第二十五章 功能性食品的加工技术 本章要点 膜分离技术的基本内容 微胶囊技术的基本内容 超临界流体萃取的原理和特点 超临界流体萃取剂的选择依据 超临界流体萃取技术在功能性食品中的应用 生物技术的研究内容及其在功能性食品中的应用 微粉碎和超微粉碎的方法和特点 分子蒸馏技术的基本内容 喷雾干燥及升华干燥的原理和特点 第一节 膜分离技术 一、膜分离的基本概念 膜分离是一种使用半透膜的分离方法。用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。 如果用膜把一个容器隔成两个部分，膜的一侧是水溶液，另一侧是纯水，或者膜的两侧是浓度不同的溶液，则通常把小分子溶质透过膜向纯水侧移动、水分透过膜向溶液侧或浓溶液侧移动的分离称为渗析或透析。如果仅溶液中的水分（溶剂）透过膜向纯水侧或浓溶液侧移动，溶质不透过膜移动，这种分离称为渗透。 在制膜工业生产上有各种各样的膜以满足各种不同分离对象和分离方法的要求。根据膜的材质，从相态上可分为固态膜和液态膜。从来源上可分为天然膜和合成膜，后者又可分为无机膜和有机膜。根据膜断面的物理形态，可将膜分为对称膜、不对称膜和复合膜。依照固体膜的外形，可分为平板膜、管状膜、卷状膜和中空纤维膜。按膜的功能，又可分为超滤膜、反渗透膜、渗析膜、气体渗透膜和离子交换膜。 膜性能对膜分离的应用和效果有较大影响。通常所称的膜性能是指膜的物化稳定性和膜分离透过性。膜的物化稳定性主要是指膜的耐压性、耐热性、适用的pH范围、化学惰性、机械强度。膜的物化稳定性主要取决于构成膜的高分子材料。由于膜的多孔结构和水溶胀性使膜的物化稳定性低于纯高分子材料的物化稳定性。膜的物化稳定性主要从膜的抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械强度等方面来评价。而膜的分离透过特性主要从分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个方面来评价。 对任何一种分离过程，总希望分离效率高，渗透通量大，实际上，通常分离效率高的膜，渗透通量小，而渗透通量大的膜，分离效率低。故在实际应用中需要在这二者之间寻求平衡。 二、常用的膜分离过程 1. 微滤 微孔过滤是膜分离过程中最早产业化的。微孔过滤膜的孔径一般在0.02～10μm左右。但是在滤谱上可以看到，在微孔过滤和超过滤之间有一段是重叠的，没有绝对的界线。 微孔过滤膜的孔径十分均匀，微孔过滤膜的空隙率一般可高达80％左右。因此，过滤通量大，过滤所需的时间短。大部分微孔过滤膜的厚度在150μm左右，仅为深层过滤介质的1/10，甚至更小。所以，过滤时液体被过滤膜吸附而造成的损失很小。 微孔过滤的截留主要依靠机械筛分作用，吸附截留是次要的。 由醋酸纤维素与硝酸纤维素等混合组成的膜是微孔过滤的标准常用滤膜。此外，已商品化的主要滤膜有再生纤维素膜、聚氯乙烯膜、聚酰胺膜、聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜、陶瓷膜等。 在实际应用中，褶叠型筒式装置和针头过滤器是微孔过滤的两种常用装置。 2. 电渗析 电渗析是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。电渗析的选择性取决于所用的离子交换膜。离子交换膜以聚合物为基体，接上可电离的活性基团。阴离子交换膜简称阴膜，它的活性基团常用胺基。阳离子交换膜简称阳膜，它的活性基因通常是磺酸盐。离子交换膜的选择透过性，是由于膜上的固定离子基团吸引膜外溶液中的异电荷离子，使它能在电位差或浓度差的推动下透过膜体，同时排斥同种电荷的离子，阻拦它进入膜内。因此，阳离子能通过阳膜，阴离子能通过阴膜。 根据膜中活性基团分布的均一程度，离子交换膜大体上可以分为异相膜、均相膜及半均相膜。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等是离子交换膜最常用的膜材料。性能最好的是用全氟磺酸、全氟羧酸类型膜材料制备的离子交换膜。 