第四章干燥保藏(1)

第四章食品干燥保藏 (1)

主要内容

1. 干燥保藏原理

非结合水与结合水，水分表示方法，水分活度与平衡水分，吸附、解吸等温线，食品在干燥中的主要变化，食品干燥贮藏中所需的最低水分以及干制品的品质评价指标，复水与产品品质

2. 干燥方法及设备

食品干燥的基本要求，食品干燥工艺条件的确定原则，干燥方式及干燥设备

基本要求：

食品干燥保藏基本原理，掌握相关基本概念

重点：

掌握食品干燥的基本要求，以及干燥方法和装备的选定原则

序言

1) 什么是食品干燥保藏?

食品干燥保藏就是将食品物料的水分降低到足以防止腐败变质的水平后，始终保持低水分状态进行长期贮藏的过程。

2) 干燥保藏主要操作过程可分三个阶段

(1) 干燥前的预处理或加工过程。如果贮藏对象是新鲜的农产品，则对物料进行清洗、整理、切分和杀青处理，破坏酶的活性，防止非酶反应，提高干燥速率；如果是深加工产品，干燥则是最后的工序（如方便面、干燥米饭

的加工）。

(2) 干燥过程。在自然条件或者人工控制条件下使食品中水分蒸发的工艺过程，包括自然干燥如晒干、风干等；人工干燥如烘房烘干、热空气干燥、真空干燥等。

(3) 包装贮藏过程。将干燥后的产品，适当包装后，在特定的环境中贮藏。

3) 干燥保藏主要应用于以下几个方面

(1) 初级原料的加工与保藏：各类谷物、蔬菜、果品等农产品收后处理。

(2) 各种中间产物的加工与保藏：食品配料的制备、废弃物的回收等。（例如：啤酒生产中的麦芽、啤酒花等；黄酒生产中的麦曲、大米、酒糟等）。

(3) 食品成品的加工与保藏：各类方便食品（方便面、干燥米饭）、粉末食品（奶粉）、抽提产品（咖啡）等的加工与保藏。

4) 干燥保藏的特点

(1) 能在室温条件下长期保藏食品，或提供特色食品品种。

(2) 食品干燥后，质量减轻，体积缩小。

体积缩小和质量减轻可以显著地节省包装、贮藏和运输费用，并且还便于携带，供应方便。

表5.1 各种新鲜食品和保藏食品的体积/m3·t-1

5.1 食品干燥保藏原理

5.1.1 湿物料的状态及水分

1) 湿物料的状态

不同外观：块状（土豆）、条状（刀豆）、片状（叶类蔬菜）、颗粒状（谷物）、晶体（糖）、粉末状（面粉）等。

不同物理化学性质：液态食品（粘性、粘弹性、流动性等）、湿固态食品（塑性、弹性、粘弹性等）。

不同生物学性质：新鲜果蔬的生理活动及酶活性、微生物繁殖生长。2) 水分与物料的结合方式（补充）

水分与物料的结合方式有两种：非结合水分、结合水分

(1) 非结合水分

非结合水分是指存在于组织内部、细胞内部、细胞间隙中、物料表面的水。非结合水分也称为自由水分或游离水分。从现象上看，物料表面上的湿润水分就是非结合水。

非结合水分的特点：

》在-40℃以上可以结冰；

》在食品内可以作为溶剂；

》可以以液体形式移动，在气候干燥时也可以以蒸汽形式逸出，使食品的含水量降低；

》在潮湿的环境中食品容易吸收一定量的水分，含水量增加；

》微生物可以利用非结合水繁殖，各种化学反应也可以在其中进行；

》由于与物料的结合强度小，故容易通过干燥去除。

(2) 结合水分

结合水分指物料中与非水成分（如盐、糖、蛋白、淀粉、纤维素、果胶分子）通过氢键结合的水，它存在于溶质或其它非水组分附近。

结合水分包括单分子层结合水分和多分子层结合水分（单分子层以外的

几层水）。从现象上看，物料中只有结合水分时，物料表面不存在有湿润水分。

