8 Сублимационная сушка

Сублимационная сушка – сушка пищевых продуктов, характеризующаяся фазовым переходом льда в пар в условиях глубокого вакуума.

Н а диаграмме фазового состояния чистой воды (рисунок 1.5) при определенных условиях можно наблюдать существование одновременно трех фаз. Это состояние называется тройной точкой. Для воды тройная точка характеризуется следующими параметрами: давление пара 613 Па; температура 0,0098 ⁰С. Пограничные кривые делят диаграмму на три области, в которых вода может находиться в виде жидкости, твердого тела или пара.

Сублимация – процесс сушки, характеризующийся фазовым переходом льда в пар при значениях давления и температуры, лежащих ниже тройной точки.

При этом способе сушки отсутствует контакт высушиваемого материала с кислородом воздуха. Основное количество влаги (75-90 %) удаляется при сублимации льда при температуре продукта ниже 0 ⁰С и только остаточная влага удаляется при температуре 40-60 ⁰С. Полного вымораживания влаги в продукте достичь не удается. Небольшое ее количество не вымерзает даже при очень низких температурах.

Продукты такой сушки отличаются высоким качеством, хорошо сохраняют пищевые ингредиенты, обладают повышенной восстанавливающей способностью, имеют незначительную усадку, имеют пористое строение.

При сублимационной сушке происходит резкое увеличение удельного объема пара. Если при атмосферном давлении объем 1 кг пара составляет 1,72 м³, то при остаточном давлении 133 Па – 1000 м³, а при 13,3 Па – 10000 м³. Т.е. объем, занимаемый 1 кг вторичного пара в 1-10 млн. раз больше объема 1 кг льда.

Процесс сублимационной сушки подразделяется на три этапа.

Первый - замораживание продукта. Оно происходит в скороморозильных установках или сублиматоре. В процессе увеличения вакуума материал охлаждается и самозамораживается за счет затраты теплоты на интенсивное испарение. В этот период испаряется 10-15 % всей влаги без подвода тепла за счет выделения теплоты плавления льда при замерзании воды. Образование кристаллов происходит постепенно путем углубления зоны кристаллизации. Окончание замораживание определяется при достижении температуры внутри продукта от минус 5 до минус 20 ⁰С. Продолжительность замораживания составляет 10-15 мин. Если продолжительность замораживания более высокая, то возможно образование крупных кристаллов льда, которые могут разрушить клетки ткани и привести к ухудшению качества готового продукта. Основное условие замораживания: максимальное количество влаги должно быть превращено в лед; размеры кристаллов должны быть минимальными и они должны быть равномерно распределены по всему объему для интенсивного тепло- и массообмена при сублимационной сушке. Замораживают также и жидкие продукты во избежание вспенивания.

Вакуум-замораживание неприемлемо при сублимационной сушке фруктовых соков, пюре, ягод и фруктов, так как это приводит к значительным изменениям физико-химических и структурных свойств продукта.

Второй период сушки – сублимация – период постоянной скорости сушки. В этот период удаляется основная масса влаги (60 % и более). Чем больше влаги удаляется в этот период, тем лучше сохраняются свойства продукта. В этот период появляется температурный градиент по толщине продукта. По мере сублимации льда сначала повышается температура поверхностного слоя, затем последующих слоев. После испарения всего льда температура высушиваемого продукта повышается, становится выше 0⁰С и приближается к температуре окружающей среды. Продолжительность этого периода зависит от величины остаточного давления в сублиматоре, интенсивности подвода теплоты, температуры продукта, скорости удаления паровоздушной смеси. Интенсивность сушки в этот период равна интенсивности испарения.

Третий период сушки – удаление остаточной влаги – период убывающей скорости сушки. К началу этого периода заканчивается сублимация льда и температура продукта положительная. В этот период удаляется связанная влага, не замерзшая в продукте. Скорость сушки зависит от интенсивности подвода теплоты в углубленную зону испарения и удаление пара из зоны испарения через высохшие слои к поверхности материала. На интенсивность испарения влияют структура, пористость высушиваемого продукта, форма, размер частиц. Скорость сушки уменьшается, а температура продукта повышается. В этот период удаляется 10-20 % всей влаги.

В качестве теплоносителей применяют воду, трихлорэтилен, этиленгликоль и др. с температурой не выше 40-70 ⁰С. Температурный предел устойчивости к нагреву зависит от свойств объекта сушки. Для пищевых продуктов это 40-50 ⁰С. Для продуктов растительного происхождения рекомендуются более мягкие режимы досушивания при температурах 35-40 ⁰С. Конечная влажность 3-4 %, в некоторых случаях (если предусмотрено хранение в течение нескольких лет) конечная влажность должна быть понижена до 1,5-2,0 %.

Общая продолжительность сушки во многом определяется и толщиной слоя материала. Если материал разместить толстым слоем, то продолжительность сушки составляет до 10 ч.

В последние годы проводятся исследования по использованию интенсивного подвода тепла при помощи ИК-лучей с длиной волны 0,8-1,5 мкм и токов высокой частоты 10⁹-10¹⁰ Гц. При этом продолжительность сублимационной сушки сокращается в несколько раз.

В таблице 1.9 приводятся режимы сублимационной сушки различных овощей.

Таблица 1.9 – Параметры сублимационной сушки подготовленных овощей

Продукт	Температура сублимации, 0С	Толщина слоя овощей, мм	Температура, 0С		Продол-житель-ность сушки, ч
			продукта	греющей поверхности
Картофель	-12	4-6	45	22-49		6,7
Зелень петрушки	-14	5-6	43	13-48		8,3
Морковь	-16	5-6	43	22-50		7,7
Свекла	-17	4	46	13-49		12,2
Белые коренья	-14	5-7	43	22-50		7,7
Лук	-17	3-4	46	10-48		11,0
Капуста	-12	4	46	16-50		9,5

Сублимационная сушка широко используется в европейский странах, США, Китае для пищевых продуктов, лекарственных препаратов, ферментов, заквасок и др. В России сублимационная сушка, в основном, применяется в медицинской промышленности. Имеются единичные установки, используемые для сублимационной сушки пищевых продуктов. Они рассчитаны на единовременную загрузку сырья от 300 до 1000 кг. Особенность этих установок – радиационный подвод энергии к объекту сушки.

Преимущества способа: получаются продукты высокого качества; легко поглощают при восстановлении влагу (могут восстанавливаться даже в холодной воде); сохраняют первоначальные объем, цвет, вкус, летучие компоненты; могут храниться длительное время в помещениях с нерегулируемой температурой.

Недостатки способа: продукты имеют низкое содержание влаги (2-4 %) и имеют сильно развитую поверхность, поэтому очень чувствительны к поглощению влаги и окислению кислородом воздуха липидов, витаминов, ароматических веществ; для упаковки используют специальные материалы, которые предохраняют продукты от воздействия влаги, кислорода и света; способ дорогой.