食品濃縮技術

摘要：為了在生產中便于儲藏運輸或作為其他工序的預處理，又要使食品溶液的色、香、味盡可能地保存下來，所以，采用了濃縮技術。我過現有的幾種濃縮技術主要有蒸發濃縮、真空濃縮、閃蒸濃縮、反滲透濃縮、超濾濃縮、膜濃縮、電滲析濃縮、冷凍濃縮等。此篇文章主要對其中的蒸發濃縮、膜濃縮、冷凍濃縮三大濃縮技術的原理、操作技術進行了闡述說明。
關鍵字：濃縮技術 ；原理；選擇
一、食品濃縮的目的
① 減少重量和體積,濃縮去除食品中大量的水分，減少食品包裝、貯藏和運輸費用。
② 可提高制品濃度，增大滲透壓，降低水分活度，抑制微生物生長，延長保質期。   
③ 作為干燥、結晶或完全脫水的預處理過程。  
④ 降低食品脫水過程的能耗 。
⑤ 改善產品質量。
二、濃縮方法
從原理上說分為平衡濃縮和非平衡濃縮兩種物理方法。
①平衡濃縮是利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質和溶劑分離的方法。蒸發濃縮和冷凍濃縮即屬此法。
蒸發濃縮在實踐上是利用加入熱能使部分溶劑汽化，并將此汽化水分從余下的被濃縮溶液中分離出去。即使溶劑汽化達到使溶質增濃的目的。這種方法目前仍然是食品工業**廣泛應用的一種濃縮方法。
冷凍濃縮是利用稀溶液與固態冰在凝固點下的平衡關系，即利用有利的液固平衡條件。冷凍濃縮時，部分水分因放熱而結冰，而后用機械方法將濃縮液與冰晶分離。蒸發和冷凍濃縮，兩相都是直接接觸的，故稱為平衡濃縮。
②非平衡濃縮：是利用半透膜來分離溶質與溶劑的過程，兩相用膜隔開，因此分離不是靠兩相的直接接觸，故稱非平衡濃縮。利用半透膜的方法不僅可以分離溶質和溶劑，而且也可用以分離各種不同大小的溶質，因此統稱為膜 (滲)分離。
濃縮操作在食品工業中有著廣泛的應用，是食品工程上極其重要的單元操作。這些操作的原理都涉及到溶液的熱力學問題。
1.蒸發濃縮
  原理 ：按照分子運動學觀點，溶液受熱時，溶劑分子獲得了動能，當一些溶劑分子的能量足以克服分子間的吸引力時，溶劑分子就會逸出液面進入上部空間，成為蒸汽分子，這就是汽化。如果不設法除去這些蒸汽分子，則汽相與液相之間，水分的化學勢將漸趨平衡，汽化過程也相應逐漸減弱以**停止進行。故進行蒸發的必要條件就是熱能的不斷供給和生成的蒸氣的不斷排除。
一般說來，溶液在任何溫度下都會有水分的汽化。但這種汽化速度很慢，效率不高，所以工程上多采用在沸騰狀態下的汽化過程。通常說的蒸發就是指的這種過程。為了維持溶液在沸騰條件下汽化，需要不斷地供給熱量，通常多采用飽和水蒸氣為熱源。飽和水蒸氣在冷凝過程中放出的汽化潛熱提供蒸發所需的熱量。由此可見，從換熱角度看，蒸發器中進行的蒸發一方是水蒸氣的冷凝放熱，另一方是溶液的沸騰放熱
1.1真空蒸發的特點
①在真空條件下，液體的沸點低，有利于增大加熱蒸汽與液體 之間的溫差，增大傳熱效率，減少傳熱面積；
②物料在較低溫度下蒸發，可以減少對熱敏性物料的破壞；
③便于采用低壓蒸汽和廢熱蒸汽作為熱源，降低能耗，提高生產效率。
④真空蒸發需要配備真空系統，會增大設備投資及動力消耗。
1.2真空濃縮的優點
} 1、加熱蒸汽與沸騰液體之間的溫度差t可以增大。
} 2、可利用壓強較低的蒸汽作為加熱蒸汽。
} 3、由于低溫濃縮，有利于食品溶液進行濃縮，減少體積及重量，便于運輸及儲存。
} 4、由于溶液沸點較低，使濃縮設備的熱損失減少。
} 5、對料液起加熱殺菌作用，有利于食品保藏。
1.3真空濃縮的缺點
} 1、由于真空濃縮，須有抽真空系統，從而增加附屬機械設備及動力。
} 2、由于蒸發潛熱隨沸點降低而增大，所以熱量消耗大。
 