结合水的特点：

》-40℃以上不能结冰；

》结合水不能作为溶剂，不能被微生物所利用；

》结合水分与物料的结合强度大，而且大多数存在于物料内部，故不容易通过干燥去除蒸发的水分来自食品内部。

结合水分又可细分为化学结合水、物理化学结合水和机械结合水。

(a) 化学结合水主要包括结晶水，结合强度大，故难以去除。除去结晶水的过程不属于干燥过程（需要高温灼烧、或化学方法脱水）。

(b) 物理化学结合水包括吸附、渗透和结构的水分。

吸附水：水分既可被物料的外表面吸附，也可吸附于物料的内部表面，在吸附水分形成时有热量放出，脱去时则需吸收热量。吸附水与物料的结合力较强。

渗透水：水分与物料的结合是由物料组织壁内外的渗透压（原因：溶解物浓度差）造成。渗透水分存在于物料组织内部，结合强度相对弱小，蒸发、外压或组织的破坏时解离。

结构水：在胶体形成时结合在组织内部的水。蒸发、外压或组织的破坏时，此类水分可离解；

(c) 机械结合水分包括有毛细管水分等。毛细管水分存在于纤维或微小颗粒成团的湿物料中，它与物料的结合强度较弱。

注意：(1) 含有非结合水分的物料称为吸水物料，如：木材、粮食、皮革、纤维及其织物、纸张、合成树脂颗粒等。仅含结合水分的物料，称为

非吸水性物料，如铸造用型砂、各种结晶颗粒等。就干燥的难易来

说，非吸水性物料要比吸水性物料难干燥。

(2) 不同形式的水分的结合能大约为100～3000J/mol。物料和水分的不同

结合形式，使排除水分耗费的能量不同，即干燥所需要的热能不同。

3) 湿物料中水分的表示方法

a. 湿基水分W (-), moisture content in wet basis

式(5-1)

b. 干基水分W d (-), moisture content in dry basis

式(5-2)

两种水分的换算式：

式(5-3) 订正，推导？

注意：(1) 水分也称为水分含量、含水率、水分质量分数；

(2) 水分的单位也可用%表示。%,w.b. %,d.b.

5.1.2 湿物料的水分活度与平衡水分

1）水分活度

物料含有水分时（湿物料），有一部分水分由于受溶质的束缚，不能参加各类化学反应，也不能被微生物利用，这部分水分为无效水分。只有和溶质结合力小或处于游离状态的水分才能参加各类化学反应，而且能被微生物利用，这些水分称为有效水分。

水分活度表示有效水分的多少，可以用蒸汽压的关系（即，相对蒸汽压）来表示：

0p p w w =α （5-4）

式中，p w —物料表面的蒸汽压，Pa ；

p 0—该温度下的纯水表面蒸汽压，Pa 。 注意：

(1) a w 为物料（溶液、或材料）中的水分状态，a w ＝０～１。

(2) 水分活度还因溶质状态而异。

→例如25℃时，浓度为1mol/L 的蔗糖（非电解质）溶液的水分活度为0.9806，而1mol/L 的食盐（电解质）溶液的水分活度则为0.9669。

(3) 水分活度与微生物、酶等生物、化学、物理反应有关。

→水分活度已成为影响腌渍食品、发酵食品贮藏稳定性的重要因素。 表5-2 水分活度与食品变性反应，p.88

(4) 食品的水分活度主要采用试验方法测定。

食品中的溶液很复杂，不是所有的水都作为溶剂，一些将与可溶性成分结合，也可能与不溶性成分结合。因此不能从食品中的水分含量、溶质的量和性质准确计算出食品的水分活度，而需要采用试验方法测定。

