Сублимационная сушка — это метод низкотемпературной обработки, позволяющий сохранить пищевые материалы. Процесс сублимационной сушки был начат во время Второй мировой войны для сохранения продуктов. В дальнейшем этот метод применяется для коммерческой переработки пищевых продуктов. Первым сублимированным продуктом является кофе, но теперь овощи, фрукты, мясо, рыба, молочные продукты можно успешно сушить сублимацией. Хотя технология сублимационной сушки широко используется в пищевой промышленности, в последнее время она также находит широкое применение в технологии эмульсий и микрокапсулирования. Процесс ротационной сушки также используется в пищевой промышленности для отборных пищевых материалов.
После прочтения статьи вы сможете:
1. Объяснить принцип, работу и применение сублимационной и ротационной сушилок.
2. Интерпретировать эффект обработки и сохранения пищевых продуктов в процессе замораживания и ротационной сушки.
Сохранение продуктов питания достигается путем их сушки при низкой температуре, называемой сублимационной сушкой. Сублимационная сушка занимает замечательное место в наших многочисленных передовых технологиях, особенно в области пищевой промышленности. Особенностью процесса сублимационной сушки является сохранение клеточной структуры, размера и формы продукта. Удаление влаги предотвращает образование продукта. от ухудшения при комнатной температуре. Высушенный продукт будет того же размера и формы, что и исходный замороженный материал, и будет иметь превосходную стабильность и его будет удобно разводить водой. Лиофилизированные продукты сохраняют питательные вещества, цвет, вкус и текстуру, часто неотличимые от исходного продукта. Лиофилизированные продукты упаковываются в подходящий упаковочный материал для хранения до 25 лет при температуре окружающей среды.
Принцип сублимационной сушки
Замораживание – это единичная операция, при которой температура пищевого продукта снижается ниже точки замерзания, а часть воды подвергается изменению состояния с образованием кристаллов льда. Кристаллы льда удаляются сублимацией, называемой сублимационной сушкой. Когда замороженная жидкость подвергается фазовому переходу из твердой фазы в паровую, происходит сублимация. Сушка достигается путем воздействия на пищевой материал температуры и давления ниже тройной точки. Основные факторы, определяющие фазу, в которой находится вещество, зависят от температуры и давления. Это многоэтапный процесс, и очевидно, что каждый шаг имеет решающее значение.
Фазовая диаграмма
Температура и давление, при которых твердая, жидкая и паровая фазы чистого вещества (воды) могут сосуществовать в равновесии, называются тройной точкой D, и это изображает фазовую диаграмму, где происходит сушка горячим воздухом в газе и жидкости. На фазе вакуумная сушка происходит при пониженном давлении в газовой и жидкой фазе, а сублимационная сушка происходит в твердой и газовой фазах путем сублимации.
Компоненты сублимационной сушилки
1. Сушильная камера
2. Нагревательные полки
3. Вакуумный насос
4. Конденсатор
Сушильная камера сублимационной сушилки представляет собой теплоизолированный резервуар для размещения сушильных полок. Нагреватели предусмотрены для обеспечения достаточной температуры для процесса сублимации. Вакуумный насос удаляет все неконденсирующиеся пары для достижения максимального вакуума. В коммерческих целях используются сушилки кондуктивного и радиационного типа. Для большинства коммерческих сублимационных сушилок в качестве температуры конденсатора используется -65°C. Конденсатор собирает водяной пар, выделяемый продуктом.
Кофе – распространенный напиток, производимый по технологии сублимационной сушки. Жидкие продукты, мелкие фрукты и овощи, зеленый перец являются очень подходящим пищевым материалом для сублимационной сушки. Пищевой материал не должен быть загрязнен, а для некоторых продуктов требуется предварительная обработка. Например, перед лиофилизацией бланширование является обязательной предварительной обработкой для инактивации фермента, присутствующего в пищевых материалах. Бланширование пищевых материалов, таких как картофель и перец, необходимо для предотвращения ферментативного потемнения и изменения цвета.
Процесс сублимационной сушки включает в себя следующие операции:
1. Замораживание пищевых продуктов.
2. Фаза сублимации или первичная сушка.
3. Фаза десорбции или вторичная сушка.
Замораживание пищевых продуктов
Почти все пищевые материалы состоят в основном из воды, которую необходимо удалить для сохранения материалов. Поскольку сублимационная сушка представляет собой изменение состояния твердой фазы в газообразную, материал, подлежащий сублимационной сушке, сначала должен быть соответствующим образом предварительно заморожен. Во время замораживания пищевой материал затвердевает при низких температурах. Когда водная суспензия охлаждается, происходят изменения в концентрациях растворенных веществ в матрице продукта, и по мере охлаждения вода отделяется от растворенных веществ, превращаясь в лед, создавая более концентрированные области растворенного вещества. Этот процесс представляет собой кристаллизацию льда в пищевых материалах с последовательными процессами зарождения и роста.
