Сублимационная сушка это способ

Сублимационная сушка пищевых продуктов

Сублимационная сушка — это процесс, в котором вода сублимируется путем прямого перехода воды из твердого состояния (льда) в пар, таким образом исключая жидкое состояние, а затем десорбции воды из «сухого» слоя. Сублимационная сушка широко используется для стабилизации высококачественных пищевых продуктов, биологических материалов и фармацевтических препаратов, таких как белки, вакцины, бактерии и клетки млекопитающих. При этом сохраняется высокое качество сушеного продукта (биологические, питательные и органолептические свойства). Таким образом, вкус, запах и содержание различных питательных веществ не меняются. Сырье для пищевых продуктов содержит много воды, от 80% до 95%. Удаление воды сублимацией приводит к созданию высокопористой структуры лиофилизированных продуктов, и сразу же происходит регидратация лиофилизатов.

Вода в продуктах может быть свободной водой или водой, связанной с матрицей под действием различных сил. Свободная вода замерзает, но связанная вода не замерзает совсем. В процессе сублимационной сушки необходимо удалить всю замерзшую воду и некоторое количество связанной воды. Следовательно, лиофилизация — очень сложный и многоступенчатый процесс, который состоит из таких этапов:

• Замораживание продукта, чаще всего при атмосферном давлении.
• Первичная сушка — правильная сублимационная сушка — сублимация льда, чаще всего при пониженном давлении.
• Вторичная сушка — десорбционная сушка — сушка продукта до необходимой конечной влажности.

Стоимость продукта во многом зависит от времени сублимационной сушки. Поэтому параметры процесса и другие условия его протекания часто задаются так, чтобы его время было как можно короче. Установка параметров для ускорения процесса может привести к ухудшению свойств продукта. Например, повышение температуры плоского нагревателя для полки может привести к размораживанию продукта и разрушению структуры или к термическому разложению термочувствительных пищевых ингредиентов.

Условия процесса сублимационной сушки следует выбирать таким образом, чтобы вода не растапливалась. 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 период обеспечения высокого качества при хранении. Цвет и структура-текстура 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 продуктов можно найти в специальной литературе. Широко распространено мнение, что сублимационная сушка — лучший метод сушки. Однако неправильно выбранные параметры процесса могут вызвать неблагоприятные изменения материала, такие как усадка, изменение цвета, смятие структуры.

Характеристики процесса сублимационной сушки.

Основная особенность сублимационной сушки, единственное, что отличает ее от вакуумной сушки, — это необходимость держать свободную воду в замороженном состоянии. Это одна из самых сложных проблем при сублимационной сушке.

Сублимационная сушка — это процесс массообмена, требующий переноса тепла. Теплота сублимации составляет 2885 кДж / кг. Если подавать слишком мало тепла, процесс будет медленным, что увеличит его стоимость. Если подводимый тепловой поток слишком велик, это вызовет накопление тепла в материале и повышение его температуры, что приведет к возможности появления жидкой воды. Следовательно, чрезвычайно важно поддерживать баланс между количеством подаваемого и используемого тепла. Один из способов оценить, не слишком ли велико количество подаваемого тепла, — это контролировать температуру лиофилизированного материала. Его значение не должно превышать значение криоскопической температуры для данного материала или температуры стеклования для данного содержания воды. Если температура стеклования превышена, структура может разрушиться (уменьшение пористости), что крайне невыгодно из-за уменьшения удельной поверхности продукта. Как следствие, увеличивается 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 соответствии с давлением в камере) в течение периода сублимации доказывает, что сохраняется баланс между количеством тепла, подаваемого и используемого для сублимации. 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 велик. Это также может быть эффект возможного расхода тепла на сублимацию из-за увеличения сопротивления теплопередаче. Поэтому для более полного контроля следует одновременно отслеживать изменения содержания воды.

Параметр, определяющий количество подаваемого тепла, — это сопротивление теплопередаче, а сопротивление движению массы (водяной пар) как внутри, так и снаружи материала определяет количество тепла, используемого для испарения. Следовательно, ход лиофилизации определяется всеми факторами, влияющими на значение обоих этих сопротивлений. Эти факторы связаны с параметрами процесса на каждой стадии, конструкцией сублимационной сушилки и свойствами лиофилизированного материала.

Первый этап процесса сублимационной сушки — замораживание сырья

Замораживание — это кристаллизация растворителя, которым в случае пищевых продуктов является вода.

При превышении криоскопической температуры вода начинает кристаллизоваться и раствор или клеточный сок криоконцентрируется, что приводит к переносу компонентов сухого вещества. Таким образом, замораживание следует проводить, чтобы избежать градиентов концентрации в замороженной ткани.

Скорость замораживания очень важна для сублимационной сушки. Принимая во внимание процесс лиофилизации, подходящая скорость замораживания зависит от типа материала. Чтобы оптимизировать процессы замораживания жидких материалов, размеры кристаллов льда должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить кратчайшее время первичной сушки. Однако для увеличения периода вторичной сушки эти размеры должны быть меньше, чтобы обеспечить большую удельную поверхность для высушенной матрицы. Поэтому решение о методе замораживания следует принимать после анализа процесса первичной и вторичной сушки.