2）平衡水分

将食品物料放置在一个密闭箱内（箱内空气具有一定的温度和相对湿度），考察湿物料与周围空气之间的水分移动。

(1) 湿物料与周围空气之间的水分移动可沿两个方向进行：

(a) 如果物料的表面蒸汽分压p w 大于空气中的蒸汽分压p k (p w >p k )，则物料脱水干燥，称解吸作用；

(b) 如果p w

(2) 当p w =p k ，成为平衡状态。处于平衡状态的物料的水分叫平衡水分(W p )。

(a) 一般，空气的相对湿度： %100B

k ?=p p ? 式中，p ｋ----空气中的蒸汽分压，Pa ；

p B ----该温度下的饱和蒸汽压，Pa 。

相对湿度则为物料周围的空气状态，?=0%～100%。

(b) 在平衡状态下，空气相对湿度和物料水分活度的数值可以互换：

100100100(%)0

B k ?=?=?=w w a p p p p ? 式中，p ｋ----空气中的蒸汽分压，Pa ；

p B ----饱和蒸汽压，Pa ； 统一温度条件下

p w —物料表面的蒸汽压，Pa ；

p 0—纯水表面蒸汽压，Pa 。

即，a w ×100=相对湿度（%），or 相对湿度（%）/100= a w 。

（c ）水分活度的测定方法：将食品物料放置在一个密闭箱内（箱内空气具有一定的温度和相对湿度），直至物料和空气之间的水分扩散达到平衡，此时物料的水分就是该温度下物料的平衡水分、即水分活度，并且上述水分活度和相对湿度的关系成立。

（水分活度的测定方法：平衡状态，平衡水分 水分活度，相对湿度，两者关系成立）

(3) 平衡水分的大小取决于, (a) 食品的种类和化学组成; (b)周围空气的的温度和相对湿度。（内因、外因）

(还有压力，但食品工业中一般不需考虑)

表5-3 某些食品在不同空气相对湿度下的平衡水分，p.89 （该表中表示内容的欠缺？）

5.1.3 解吸与吸附

如前所述，食品的平衡水分因物料的种类、以其周围空气的温度和相对湿度而异。如果物料的平衡水分是由物料蒸发水分达到的，则平衡水分与空气相对湿度的关系曲线称为解吸等温线(也称为脱水等温线)，如果平衡水分是由物料吸湿形成的，称为吸附等温线（也称为吸水等温线）。

图5-1 马铃薯吸附等温线。

图5-2 鸡肉在不同温度下的吸附与解吸等温线。（订正）

（平衡状态下，两种横坐标的表示方法都OK）

(1)图5-1中，在同一相对湿度条件下，随着温度的提高，平衡水分降低。（适用于大多数物料）

(2) 图5-2中，吸附与解吸等温线不重复，出现吸附滞后现象。单分子水分活度和αw=1之间形成滞后环。不同温度下滞后现象不一样。鸡肉在5℃滞后最明显，60℃却没有滞后环。（适用于大多数物料）

(3) 图5-2中的滞后现象说明：(a) 在某一平衡水分下，吸附时空气相对湿度高于解吸时空气相对湿度（图的水平线）。实际工作中，如果物料干燥之后重新吸湿，为了获得同样的平衡水分，必须具备更高的空气湿度；(b)在某一相对湿度条件下，湿物料的解吸平衡水分高于？还是低于？干制品的吸附平衡水分（图的垂直线）。

(4) 吸附滞后现象受不同食品材料及其结构的影响。苹果、高果胶、高糖食品，滞后主要出现在单分子层区域，当水分活度达到0.65以上则消失；猪

肉则在水分活度0.85以上才开始出现。

(5) 吸附滞后现象尚未有合理的解释。可能是毛细管水脱去后，空气进入物料毛细管中，且被吸附在管壁上，当随后吸湿时，发生不完全的润湿作用，致使克服空气的阻力，必须增加蒸汽分压，即增加相对湿度。

(6)典型的食品物料吸附等温线：图5-3；等温线上代表食品物料中不同结合状态水分的三个区域：A段、B段、C段。

(a) 区域C段的曲线凸向含水率坐标轴(y轴) 。水分活度的变化对含水率的影响不大（反过来说，水分含量的变化对水分活度影响显著）。

存在状态：区域C的水分为BET (Brunauer-Emmet-Teller)单分子层或多分子层水分。这部分水分较紧密结合在食品其他成分的特定部位，如多聚糖的羧基、蛋白质的羰基和氨基，而另一部分水分可由氢键、偶极离子键或其它反应而结合在一起。水分与其他成分的结合稳定。 结合水

