微波真空干燥的原理

2018-05-22  来自: 南京国威干燥设备有限公司 浏览次数:450

微波是一种电磁波,可产生高频电磁场。介质材料由极性分子和非极性分子组成,在电磁场作用下,极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向,在高频电磁场作用下造成分子的运动和相互摩擦从而产生能量使得介质温度不断提高。因为电磁场的频率极高,极性分子振动的频率很大,所以产生的热量很高。当微波加热应用于食品工业时,在高频电磁场作用下,食品中的极性分子(水分子)吸收微波能产生热量,使食品迅速加热、干燥。水和一般湿介质在一定的介质分压作用下,对应一定的饱和温度,真空度越大,湿物料所含的水或湿介质对应的饱和温度越低,即沸点温度低,越易汽化逸出而使物料干燥,真空干燥就是根据这一热物理特性,在真空条件下将气相中的低压水蒸气及空气等含量较少的不凝结气体,借真空泵的抽吸而除去。
      真空干燥时物料的脱水是依靠热传导将外来热量传递给被干燥物料的,而在低气压环境下,用对流方式进行热传递速度较慢,妨碍了真空干燥优点的发挥。微波干燥是利用介电加热原理,依靠高频电磁振荡来引发分子运动,使被加热物发热,加热方式有别于传统的对流、传导与辐射,系微波直接对物体进行加热,传热这一限制因素被打破。微波真空干燥把微波干燥和真空干燥两项技术结合起来,充分发挥各自优势,在一定的真空度下水分扩散速率加快,可以在低温条件下对物料进行干燥,较好地保持了物料的营养成分。微波可为真空干燥提供热源,克服了真空状态下常规热传导速率慢的缺点,因而大大缩短了干燥时间,提高了生产效率。
2 微波真空干燥的特点
    (1)干燥均匀快速。
    (2)能很好地保持食品的营养成分和风味。
    (3)具有防霉、杀菌、保鲜的作用。
    (4)节能高效、安全环保。
    (5)易于控制及实现连续化生产。微波真空低温干燥设备
3 几个重要因素对微波真空干燥效果的影响
3.1物料的种类和大小
    由于物料种类和状态千差万别,微波真空干燥工艺并非固定不变。事实上,在微波真空干燥过程中,物料内部逐渐形成疏松多孔状,其内部的导热性开始减弱,即物料逐渐变成不良的热导体。随着微波真空干燥过程的进行,内部温度会高于外部,物料体积愈大,其内外温度梯度就愈大,内部的热传导不能平衡微波所产生的温差,使温度梯度达到不能接受的水平。因此,一般应预先把物料处理到较小的粒状或片状以改进干燥的效果。粉末状产品在微波干燥时具有其独特性。当它们被堆积在一起时不应看成是许多小颗粒,而是一个整体,需要特别注意料层的内外温差。一般当物料以较大的形式出现时,需在物料接近减速干燥期时,降低微波功率,从而有效减少其内外温差,但反效果是延长了干燥时间。
3.2真空度
    压力越低,水的沸点温度越低,物料中水分扩散速度加快。微波真空谐振腔内真空度的大小主要受限于击穿电场强度,因为在真空状态下,气体分子易被电场电离,而且空气、水汽的击穿场强随压力而降低;电磁波频率越低,气体击穿场强越小。气体击穿现象最容易发生在微波馈能耦合口以及腔体内场强集中的地方。击穿放电的发生不仅会消耗微波能,而且会损坏部件并产生较大的微波反射,缩短磁控管使用寿命。如果击穿放电发生在食品表面,则会使食品焦糊,一般20kV/m的场强就可击穿食品(介电常数不同)。所以正确选择真空度大小非常重要,真空度并非越高越好,过高的真空度不仅能耗增大,而且击穿放电的可能性增大。
3.3微波功率
    微波有对物质选择性加热的特性。水是分子极性非常强的物质,较易受到微波作用而发热,因此含水量愈高的物质,愈容易吸收微波,发热也愈快;当水分含量降低,其吸收微波的能力也相应降低。一般在干燥前期,物料中水分含量较高,输入的微波功率可图1 微波功率对干燥效果的影响高些,可采用连续微波加热,这时大部分微波能被水吸收,水分迅速迁移和蒸发;在等速和减速干燥期间,随着水分的减少,需要的微波能也少,可采用脉冲间隙式微波加热。微波真空低温干燥设备
     