Первичная сушка — сублимация

Первичная сушка — это период сублимационной сушки, в течение которого происходит процесс сублимации льда. При проектировании процесса лиофилизации для данного материала необходимо определить следующие параметры процесса: давление в камере сублимационной сушилки и интенсивность подвода тепла.

Поток подводимого тепла зависит от метода нагрева. В случае контактного нагрева, который используется в наших сублимационных сушилках от производителя Технонагрев, необходимо установить соответствующую температуру полки с плоскими миканитовыми нагревателями. Когда материал нагревается инфракрасными излучателями, следует выбирать расстояние от материала, диапазон инфракрасного излучения и интенсивность излучения. В случае микроволнового нагрева важны интенсивность микроволн и продолжительность их работы.

Для того чтобы процесс сублимации продолжался, должны быть выполнены два основных условия: сублимационный пар должен постоянно удаляться из зоны сублимации, и для поддержания перепада давления пара, приводящего к удалению водяного пара из камеры, тепла, необходимого для сублимация должна непрерывно подаваться на материал. Если любое из этих двух основных условий не выполняется, возникают некоторые неблагоприятные явления, такие как размягчение, оттаивание, вздутие или разрушение конструкции.

Вторая сушка — десорбция

Процесс десорбционной сушки, также известный как пост-сушка, происходит при пониженном давлении с одновременным нагреванием продукта до предполагаемого содержания воды, определяемого индивидуально для каждого сырья. На этом этапе скорость сушки значительно снижается по сравнению с процессом сублимации.

В зависимости от химического состава, структуры и условий замораживания компоненты сухого вещества могут находиться в аморфном состоянии (всегда при высокой скорости замораживания) или в кристаллическом состоянии. В случае большого количества аморфных компонентов содержание воды после завершения сублимационной сушки может потенциально повлиять на стабильность при хранении. Его содержание может составлять 5–20% (в зависимости от содержания сухих веществ в препарате) от исходного содержания воды.

В процессе десорбционной сушки температура нагрева материала должна быть ниже максимальной температуры, допустимой для материала из-за возможности термического разложения и возможности перехода в состояние резины. Таким образом, максимально допустимая температура зависит от специфики конкретного материала и определяется индивидуально. В случае белковых препаратов максимально допустимая температура должна быть ниже 40 ° C, а для пищевых продуктов, фруктов и овощей максимально допустимая температура может достигать 60–70 ° C или выше, но всегда ниже температуры стеклования. Выполнение этого условия очень важно, поскольку оно влияет на стабильность при хранении.

Влияние условий сублимационной сушки на отдельные физические свойства материалов.

Физико-химические и структурные изменения пищевых продуктов во время обработки могут существенно повлиять на качество конечного продукта. Сублимационная сушка — менее опасный процесс, чем сушка на воздухе и сушка распылением. По этой причине лиофилизация признана лучшим методом обезвоживания пищевых продуктов. Для получения лиофилизированного продукта надлежащего качества требуется контроль скорости замораживания, уровня температуры, общего давления газа и конечного среднего содержания влаги.

Температура полки

Температура нагревательной пластины — один из параметров, который играет важную роль в создании структуры материала во время сублимационной сушки. Нежелательные изменения в структуре материала могут быть результатом неправильной температуры, применяемой в процессе. Чрезмерное разрушение структуры может привести к снижению скорости сублимационной сушки во время вторичной сушки, а также к ухудшению многих характеристик продуктов, связанных с текстурой, пористостью, объемом, формой, липкостью, регидратационной способностью и стабильностью.

Механизмы сушки и образования пор, а также стабильность продуктов на первичной и вторичной стадиях сублимационной сушки различны. Сублимация льда — самая продолжительная часть процесса сушки, и она потребляет больше энергии, чем на стадии вторичной сушки.

Чтобы контролировать стабильность продукта, особенно на стадии вторичной сушки, температура продукта должна быть ограничена от 10 до 35 ° C для термочувствительных материалов, а для менее термочувствительных материалов температура может быть выше 50 ° C.

Более высокие температуры сублимационной сушки на вторичной стадии ускоряют процесс сушки, поскольку для удаления оставшейся воды из материала требуется больше энергии. Однако слишком высокая температура может вызвать таяние льда на стадии сублимации сушки, что приведет к структурным изменениям, таким как усадка. Выбор подходящей температуры полки должен основываться на балансе между подводимой и необходимой теплотой. Кроме того, окончательное качество высушенного материала является решающим фактором при разработке процесса сублимационной сушки.

