脱水加工学讲义.ppt

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1、1,脫水加工學講義 Dehydration Processing Handout,學生姓名:_ 學生學號:_ 授課教師：Dr.陳淑德(0920518028,分機882) E-mail: sdchenniu.edu.tw Office hour: 週一第3、4堂 班級: 食品科學系 進食品三 食品二甲二乙,2,書籍,教科書目： 1. 食品加工學 保藏篇 賴滋漢等編 富林出版社 1992 臺中市復興路四段281-4號 Tel: 04-2206316 參考書目： 1. Fellows, P. J. 2000, Food processing technology principles and pra

2、ctice (2nd Edition), CRC Press偉明圖書有限公司代理 2. Concentration and Drying of Foods. Ed. by Mac. Carthy. Elsevier Apllied Science Publishers LTD. 1986. 3. Industrial Drying of Foods. Ed. by C.G.J. Baker. Blackie Academic & Professional 1997. 4. Singh, R.P.and Heldman, D.P., 2001.3rd Ed. Introduction to Fo

3、od Engineering, Academic Press. Orlando, Florida, USA 偉明圖書有限公司代理,3,教學目的,介紹水活性和食品乾燥之基本概念 乾燥曲線和乾燥時間的預估 乾燥前處理 溫濕圖和熱風乾燥之計算及設計 乾燥之操作方法 乾燥食品的應用 乾燥食品的包裝貯存,4,上課及成績計算方式,上課方式：課堂講解、作業、市場產品調查及小考和考卷檢討。 考試及成績計算方式： 期中考佔25% 期末考佔25% 平時成績佔50% (包括:小考、出席和上課表現、作業和報告),5,課程計畫,6,市售乾燥食品,農產品:穀類、金針、香菇、蜜餞、粉料、調味料、果汁粉、(飼料)、米粉 乳製

4、品:奶粉、起司粉 畜產品:肉鬆、肉乾 水產品:蝦米、魚干、海苔、海菜 休閒食品:米果、蝦餅、乖乖、早餐穀類食品、餅乾、爆米花、茶、咖啡 保健食品:靈芝、樟芝、冬蟲夏草膠囊 泡麵 故乾燥為食品工業中應用最廣的單元操作。,回,7,專有名詞之比較,Dehydration (脫水、去濕) Drying (乾燥) Concentration (濃縮) Evaporation (蒸發) Crystallization (結晶) Membrane (膜處理):reverse osmosis (逆滲透), ultra-filtration (超過濾),8,Dehydration (脫水),機械法:利用壓榨、沉

5、降、過濾、離心分離除水。屬於固、液相分離過程、不發生相的變化、耗能少、費用低，但水分不能完全去除。 物理法:利用吸濕性物質如:石灰、無水氯化鈣、矽膠等吸附物質中的少量的水分。 熱能法: 借助於熱能使物質中的水分汽化，並將水蒸氣排除。通常會發生水分相的變化、耗能大、費用高，但物質中水分去除較為徹底。,9,食品脫水之定義,藉蒸發(evaporation)或昇華(sublimation)去除水分，以降低食品之水活性。,10,食品乾燥之目的,抑制微生物、酵素及食品間成分分子之反應，以提高食品之保存性及簡便性。 減少重量、體積便於運輸和儲存。 賦予特殊風味以開發新乾燥食品。,11,食品乾燥之應用有兩種,

6、儲藏型：乾燥食品需復水與新鮮者相似。 加工型：食品乾燥後已完全食品本來之特性，而給與食品另一種新風味、特性。 請想想市售乾燥食品是屬於儲藏型或加工型乾燥食品。,12,乾燥食品之歷史演進,古代至今為日曬、風乾 (1600) 熱風乾燥 (1800) 罐頭食品 (1930) 冷凍食品 (1950) 冷凍真空乾燥食品 (1960) 微波乾燥食品,13,乾燥食品之展望,開發新加工型乾燥產品。 開發新乾燥方法。 降低成本，提高品質。 穀類 飼料 奶粉,全世界三大乾燥食品之產業,14,水活性 (water activity),15,水活性 (Aw),Aw的值在01之間 Aw = RH%/100% = P/P

7、o RH%相對濕度(relative humidity):濕空氣之水蒸氣分壓和同一溫度下飽和水蒸氣壓的比值，P :密閉容器中空隙部分食品的水分分壓，Po :該溫度下純水的飽和蒸氣壓 絕對濕度(absolute humidity): (kg water /kg dry air):空氣中乾空氣和水蒸氣組成。,16,水活性和反應速率,17,水活性,微生物(細菌、酵母菌、黴菌)、水解、(非)酵素性褐變的反應速率隨水活性減少而降低。 油脂氧化速率在 Aw=0.35最低。 等溫吸濕曲線(moisture sorption isotherm):樣品的平衡含水率和相對濕度間之關係。 Zone I: 結合水牢固

