食品浓缩技术

摘要：为了在生产中便于储藏运输或作为其他工序的预处理，又要使食品溶液的色、香、味尽可能地保存下来，所以，采用了浓缩技术。我过现有的几种浓缩技术主要有蒸发浓缩、真空浓缩、闪蒸浓缩、反渗透浓缩、超滤浓缩、膜浓缩、电渗析浓缩、冷冻浓缩等。此篇文章主要对其中的蒸发浓缩、膜浓缩、冷冻浓缩三大浓缩技术的原理、操作技术进行了阐述说明。
关键字：浓缩技术 ；原理；选择
一、食品浓缩的目的
① 减少重量和体积,浓缩去除食品中大量的水分，减少食品包装、贮藏和运输费用。
② 可提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制微生物生长，延长保质期。   
③ 作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。  
④ 降低食品脱水过程的能耗 。
⑤ 改善产品质量。
二、浓缩方法
从原理上说分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。
①平衡浓缩是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法。蒸发浓缩和冷冻浓缩即属此法。
蒸发浓缩在实践上是利用加入热能使部分溶剂汽化，并将此汽化水分从余下的被浓缩溶液中分离出去。即使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的。这种方法目前仍然是食品工业**广泛应用的一种浓缩方法。
冷冻浓缩是利用稀溶液与固态冰在凝固点下的平衡关系，即利用有利的液固平衡条件。冷冻浓缩时，部分水分因放热而结冰，而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。蒸发和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称为平衡浓缩。
②非平衡浓缩：是利用半透膜来分离溶质与溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是靠两相的直接接触，故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂，而且也可用以分离各种不同大小的溶质，因此统称为膜 (渗)分离。
浓缩操作在食品工业中有着广泛的应用，是食品工程上极其重要的单元操作。这些操作的原理都涉及到溶液的热力学问题。
1.蒸发浓缩
  原理 ：按照分子运动学观点，溶液受热时，溶剂分子获得了动能，当一些溶剂分子的能量足以克服分子间的吸引力时，溶剂分子就会逸出液面进入上部空间，成为蒸汽分子，这就是汽化。如果不设法除去这些蒸汽分子，则汽相与液相之间，水分的化学势将渐趋平衡，汽化过程也相应逐渐减弱以**停止进行。故进行蒸发的必要条件就是热能的不断供给和生成的蒸气的不断排除。
一般说来，溶液在任何温度下都会有水分的汽化。但这种汽化速度很慢，效率不高，所以工程上多采用在沸腾状态下的汽化过程。通常说的蒸发就是指的这种过程。为了维持溶液在沸腾条件下汽化，需要不断地供给热量，通常多采用饱和水蒸气为热源。饱和水蒸气在冷凝过程中放出的汽化潜热提供蒸发所需的热量。由此可见，从换热角度看，蒸发器中进行的蒸发一方是水蒸气的冷凝放热，另一方是溶液的沸腾放热
1.1真空蒸发的特点
①在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体 之间的温差，增大传热效率，减少传热面积；
②物料在较低温度下蒸发，可以减少对热敏性物料的破坏；
③便于采用低压蒸汽和废热蒸汽作为热源，降低能耗，提高生产效率。
④真空蒸发需要配备真空系统，会增大设备投资及动力消耗。
1.2真空浓缩的优点
} 1、加热蒸汽与沸腾液体之间的温度差t可以增大。
} 2、可利用压强较低的蒸汽作为加热蒸汽。
} 3、由于低温浓缩，有利于食品溶液进行浓缩，减少体积及重量，便于运输及储存。
} 4、由于溶液沸点较低，使浓缩设备的热损失减少。
} 5、对料液起加热杀菌作用，有利于食品保藏。
1.3真空浓缩的缺点
} 1、由于真空浓缩，须有抽真空系统，从而增加附属机械设备及动力。
} 2、由于蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大。
 
