CN102865720A - 一种液体物料的冷冻干燥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体物料的冷冻干燥方法，其特征是，包括如下步骤：（1）将具有乳化作用和稳定作用的复合添加剂均匀分散于液体物料中，制备成待干料液；（2）在搅拌下，将待干料液在-5℃～0℃的温度下进行预冷冻，使之变成具有初始孔隙的预冷冻物料；（3）将预冷冻物料在-20℃～-50℃的温度下进行冷冻，完成固化过程，得到具有初始孔隙的冷冻物料；（4）将冷冻物料进行冷冻干燥，得到最终产品。本发明具有工艺简单、速率快和能耗低等特点，适用于食品、药品和生物制品等的冷冻干燥。
Description
技术领域
本发明属于食品、药品和生物制品等的冷冻干燥加工技术领域，具体而言涉及一种液体物料的冷冻干燥方法。
背景技术
在所有干燥技术中，冷冻干燥的产品质量最好。冷冻干燥在食品、药品和生物制品等热敏性物料的脱水过程中具有不可替代的作用，但是其过程能耗高的问题迄今仍未找到有效的解决办法。冷冻干燥主要由物料冷冻、维持系统真空、升华干燥和蒸汽凝结四种操作组成，其中升华干燥的能耗约占整个过程总能耗的一半。升华干燥时间长、速率低是冷冻干燥过程能耗高的瓶颈所在。缩短升华干燥过程的时间，继而也能相应地缩短维持系统真空和升华蒸汽凝结过程的时间，因而是提高冷冻干燥速率、降低总能耗的关键。
研究表明，冷冻干燥的传递阻力主要来自于升华干燥过程中蒸汽在冰晶升华后留下的固体骨架所形成的多孔干燥区的迁移。而固体骨架的孔隙结构取决于物料的冷冻阶段。常规的液体物料冷冻干燥过程是将待干料液直接冷冻，得到没有初始孔隙的饱和冷冻物料，不利于蒸汽的迁移。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、速率快和能耗低的液体物料的冷冻干燥方法。
具体而言，本发明的液体物料的冷冻干燥方法包括如下步骤：
（1）将具有乳化作用和稳定作用的复合添加剂均匀分散于液体物料中，制备成待干料液；
（2）在搅拌下，将待干料液在-5℃～0℃的温度下进行预冷冻，使之变成具有初始孔隙的预冷冻物料；
（3）将预冷冻物料在-20℃～-50℃的温度下进行冷冻，完成固化过程，得到具有初始孔隙的冷冻物料；
（4）将冷冻物料进行冷冻干燥，得到最终产品。
所述复合添加剂可以选自脱脂奶粉、明胶、卡拉胶、阿拉伯胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、羧甲基纤维素钠、单苷酯、海藻酸钠、黄原胶、蔗糖酯、大豆磷脂、月桂酸甘油酯中的1种或2种以上，例如可以选择羧甲基纤维素钠与脱脂奶粉的质量比为0.05～0.15：1的混合物。所述复合添加剂在待干料液中的质量份数一般为1%～3%。
此外，当冷冻干燥过程的捕冰量在3kg/24h以下时，所述预冷冻优选是在保温容器中，一边搅拌一边向待干料液中加入液氮而进行的，此时液氮与待干料液的体积比一般为1～2：1。而当冷冻干燥过程的捕冰量大于3kg/24h时，所述预冷冻优选是在将温度控制在-5℃～0℃的预冷冻装置中，一边搅拌一边混入空气而进行的。所述冷冻物料的初始孔隙率一般为30%～90%。
本发明特别适合于含有食品、药品或生物制品的液体物料的脱水。
相对于常规的冷冻干燥方法，本发明具有工艺简单、速率快（干燥时间缩短10%～40%）和能耗低等特点。
附图说明
图1是本发明实施例1的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明的液体物料的冷冻干燥方法包括如下步骤：
（1）将具有乳化作用和稳定作用的复合添加剂均匀分散于液体物料中，制备成待干料液；
（2）在搅拌下，将待干料液在-5℃～0℃的温度下进行预冷冻，使之变成具有初始孔隙的预冷冻物料；
（3）将预冷冻物料在-20℃～-50℃的温度下进行冷冻，完成固化过程，得到具有初始孔隙的冷冻物料；
（4）将冷冻物料进行冷冻干燥，得到最终产品。