8、結合在食品上，不會發生反應，為單層水會受食品表面結構、化學成分和水物理等影響。 Zone II: 存在於小的毛細管內，具鬆緩的多層結合，其水的能量受冷凝力支配。 Zone III:水存在大的毛細管中，水為溶劑。,18,影響微生物的生長因素,Aw Temperature pH Medium (培養基成份),回,19,四種褐變 (browning reaction),酵素性褐變(多酚氧化酶) 梅納反應 焦糖化反應 維生素C氧化,回,20,油脂氧化和水活性的關係,Aw高時，因水分含量多，使金屬離子增加溶透與溶解能力，催化油脂氧化。 Aw在0.35時，水份單層覆(monolayer)於食品的表面，故油

9、脂(沒辦法接觸)與金屬離子水合作用。蛋白質的疏水基和油脂產生鍵結而蛋白質的親水基則和水產生作用。 Aw很低，沒水時，油脂暴露在空氣中，易氧化。,21,降低油脂氧化的方法,減少氧氣濃度 (如:真空包裝、吸氧劑；海綿蛋糕用吸氧劑又稱活性包裝。) 降低金屬離子濃度(鐵離子) (螯合劑 如: EDTA、有機酸) 保持適當的水活性(保持在Aw=0.35下，油脂氧化最低。) 選擇良好的抗氧化劑(如：BHA，BHT，Vit E需還沒氧化就先加入)、相乘劑(有機酸),回,22,乾燥食品的包裝中，會添加什麼劑?,海苔 豆干 泡麵,23,等溫吸濕曲線,24,吸濕曲線之滯後現象(hysteresis),25,滯後現

10、象定義和發生原因,定義: 在一定的Aw下，去吸附作用水份含量大於再吸收水分含量。 發生原因: (1)因有一些水分與非水溶性成份作用，讓去吸附和水份產生鍵結，沒辦法釋放水份。 (2)再吸收作用時，造成某些非水溶性的變質，所以無法再吸收水分。,26,食品水活性的測定,利用水活性測定儀 康威氏皿 (conways dish:內室內徑31mm，外室內徑71mm，高度15mm，附固定夾)畫出重量增減百分率和相對濕度的關係圖 (1)康威氏皿的上蓋、下皿的邊緣有磨砂口，可塗凡士林密合，外面再用夾子弄緊。 (2)由於不同的飽和鹽類會呈現不同的相對濕度環境，故要使系統緊密，方不受外面不同的相濕度而干擾。 (3)

11、樣品在水活性低的環境是會減重，相反是增重，故在康威氏皿中，樣品重量不增減時的相對濕度，即求此樣品之水活性。,27,飽和鹽類在25下的相對濕度,28,例題：今若有樣品利用下列三種飽和鹽類置於康威氏皿中，測得在25時重量變化數據如下，先將重量增減百分率和飽和鹽類的相對濕度作圖，再求樣品重量不增減時的相對濕度，即求此樣品之水活性。,29,上題解: 食品的水活性 Aw=0.6,30,水分含量(moisture content),31,水分含量測定,測定的原理為將定量的樣品加熱乾燥，則水分會蒸發，而乾燥前和乾燥後重量差作為水分含量。 通常測量水分之設備: 105常壓烘箱 紅外線加熱乾燥器 70減壓烘箱

12、微波乾燥機 利用濃硫酸等乾燥劑(五氧化二磷)以吸收食品中之水分,32,水分含量的表示法,濕基水分含量 wet basis moisture content MC (w.b.) (wt-wo) /wt*100 % 乾基水分含量 dry basis moisture content MC (d.b.) (wt-wo) / wo (kgH2O/kg乾物) 無因次水分含量dimensionless moisture content DMC= (wt - wo) / (wi - wo) (值永遠在10之間) wt:乾燥時間為t時之樣品重 wi:樣品初重 wo:樣品固形物(乾物)重,33,假如洋蔥固形物率

13、10%,現有10kg洋蔥，置於80熱風乾燥機中乾燥1hr後重量變5kg，求濕基、乾基及無因次水分含量？,固形物:10kg 10%1kg 水分:10kg 90%9kg 或10gk-1kg9kg 80熱風乾燥1小時後重量 wt 5kg (1) w.b.(5-1)/5 100% = 80% (2) d.b.(5-1)/1 4 (kgH2O/kg乾物) (3) D.M.C.(5-1)/(10-1) 4/9 0.44,34,今有樣品1kg，其中水分含量(w.b.= 90%)，若樣品中分析得知蛋白質為0.05kg或分別以乾濕基表示蛋白質之含量。,固形物1kg 10% = 0.1kg d.b. = 0.05