1.4蒸發濃縮過程食品物料的變化
（一） 食品成分的變化
（二）粘稠性
（三）結垢性
（四）起泡性
（五）結晶性
（六）風味形成與揮發性
（七）腐蝕性
1.5真空濃縮裝置操作流程
（一）單效真空濃縮裝置流程
由一臺濃縮鍋和冷凝器及抽真空裝置組合而成。
（二）多效真空濃縮裝置流程
常見有并流法、逆流法、平流法
順流法：是指蒸汽和料液的流動方向相同，均從**效到末效。在蒸發室內，由于壓力依次遞減，所以料液在各效間流動不需用泵，利用壓差供料，料液的沸點也依次遞減，因此當前效料液進入后效時，在降溫的同時可放出其顯熱，供一小步分水分汽化，增加蒸發器的蒸發器。
逆流法：指料液與蒸汽流動方向相反。原料液由**后一效進入，依次用泵送入前效，**后濃縮制品從**效排除。
隨著料液向前效流動，料溫和蒸發溫度越來越高，溫差較穩定，有利于提高傳熱效率，濃度溫度的提高使料液粘度較穩定，有利于其循環，但各效間料液流動要用泵輸送，同時高溫、高濃度的料液由高溫熱蒸汽加熱，易形成局部過熱，造成結焦和營養破壞。#p#分頁標題#e#
平流法：指原料液分別加入各效加熱器進行濃縮，濃縮后的濃縮液分別從各效放出。加熱蒸汽是從**效通入，二次蒸汽則順序通入各小以**末效。因此從各效蒸發器得到的濃縮液濃度相同，并且二次蒸汽的熱量能得到充分利用。
只用于蒸發濃縮操作進行的同時有晶體析出的場合，比如食鹽溶液的濃縮。
混流法：對于效數多的蒸發濃縮設備操作也有順流和逆流并用的，有些效間用順流，有些用逆流。
起協調順流和逆流優缺點的作用，對于粘度極高的料液很有用處，特別是在料液粘度隨濃度增大而顯著增加的場合下，可以用混流法。
 
2.冷凍濃縮
2.1原理：
1、冷凍濃縮過程中的固液相平衡
     當溶液的濃度低于低共熔濃度時，溫度T1的溶液降溫到T2以下，溶劑（水）成晶體（冰晶）析出；隨著冰晶體的形成及分離，溶液就獲得了濃縮。
     2、冷凍濃縮過程中溶液的冰點
在純水中加入溶質形成溶液時，冰點就下降，溫度下降多少與形成的溶液濃度高低有關。冷凍濃縮過程中，隨著水分結成冰，溶液濃度不斷升高，冰點不斷下降。
3、冷凍濃縮過程中的冰結晶量和濃縮液量
　    設原蔗糖溶液的總量為Ｍ kg，生成冰晶量為Ｆkg，蔗糖濃縮液量為Ｐkg，根據溶質的物料衡算應有：ＭX1=PX2 ,即（Ｆ＋Ｐ）X1=PX2或
　　　Ｆ／Ｐ＝（X2 －X1）／X1
4、冷凍濃縮過程中的溶質夾帶和溶質脫除
（1） 溶質夾帶
 　 冷凍濃縮過程中析出的冰結晶中有或多或少的溶質混雜其中
（2） 溶質脫除
    是指水分凍結時，排斥溶質，保持冰晶純凈的現象，只有保持在極緩慢凍結的條件下，才有可能發生。
5、濃縮終點
2.2優點
      濃縮過程不涉及加熱，適用于熱敏性食品物料的濃縮，可避免芳香物質因加熱造成的揮發損失。
    缺點
      濃縮過程微生物和酶的活性得不到抑制，制品還需進行熱處理或冷凍保藏；凍濃縮的溶質濃度有一定限制，且取決于冰晶與濃縮液的分離程度；
有溶質損失；成本高。
2.3冷凍濃縮的過程與控制
（一）冰晶生成及控制
１．冰晶生成速率
（１）凍結速度
（２）凍結方法　
（３）攪拌方式
（４）溶液濃度
（５）食品成分
２．冰晶生成的方式
（１）層狀凍結
　　　是在管式、板式、轉鼓式以及帶式設備中進行，又稱為規則凍結。
（２）懸浮凍結
　　　在受攪拌的冰晶懸浮液中進行的冰晶成長過程稱為懸浮凍結
（二）冰晶與濃縮液的分離
冰晶分離有壓榨、過濾式離心和洗滌等方法。
（三）冰晶的洗滌
在冰晶形成過程中，存在著溶質夾帶現象，在實際冷凍濃縮中，夾帶主要由冰晶表面吸附造成，溶質主要存在于冰晶表層。為避免損失，可采用稀溶液、冰晶融化后的水及清水對冰晶洗滌，將冰晶表面吸附的溶質洗脫焉，用清水洗滌容易造成濃縮液稀釋。
 
2.4冷凍濃縮的應用
冷凍濃縮由于在應用過程中不使物料受熱，因此所得制品熱敏性物質不被破壞，生物活性幾乎不受影響并在色、香味方面均得到**大限度地保留，顯著地增進了產品品質。但由于濃縮極限的限制及操作成本較高的缺陷，使得其應用受到很大的限制。目前主要應用于**果汁、**飲品、生物制品以及調味品等的濃縮，濃縮的制品或直接作為產品，或作為冷凍干燥的半成品。
應用分為：
       單級冷凍濃縮
       多級冷凍濃縮
 