干燥难易程度：这部分水不能作为溶剂，且难以冻结，可作为固体的一部分(如结晶水)，与物质的结合能最大、最稳定，只有在化学作用或在特别强的热处理下(煅烧)才能脱去。通常在干燥过程不易将其除去。

表5-4 几种食品的BET单分子值和最大结合能（订正）

(b) 区域B段的曲线凸向水分活度坐标轴(x轴)，水分活度的变化对含水率的影响较大。

存在状态：水分与其他成分的之间大多是多层吸附。水分与食品固体成分的结合不如C段稳定。

干燥难易程度：干燥较C段快；在同样的干燥条件下的干燥速率也有较大的差异。

(c)区域A段的曲线也是凸向水分活度坐标轴(x轴)，弯度刚好与C曲

线相反，水分活度的变化对含水率的影响最大。

存在状态：食品材料所包含的水分为游离水（非结合水）（如：充满在食品内毛细管中的水、以及附着在食品外表面上的水），水分与食品成分的结合不稳定。毛细管的大小对水的吸附作用影响较大。大毛细管(平均半径>10μm)中可以存在大量的游离水（非结合水）；微毛细管（平均半径<10μm）靠吸附就能充满水（物理化学结合水）。毛细管水在物料中既可以液体形式迁移，又可以蒸汽形式渗透。

干燥难易程度：干燥过程中，这种水分在食品表面蒸发，因此干燥快；毛细管水的脱去将产生物体的收缩和毛细管的变形。

5.2 食品在干燥过程中的主要变化

干燥过程中，由于受热和失水，食品物料的物理和化学特性发生较大变化，对这些变化的把握是选择适当干燥方法和贮藏条件的基础。

5.2.1 物理变化

食品干燥时出现的物理变化主要有干缩和干裂、表面硬化和空隙形成等。1）干缩和干裂

干缩是干燥时物料体积缩小、弹性消失的现象。不论是有细胞结构还是无细胞结构的食品在干燥时都会发生，是最常见的、最显著的变化之一。

图5.4 脱水干燥过程中蔬菜丁形态的变化, p.91

(1.干燥前的原始形态；2.干燥初期的形态；3.干燥后形态)

食品物料不同，干燥过程中它们的干缩也各有差异。

2）表面硬化

表面硬化是食品物料表面收缩和封闭，使表面迅速形成一层干硬膜的一

种现象。如物料表面温度很高，表面硬化越严重。表面硬化会导致大部分残留水分封闭在材料内部，使干燥速率急剧下降。

容易出现表面硬化现象的食品物料有：糖分和可溶性物质浓度较高的材料，有细胞组织的材料；块片状材料

改善方法：降低食品表面温度，减慢干燥速度。

3）孔隙形成

快速干燥时物料表面硬化使物料外部不能收缩，内部水分消失后产生孔隙。例如：真空干燥、冷冻干燥。

空隙现象对干燥速度和物料性状的影响？

5.2.2 化学变化

食品干燥过程中也会有一系列化学变化发生，这些变化对干制品及其复水后的品质如色泽、风味、质地、粘度、复水率、营养价值和贮藏期会产生影响。

1）酶活性的变化

干燥过程中随着物料水分降低，酶的活性也下降（水分降低到10%以下时，酶的活性才会完全消失）。而另一方面，酶和基质（酶作用的对象）却同时增浓。在这两方面的作用下，干燥初期，酶促化学反应可能会加剧，只有在干燥后期，酶的活性降低到一定程度，酶促化学反应才会显著降低。

在贮藏中，如果干制品吸湿，酶仍会缓慢地复活，从而引起食品变质。

灭酶：在干制前使酶失去活性，抑制干制品在贮藏中的酶反应。方法：100℃湿热处理；204℃以上干热处理。

2）食品主要营养成分的变化

》干燥使食品失去水分，干制品中营养成分的含量增加。

表5-5 新鲜和脱水干制品食品营养成分的比较，p.94

湿基成分含量的变化→干基成分含量的变化？（食品成分含量标准）》果糖、葡萄糖等碳水化合物在高温加热时会发生褐变、焦化（糖首先分解成各种羰基中间物，而后再聚合反应成褐色聚合物。随着聚合度的增加，颜色加深）。