14、/0.1 = 0.5 (kg protein /kg乾物) w.b. = (0.05/1) 100% = 5%,35,乾基和濕基水分含量的換算,例:請將85%濕基水分含量轉換乾基水分含量。 (5.67(kg 水/kg乾物),36,乾燥曲線的測定,取5克樣品，精秤後，置於鋁箔盤上，放入105烘箱中進行乾燥至恆重後，取出放入玻璃乾燥器中冷卻10分鐘，再精秤，以決定水分含量(%)。 將新鮮樣品切成小片，精稱八份5克樣品分別置於已貼有標籤鋁箔盤中，再放於70熱風乾燥機中進行乾燥，乾燥時間分別為15，30，45，60，75，90，105和120分鐘。 待乾燥時間到達時，再取出含樣品的鋁箔盤精稱，再得知此

15、時的樣品淨重。 計算和記錄不同乾燥時間下，樣品的濕基、乾基和無因次水分含量。 並分別將樣品的乾基水分含量和乾燥時間作圖，及無因次水分含量和乾燥時間作圖以求得乾燥曲線。,37,由乾燥速率曲線預測乾燥時間,恆率期: Mi：起始水分含量(db)；M：臨界水分含量(db)； Rc：恒率期乾燥速率 進入第一減率乾燥期 M：第一減率期的水分含量(db) 進入第二減率乾燥期 Mc1，Mc2：第一、二減率期的臨界水分含量(db) Mr1，Mr2：第一、二減率期的殘留水分含量(db) M：第二減率期的水分含量(db),38,作業: 乾燥時間的預估,乾燥洋蔥的數據如下：(Mi=89.7%) (w.b.) 乾物率=

16、10.3%,(a)請分別以乾燥過程中，洋蔥水分含量(乾基重)與乾燥時間作圖，以求得乾燥曲線。 (b)利用乾燥曲線，將乾燥速率和洋蔥水分含量(乾基重)作圖。請決定Rc、Mc1、Mc2、Mr1、Mr2，並預估洋蔥乾燥後乾基水分含量(M)達0.5時，所需的乾燥時間。,39,Drying curve,CMC,Constant drying rate period,Falling drying rate period,40,食品乾燥之特性,41,食品之水分特性,自由水(free water):鍵結弱，容易利用乾燥加熱，而排除。 毛細管水(capillary water):組織結合強度隨著Aw，而增強，導

17、致乾燥困難。 結合水(bound water):與蛋白質及糖類以氫鍵結合，無法排除水分，但與食品儲藏性無關。,42,食品中可溶性成分之擴散,乾燥初期食品中可溶性成分隨水分蒸發散失而往細胞膜移動但由於其不能像水一樣透過細胞膜造成可溶性成分靠外層濃度較高細胞中間且體積收縮。 至乾燥後期食品靠外層可溶性成分由於擴散作用而往細胞中間移動直到二者濃度相等為止。,43,食品乾燥時收縮,隨水分散失增加而加速食品收縮 乾燥初期收縮最快。,44,食品乾燥之表面硬化 (case hardening),食品在乾燥時表面，因受過度受熱而變性而形成一種不透明的硬殼，使熱穿透性差而減緩食品的乾燥速率。,45,食品乾燥的原

18、理和機構(mechanism),46,乾燥機制,乾燥具熱傳及質傳兩種機制 熱傳提供食品的蒸發熱或昇華熱 質傳分為水分內部擴散和表面蒸發 蒸發速度受熱風濕度、流速、溫度的影響，若三者維持恆定則在單位時間內單位面積蒸發之水量相同,47,潛熱和顯熱,潛熱 (latent heat):熱提供相(phase)的變化，溫度未變。 EX： 冰水，水水蒸汽 H = m (Hv-Hc) Hv:飽和蒸氣的熱焓 Hc:飽和水的熱焓 顯熱 (sensible heat): 溫度變化所需的熱。 EX： 25水80水 H m Cp T m:質量 Cp : 比熱 T:溫度差,48,乾燥作用與熱,熱：提供被乾燥食品的水蒸氣張

19、力和空氣中的蒸氣壓力差，兩者之差愈大愈加速乾燥。 提高壓力差的方法： 減低空氣中的水蒸氣壓。 (用吸濕劑、冷凍劑) 增加被乾燥食品的溫度，增加食品水分的張力。(壓力),49,乾燥作用與水分之排除,加熱空氣，提高溫度。 (提高熱風乾燥溫度以增加食品中水分的蒸發) 降低空氣中水分分壓，以利擴散。 (抽真空),50,如何提高水分的排除 ?,加熱空氣，提高溫度，提高被乾燥食品水分的蒸氣張力。 排除以蒸發的水氣，而降低空氣中的水蒸氣壓(食品水蒸氣壓力)。 降低系統中水分:利用吸濕劑或乾燥劑。,51,試就食品乾燥之熱量及質量傳送之機制，說明微波真空乾燥可加速乾燥之原因。 (94宜大食科所),乾燥具熱傳及質

