Сушка вымораживанием, также известная как лиофилизация, представляет собой процесс, при котором вода в виде льда под низким давлением удаляется из материала путем сублимации. Этот процесс нашел множество применений для производства высококачественных продуктов питания и фармацевтических препаратов. В этой статье описаны основные этапы процесса сублимационной сушки, такие как замораживание продукта, а также первичная и вторичная сушка. Также анализируются проблемы и механизмы каждого этапа процесса сублимационной сушки. Охарактеризованы методы, необходимые для выбора первичного и вторичного конечных процессов. Обзор содержит описание влияния технологических условий и избранных физических свойств лиофилизированных материалов, таких как структурные свойства (усадка и плотность, пористость), цвет и текстура. Исследование показывает, что механическим свойствам и текстуре лиофилизированных материалов, полученных в различных условиях процесса лиофилизации, уделяется мало внимания.
Введение
Сублимационная сушка представляет собой технологический процесс, параметры и другие условия его проведения часто задаются так, чтобы время его проведения было как можно короче. Установка параметров для ускорения процесса может привести к ухудшению свойств продукта. Например, повышение температуры на полке может привести к размораживанию продукта и разрушению структуры или к термическому разложению термочувствительных пищевых ингредиентов. Условия процесса сублимационной сушки следует выбирать таким образом, чтобы не плавилась вода. Жидкая вода является реакционной средой и изменяет реологические свойства продукта. Присутствие жидкой воды во время сублимационной сушки пищевых продуктов может привести ко многим изменениям в составе, морфологии и физических свойствах пищевых продуктов (например, к усадке). Это также может сократить сроки обеспечения высокого качества при хранении.
Цвет и структурно-текстурные свойства имеют решающее значение при оценке качества пищевых продуктов потребителями. Поэтому зависимость этих пищевых свойств от параметров сублимационной сушки чрезвычайно важна. Влияние условий сублимационной сушки на питательные свойства, антиоксидантную активность и характеристики стеклования различных пищевых материалов можно найти в литературе. Широко распространено мнение, что сублимационная сушка является лучшим методом сушки. Однако неправильно выбранные параметры процесса могут вызвать неблагоприятные изменения материала, такие как усадка, изменение цвета, разрушение структуры. Поэтому целью данного обзора было охарактеризовать все стадии процесса лиофилизации, обсудить явления, происходящие на этих стадиях, представить их влияние на ход процесса и объяснить влияние условий процесса на выбранные физические параметры. свойства различных пищевых продуктов.
Характеристики процесса сублимационной сушки
В ходе трех стадий процесса сублимационной сушки (сублимация, первичная сушка и вторичная сушка) можно выделить шесть основных физических явлений, оказывающих существенное влияние на ход процесса, качество получаемого материала и общий результат. затраты на процесс. Это:
- Фазовый переход содержащейся в продукте воды в лед.
- Фазовый переход лед-пар.
- Десорбция молекул воды из материальных структур.
- Получение достаточно низкого давления.
- Ресублимация водяного пара, удаленного из материала на поверхности конденсатора.
- Удаление слоя льда с поверхности конденсатора.
Как кинетика процесса, так и свойства получаемого продукта зависят от параметров, при которых происходят эти явления. Основной особенностью лиофилизации, единственной, отличающей ее от вакуумной сушки, является необходимость сохранять свободную воду замороженной. Это одна из самых сложных проблем при сублимационной сушке. Сушка вымораживанием представляет собой процесс массообмена, требующий переноса тепла. Теплота сублимации составляет 2885 кДж/кг. Если подавать слишком мало тепла, процесс будет медленным, что увеличит его затраты. Если подведенный тепловой поток слишком велик, это приведет к накоплению тепла в материале и повышению его температуры, что приведет, как следствие, к возможности появления жидкой воды. Следовательно, чрезвычайно важно соблюдать баланс между количеством подаваемого и используемого тепла.
Одним из способов оценить, является ли количество подаваемого тепла слишком большим, является контроль температуры лиофилизированного материала. Ее значение не должно превышать значения криоскопической температуры для данного материала или температуры стеклования для данного содержания воды. При превышении температуры стеклования возможно разрушение структуры (уменьшение пористости), что крайне невыгодно из-за уменьшения удельной поверхности изделия. Как следствие, удлиняется время второй стадии сушки, ухудшается регидратационная способность продукта, продукт имеет более высокое конечное содержание воды. Более того, это может привести к снижению стабильности продукта при хранении.
Поддержание постоянной низкой температуры (в зависимости от давления в камере) в период сублимации доказывает сохранение баланса между количеством подаваемого и используемого для сублимации тепла. Однако это не означает, что процесс протекает с максимально возможной скоростью сублимации в данных условиях. Слишком низкое значение подводимого теплового потока может ограничить скорость сублимации. С другой стороны, повышение температуры может указывать на то, что подвод тепла слишком высок. Это также может быть следствием возможного расхода тепла на сублимацию из-за увеличения сопротивления теплопереносу. Поэтому для более полного контроля необходимо одновременно отслеживать и изменения содержания воды.
Параметром, определяющим количество подводимого тепла, является сопротивление теплопередаче, а сопротивление движению массы (водяного пара) как внутри, так и снаружи материала определяет количество тепла, используемого на испарение. Поэтому ход лиофилизации определяется всеми факторами, влияющими на величину обеих этих резистентностей. Эти факторы связаны с параметрами процесса на каждой стадии, конструкцией сублимационной сушилки и свойствами лиофилизированного материала.