    以菠萝浆为原料,研究了菠萝粉微波真空干燥过程中微波功率对干燥效果的影响。结果如图1所示。随着微波功率的增加,菠萝浆的含水量递减。微波发射功率对物料的外观质量影响显著。当微波功率大于2kW时,物料出现局部过热,以及出现打火现象,内部出现烧焦现象,色泽变差,光泽度下降。因此在保证物料达到要求的含水量的前提下,降低微波功率,可提高干制品的外观质量,节约能源。     
3.3微波时间
    微波真空干燥时间的选择十分重要,也受到许多因素的影响。以菠萝浆为原料,研究了真空微波干燥菠萝粉过程中微波时间对干燥效果的影响,得到如图2所示的结果。在98.2~99.2kPa的真空度下,在干燥初期物料的湿基含水率变化很小,这是由于物料内部的水分子还没有充分吸收大量的微波能,热源不充足造成的;随着干燥的继续进行,物料内部的极性分子震动加剧,更多的能量转化为热量,促进水分子的运动,物料的水分含量变化很大。在微波真空干燥后期,物料内部逐渐形成疏松多孔状,其内部的导热性开始减弱,水分含量也趋于稳定。此外,干燥时间还受到对成品含水率的要求的影响。如一般干燥成品,含水率可以控制在3%~5%,如要求低至1% 或以下,干燥时间需相应地延长。微波真空低温干燥设备

4 微波真空干燥在农产品加工中的应用
4.1在果蔬脱水加工中的应用
    微波真空干燥技术加工温度低、营养成分损失率低、脱水效率高,因此对含水率较高的水果蔬菜进行脱水加工时,更能发挥其优势。
    1979年法国第一次在工业规模上应用微波真空技术生产的柑橘粉呈发泡状,易溶解,很好地保持了天然色、香、味,其维生素的保持率远高于喷雾干燥 。美国加州大学研究用微波真空干燥技术生产脱水膨化葡萄,能很好地保持鲜葡萄风味和色泽,外形也能不萎缩,由于微波干燥温度低,干燥时间短,维生素B1,维生素B2,维生素C能得到较高的保留率。等分别采用热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波真空干燥与真空干燥联合干燥法对大蒜进行干燥,结果发现微波真空干燥与40℃真空干燥联合干燥法干燥时间大大缩短,而干燥后蒜的硫代亚磺酸酯保留率比较接近冷冻干燥,可达到90%,与真空冷冻干燥蒜的色差差异极小,甚至比冻干蒜的白度略好,但唯一不足的是蒜质构紧密不如冷冻干燥疏松。等对加工南瓜汁时得到的大量副产品南瓜渣采用不同微波功率和压强条件进行微波真空干燥,发现在668.37W,4000Pa条件下干燥时,物料中胡萝卜素的保留率最高,达到92.31%。采用微波真空干燥膨化技术加工苹果脆片,可在40℃左右,数分钟内达到干燥和膨化苹果片的目的,极大地提高生产能力,产品外形美观、色香味俱佳、口感酥脆、营养成分高,实现了苹果脆片的快速、低温、非油炸膨化加工。研究了用微波真空干燥设备干燥酶解后的澄清型香蕉汁制作速溶香蕉粉的工艺,发现微波真空干燥后产品的多项指标均优于热风干燥的产品。笔者以广东省农业机械研究所研制开发的微波真空干燥实验设备为平台,研究了菠萝粉的微波真空干燥特性,试验结果表明菠萝粉产品较好地保持了菠萝原有的色泽、香味及维生素C 等营养成分,水分含量在5% 以下,溶解性好。
4.2在水产品加工中的应用
    微波真空干燥技术在其它食品加工领域也具有很大的发展潜力。目前,已有微波真空干燥小虾的试验,并将微波真空干燥的小虾与热风干燥及冷冻干燥的小虾进行质量对比评价,发现利用微波真空干燥的小虾比热风干燥的收缩小,复水性和水分保持能力强,并且在色泽、组织和风味等方面与复水冷冻虾接近。张国琛等用自制的微波真空干燥设备对扇贝丁进行了干燥试验,结果发现干燥后的扇贝丁色、香、味及干燥时间都达到了较理想的效果。微波真空低温干燥设备
4.3在其他农产品加工中的应用
    利用微波真空方式干燥蜂蜜速度快、温度低,干燥后的固体蜂蜜较好地保留了蜂蜜原有的品质。干燥过程中不会发生美拉德反应,干燥后的蜂蜜颜色基本没有变化,干燥前后其挥发性香气成分虽有一定变化,但不影响其原始风味。国内近几年这方面的技术应用逐渐增多,如玉米片真空微波加工生产线,采用微波蒸煮干燥新工艺实现了玉米片连续化工业生产。此外,微波真空干燥还可加工生产蛋黄粉、蘑菇类等。

关键词: 微波真空干燥的原理           

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