与常规的液体物料冷冻干燥技术相比，本发明另外包括了冷冻固化前的步骤（1）和（2）。具体而言，常规的液体物料冷冻干燥过程是将液体物料直接冷冻固化，得到几乎没有初始孔隙的“饱和”冷冻物料，这不利于后续升华干燥过程中蒸汽的迁移。而本发明通过步骤（1）和（2）首先将液体物料预冷冻成像“冰激凌”一样的具有初始孔隙的“非饱和”冷冻物料，然后再进行最终的冷冻固化过程。预冷冻过程所构建的初始孔隙结构将在后续升华干燥过程中大大促进蒸汽在物料内部的迁移，从而提高液体物料的冷冻干燥速率，提高能量利用率。而且，本发明工艺简单、操作容易，具有很高的实用价值和广阔的市场前景。
步骤（1）中，对使用的具有乳化作用和稳定作用的复合添加剂没有特别限制，可根据液体物料的类型和使用目的等进行适当选择。作为所述复合添加剂，可以是从脱脂奶粉、明胶、卡拉胶、阿拉伯胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、羧甲基纤维素钠、单苷酯、海藻酸钠、黄原胶、蔗糖酯、大豆磷脂和月桂酸甘油酯等中选择的1种或2种以上，例如可以使用羧甲基纤维素钠与脱脂奶粉的质量比为0.05～0.15：1的混合物作为复合添加剂。复合添加剂的作用是在后续的预冷冻步骤（2）和冷冻步骤（3）中，构建出稳定的固体骨架结构，赋予冷冻物料良好的保型性，从而保证冷冻干燥过程的顺利进行。添加剂的用量以不影响液体物料本身性质为宜，其在待干料液中的质量份数一般为1%～3%。
液体物料中物料的质量份数可根据液体物料的粘度等参数进行适当调整，一般为10%～40%（此处的质量份数是指液体中分散和溶解的物料所占的质量份数）。
步骤（2）是在预冷冻待干料液的同时通过搅拌逐渐混入气体，使气体以极微小的气泡状态均匀分布于预冷冻物料中的过程（即形成具有初始孔隙的预冷冻物料）。预冷冻温度一般为-5℃～0℃，搅拌速度一般为100r/min～500r/min，搅拌时间一般为5min～15min，混入的气体可以为空气、氧气、氮气、氦气等，优选价格便宜的空气。
对预冷冻的方法没有特别限制，例如可以在保温容器中，以一边搅拌一边向待干料液中加入液氮的方式进行，其中液氮与待干料液的体积比一般为1～2：1。液氮可以充分地对待干料液进行预冷冻，另外由于液氮气化产生气态氮，因此无需另外导入气体。此方法简便、操作容易，但成本较高，一般适用于生产规模较小的情形（例如冷冻干燥过程的捕冰量在3kg/24h以下，但并不限定于此）。当生产规模较大时（例如冷冻干燥过程的捕冰量大于3kg/24h，但并不限定于此），则一般优选在将温度控制在-5℃～0℃的预冷冻装置（例如用于制备冰激凌的预冷冻装置）中，以一边搅拌一边混入空气的方式进行。该方法由于使用价格便宜的空气，因此适用于大规模的工业生产。
步骤（3）是对物料进行冷冻固化的过程，冷冻时间一般为3h～6h。该步骤将预冷冻物料中的初始孔隙保持下来，从而获得了具有初始孔隙的冷冻物料。而常规的冷冻干燥过程获得的冷冻物料则不具备初始孔隙。
由上述步骤（1）～（3）获得的冷冻物料的初始孔隙率一般为30%～90%，这样会获得更好的冷冻干燥效果。初始孔隙率可通过控制混入的气体量、搅拌速度等进行适当调整。初始孔隙率的计算方法如下：由本发明步骤（1）～（3）获得的冷冻物料的体积（V1）与在相同的冷冻温度下直接将相同量的液体物料进行冷冻获得的物料的体积（V0）之差除以由本发明步骤（1）～（3）获得的冷冻物料的体积（V1），即：
初始孔隙率（%）=100%×（V1-V0）/V1
步骤（4）是将已经固化的具有初始孔隙的冷冻物料进行冷冻干燥得到最终产品的过程，可按常规方法进行，该过程的绝对压力一般为10Pa～50Pa。
本发明特别适合于热敏性物料或有生物活性要求物料的脱水，如含有食品（例如速溶咖啡、海参制剂）、药品（例如中草药提取物、西洋参提取物）或生物制品（例如酶、细胞、药物蛋白）等液体物料的脱水。
实施例
下面结合实施例详细说明本发明，但下面的实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