20、傳，首先食品需要先吸熱，將熱由食品表面傳至食品內部以提供水分的蒸發熱或冰的昇華熱而變成水蒸氣，而食品表面的水蒸氣藉由表面蒸發而傳至乾燥室中。 另一方面食品內部的水蒸氣，由於濃度的差異故藉由內部擴散而傳至食品表面，若要加速食品的乾燥速率，必需加速熱傳和質傳著手。而微波真空乾燥是利用食品內部的水分子具有高介電常數可吸收微波頻率產生分子內振動而摩擦生熱，使水分蒸發，此可克服乾燥後期的食品表層由於熱傳導係數較少所造成的熱傳導的障礙，而加速熱傳。 另一方面利用真空減壓可使食品中水分蒸發的溫度降低，減少水分蒸發所需熱量，且又可使乾燥機內的水分分壓降低，而增加食品表面的水分蒸發速率，故微波真空乾燥可加速乾燥

21、。,52,乾燥過程的食品變質,53,微生物引起的變化,原先食品原料的水分含量多，適合微生物生長，可能於乾燥後仍會殘存，或會形成孢子，使得復水後的食品中的微生物具有活性，故原料要符合衛生安全並減少微生物的數量。 要注意會造成食物中毒的孢子微生物：腊腸桿菌(Bacillus cereus)、產氣莢膜芽胞梭菌(Clostridium perfringens) 及會造成蛋粉、魚肉粉、乳粉污染的沙門氏菌(Salmonella)。 微生物的滅速度通常為一次反應，但需考慮水活性和添加的碳水化合物和溫度的影響。,54,化學反應,化學反應和成分濃度、溫度和水活性有關，像葉酸、抗壞血酸、維生素B1、B2和葉綠素多

22、為一次反應，而維生素以外的食品成分亦會有一或二次反應。 The first order reaction: Temperature affecting rate constant (k) by Arrhenius equation (阿瑞尼士方程式):,55,食品乾燥的前處理,56,前處理必要性,因被乾燥食品含有容易變質的不安定化學成分時，故在進行乾燥前，需經某些前處理以防止乾燥進行中的熱變性和貯藏所發生的品質變化。 乾燥食品的製造的流程為洗淨、調整被乾燥食品前處理置於乾燥裝置中控制乾燥溫濕度取出乾燥製品、選別和檢查包裝,57,前處理的目的,為防止乾燥過程中酵素性及非酵素性的品質變質 促進乾燥

23、效果 並防止貯存時的變質 提高乾燥食品的還原性 改善食品的物理性質,58,前處理可分為四大類,抑制酵素活性的前處理 防止乾燥中非酵素的變色和貯藏中變質的前處理 促進乾燥效率的前處理 其他前處理,59,抑制酵素活性的前處理,殺菁(blanching) 加硫處理(sulfuring),60,殺菁,殺菁的主要目的為酵素不活性，組織軟化，除去澀味和蠟質、洗滌，易會使維生素C流失。 有三種：熱水殺菁(90-100煮2-10分)、蒸氣處理或微波瞬間加熱使酵素不活性化再將食品移入冷水槽中迅速冷卻。 維生素C流失率為熱水殺菁蒸氣殺菁微波瞬間加熱殺菁 可在熱水中可入氯化鈣和重合磷酸鹽可調整原料的硬度和咀嚼性。,

24、61,加硫處理,被乾燥食品放入密閉的燻硫蒸氣中，燃以為乾燥食品重量的0.1%-0.4%的硫黃使二氧化硫充滿密閉室中30分至5小時。 或浸漬於0.2-0.6%的亞硫酸鹽溶液數小時。,62,加硫處理防止褐變的機制,因為二氧化硫的作用為溶於食品的水中形成亞硫酸 具有強還原力可阻止酵素性和非酵素性褐變作用 可使細胞內的原形質分離，以增進細胞膜的水分滲透性而易乾燥 可防止維生素的損失 防止腐敗和蟲害,63,金針的製造及二氧化硫殘留量,金針乾製品的製作：新鮮金針亞硫酸鹽浸泡日晒燻硫熱風乾燥包裝儲藏(溫度、光照、密閉) 一般乾燥食品的二氧化硫殘留量標準為500ppm 以下，金針為4000ppm 以下,64,

