В этой главе рассматриваются общие аспекты вакуумной сушки пищевых продуктов. Сушка пищевых продуктов в вакууме имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной сушкой при атмосферном давлении. Вакуумная сушка происходит в отсутствие кислорода и при умеренной температуре, что позволяет сохранить большую часть питательных и органолептических характеристик пищевых продуктов. Тем не менее, обычно это более дорогостоящий процесс по сравнению с сушкой при атмосферном давлении. Обычная вакуумная сушка, сублимационная сушка, микроволновая вакуумная сушка и родственные процессы являются наиболее известными процессами вакуумной сушки.
В то время как традиционная вакуумная сушка является самым дешевым процессом, микроволновая вакуумная сушка является самой быстрой, а сублимационная сушка обеспечивает наилучшее качество продукта. С другой стороны, традиционная вакуумная сушка дает продукцию низкого качества, а лиофилизация очень дорога, тогда как микроволновая вакуумная сушка требует промежуточных затрат и обеспечивает продукт приемлемого качества. Подводя итог, каждый из этих процессов имеет сильные и слабые стороны с точки зрения проектирования и качества. Выбор того или иного метода вакуумной сушки будет зависеть от поставленных задач.
Сушка – один из старейших методов продления срока хранения пищевых продуктов. В древности для сушки продуктов использовали тепло солнца и морскую соль. Контролировать условия сушки в то время было невозможно. После столетий развития технологий и оборудования для сушки люди теперь могут контролировать условия сушки, такие как время, температура и давление. В этой книге основное внимание уделяется использованию пониженного давления для сушки продуктов питания.
Срок годности продуктов питания тесно зависит от содержания в них воды. Тем не менее, в отличие от ожидаемого, срок годности пищевых продуктов определяется не абсолютным содержанием влаги. Свободная вода – это вода, доступная для микробных, ферментативных и химических реакций, трех основных источников порчи пищевых продуктов. Содержание свободной воды, называемое активностью воды, является свойством, регулирующим срок годности пищевых продуктов. Активность воды можно определить как давление пара воды в пище, разделенное на давление пара чистой воды при той же температуре. Сегодня это свойство можно легко измерить с помощью цифровых измерителей активности воды. Полученный численный результат очень полезен для установления окончания процесса сушки.
Сушка в вакууме обходится дороже, чем сушка в атмосфере, поскольку вакуумные сушилки должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать разницу давлений внутри и снаружи сушильной камеры. Таким образом, должны быть преимущества, оправдывающие использование вакуумной сушки вместо атмосферной сушки. Среди этих преимуществ самым большим является превосходное качество продукта, обусловленное обработкой при более низкой температуре. Отсутствие кислорода в вакууме является дополнительным преимуществом при сушке чувствительных к кислороду материалов. Повышенная скорость сушки также способствует.
Известно, что при атмосферном давлении 101,325 кПа вода кипит при 100 °С. Во время процесса вакуумной сушки внутри сушильной камеры достигается давление ниже атмосферного. Следовательно, можно кипятить воду, содержащуюся в пищевых продуктах, при более низких температурах по сравнению с сушкой при атмосферном давлении. В таблице 1 представлены температуры, которые обычно используются для вакуумной сушки пищевых продуктов, и соответствующее давление, которое необходимо достичь для кипячения воды, содержащейся в пищевых продуктах.
Когда дело доходит до сушки пищевых продуктов, тяжелые процессы, при которых достигаются высокие температуры, обычно разрушают питательные вещества и функциональные соединения пищи. Например, якон (Smallanthus sonchifolius) — функциональный овощ, произрастающий в Андах Южной Америки. Сырой якон богат фенольными соединениями и пищевыми волокнами. Тем не менее, волокна якона и фенольные соединения, по-видимому, разрушаются при 70 °C [10] и 80 °C [11] соответственно. Следовательно, вакуумная сушка якона является способом увеличить срок его хранения, который изначально невелик, при сохранении его полезных для здоровья свойств [9].
Самым простым оборудованием для вакуумной сушки продуктов является вакуумная печь. В этом оборудовании образец пищевого продукта принимается в сушильную камеру, содержащую внизу металлическую пластину, нагреваемую электрическим сопротивлением. Продукты обычно помещают в стеклянный или металлический контейнер так, чтобы они образовывали один слой. Насос обеспечивает камеру вакуумом. Манометр, называемый вакуумометром, показывает значение давления внутри камеры. Цифровой дисплей и кнопки позволяют контролировать температуру. На рисунке 1 показана схема вакуумной печи.
