食品科学概论 第四章 食品工程原理

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干燥过程中的传热与传质
食品物料的干燥过程是热量传递和质量传递同时存 在的过程，伴随着传热(物料对热量的吸收)、传质(水分 在物料中的迁移 ) ，物料达到干燥的目的。热量和质量 是通过物料内部和外部传递来实现的。
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二、干燥过程中食品物料的主要变化
产生电磁波，其中因热的原因引起的电磁波辐射，即为热 辐射。
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二、高温对微生物菌群的影响
当食品中微生物菌群与高温接触时，各个微生物细
胞的变化和微生物活力的降低使得微生物数量随着时间
的增加而减少，这可通过标准微生物学方法进行定量测 定。在所给定的高温下，随着时间的增加，微生物数量 以对数减少。在微生物与高温初始接触的短时间内，营 养细胞数量之间的差异与细菌芽孢数量相比是明显的。
干缩 物理状态的变化
任何脱水过程几乎都造成物料的收缩现象。物料干缩 的程度及均匀性对其复水性有很大的影响，干缩程度小、 收缩均匀的物料复水性较好，反之较差。 食品物料在干燥过程中，除发生永久性的收缩变形外， 还会出现组织干裂或破碎等现象。另外，在食品不同部位 所产生的不等收缩又往往会造成物料奇形怪状的翘曲。
四、蒸馏
蒸馏是分离液体混合物的一种重要方法。蒸馏分离的
基础是根据液体混合物中各组分的挥发度差异，通过加热
的方法使混合物形成气、液两相，各组分在两相中浓度不 同，从而实现混合物的分离。 蒸馏可以按不同方法分类。按操作原理可分为水蒸气 蒸馏、简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、分子蒸馏和各种特殊
蒸馏。按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。按操作压
机械脱水。在这种情况下，用机械手段除去水所需的能量
比加热脱水所需的能量要少。压榨技术在食品加工中的一 个基本应用是从种子中榨油。另一个应用是压榨水果生产 果汁。
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三、离心
离心分离是利用离心惯性力实现物料中固液或液液两
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相间以及液液固三相间的分离，在食品工业上经常碰到的
穴，干制品组织内部就形成一定的孔隙而具有多孔性。
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化学性质的变化
蛋白质的变化: 通常食品物料较长时间暴露在71℃以 上的热空气中，对蛋白质有一定破坏作用。 脂肪的变化: 脱水过程中，食品(特别是含油脂食品) 物料中的油脂极易发生氧化，干燥温度升高，脂肪氧化严 重。 维生素的变化: 高温对食品物料中的维生素均有不同 程度的破坏。 食品色泽的改变: 由于高温作用，在物料干燥过程中， 食品原有的色泽发生变化。碳水化合物参与的酶促褐变与 非酶促褐变反应是干制食品变成黄色、褐色或黑色的主要 原因。温度越高，处理时间越长，色素变化量越多。
态和湿固态。液态物料包括溶液、胶体溶液和非均相的
液态物料，其主要特征是具有流动性。固态湿物料是最
常见的食品物料，它包括晶体、胶体和生物组织体。
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食品湿物料中水分存在的形式和表示法
食品水分又称为食品含水率，水分含量的表示有干 基水分和湿基水分两种。 湿物料中水分的活度 湿物料中水分的活度对干燥速率有决定性作用，是 湿物料干燥的重要因素。水分活度(Aw)是指物料表面水
而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所采用
的设备称为蒸发器。蒸发的必要条件为热能的不断供给 和生成蒸汽的不断排除。
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工业上的蒸发操作经常在减压下进行，这种操作称为
真空蒸发。真空蒸发有以下几个特点：①减压下溶液的沸
点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽 或废蒸汽作为热源。②溶液的沸点随所处的压强减少而降
溶性前体中诱导反应产生可溶性溶质)。
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七、吸附
吸附属于传质分离过程，是使气体或液体流动相与多