Эти процессы играют центральную роль в влиянии различных скоростей замораживания и последующем влиянии на качество пищевых продуктов. Все пищевые материалы замерзают, когда их температура падает ниже точки замерзания и скрытая теплота (т. е. тепло, необходимое во время фазового перехода во время образования кристаллов) удаляется. Это также известно как степень переохлаждения. Чем сильнее переохлаждение, тем больше образуется ядер. Наибольшее количество ядер находится во внеклеточном пространстве, и они образуются внутри клетки только тогда, когда скорость теплоотвода выше. Как только зародыши образовались, они начали расти за счет накопления молекул на границе раздела твердое тело/жидкость. Однако способ их роста зависит от микрогеометрии и распределения температуры перед фронтом замерзания.
Фаза сублимации или первичная сушка.
Замороженные продукты помещают в сушильную камеру, где давление в камере снижается, чтобы инициировать процесс сублимации на стадии первичной сушки. Сушка происходит постепенно от поверхности к центру изделий. Каналы, образованные сублимационным льдом, между путями выхода пара. Граница между высушивающим слоем и замороженным слоем известна как граница сублимации. Температура границы раздела сублимации является критическим параметром, который необходимо контролировать в процессе первичной сушки. В замороженном слое пары воды, выделяемые замороженными кристаллами льда в продукте при сублимации, и незамерзшая вода, находящаяся в высушенном слое, диффузионно перемещаются через поры в высушенном слое и попадают на сушку. камера. Отсутствие замерзшего слоя означает окончание процесса первичной сушки и на этом этапе удаляется 90% влаги.
Вторичная сушка
Вторичная сушка включает в себя удаление незамерзшей воды. Процессы вторичной сушки начинаются сразу после процесса первичной сушки. Вода, связанная с пищевым материалом, удаляется путем нагревания в условиях вакуума на стадии вторичной сушки. В основном к изделию применяется кондуктивный, конвекционный и радиационный режимы теплопередачи. Обычно используются следующие температуры продукта:
1. от 10 до 35°C для термочувствительного продукта;
2. 50 или выше для менее термочувствительных материалов.
В конце этапа вторичной сушки двумя критическими факторами, влияющими на срок хранения продукции, являются:
1. Остаточная влажность высушенного материала.
2. Температура, при которой высушенный материал хранится при хранении.
В начале вторичной сушки содержание воды снижается быстро, а скорость сушки увеличивается с увеличением удельной поверхности продукта. В процессе сублимационной сушки происходит передача тепла. Фронт сублимации через замороженный слой и высушенный слой. Скорость замораживания является одним из факторов, влияющих на конфигурацию кристаллов льда и, следовательно, на конечную пористую структуру лиофилизированного продукта. В процессе первичной сушки поддержание низкой температуры уменьшит потери аромата.
Типы лиофильных сушилок
В зависимости от материалов, подлежащих сушке, используются различные типы сушилок. Сушилки подразделяются на
1. Пилотная сублимационная сушка.
2. Промышленная сублимационная сушка
а. Многопартийные сублимационные сушилки
b. Сублимационные сушилки непрерывного действия
c. Туннельные сублимационные сушилки
d. Вакуумные распылительные сублимационные сушилки
Пилотная сублимационная сушка
Пилотные сублимационные сушилки в основном используются в пищевых лабораториях и фармацевтической промышленности. Поскольку они используются для изучения возможностей сохранения биологических материалов, они пользуются большим спросом. Сублимационная сушилка этого типа позволяет сушить материалы партиями от 2 до 20 кг замороженного продукта.
Промышленные сублимационные сушилки
Для промышленного применения требуется сушилка большой производительности с непрерывным производством. Следующие промышленные сублимационные сушилки используются в пищевой промышленности.
a. Сублимационные сушилки периодического действия.
В сушилках периодического типа использование ресурсов минимально. Чтобы увеличить использование имеющихся ресурсов, вводятся многокамерные сублимационные сушилки с несколькими шкафами периодического действия. В сушилках этого типа одновременно сушатся разные виды продуктов, и это практикуется в большинстве отраслей промышленности для сушки пищевых материалов.
б. Сублимационные сушилки непрерывного действия.