1.4蒸发浓缩过程食品物料的变化
（一） 食品成分的变化
（二）粘稠性
（三）结垢性
（四）起泡性
（五）结晶性
（六）风味形成与挥发性
（七）腐蚀性
1.5真空浓缩装置操作流程
（一）单效真空浓缩装置流程
由一台浓缩锅和冷凝器及抽真空装置组合而成。
（二）多效真空浓缩装置流程
常见有并流法、逆流法、平流法
顺流法：是指蒸汽和料液的流动方向相同，均从**效到末效。在蒸发室内，由于压力依次递减，所以料液在各效间流动不需用泵，利用压差供料，料液的沸点也依次递减，因此当前效料液进入后效时，在降温的同时可放出其显热，供一小步分水分汽化，增加蒸发器的蒸发器。
逆流法：指料液与蒸汽流动方向相反。原料液由**后一效进入，依次用泵送入前效，**后浓缩制品从**效排除。
随着料液向前效流动，料温和蒸发温度越来越高，温差较稳定，有利于提高传热效率，浓度温度的提高使料液粘度较稳定，有利于其循环，但各效间料液流动要用泵输送，同时高温、高浓度的料液由高温热蒸汽加热，易形成局部过热，造成结焦和营养破坏。#p#分页标题#e#
平流法：指原料液分别加入各效加热器进行浓缩，浓缩后的浓缩液分别从各效放出。加热蒸汽是从**效通入，二次蒸汽则顺序通入各小以**末效。因此从各效蒸发器得到的浓缩液浓度相同，并且二次蒸汽的热量能得到充分利用。
只用于蒸发浓缩操作进行的同时有晶体析出的场合，比如食盐溶液的浓缩。
混流法：对于效数多的蒸发浓缩设备操作也有顺流和逆流并用的，有些效间用顺流，有些用逆流。
起协调顺流和逆流优缺点的作用，对于粘度极高的料液很有用处，特别是在料液粘度随浓度增大而显著增加的场合下，可以用混流法。
 
2.冷冻浓缩
2.1原理：
1、冷冻浓缩过程中的固液相平衡
     当溶液的浓度低于低共熔浓度时，温度T1的溶液降温到T2以下，溶剂（水）成晶体（冰晶）析出；随着冰晶体的形成及分离，溶液就获得了浓缩。
     2、冷冻浓缩过程中溶液的冰点
在纯水中加入溶质形成溶液时，冰点就下降，温度下降多少与形成的溶液浓度高低有关。冷冻浓缩过程中，随着水分结成冰，溶液浓度不断升高，冰点不断下降。
3、冷冻浓缩过程中的冰结晶量和浓缩液量
　    设原蔗糖溶液的总量为Ｍ kg，生成冰晶量为Ｆkg，蔗糖浓缩液量为Ｐkg，根据溶质的物料衡算应有：ＭX1=PX2 ,即（Ｆ＋Ｐ）X1=PX2或
　　　Ｆ／Ｐ＝（X2 －X1）／X1
4、冷冻浓缩过程中的溶质夹带和溶质脱除
（1） 溶质夹带
 　 冷冻浓缩过程中析出的冰结晶中有或多或少的溶质混杂其中
（2） 溶质脱除
    是指水分冻结时，排斥溶质，保持冰晶纯净的现象，只有保持在极缓慢冻结的条件下，才有可能发生。
5、浓缩终点
2.2优点
      浓缩过程不涉及加热，适用于热敏性食品物料的浓缩，可避免芳香物质因加热造成的挥发损失。
    缺点
      浓缩过程微生物和酶的活性得不到抑制，制品还需进行热处理或冷冻保藏；冻浓缩的溶质浓度有一定限制，且取决于冰晶与浓缩液的分离程度；
有溶质损失；成本高。
2.3冷冻浓缩的过程与控制
（一）冰晶生成及控制
１．冰晶生成速率
（１）冻结速度
（２）冻结方法　
（３）搅拌方式
（４）溶液浓度
（５）食品成分
２．冰晶生成的方式
（１）层状冻结
　　　是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行，又称为规则冻结。
（２）悬浮冻结
　　　在受搅拌的冰晶悬浮液中进行的冰晶成长过程称为悬浮冻结
（二）冰晶与浓缩液的分离
冰晶分离有压榨、过滤式离心和洗涤等方法。
（三）冰晶的洗涤
在冰晶形成过程中，存在着溶质夹带现象，在实际冷冻浓缩中，夹带主要由冰晶表面吸附造成，溶质主要存在于冰晶表层。为避免损失，可采用稀溶液、冰晶融化后的水及清水对冰晶洗涤，将冰晶表面吸附的溶质洗脱焉，用清水洗涤容易造成浓缩液稀释。
 
2.4冷冻浓缩的应用
冷冻浓缩由于在应用过程中不使物料受热，因此所得制品热敏性物质不被破坏，生物活性几乎不受影响并在色、香味方面均得到**大限度地保留，显著地增进了产品品质。但由于浓缩极限的限制及操作成本较高的缺陷，使得其应用受到很大的限制。目前主要应用于**果汁、**饮品、生物制品以及调味品等的浓缩，浓缩的制品或直接作为产品，或作为冷冻干燥的半成品。
应用分为：
       单级冷冻浓缩
       多级冷冻浓缩
 