Помимо традиционной вакуумной сушки, обычно проводимой в вакуумной печи, были разработаны другие процессы сушки продуктов под низким давлением. Среди них наиболее изучены сублимационная и микроволново-вакуумная сушка. Первый заключается в удалении воды из продуктов путем сублимации льда. Последний предполагает использование микроволн для нагрева пищи внутри камеры под вакуумом.
Помимо традиционной вакуумной сушки, обычно проводимой в вакуумной печи, были разработаны другие процессы сушки продуктов под низким давлением. Среди них наиболее изучены сублимационная и микроволново-вакуумная сушка. Первый заключается в удалении воды из продуктов путем сублимации льда. Последний предполагает использование микроволн для нагрева пищи внутри камеры под вакуумом.
Иногда, чтобы получить приемлемый продукт, необходимо использовать очень низкие температуры и более высокий вакуум в процессе, возникшем примерно в 1940-х годах и названном сушкой вымораживанием. Этот процесс придает продуктам питания несколько желательных свойств, таких как: высокая устойчивость к химическим изменениям благодаря использованию температур ниже точки замерзания; низкие потери ароматических летучих веществ по той же причине; исключение явлений пенообразования, за счет того, что высушиваемый продукт является замороженным твердым веществом; постоянная дисперсия, т.е. отсутствие концентрации растворенного вещества по мере возгонки замороженного растворителя; отсутствие эффектов цементации, т. е. в изделии не образуется корка; максимальная стерильность, поскольку процесс сушки проводится в замороженных условиях и конечный продукт оказывается «полностью высушенным».
Процесс сублимационной сушки можно описать следующим образом: первоначально продукт замораживается в твердом состоянии; затем он подвергается воздействию среды с контролируемой температурой и давлением в подходящей камере; давление в камере регулируется так, чтобы способствовать прямому переходу из твердого состояния в парообразное (сублимация), избегая таяния льда. При снижении давления ниже 0,006 атм твердый лед сублимирует. Например, при давлении 0,003947 атм лед сублимируется при -6 °C; при 0,000658 атм лед сублимирует при -25 ° C. Однако вода в продуктах питания редко бывает чистой и содержит растворимые соединения, которые понижают ее температуру замерзания. Следовательно, необходимо знать, что эвтектическая точка, которую можно определить как самую низкую температуру замерзания пищевого продукта, напрямую связана с этим пищевым составом. Один из возможных путей процесса сублимации льда показан стрелками на рисунке.
Типичными условиями сублимационной сушки являются температура поверхности продукта от 35 до 80 °C и давление в камере от 13 до 270 Па. Какая бы комбинация температуры и давления ни использовалась, предпочтительно, чтобы пищевой слой был тонким, чтобы облегчить нагревание и массовый перенос. Что касается характеристик оборудования, то сублимационная сушилка состоит в основном из: вакуумной камеры, источника тепла, конденсатора и вакуумного насоса. Вакуумная камера может быть цилиндрической или прямоугольной. Источником тепла могут быть одна или две полые пластины, нагреваемые горячей водой или электрическим сопротивлением, что может сочетаться с микроволновым нагревом [8]. На рисунке 3 показана схема сублимационной сушки.
Другим важным процессом вакуумной сушки является микроволновая вакуумная сушка. Использование микроволн при сушке повышает скорость сушки за счет пористой структуры, создаваемой при испарении воды за счет диэлектрической энергии, облегчающей массоперенос. В то время как типичная конвективная сушка обычно занимает несколько часов, типичная микроволновая вакуумная сушка занимает несколько минут. С другой стороны, распределение тепла в материале неравномерно.
Как и в другом СВЧ-оборудовании, в СВЧ-вакуумной сушилке тепло получается за счет электромагнитного излучения. Такая энергия поглощается молекулами воды, содержащимися в пище, и преобразуется в кинетическую энергию. Это способствует интенсивной вибрации молекул воды, выделяя тепло, которое используется для их испарения. Результатом является высокая скорость сушки при низких температурах. Тем не менее, для получения однородного нагрева образцов необходимо использовать образцы небольшой толщины.
Типичная микроволново-вакуумная сушилка для пищевых продуктов состоит из микроволновой печи, стеклянного вакуумного эксикатора, вакуумного насоса, регулятора давления и конденсатора. На рисунке 4 представлена схема микроволново-вакуумной сушилки.
Процедура сушки в этом аппарате заключается в помещении продуктов питания в вакуум-эксикатор, герметичном закрытии его и приложении необходимого давления и излучения. Потерю веса можно измерить либо путем нарушения вакуума и помещения образца на весы, либо путем взвешивания образца на месте, как показано на риунке. Наиболее распространенным способом работы является прерывистое излучение, чтобы избежать перегрева материала. Как только наиболее подходящие методы вакуумной сушки станут достаточно известны, в следующих главах будут рассмотрены их предыдущие применения в пищевых продуктах.