Источник

Сублимационная сушка

Сублимационная сушка продуктов (сублимационная вакуумная сушка, также известная как лиофилизация или возгонка) – это удаление влаги из свежезамороженных продуктов в условиях вакуума. В настоящее время этот метод сушки продуктов является наиболее совершенным, но в то же время и наиболее дорогостоящим. Этот способ был открыт в начале прошлого века, однако использовался только для производства довольно ограниченного количества и ассортимента сухопродуктов для нужд армии и космонавтики.

Принцип сублимационной сушки основан на том физическом факте, что при значениях атмосферного давления ниже определенного порога – т.н. «тройной точки» (для чистой воды: 6,1 мбар при 0 градусов Цельсия) вода может находиться только в двух агрегатных состояниях – твердом и газообразном, переход воды в жидкое состояние в таких условиях невозможен. И если парциальное давление водного пара в окружающей среде ниже чем парциальное давление льда, то лед продукции прямо переводится в газообразное состояние минуя жидкую фазу.

Процесс сублимационной сушки продуктов физически состоит из двух основных этапов (замораживание и сушка продукта) и этапа досушивания. Первый этап это замораживание продукта при температуре ниже его точки затвердевания. Второй этап – сублимирование, удаление льда или кристаллов растворителя при очень низкой температуре, то есть непосредственно сушка продукта. При этом значительное влияние на качество сухопродукта и на время, требующееся для сушки, имеет этап заморозки. Чем быстрее и глубже замораживается продукт, тем менее крупные кристаллы льда образуются в продукте, тем быстрее они испаряются на втором этапе сушки продукта и тем выше качество получаемого продукта. Так как удаление основной массы влаги из объектов сушки происходит при отрицательных температурах (-20. -30 градусов Цельсия), а их досушивание осуществляется также при щадящем (не выше +40 градусов) температурном режиме, то в результате достигается высокая степень сохранности всех наиболее биологически ценных компонентов исходного сырья.

Наибольшее применение сублимационная вакуумная сушка получила в технологиях производства лекарственных препаратов, ферментов, заквасок, экстрактов лекарственных трав и других объектов, которым требуется обеспечить сохранность в сухопродукте всех полезных составляющих сырья в течение длительных периодов времени. Сублимационная сушка продукта является одним из самых современных методов обратимого консервирования микроорганизмов и биопрепаратов, который обеспечивает наилучшее качество сухопродукта и высокую восстанавливаемость лактобактерий при минимальной продолжительности процесса и, соответственно, минимальных затратах.

Поскольку конечная влажность сублимационно-вакуумных материалов является очень низкой (порядка 2-5%), то это создает все предпосылки для их длительного хранения в условиях нерегулируемых температур. Консервирование сублимационной сушкой в перечисленных выше отраслях является прогрессивной технологией, а в ряде случаев – не имеющей альтернативы.

В производстве продуктов питания сублимацонно-вакуумная сушка используется в качестве средства консервации путем замораживания свежих продуктов и удаления из них жидкости, что позволяет практически полностью, до 95%, сохранить в них питательные вещества, микроэлементы, витамины и даже первоначальную форму, естественный вкус, цвет и запах продолжительное время (от двух до пяти лет) при изменяющейся температуре окружающей среды (от -50 до +50 градусов Цельсия). Сублимационно-вакуумная сушка продуктов питания делает ненужным применение каких бы то ни было ароматизаторов, консервантов и красителей. Одним из важнейших достоинств вакуумной сушки продуктов является малая усадка исходного продукта, что дает возможность избегать их разрушения и быстро восстанавливать сублимированные сухопродукты, имеющие после сушки пористую структуру, путем добавления воды.

Способом сублимационной сушки консервируются фрукты, овощи, молочные изделия, мясо, рыба, каши и супы, грибы, приправы. Продукты сублимационно-вакуумной сушки имеют очень широкие возможности для использования как в качестве готовых продуктов быстрого приготовления, так и в качестве полуфабрикатов для дальнейшей промышленной переработки (кондитерская, пищеконцентратная, мясо-молочная, парфюмерная и другие отрасли).

Высокое качество и биологическая полноценность готовых сублимированных продуктов объясняется тем, что обработке может подвергаться только свежее сырье. Несвежие продукты сублимационную сушку не выдерживают. Консервирование методом сублимационной сушки не требует добавления каких-либо химических и иных ароматизаторов, консервантов и стабилизаторов и т.п., что является еще одним преимуществом. Данный факт примечателен тем, что прошедшие сублимационную сушку продукты абсолютно пригодны для детского и диетического питания.

Вес сублимированных сухопродуктов в среднем принимается от 1/5 до 1/10 начальной массы. Столь малый вес сублимированных сухопродуктов исключительно важен для существенного сокращения расходов при их транспортировке.

Как правило, упаковываются сублимированные сухопродукты в трехслойные металлизированные пакеты с азотным наполнением весом от 2 г до 5000 г, в зависимости от продукта.

Ранее в пищевой промышленности сублимационно-вакуумную сушку использовали в основном для выполнения заказов военной, оборонной и космической отраслей, теперь она оказалась востребованной для приготовления продуктов премиум класса.

Источник