孔固体颗粒相接触，使流动相中一种或多种组分被吸附于 固体表面，以达到分离的操作。其中具有吸附能力的固体 颗粒相称为吸附剂，流动相中被吸附的组分称为吸附质。 根据流动相的不同，可将吸附分为液体吸附和固体吸 附，在食品工业中用到的主要是液体吸附。若吸附剂与吸 附质之间的作用力仅为分子间的引力，该吸附称为物理吸 附或范德华吸附。若吸附剂与吸附质之间的作用力为化学 力，即两者已进行化学反应生成了某种物质，这种吸附称 为活性吸附。
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第四章 食品工程原理
第一节 食品的热加工原理
第二节
第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
食品的干燥原理
食品的浓缩原理 食品的分离原理 食品的粉碎与筛分原理 食品的搅拌混合、均质和乳化原理 食品的冷冻原理 食品的膜分离原理
低，故对相同压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可
以提高总传热温差，但与此同时，溶液的粘度加大，所以 总传热系数下降。③真空蒸发系统要求有造成减压的装置， 使系统的投资费用和操作费用提高。
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二、结晶
结晶是从液相或气相生成形状一定、分子(或原子、离
子)有规则排列的晶体的现象。与其他分离的单元操作相比， 结晶过程具有如下特点：①能从杂质含量相当多的溶液或 多组分的熔融混合物中产生纯净的晶体；②能耗少，操作 温度低，对设备材质要求不高，一般亦很少有“三废”排
热传导。
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对流传热 : 是不同温度的流体因搅拌、流动引起的流
体质点宏观位移导致的传热过程。流体流过与流体平均温
度不同的固体壁面时的热交换过程在工程上称为对流传热。 辐射传热 : 物体以发射电磁波形式传递能量的过程称
为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可由不同的原因
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第四节 食品的分离原理
一、过滤
过滤是以某种多孔物质为介质，在外力作用下使连续
相流体通过介质的孔道，而分散相颗粒被截留，从而实现
分离的操作。过滤被广泛应用于食品加工中。通常过滤用 于澄清像果汁或植物油一类的液体食品，或从空气或流体 食品中除去微生物和从液相中分离出固体 (即糖精制、脂肪 分级等)。
放，有利于环境保护；③结晶产品包装、运输、储存或使
用都很方便。
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三、冷冻浓缩
冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的
一种浓缩方法。冷冻浓缩适用于热敏性食品的浓缩，可防
止食品中的芳香物质的挥发损失。 冷冻浓缩的主要缺点是：①冷冻浓缩过程本身不具有 杀菌灭酶作用，因此浓缩制品必须冻藏或再加热处理，才 能保存；②采用这种方法制品的浓度不仅受低共熔浓度限 制也受冰晶与浓缩液分离的难易程度影响，一般浓度越高， 粘度越大，分离就越困难；③浓缩过程会造成不可避免的 溶质损失，且成本高。
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第一节 食品的热加工原理
一、传热的基本概念和原理
热量的传递是由于物体或系统内不同部分之间存在温 度差而引起的。根据传热机理的不同，传热有三种基本
方式：热传导、对流传热、辐射传热。
热传导 : 又称导热，可以通过固体、液体和气体进行。 当物体存在温度差时，通过物质的分子、原子和电子的 振动、位移和相互碰撞发生能量的传递，这种传递称为
分的蒸汽压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。
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干燥介质的特性
在食品干燥生产中，从湿物料中除去水分通常采用热 空气为干燥介质，干燥过程中热空气既是载热体，又是载 湿体。湿空气中的水蒸气量不断发生变化，而绝干空气的 质量恒定。 食品物料与干燥介质间的平衡关系 由于物料表面的水蒸气分压与介质的水蒸气分压的压 差作用，使两相之间的水分不断地进行传递，经过一段时 间后，物料表面的水蒸气分压与空气中的水蒸气分压将会 相等，物料与空气之间的水分达到动态平衡，此时物料中 所含的水分为该介质条件下物料的平衡水分。
是液固相 ( 悬浮液 ) 或液液相 ( 浮浊液 ) 的分离。实现离心分 离的专用设备称为离心机。
