, специи и даже некоторые специфические продукты. При использовании сублимационной сушки для безопасного хранения широкого спектра термочувствительных предметов требуются высочайшие стандарты контроля и надежности. По сравнению с другими методами обезвоживания, лиофилизация лучше всего сохраняет питательные свойства, даже несмотря на то, что могут наблюдаться некоторые потери витаминов и других ценных биосоединений. Особенно это актуально, когда процесс проводится в вакууме.
Сублимационная сушка стоит относительно дорого, поэтому его использование в пищевой промышленности до сих пор не очень широко распространено. Чтобы уменьшить количество времени и энергии, необходимых для этого процесса, необходимо провести дальнейшие исследования в области снижения высоких энергозатрат, предварительной обработки сырья и инноваций в оборудовании. Это связано с тем, что сокращение времени и энергии, необходимых для сублимационной сушки, снизит производственные затраты и повысит ее широкое использование в пищевой промышленности.