》脂肪的氧化酸败是含脂食品变质的主要因素。脂肪的氧化酸败在干燥阶段和贮藏阶段都有发生。添加抗氧化剂可以减缓脂肪氧化酸败，如酚型抗氧化剂（BHA、BHT和PG）；金属整合剂（柠檬酸和抗坏血酸）。

》当水分活度较高时，肽链中的α-氨基比较脆弱，容易造成蛋白质营养价值的下降。

3）维生素的变化

维生素损耗程度取决于物料预处理（灭酶）、干燥、贮藏的方法和条件。

温度和水分活度是维生素损耗的主要影响因素。

表5-6 模拟系统中维生素降解与αw的关系, p.95

注意：

(1) 除温度和水分活度以外，光对维生素的变化也有影响。如：维生素B2，即核黄素→微颗粒包埋技术。

(2) 干燥方法对维生素的变化也有影响。如：胡萝卜中的胡萝卜素在日晒时损耗极大，在人工干燥（特别是喷雾干燥）时损耗较少；水果中的维生素C在晒干时损耗极大，但冷冻干燥时损耗较少。→一般来说，新鲜果蔬的人工干燥有利于保存原料中的维生素。

乳制品和肉制品中维生素的保存量也取决于干燥方法。冷冻干燥和真空干燥比热风干燥好。

一种新的低温干燥技术：低温除湿干燥

4）色泽的变化

》胡萝卜素、花青素、叶绿素等色素都会发生颜色变化。例如，叶绿素呈现绿色的能力和色素分子中镁的保存量成正比。湿热条件下叶绿素将失去一部分镁原子而转化成脱镁叶绿素，呈橄榄绿，不再呈草绿色。

》酶促和非酶促褐变反应是促使干制品变色的另一原因。

(1) 酶促褐变反应：植物组织受损伤后，材料中的氧化酶与多酚等成分接触，使其氧化成色素。

(2) 非酶褐变反应：包括糖分焦化和美拉德反应。糖分焦化反应：前述；美拉德反应：氨基酸和还原糖的相互反应。果蔬制品发生非酶褐变的水分活度范围是0.65~0.75；肉制品褐变水分活度范围一般在0.30~0.60；干乳制品褐变水分活度大约在0.70。由于食品成分的差异，即使同一种食品，由于加工工艺不同，引起褐变的最适宜水分活度也有差异。美拉德反应在水分20%~15%的范围内最迅速。（较高温度条件下发生）

图5-6 干鳕鱼在贮藏中的褐变，p.97。

该图中，温度和相对湿度是影响褐变的主要因素。空气相对湿度75%RH 以上时可减少褐变，却会带来微生物的腐败问题。对于干鳕鱼及干醍鱼，最小褐变的水分含量为7%~9%，对于醍鱼相当于水分活度0.32~0.45。

例：大蒜的绿变，苹果、香蕉的褐变，常温条件下酶的活性高。

(3) 褐变对策：干燥前进行灭酶，低温干燥，拒绝与空气（氧气）接触。5）食品风味的变化

很多呈味物质的沸点都很低，干燥时的高温极易引起呈味物质的挥发。例如，牛乳中的硫化甲基，虽然它的含量实际上仅亿分之一，但其制品却已失去鲜乳风味。

减少风味变化的对策: (1)从干燥设备中回收或冷凝外逸的蒸汽，再加回到干制食品中，以便尽可能保存它的原有风味；(2)从其它来源取得香精或风味制剂以补充干制品中的损耗；(3)干燥前在某些液态食品中添加树胶和其它物质以阻止可能出现的风味损耗（微颗粒包埋技术）。

但是，完全阻止干燥过程中的风味物质损耗几乎不可能。

5.2.3 对微生物生长的影响

》抑制微生物生长的食品水分：细菌和酵母在30%以下；霉菌在12%以下（有些耐旱霉菌需要2%以下）。

》严格来说，抑制微生物生长的决定性影响因素是有效水分，即水分活度。抑制微生物生长的食品水分活度：一般霉菌在0.85以下；黄曲霉在0.78以下；耐旱霉菌在0.70以下。