25、避免食品酵素性褐變的方法,破壞酵素作用，像：殺菁，置於鹽水。 隔絕或去除氧氣，像：置於水，維生素C溶液，塗糖液，利用惰性氣體、脫氧劑。 添加還原劑，像：亞硫酸溶液，維生素C。 調整酸度。,65,防止乾燥中非酵素的變色和貯藏中變質的前處理,添加亞硫酸鹽以防止梅納反應 添加抗壞血酸、異抗壞血酸或食鹽 添加0.01-0.05%氯化鋁溶液 添加半胱胺酸的鹽酸鹽(cysteine HCl)可防止蘋果、香蕉的褐變 添加5-10%酵母或葡萄糖氧化酵素以除去魚肉及蛋類中0.5-2%碳水化合物(肝醣)所引起的褐變。,66,防止油脂和脂溶性成分氧化,熱風乾燥、滾筒乾燥、噴霧乾燥和油炸乾燥在高溫進行會擴大氧化表面積

26、造成脂肪氧化和維生素A氧化。 真空乾燥和冷凍乾燥雖然乾燥溫度低，但乾燥製品多為多孔質，會使氧化表面積擴大，造成貯藏時脂溶性成分氧化。 防止油脂氧化的方法可添加抗氧化劑(浸漬0.1%-0.5%BHA、BHT)、添加抗壞血酸、異抗壞血酸、維生素E或重合磷酸鹽會有相乘作用。,67,促進乾燥效率的前處理,利用0.5-1%氫氧化鈉或碳酸鈉將水果浸漬5-20秒，再水洗可破壞果皮組織，加速乾燥速度，例如除去李子、櫻桃、葡萄的果皮的蠟質和角質層。 將蘋果、桃子等多孔質水果浸漬於單甘油酯的界面活性劑，會加速乾燥。 可用針戳豌豆、櫻桃、金柑蜜餞的孔以加速乾燥。,68,促進乾燥效率的前處理 (續),在果汁中加入氫氧

27、化鈣和碳酸鈣使其充分起泡以縮短乾燥時間。 將液狀食品如果汁、咖啡、豆漿等食品先採真空濃縮或冷凍濃縮。 將柑橘、香辛料抽出液等物質粉末化，要先添加澱粉植物膠質、CMC、酪蛋白等增粘劑和單甘油酯的界面活性劑，再進行噴霧乾燥。 果汁、咖啡抽出液在真空乾燥可加入增粘劑或界面活性劑，並壓入壓縮空氣、氮氣、二氧化碳使被乾燥濃縮液和微細氣泡均勻混合。,69,其他的前處理,為避免乾燥肉品時因乾燥所引起的蛋白質變性，故在乾燥前用木瓜酵素處理分解蛋白質或浸漬重合磷酸鹽，可使乾燥後復水的肉質柔軟。 為避免真空乾燥、冷凍乾燥食品因水分少、孔隙大、質地脆弱、易碎，故可於乾燥前添加甘油、丙二醇、山梨醇(sorbitol)

28、浸漬液，並可和抗氧化劑併用可使製品柔軟且可加強防止氧化的效果。,70,乾燥食品的復水測定,由於乾燥食品於烹調前需要浸泡水中，以期恢復其新鮮狀態，此過程稱為復水。 復水率(rehydration ratio) = (復水後滴乾樣品重/乾燥樣品重)。 今有100g 的紅蘿蔔置於60熱風乾燥機中乾燥3hr後重量變為10.5g，若再將其置於沸水中5min進行復水後重量變又為44g，試求此紅蘿蔔樣品之回復率和復水率。,71,復水實習的流程,精稱10克乾燥樣品(若為新鮮樣品則先稱100克樣品置於70熱風乾燥機中先行乾燥後再精稱)，置入250ml燒杯中，加入150ml蒸餾水，並蓋上錶玻璃。 將其置於加熱器上

29、加熱使其沸騰，然後煮沸5分鐘。 小心將復水後的樣品取出，置於覆有濾紙之Buckner 漏斗上，並抽氣過濾以脫去過多之水分。 精稱復水樣品重量，並計算其復水率和回復率。,72,蒸發 (evaporation),73,濃縮(concentration)之定義及目的,濃縮定義:將溶液中的部分溶劑去除，而提高溶液的濃度。 濃縮之目的: (1)提高包裝、貯藏和運輸性能 (2)提高液体的保藏性 (3)作為乾燥的前處理 (4)作為結晶操作的前處理 (5)改變味感形成新產品,74,濃縮,液體食品濃縮的方法可分成加熱和非加熱濃縮。 蒸發為加入熱能使溶液中的溶劑汽化。 冷凍濃縮為將樣品冷卻，使部分溶劑結成冰晶，再