3.膜浓缩
 原理：利用选择性渗透膜进行浓缩是一项正在快速发展的技术，它已经在许多食品加工中得到应用。膜分离的基础是分子的大小不同，对半孔膜的渗透性不同，小分子比大分子更容易通过膜。由于水分子是食品中**小的分子之一，用恰当的相对分子质量截留值的膜很容易实现浓缩。膜分离技术在乳品工业，用于从乳蛋白中分离水和其他相对分子质量小的分子，其他方面的应用包括果汁、调味剂和糖浆等的浓缩。
根据组成膜的物质把膜分成液膜和固膜两种。膜浓缩（分离）即是一种使用膜的浓缩（分离）方法。该方法的优点是过程比较简单，没有相变，可在常温下操作，既节省能源，又适合对热敏性物质的浓缩（分离）。食品工业中应用较成功的膜浓缩主要有：以压力差为推动力的反渗透浓缩；以电力为推动力的电渗析浓缩。
反渗透和超滤的操作大致是：原料液在一定压力下进入过滤器，溶剂通过具有支撑多孔板的半透膜，溶质留于滤膜前，操作方法有间歇式和连续式两种，目前工业上大都以连续式为主。
3.1膜浓缩的种类及操作原理
目前在工业上应用较成功的膜浓缩主要有以压力为推动力的反渗透 (Rever Osmosis, 简称 RO) 、超滤(Ultra  Filtration,简称 UF)，以及以电力为推动力的电渗析#p#分页标题#e#(ED) 。 
1. 反渗透
用半透膜隔开两种浓度不同的溶液，刚开始时两侧水平是平齐的，但由于浓度不同，浓度差造成两侧的化学势不同, 稀溶液中的水透过半透膜向浓溶液一侧流动，直到两侧达到平衡为**；
     现在浓溶液一侧加上一个外来压力P2 ，渗透速度会逐步下降，当压力超过某一数值时渗透停止，即达到了渗透平衡。P2－P1＝π （π即为渗透压差）
     当P2进一步增大时,浓溶液中的水就会反其原来的渗透方向进入稀溶液侧，这就叫做反渗透。
2.超滤
应用孔径为1.0～20.0nm（或更大）的半透膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子在溶液中得到浓缩的过程称之为超滤浓缩。
      超滤的推动力也是压力差，但与反渗透不同的是，超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用，即符合所谓的毛细-孔流模型。决定截留效果的主要是膜的表面活性层上孔的大小和形状。除筛分作用外，粒子在膜表面微孔内的吸附和在膜孔中的阻塞也使大分子截留。
3.电渗析
电渗析工程是应用膜法分离工程之一，它的原理是利用离子透过选择性离子交换膜在直流电场的作用下进行迁移，使电解质离子从溶液中部分分离出来的过程。
    主要用途
      生产纯净水
    海水淡化，苦咸水淡化
    除氟化物、废水处理
    动力设备给水除盐
3.2膜材料的种类及膜组件
1. 膜的性能--膜的物化稳定性和分离透过性能。
膜的物化稳定性主要是指膜的耐压性、耐热性、适用的pH值范围、化学惰性、机械强度。
膜的物化稳定性主耍取决于构成膜的高分子材料。
2. 膜的种类
纤维素膜
聚亚酰胺膜
聚砜系膜  
3.3膜浓缩在食品中的应用
l 果汁的浓缩
l 蔗糖液的浓缩
l 干酪制造过程中脱脂乳的浓缩
l 从大豆乳清废液中提取大豆蛋白质
l 电渗析浓缩法制盐
3.4影响膜浓缩的因素
（一）影响反渗透浓缩和超滤浓缩的因素 
1. 膜材料的种类和性能
2. 溶质的特性
3. 溶液的性质
4.  操作条件 
      （1） 操作压力；（2） 操作温度；            
      （3） 操作时间；（4） 浓差极化 
5.   膜的维护            
（1）  膜的压实；（2）  膜的降解；            
（3）  膜的结垢 
（二）影响电渗析操作的因素 
1.   膜的极化
2.   电解质的浓差扩散
3.   水的渗透
4.   压差渗漏
5.   膜的污染和中毒
三、浓缩技术在工业上的选择应用

技术	分离动力	分离原理	产物
蒸发	热	挥发度的不同（蒸汽压力）	液体和蒸汽
反渗透	压力梯度|选择性渗透膜	物质在膜中溶解度差和扩散速率差	两种液态产品
超滤	压力梯度|选择性渗透膜	对膜不同的透过性	两种液态产品
透析渗析	选择性渗透膜	透过膜的扩散速率不同	两种液态产品
电渗析	溶剂|离子膜|电场	离子膜对特殊离子的选择性	两种液态产品
冷冻浓缩	制冷剂	纯水的选择性结晶	液态浓缩物和纯水