Чтобы преодолеть недостатки лиофилизаторов периодического действия, используются несколько лиофилизаторов. Сушилки непрерывного типа экономичны с точки зрения трудозатрат, большой производительности и обеспечения равномерной сушки.
Доступны два типа многоступенчатых лиофильных сушилок.
1. Статический или лотковый, в котором сублимированные продукты неподвижно лежат на лотках.
2. Динамическая или безлотковая сушилка, в которой продукт перемещается ленточными конвейерами. Основным недостатком этого непрерывного метода является то, что оборудование огромно, сложно и сложно в изготовлении.
в. Сублимационные сушилки туннельного типа Сублимационная сушилка туннельного типа состоит из большого вакуумного шкафа, в который с одного конца загружаются тележки с лотками. Конец является разгрузочным, куда выгружаются сушеные продукты. Вакуумные затворы закреплены на каждом конце сушилки. Для нагрева пластин используется пар низкого давления. В сушилках этого типа невозможно одновременно сушить разные виды пищевых материалов. Творог и кофе — лучшие примеры такого метода сушки.
д. Сублимационные сушилки с вакуумным распылением
Этот тип сушилок специально разработан для жидких продуктов, таких как кофе и молоко. Жидкости распыляются в верхней части цилиндрической вакуумной башни под очень низким давлением. Жидкий продукт с предварительной концентрацией 30% распыляется в верхней части сушильной камеры. Капли замерзают в вакуумной камере до очень мелких частиц размером около 150 микрометров и собираются на дне сушилки.
Применение сублимационной сушки
Пищевые продукты, подвергнутые сублимационной сушке, имеют превосходную сохранность и высокую пищевую ценность при соответствующей упаковке. В лиофилизированном продукте не происходит затвердевания; меньшая усадка, следовательно, текстура продукта сохраняется.
Кофейные продукты
Кофе, сваренный из молотых зерен, предварительно концентрируется путем выпаривания и сразу же высушивается вымораживанием, чтобы предотвратить образование крупных кристаллов льда. Затем применяется тепло для процесса сублимации и дальнейшей сушки. Захваченный пар повторно смешивают с сублимированным кофе для улучшения вкуса.
Фрукты и овощи
Большинство фруктов и овощей подходят для сублимационной сушки. Например, клубнику следует нарезать ломтиками, затем загрузить прямо в лотки и высушить при температуре 50°C. Возможное время сушки составляет 2 часа. Для сублимационной сушки предпочтительны белые сорта грибов, а пигментированные сорта имеют тенденцию к большей усадке. Перед загрузкой в лотки их следует очистить, нарезать ломтиками и бланшировать. При температуре плиты 82°C возможно время высыхания 3 часа.
Креветки
Для сублимационной сушки розовые сорта креветок предпочтительнее коричневых. После варки в течение 3 мин креветки помещают в сушильную камеру на лотках между плитами. Наилучшие результаты достигаются при температуре 52°C, что обеспечивает время сушки 10 часов. Более высокие температуры сушки дают продукт, который высыхает за 8 часов, но регидратируется хуже. При более высокой температуре качество продукта значительно ниже. Предварительно приготовленные стейки лосося толщиной 13 мм высыхают примерно за 9 часов при температуре 100°С.
Яйцо
Жидкое яйцо смешивают со стабилизаторами до получения густой сметаны. Затем смесь засыпают в лотки на глубину 10 мм и температуру продукта снижают до -25°С. При достижении этой температуры охлаждение прекращается. Вакуумирование продолжается до уровня менее 0,07 кПа. Затем плиты нагреваются. Полная сушка занимает порядка 9-10 часов и яйцо остается в лотках в виде кристаллического пористого кека. Яйцо измельчают, затем просеивают до порошкообразного состояния и упаковывают в мешки.
Упаковка сублимированных пищевых продуктов
Лиофилизированные пищевые материалы следует упаковывать в герметичные контейнеры, чтобы предотвратить диффузию влаги и кислорода. Для массовой упаковки используются пакеты из ламинированной фольги, металлические и пластиковые банки. Вакуумная упаковка и упаковка с инертным газом также применимы для сублимированных пищевых продуктов для предотвращения окисления и порчи пищевых продуктов.
Ограничения лиофилизированных продуктов
1. Дороговизна из-за специального оборудования.
2. Требуется больше места для хранения.
3. Более хрупкий из-за своей пористой природы.
4. Подходит только для некоторых пищевых материалов.
Ротационные сушилки
Роторная сушилка – это еще один тип вторичной сушилки, часто используемый в качестве финишной обработки гранулированных продуктов. Внутренняя часть барабана снабжена лопастями по внутренней окружности, предназначенными для поворота продукта при его прохождении от подающего конца, при этом продукт перемешивается лопастями и медленно перемещается по спирали внутри барабана.