30、利用機械法將濃縮液和冰晶分離。 膜分離則利用溶液中的溶劑可透過半透膜而達溶液濃縮效果。,75,蒸發的定義和目的,定義: 將不太揮發之液體食品加熱，使其沸騰，而將水分離以達濃縮之效果。 目的:1、乾燥前處理的濃縮步驟 2、得到新的物性和風味的產品 3、提高食品的保存、降低運費和 貯存空間，可將食品稀釋復原,76,影響溶液沸點之因子,外在的壓力:隨壓力上升而使溶液沸點上升。請參考蒸氣表(steam table) 溶液濃度造成溶液的沸點上升現象。 水溶液沸點之上升公式 : Tb = Kb m Kb=0.51C/m m(重量莫耳濃度)=溶質莫耳數/溶劑仟克數,77,外在的壓力,外在大氣壓力的情況對沸點

31、的影響 壓力上昇會造成溶液的沸點上升 (高壓)此會增加潛熱，故利用蒸氣殺菌 壓力下降會造成溶液的沸點下降 (真空)此會降低潛熱 真空系統：Pabs = Patm Pvac 即絕對壓力 = 大氣壓力 真空壓力錶 高壓系統：Pabs = Patm + Pgauge 即絕對壓力 = 大氣壓力 + 錶壓,78,飽和蒸氣的性質,79,如何配製15%蔗糖水10kg，又其沸點為何 ?,糖重為 10kg 0.15 = 1.5kg，水重為 10 1.5 = 8.5kg 在1atm下，水之沸點100C，蔗糖的分子量 fw = 342 g / mol 沸點為 100 + 0.263 = 100.263,80,蒸發濃

32、縮後，若變成60%蔗糖水2.5kg，則其沸點又為何?,糖重仍為1.5kg，但水重為2.5-1.5=1kg 沸點為 100 + 2.237 = 102.237,81,真空蒸發濃縮之優點,降低加熱溫度。 液溫下降，提高蒸發能力。 防止成品之著色和熱分解。 香味雖散失，但變質少，復原性良好。,82,影響蒸發作業之食品特性,食品的黏度 鍋垢 起泡性 熱敏感性 香味成份(品)的揮發 腐蝕性,83,真空蒸發的計算公式,總質量平衡: F = P + V 固形物平衡: F f = P p 水分平衡:F(1- f) = P(1-p) + V 能量平衡:S s = FCpT + V,84,真空蒸發例題,若真空蒸發

33、濃縮果汁，注入速度為0.5kg/sec，其中含8%的固形物，濃縮後的產物的固形物率為50%，今果汁的之初溫為25，在真空蒸發器中的平均溫度為60，平均比熱為3.0kJ/kg，果汁蒸發的水蒸氣潛熱為2500kJ/kg，所通入飽和蒸氣潛熱為2800kJ/kg ，請利質量和能量平衡，去求濃縮果汁的質量流速和所需的飽和蒸氣的質量流速。,85,解答,總質量平衡 : 0.5 = P + V 固形物平衡 : 0.5 0.08 = P 0.5 能量平衡: S 2800 = 0.5 3.0 (60-25) +V 2500 P = 0.08 (kg/s) V = 0.42 (kg/s) S = 0.394 (kg

34、/s),86,A,B,C,D,E,F,G,A: 真空蒸發器的溫度錶 B: 真空蒸發器的壓力錶 C: 冷卻水槽 D: 入料口開關 E: 蒸氣壓力錶 F: 產品出口開關 G: 蒸氣管 H: 真空泵,H,87,多效蒸發器,88,想想看!,蒸發和蒸餾的相異處: 蒸發和乾燥的相異處: 蒸發和結晶的相異處:,89,膜分離 (membrane separation),90,膜處理,利用高分子半透膜，以壓力促使流體中的水分子等，透過半透膜，以達濃縮和分離之技術，故可讓水或低分子物質透過，阻止高分子物質透過，可用於食品等高分子量物質的分離或精製等。 逆滲透 (reverse osmosis)：縮寫RO 超過濾法

35、 (ultra-filtration)：縮寫UF 常用的膜材質：醋酸纖維素 (cellulose acetate) 。,91,逆滲透濃縮的原理,水與溶液以半透膜隔開時，水透過半透膜向溶液這邊移動此為滲透現象。 反之在溶液中的水則透過半透膜向水這邊移動，此現象正好與正常的滲透相反，所以稱為逆滲透。,92,RO與UF之比較,93,操作條件影響薄膜性能的因素,分子形狀：相同的分子量，濾除率依序為球狀分枝狀線狀 溫度：薄膜的透流率隨溫度上升而增高，但需考慮薄膜的耐熱性與被分離物質的熱敏感性 壓力：純水的透流率與壓力呈線性正比，溶液在2 kg/cm2以下時仍維持線性關係，但壓力過高時反而可能降低透流率(