离心分离在食品加工中应用：从牛奶中分离奶油和植
物油的精炼，及啤酒工业、鱼蛋白浓缩物加工和从果汁中 除去细胞碎片。离心过滤也被用于食品工业中从结晶浆液 中分离结晶产品(乳糖、蔗糖)。
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•辐射干燥：热量通过电磁波的形式由辐射加热器传递给 食品材料表面，再通过材料自身的热量传递，使内部的水 分汽化，达到干燥的目的。
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第三节 食品的浓缩原理
一、蒸发
蒸发是食品工业中应用最为广泛的浓缩方法之一。
蒸发是利用溶质和溶剂挥发度的差异，通过加入热能的
方法使溶剂汽化，而溶质不挥发，从而达到分离的目的。 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从
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表面硬化
干燥过程中造成物料表面硬化的原因主要有：一是 食品干燥过程中，物料内部的溶质随水分向物料表面的 不断移动；二是由于干燥初期，食品物料与介质间温差 和湿度差过大，致使物料表面温度急骤升高，水分蒸发 过于强烈，而使物料表面迅速达到绝干状态，形成一层 干燥的薄膜，造成物料表面的硬化。 物料内部多孔性的形成 物料内部多孔的产生是由于物料中的水分在干燥进程 中被去除，原来被水分所占据的空间由空气填充而成为空
营养细胞受热后数量急速下降，而细菌芽孢数量的减少
会有一定时间的滞后期。然而减少的模型是相同的。
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三、热加工对食品质量的影响
大部分食品在高于环境温度时，会引起质量很大的变
化。虽然应用一些高温加工方法使许多食品在食用前产生
有益的和有利的变化，但是与保藏加工有关的温度、时间 关系的增大通常会引起质量属性的降低。这些质量下降存 在各方面，包括风味、质构、颜色以及热敏性营养素的减 少。一般来说，必须根据这些食品质量的变化，正确地制
定热加工条件以避免过度加工和造成产品质量不必要的下
降。
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第二节 食品的干燥原理
一、 食品干燥基本概念和理论
食品湿物料的形态和物理性质 湿物料按其外观形态的不同分为下面几种：散粒体、 晶体、块状、片状、条状、粉末状、膏糊状、液态。
湿物料按其物理化学性质的不同可分为两大类：液
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六、提取
当固态原料中的一种组分被溶解在液体溶剂中时，这种
组分就被提取，这就称作为浸提或固－液抽提。固液提取
依据的基本原理是固液之间存在的浓度差，它引起分子从 一处扩散到另一处。实际上，固体中溶质的扩散不是浸出 的惟一机制。在固液提取过程中，也存在溶质从固体表面 洗出、提取物从粒子间微孔中的置换和溶解化反应 (或从不
强可分为常压蒸馏、加压蒸馏和真空(减压)蒸馏。按液体 混合物所含组分数目可分为双组分蒸馏和多组分蒸馏。
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五、吸收
通过将一种组分选择性吸收或溶解到液体中来除去蒸 汽相中的少量杂质，被称为吸收。然而食品加工中吸收技
术的应用是有限的。相反的过程是通过选择性吸收到气流
中来除去液相中的杂质称为汽提。在食品加工中，汽提用 于植物油的脱臭。 吸收或汽提的推动力是杂质化合物在液相和气相中的 浓度差。在吸收中，杂质迁移到液相中直至达到平衡，而 在汽提中，杂质迁移到气相中达到平衡。在汽提中，两组 分之间的蒸汽压差为选择性去除挥发组分(脂肪酸等)提供了 推动力。
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二、压榨
压榨是通过机械压缩力将液相从液固两相混合物中分离
出来的一种单元操作，在压榨过程中液相流出而固相截留
在压榨面之间。 压榨的基本原理：是将物料置于两个表面之间，对物料
施加压力使液体分离释出。释出的液体透过物料内部空隙
流向自由边缘或表面。 压榨的一个潜在应用是半固体食品在加热干燥前预先被
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三、食品干燥方法
•对流干燥：又称热风干燥，热量以对流的方式传递给湿 物料，使食品材料中的水分汽化，达到干燥的目的。 •接触干燥：被干燥物料与加热面处于密切接触状态，蒸 发水分的能量来自传导方式进行的干燥
•冷冻干燥：是一种特殊形式的真空干燥方法。物料水分 则是在固态下即从冰晶体直接升华成水蒸气，因此冷冻干 燥又称为升华干燥。