Принцип
Ротационные сушилки обычно используются для сушки влажных гранул или зерен, не имеющих склонности к слипанию. Это сушилка непрерывного действия, состоящая из вращающегося горизонтального цилиндрического барабана, слегка наклоненного к выпускному отверстию. Влажный материал подается с верхнего конца, а сухой материал выгружается с другого конца. Цилиндрический барабан содержит подъемные лопасти. По мере вращения барабана лопасти поднимают материал вверх, откуда он падает вниз. Горячий воздух течет по нижнему концу вверх, тогда как материал течет в противоположном направлении от верхней стороны к нижней стороне. Таким образом, материал нагревается при прямом контакте с горячим воздухом за счет конвективного нагрева. В некоторых устройствах горячий воздух также проходит через барабан. При таком расположении барабан также нагревается и обеспечивает теплопроводность твердых частиц, когда они контактируют с цилиндрическим барабаном; конвективное тепло также обеспечивается, когда твердые частицы падают вниз.
Конструкция и работа
Ротационная сушилка представляет собой длинный вращающийся цилиндр, имеющий наклон, при котором подающий конец слегка приподнят, а разгрузочный конец опущен, чтобы облегчить транспортировку продукта во время процесса сушки. Материал с высокой влажностью подается в загрузочный бункер через конвейер или элеватор, затем корм поступает в подающую трубу, наклон которой превышает естественный наклон материалов, так что подаваемый материал может плавно поступать в ротационную сушилку. Цилиндр имеет внутренние лопасти или каскады, направляющие движение продукта и обеспечивающие хорошее перемешивание и быструю сушку.
Обычно твердые частицы выгружаются на выходе через шнековый конвейер. Барабан сушилки вращается на опорных роликах барабана. Горячий воздух может дуть со стороны нагнетания. В некоторых устройствах горячий воздух всасывается с верхнего конца, здесь вся сушилка поддерживается под небольшим вакуумом. Такое расположение помогает материалу не пылить и, следовательно, более полезно для тех материалов, которые имеют тенденцию пылить. Температура воздуха обычно составляет 120–1750°C, а скорость воздуха составляет 2000–25 000 кг/м2 ч для крупных частиц. В целом в зависимости от свойств пищевых материалов предпочтительными являются два типа подачи воздуха и схемы подачи: одновременные и встречные.
Перемешивание пищевых продуктов и большая площадь продуктов, подвергающихся воздействию воздуха, обеспечивают высокую скорость сушки и однородность высушенного продукта. Этот метод особенно подходит для продуктов, которые имеют тенденцию слипаться или слипаться в ленточных или лотковых сушилках. Однако повреждения, вызванные ударами и истиранием сушилки, ограничивают этот метод относительно небольшим количеством продуктов, таких как кристаллы сахара и какао-бобы.
Характеристики ротационных сушилок
• Применяются для высоковлажных и сыпучих материалов.
• Максимально высокие температуры сушки.
• Также применимы сушка и охлаждение.
• Высокая термическая эффективность.
Эти сушилки не особенно эффективны в качестве сушильной среды для крупных частиц, поскольку опрокидывающее действие имеет тенденцию искажать форму нареза, а время пребывания в барабане обычно недостаточно, чтобы повлиять на сколько-нибудь значительную степень испарения.
Резюме
1. Сублимационная сушка — это метод низкотемпературной обработки пищевых продуктов путем сублимации и наиболее успешный метод сохранения пищевых материалов.
2. Предварительно замороженные пищевые материалы подвергаются первичной и вторичной сушке в условиях вакуума для получения лиофилизированных пищевых материалов.
3. В зависимости от продуктов, для получения качественных продуктов доступны многие типы лиофилизированных сушилок, а с подходящими упаковочными материалами сублимированные продукты хранятся. на более длительный период времени с хорошей лежкостью.
4. Сублимационные сушилки идеально подходят для кофе, фруктов и овощей, рыбы и яиц.
5. Сохранение при низких температурах обеспечивает качество пищевых материалов, а продукты сублимационной сушки сохраняют форму, цвет и практически все пищевые качества.
6. Роторные сушилки отлично подходят для гранулированного пищевого материала, который требует надлежащего перемешивания во время сушки.
7. Ротационные сушилки применимы для непрерывного процесса и продуктов с большей производительностью.
8. Ротационные сушилки не подходят для липких и чувствительных материалов, таких как кристаллы сахара и скоропортящиеся продукты.