36、此因濃度極化) 線性流速：液體在薄膜上的流速增加，透流率和壓差隨之增加,94,膜處理所遭遇的問題,溶液濃度：透出液流速隨溶液濃度增高而降低，當透出液流速為零時，即所謂膠化濃度 膜孔收縮：薄膜在高壓下經長時間使用，作用面多孔隙之組織會收縮，使過濾速度減慢 濃度極化：溶液與薄膜接觸面因水分透過薄膜使濃度增高，形成阻隔層 堵塞作用：膜表面濃度極化的阻隔層增厚到足以抵抗水壓而影響流速，蛋白質、脂質及其他懸浮物等在表面形成膠質層,95,膜分離的優點,不需要加熱，所以不需消耗能源在蒸發 之潛熱上。 不用加熱，所以香味易保留。 免除蒸發時，所使用時的冷卻水，使工業減費、結省水源。 適合加熱敏感物質。,96,

37、膜分離的缺點,蛋白質物質會積於膜表面，要常清洗，以免微生物污染。 有些膜易受到消毒劑與清潔劑的侵蝕與損壞。 有些膜不耐高溫與酸鹼，壽命短。,97,選擇膜之條件,按照分子大小加以分離。 分離速度要快。 易清潔消毒。 耐酸鹼處理及清潔劑之沖洗。 有效使用年限長。 價廉易得。,98,膜處理技術在食品工業上的利用,乳品工業的利用:濃縮牛乳時先移除乳糖和鹽 飲料工業的利用 天然色素的回收 大豆油的精製 釀造工業的利用 逆滲透水的前處理，以減少結垢 水處理以降低細菌和污染物,99,Microfiltration (MF) (微孔膜過濾),利用微孔膜過濾器使0.1-數m的微粒子無法通過濾膜而分離之。,100

38、,離子交換(IE)和電透析(ED),Ion exchange (IE) and electrodialysis (ED) can remove electrically charged ions and molecules from liquids. A cation exchanger (陽離子交換) has a fixed negative charge and an anion exchanger (陰離子交換) has a fixed positive charge. ED以隔膜使電解質與水隔開，通以直流電，則陽離子往陰極移動，陰離子往陽極移動，使電解質自介質分離。,101,電透析(E

39、D)的應用,去除乳清(whey)中的礦物質 濃縮鹽水 移除酒中的鉀離子和酒石酸(tartaric acid)，以防止沈澱 去除醃漬液中的鹽份 去除果汁中的酸以降低酸度 含鹽的乳酪乳清(cheese whey)回收利用 UF（回收蛋白質）RO（濃縮）ED（脫鹽）得到乳糖,102,Separation (分離),應用於漿狀、泥狀物中的液體和固體分離，此可利用離心、過濾、沉降、壓榨 Extraction (萃取)是利用溶劑提取食品中有價值(有效)的成分物質 Concentration (濃縮)，提高有效成分的濃度,103,Centrifugation (離心),理論: 離心力的旋轉大小和半徑、物質的

40、密度有關。 應用: (1) separation of immiscible liquids (互不相容液体分離) (2) separation of solids from liquids (固液分離),104,Filtration (過濾),過濾的速度=通過濾膜的壓差/ 流動的阻力 過濾是利用通過有孔洞的濾膜(filter)以移除少量的不溶固體，會有濾液 (filtrate) 和濾餅(filter cake ) 在固定壓力過濾下，由於濾餅的堆積所造成的阻力，會使流動的速度緩緩降低,105,Expression (壓榨),應用於萃取植物如:果汁、糖、蔬菜油的成分 單步操作( single s

41、tage operation)：破壞細胞後壓出其中的液體，(此資本和操作成本低) 兩步操作 (two stage operation): 先降低粒子的大小成分為漿或粉狀，然後再行壓榨以分離，(此較有效率),106,Psychrometric Chart (空氣溫濕圖 ) (or cooling) of air (空氣加熱或冷卻) Drying (空熱絕熱乾燥) of air (空氣的混合) / 比容積 空氣進行加熱為乾球溫度增高，但絕對濕度和露點不改變。 空氣進行絕熱乾燥為濕球溫度和熱焓不改變。 兩股空氣進行混合後的空氣為,113,請根據空氣的溫濕圖，一空氣流量為1500 m3/hr