3.膜濃縮
 原理：利用選擇性滲透膜進行濃縮是一項正在快速發展的技術，它已經在許多食品加工中得到應用。膜分離的基礎是分子的大小不同，對半孔膜的滲透性不同，小分子比大分子更容易通過膜。由于水分子是食品中**小的分子之一，用恰當的相對分子質量截留值的膜很容易實現濃縮。膜分離技術在乳品工業，用于從乳蛋白中分離水和其他相對分子質量小的分子，其他方面的應用包括果汁、調味劑和糖漿等的濃縮。
根據組成膜的物質把膜分成液膜和固膜兩種。膜濃縮（分離）即是一種使用膜的濃縮（分離）方法。該方法的優點是過程比較簡單，沒有相變，可在常溫下操作，既節省能源，又適合對熱敏性物質的濃縮（分離）。食品工業中應用較成功的膜濃縮主要有：以壓力差為推動力的反滲透濃縮；以電力為推動力的電滲析濃縮。
反滲透和超濾的操作大致是：原料液在一定壓力下進入過濾器，溶劑通過具有支撐多孔板的半透膜，溶質留于濾膜前，操作方法有間歇式和連續式兩種，目前工業上大都以連續式為主。
3.1膜濃縮的種類及操作原理
目前在工業上應用較成功的膜濃縮主要有以壓力為推動力的反滲透 (Rever Osmosis, 簡稱 RO) 、超濾(Ultra  Filtration,簡稱 UF)，以及以電力為推動力的電滲析#p#分頁標題#e#(ED) 。 
1. 反滲透
用半透膜隔開兩種濃度不同的溶液，剛開始時兩側水平是平齊的，但由于濃度不同，濃度差造成兩側的化學勢不同, 稀溶液中的水透過半透膜向濃溶液一側流動，直到兩側達到平衡為**；
     現在濃溶液一側加上一個外來壓力P2 ，滲透速度會逐步下降，當壓力超過某一數值時滲透停止，即達到了滲透平衡。P2－P1＝π （π即為滲透壓差）
     當P2進一步增大時,濃溶液中的水就會反其原來的滲透方向進入稀溶液側，這就叫做反滲透。
2.超濾
應用孔徑為1.0～20.0nm（或更大）的半透膜來過濾含有大分子或微細粒子的溶液，使大分子或微細粒子在溶液中得到濃縮的過程稱之為超濾濃縮。
      超濾的推動力也是壓力差，但與反滲透不同的是，超濾膜對大分子的截留機理主要是篩分作用，即符合所謂的毛細-孔流模型。決定截留效果的主要是膜的表面活性層上孔的大小和形狀。除篩分作用外，粒子在膜表面微孔內的吸附和在膜孔中的阻塞也使大分子截留。
3.電滲析
電滲析工程是應用膜法分離工程之一，它的原理是利用離子透過選擇性離子交換膜在直流電場的作用下進行遷移，使電解質離子從溶液中部分分離出來的過程。
    主要用途
      生產純凈水
    海水淡化，苦咸水淡化
    除氟化物、廢水處理
    動力設備給水除鹽
3.2膜材料的種類及膜組件
1. 膜的性能--膜的物化穩定性和分離透過性能。
膜的物化穩定性主要是指膜的耐壓性、耐熱性、適用的pH值范圍、化學惰性、機械強度。
膜的物化穩定性主耍取決于構成膜的高分子材料。
2. 膜的種類
纖維素膜
聚亞酰胺膜
聚砜系膜  
3.3膜濃縮在食品中的應用
l 果汁的濃縮
l 蔗糖液的濃縮
l 干酪制造過程中脫脂乳的濃縮
l 從大豆乳清廢液中提取大豆蛋白質
l 電滲析濃縮法制鹽
3.4影響膜濃縮的因素
（一）影響反滲透濃縮和超濾濃縮的因素 
1. 膜材料的種類和性能
2. 溶質的特性
3. 溶液的性質
4.  操作條件 
      （1） 操作壓力；（2） 操作溫度；            
      （3） 操作時間；（4） 濃差極化 
5.   膜的維護            
（1）  膜的壓實；（2）  膜的降解；            
（3）  膜的結垢 
（二）影響電滲析操作的因素 
1.   膜的極化
2.   電解質的濃差擴散
3.   水的滲透
4.   壓差滲漏
5.   膜的污染和中毒
三、濃縮技術在工業上的選擇應用

技術	分離動力	分離原理	產物
蒸發	熱	揮發度的不同（蒸汽壓力）	液體和蒸汽
反滲透	壓力梯度|選擇性滲透膜	物質在膜中溶解度差和擴散速率差	兩種液態產品
超濾	壓力梯度|選擇性滲透膜	對膜不同的透過性	兩種液態產品
透析滲析	選擇性滲透膜	透過膜的擴散速率不同	兩種液態產品
電滲析	溶劑|離子膜|電場	離子膜對特殊離子的選擇性	兩種液態產品
冷凍濃縮	制冷劑	純水的選擇性結晶	液態濃縮物和純水