Первый этап процесса сублимационной сушки — замораживание сырья
Хотя замораживание является одним из наиболее важных этапов лиофилизации, в прошлом важность процесса замораживания упускалась из виду. Как твердые продукты (фрукты и овощи), так и жидкие продукты (кофе и соки) перед сублимационной сушкой необходимо замораживать.
Замораживание – это кристаллизация растворителя, которым в случае пищевых продуктов является вода. Дополнительные преимущества, возникающие в результате превращения воды в лед в материале перед сублимационной сушкой, заключаются в следующем:
Иммобилизация ингредиентов в растворе и предотвращение пенообразования, возникающего при снижении давления в камере сублимационной сушки.
- Ограничение химических, биохимических и микробиологических изменений, происходящих в материале.
- Создание специфической структуры кристаллов льда в замороженном продукте, которая на следующем этапе облегчает или ограничивает миграцию водяных паров из высушенного материала; структура льда, образующегося при замерзании, определяет интенсивность движения массы и, как следствие, формирует конечную морфологию высушенного материала.
- Укрепление структуры, противодействие сжатию клеток растительной или животной ткани, вызванному удалением из них воды, что возможно за счет пластификации материала жидкой водой.
Скорость замерзания прямо пропорциональна разности температур криоскопической температуры материала и температуры замораживающей среды и обратно пропорциональна сопротивлению теплопередаче. Разница температур — это величина, которую можно легко регулировать, особенно при замерзании в наружных блоках. Сопротивление теплопередаче для данного материала зависит от толщины слоя. Чем меньше толщина, тем меньше сопротивление и тем быстрее процесс. Однако чем меньше толщина материала, тем меньше материала обрабатывается.
Спиновая заморозка — это способ примирить эти два взаимоисключающих аспекта. При центрифугировании продукт замораживают перед сублимационной сушкой в единичных упаковках. Нужное количество материала, ложась на дно упаковки, образует достаточно толстый слой. Вращение упаковки во время замораживания создает на стенках слой замороженного материала гораздо меньшей толщины и большей поверхности испарения. Этот метод позволяет регулировать скорость замораживания в гораздо большем диапазоне значений.
Окисляемые жидкие или полужидкие пищевые продукты подвергают сублимационной сушке. Этот метод стоит рекомендовать для лиофилизации данного вида продукции в единичных упаковках, аналогичных флаконам. Это существенно сокращает время высыхания. Кроме того, это дает возможность вакуумной упаковки в сублимационной камере, что позволяет получить продукт, защищенный от окисления.
Способ ускорить замораживание, особенно в случае крупногабаритных материалов, где сопротивление проводимости предотвращает быстрое замерзание, заключается в использовании переохлаждения. При отсутствии зародышей кристаллов материал необходимо переохладить ниже криоскопической температуры для образования зародышей. Чем больше степень недогрева, тем быстрее происходит процесс замерзания во всем объеме материала. Более высокая степень переохлаждения увеличивает скорость зарождения льда и эффективную скорость замерзания, приводя к образованию большого количества мелких кристаллов льда.
В исследовании установлено, что скорость первичной сушки примерно на 4% ниже на каждую степень дополнительного переохлаждения. Состояние переохлаждения может быть достигнуто различными методами, например, добавлением криопротекторов, благодаря внешнему магнитному полю, препятствующему движению молекул воды к поверхности кристалла.
Другой способ – замораживание при повышенном давлении. Воспользовавшись зависимостью температуры замерзания от давления, продукт можно подвергнуть воздействию сверхатмосферного давления, а затем снизить давление, что приведет к его замерзанию. Если есть возможность испарения со свободной поверхности, можно использовать эффект самозамораживания. Если вода начинает интенсивно испаряться, она отбирает тепло у продукта, из которого испаряется, вызывая его быстрое замерзание во всем объеме без необходимости работы отдельной установки.
Был изучен процесс замораживания экстракта кофе в сравнении с воздушной и контактной заморозкой; вакуумная заморозка привела к значительному сокращению времени заморозки. При этом часть растворителей испарялась, благодаря чему получалось дополнительное уплотнение на 26–43 % в отличие от потерь 1–2 % при воздушном замораживании и контактном замораживании. Этот факт, а также чрезвычайно пористая структура, образующаяся при вакуумной заморозке, делает этот метод особенно интересным для производства растворимого кофе методом сублимационной сушки. Такое явление может возникнуть на начальном этапе сушки — при снижении давления в камере сублимационной сушки.
Однако существуют ограничения. В случае непористого материала при снижении давления происходит интенсивное испарение, а поскольку вязкость жидкости при низкой температуре высока, это приводит к разбрызгиванию материала. В случае ячеистого материала, обеспечивающего высокое сопротивление массопереносу, есть два случая использования этого явления. Испарению можно способствовать, если материал от природы тонкий (например, овощи или другие лиственные растения) или в случае тонкого кусочка ткани с поврежденными клеточными мембранами путем разрезания.
Другой способ снизить сопротивление массопереносу — разрушение клеточных мембран. Такой эффект можно получить, воздействуя на структуру импульсным электрическим полем (ИЭП). Предварительная обработка импульсным электрическим полем провоцирует повреждение клеточных мембран и ускоряет процессы массо- и теплопереноса без нежелательных изменений в пищевых тканях. Показано, что снижение температуры ломтика яблока, обработанного импульсным электрическим полем, зависит от степени разрушения структуры. При степени разрушения клеточной стенки, равной 0,96, при снижении давления в лиофилизаторе до значения 1000 Па температура яблока снизилась с 25 до 10 С за счет испарения; при этом для неповрежденной ткани температура снижалась лишь примерно до 5 С.