42、，乾球溫度為35和濕球溫度為25，先決定物化性質、比容積和質量流速。,Tdp=21 W=16g water/kg air RH=45%,比容積V=0.893m3/kg 質量流速 m=Q/V=1500/0.893=1680kg/hr,114,在通入乾燥機的空氣流量為1699.2m3/hr原為乾球溫度為29.4和濕球溫度為21.1先加熱至43.3，而通過米後的最後空氣的相對濕度為85%，則請計算(1)加熱空氣後29.4至43.3所需的能量為何?(2)由米中移走的水分為何?,質量流速 m=1699.2/0.87=1953.1 kg/hr H3=H2=76.6 kJ/kg, H1=61.5 kJ/kg

43、 W1=W2=0.0124 kg水/kg,W3=0.0192 kg水/kg 加熱空氣所需的能量為1953.1(76.6-61.5)=29491.8 kJ/hr 由米中移走的水分為1953.1(0.0192-0.0124)=13.28 kg water/hr,115,在順流式乾燥機中，在加熱前有兩股空氣相混合，一股者流量為1699.2 m3/hr，乾球溫度為35和濕球溫度為31.1；而另一股流量為1699.2 m3/hr，乾球溫度為12.8和濕球溫度為10.0，請決定混合空氣後的乾球溫度和濕球溫度為何?,V1=0.91 m3/kg, V2=0.814 m3/kg m1=1699.2/0.91=1

44、867.3 kg/hr, m2=1699.2/0.814=2087.5 kg/hr W3=(m1W1+m2W2)/(m1+m2)=(1867.1*0.027+2087.7*0.0065)/(1867.1+2087.7)=0.0164 kg water/kg air H3=(m1H1+m2H2)/(m1+m2) = (1867.1*102+2087.7*29)/(1867.1+2087.7)=64.87 kJ/kg air Tdb=23.9, Twb=22.2,116,請根據空氣之溫濕圖 (psychrometric chart)，今有一股空氣，其乾球溫度為25，相對濕度為40%，質量流速為10

45、00kg/hr，若此空氣進入乾燥機前先進行加熱 (sensible heating) 至40則需能源為何 (kJ/hr)？ 又若此40的空氣再進行絕熱乾燥 (adiabatic drying) 至相對濕度為70%時，則可移除多少食品中的水分 (kg/hr)？(94宜大食科所),查圖後，加熱所需的熱量為1000(61-45)=16000 kJ/hr 熱風可移除食品中的水分為 1000(14-8)=6000 g water /hr =6 kg water/hr,117,設計單層順流式穀類熱風乾燥機,學習使用電腦程式(ccfpc.exe)和(psychart.exe)設計單層順流式穀類熱風乾燥機。

46、熱風乾燥機的流量為100000lb短米/hr (二甲)、長米(二乙、進三) (wet basis), 周圍的空氣環境狀況為60oF,60%RH,若短米的最初水含量為20%，而乾燥床的深度介於1尺和2尺之間，緩和部分的長度為10尺，入口熱風的溫度介於300 oF和500 oF之間，絕對濕度為0.005lb H2O/lb air,熱風之流速介於100和150cfm/ft2之間，三種標準乾燥機的尺寸為8尺8尺，8尺12尺和12尺12尺，且乾燥過程中短米的最高溫必低於160 oF，輸出的數據以每0.1尺作單位。,118,psycart.exe 和 ccfpc.exe,設計順流式熱風乾燥機前，請(1)使

47、用psychart.exe 程式，列印三種不同氣候下(a)60oF,60%RH (b) 80oF,80%RH (c) 40oF,40%RH)空氣溫溼圖的熱力學性質。 使用ccfpc.exe程式的流程: 2，1，(dry1.dat), 1, 1, (short rice:1), 60, 60, 20, 60, 1, (300-500), 0.005, (100-150), (694, 1042, 1563), (1-2), 10, 0.1,119,設計熱風乾燥機,使用ccfpc.exe去設計約十種不同順流式熱風乾燥機，並利用表格整理所設計的條件及其最終短米的水分含量和最高溫度。 列印最理想之一種

48、順流式熱風乾燥機。並計算此乾燥機的除去水分量及能量效率。 再分別針對(a)短米的水分含量和乾燥時間(b) 短米的溫度和乾燥時間及(c)熱風溫度和乾燥時間作圖。 並列印此設計乾燥機在夏天(80oF,80%RH)及冬天(40oF,40%RH)下操作情形，及比較其除去的水分量及能量效率。,120,使用ccfpc.exe去設計約十種不同順流式熱風乾燥機,121,範例,122,乾燥曲線,123,設計一個三層順流式穀類熱風乾燥機,學習使用電腦程式(ccfpc.exe)和(psychart.exe)設計三層順流式穀類熱風乾燥機。 熱風乾燥機的流量為150000lb短米/hr (wet basis), 周圍的空氣環境狀況為60oF，60%RH,若短米的最初水含量為20%，而乾