》降低水分活度的有效方法：一是干燥（减少水分），二是添加糖、盐等溶质成分（束缚水分）。 腌制

5.3 食品干燥贮藏所需的最低水分

干燥食品的耐贮藏性主要取决于干燥后的水分，根本上取决于干物料的水分活度。

1）谷类和豆类

表5-7谷物收获和安全贮存所要求的水分含量, p.98

2）鱼干、肉干类

干燥到较低水分含量的肉制品虽有较好的保藏性，但会带来食用品质（如硬度、风味）问题。因此常结合其它保藏工艺（如腌制、熏制等），以达到一定保质期而又能保持其优良食用品质。

3）乳制品

我国国家标准：全脂乳粉的水分2.5%~2.7%，脱脂乳粉的水分4.0~4.5%，调制乳粉的水分2.5~3.0%，脱盐乳清粉(特级晶)<2.5%。

4）干制蔬菜

干制洋葱、豌豆和青豆等的水分5%~10%，相当于水分活度0.10~0.35。注意：

(1) 蔬菜原料通常携带较多的微生物，尤其是芽孢细菌。因此，干燥前需要进行清洗、热漂烫等灭菌处理;

(2)干制蔬菜的贮藏性较好，但是在贮藏过程吸湿就会引发变质，所以需要采用防止吸湿的包装。

5）干制水果

多数干制水果的水分活度：0.65~0.60。

》总的来说，干燥食品的最终水分(水分活度)要求，常由食品成分、加工工艺、贮藏条件等来决定。

表5-8 一些无包装食品在20℃贮藏时最高许可水分活度, p.99

5.4 评价干制品品质的指标

评价干制品品质的指标主要有物理指标和化学指标。物理指标主要包括形状、质地、色泽、密度、复水性和速溶性。化学指标主要是指各种营养成分。形状、质地、色泽和成分的变化前面已有涉及，下面主要分析干制品的复水性和速溶性。

5.4.1 干制品的复原性和复水性

块片及颗粒状的蔬菜类干制品一般都在复水（重新吸回水分）后才食用。复原性和复水性是干制品的两大特性。

(1) 复原性

干制品吸水分后在质量、大小和形状、质地、颜色、风味、成分、结构等各个方面恢复原来新鲜状态的程度。

(2) 复水性

干制品吸收水分的程度，常用干制品吸水增重的程度来衡量。

复水性的指标：

复水率（R，-），式（5-5）（符号含义，单位）→干制品的吸水能力

复重系数（K，-），式（5-6）（符号含义，单位）→干制品的水分回复能力蔬菜一般在3.5～7.5。胡萝卜等根茎类的复水率较低，菠菜等叶类的复水率较高。

(3) 复水性的测定方法

把干制品放入12~16倍质量的冷水中浸泡半小时，再煮沸5~7min即可。

(4) 干制品的复水并不是干燥历程的简单反复

这是因干燥过程中所发生的某些变化并非可逆。例如蛋白质变性、细胞和毛细管的萎缩、淀粉的亲水性下降等。

（5）方便食品的复水性主要与原料成分和加工方法有关

表5-9 鱼糜的含量对鱼糜方便面复水的影响, p.101

图5-7 干燥方法对复水性的影响，p.101

表5-10 大蒜加热温度和冻干时间与复水率的关系，p.101

根据上述事例，分析干燥食品复水性的主要影响因素（作业）

5.4.2 粉末干制品的速溶性（省）

粉末干制品：各类奶粉、各类果蔬粉、各类保健固体饮品、各类咖啡类饮品、各种方便茶饮料等。

评价粉末干制品的性能指标是速溶性，包括以下两个方面：

(1)粉末在水中形成均匀分散相的时间

(2)粉末在水中形成分散相的量

粉末的速溶性加工方法→粉末的成分、结构→

表5-11 红茶浸提工艺对速溶茶粉速溶性的影响, p.102