如图1所示，以羧甲基纤维素钠与脱脂奶粉质量比为0.1：1的固体混合物作为复合添加剂，将添加剂在30℃下均匀分散于咖啡质量份数为12%的咖啡液中，制备成待干料液，添加剂在待干料液中的质量份数为1.5%；将待干料液转移至保温容器中，按与料液体积比1.5：1加入液氮，同时以400r/min的转速搅拌10min，得到具有初始孔隙的预冷冻物料；将预冷冻物料在-35℃下冷冻4h，完成固化过程，得到初始孔隙率为66.7%的冷冻物料（即相对于没有初始孔隙的饱和冷冻物料，此条件下制备的具有初始孔隙的冷冻物料的体积增大了2倍）；将具有初始孔隙的冷冻物料在绝对压力23Pa～24Pa、辐射温度30℃下冷冻干燥3.5h，得到含水率为1%的干燥产品粉末0.307g。
比较例1
将与实施例1相同量的固体质量份数为12%的咖啡液直接在-35℃下冷冻4h完成固化过程后，在绝对压力23Pa～24Pa、辐射温度30℃下冷冻干燥5h，得到含水率为4%的干燥产品粉末0.316g。
由上述结果可知，本发明与常规的冷冻干燥方法相比，干燥时间减少了30%，而且本发明获得的干燥产品的含水率低于常规的冷冻干燥方法。
Claims (9)
1.一种液体物料的冷冻干燥方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）将具有乳化作用和稳定作用的复合添加剂均匀分散于液体物料中，制备成待干料液；
（2）在搅拌下，将待干料液在-5℃～0℃的温度下进行预冷冻，使之变成具有初始孔隙的预冷冻物料；
（3）将预冷冻物料在-20℃～-50℃的温度下进行冷冻，完成固化过程，得到具有初始孔隙的冷冻物料；
（4）将冷冻物料进行冷冻干燥，得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述复合添加剂选自脱脂奶粉、明胶、卡拉胶、阿拉伯胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、羧甲基纤维素钠、单苷酯、海藻酸钠、黄原胶、蔗糖酯、大豆磷脂、月桂酸甘油酯中的1种或2种以上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述复合添加剂是羧甲基纤维素钠与脱脂奶粉的质量比为0.05～0.15：1的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述复合添加剂在待干料液中的质量份数为1%～3%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当冷冻干燥过程的捕冰量在3kg/24h以下时，所述预冷冻是在保温容器中，一边搅拌一边向待干料液中加入液氮而进行的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，液氮与待干料液的体积比为1～2：1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当冷冻干燥过程的捕冰量大于3kg/24h时，所述预冷冻是在将温度控制在-5℃～0℃的预冷冻装置中，一边搅拌一边混入空气而进行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述冷冻物料的初始孔隙率为30%～90%。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征是，所述液体物料是含有食品、药品或生物制品的液体物料。
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2012
- 2012-09-29 CN CN201210375233.0A patent/CN102865720B/zh not_active Expired - Fee Related
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