电渗析用于水溶液中电解质的去除、电解质的浓缩、电解质与非电解质的分离和复分解反应等领域。 3. 反渗透 反渗透(又称高滤)过程是渗透过程的逆过程，即溶剂从浓溶液通过膜向稀溶液中流动。正常的渗透过程按照溶剂的浓度梯度，溶剂从稀溶液流向浓溶液。若在浓溶液侧加上压力，当膜两侧的压力差ΔP达到两溶液的渗透压差Δπ时，溶剂的流动就停止，即达到渗透平衡。当压力增加到ΔP＞Δπ时，水就从浓溶液一侧流向稀的一侧，即为反渗透。 1960年具有极薄皮层的非对称醋酸纤维素膜问世，使反渗透过程迅速地从实验室走向工业应用。非对称分离膜的出现，也大大推动了其他膜过程的开发和工业应用。目前应用的反渗透膜可分为非对称膜和复合膜两大类。前者主要以醋酸纤维素和芳香聚酰胺为膜材料；后者支撑体都为聚砜多孔滤膜，超薄皮层的膜材料都为有机含氮芳香族聚合物。反渗透膜的膜材料必须是亲水性的。 20世纪90年代出现了纳滤膜分离过程。在前期的研究中，有人将其称为疏松的反渗透膜，后来由于这类膜的孔径是在纳米范围，所以称为纳滤膜及纳滤过程。在滤谱上它位于反渗透和超滤之间。纳滤特别适用于分离分子量为几百的有机化合物。它的操作压力一般不到1 MPa。 4. 超滤 超滤也是一个以压力差为推动力的膜分离过程，其操作压力在0.1～0.5 MPa左右。一般认为超滤是一种筛孔分离过程。在静压差推动下，原料液中溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，所得的液体一般称其为滤出液或透过液，而大粒子组分被膜拦住，使它在滤剩液中浓度增大。这种机理不考虑聚合物膜化学性质对膜分离特性的影响。因此，可以用细孔模型来表示超滤的传递过程。但是，另一部分人认为不能这样简单分析超滤现象。孔结构是重要因素，但不是唯一因素，另一个重要因素是膜表面的化学性质。 超滤膜早期用的是醋酸纤维素膜材料，以后还用聚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇等以及无机膜材料。超滤膜多数为非对称膜，也有复合膜。超滤操作简单，能耗低。 5. 渗析 当把一张半透膜置于两种溶液之间时，会出现双方溶液中的大分子原地不动而小分子溶质(包括溶剂)透过膜而互相交换的现象，称为透析。 三、 膜分离技术的应用 膜分离技术是一种在常温下无相变的高效、节能、无污染的分离、提纯、浓缩技术。这项技术的特性适合功能食品的加工，在如下几个方面应用效果明显。 1.在功能饮用水加工中的应用 饮料用水一般为软化无菌水，既可用电渗析、离子交换树脂软化，超滤除菌，也可用反渗透一次完成软化除菌。近几年国内已出现纳滤膜，纳滤膜对二价离子的脱除率可达98％左右，因此用纳滤膜来生产饮料用水更经济合理。 用超滤可脱除矿泉水中的铁、锰等高价金属离子胶体、有机物胶体和细菌，用超滤作为矿泉水的终端处理可防止矿泉水的混浊和沉淀，并能保证其卫生指标。 用高脱盐率(>95％)电渗析加超滤二步法或者用高脱盐率(>95％)的反渗透一步法都可达到饮用纯净水的标准。 高氟地区的饮用水会引起人的骨质疏松等多种疾病，用反渗透法可脱除90％以上的氟，而符合国家饮用水卫生标准。 用脱气水浸泡大豆到饱和水分仅需2 h，而自来水则需4～6 h。用脱气水浸泡大豆还能防止因脂肪氧化酶作用而生的豆腥味；用脱气水加工鱼、肉、香肠时，可减轻腥味，防止褐变；用脱气水制造速溶茶，可提高提取率，缩短萃取时间。 2.在发酵及生物过程中的应用 用超滤和洗滤二次法可将酶浓缩10倍，纯度可从20％提高到90％以上。用超滤去除味精生产中的微生物，并用反渗透回收漂洗水中的谷氨酸钠。可用超滤去除黄原胶中的色素和蛋白质，并可将黄原胶从1 Pa·s浓缩到18 Pa·s。用反渗透法可使普通啤酒中乙醇含量从3％降到0.1％。可用微滤去除酵母，保证生啤酒的感官指标和保质期。用反渗透法可将普通葡萄酒中乙醇含量降到1％～2％。可用超滤去除低度白酒中的棕榈酸酯等，解决因低温引起的混浊。超滤还可增加乙醇和水的缔合，使得口感柔和醇厚。用超滤去除上述酒中的果胶、蛋白、多糖等大分子物质，解决由此产生的沉淀。用反渗透法可将赖氨酸、丝氨酸、丙氨酸、脯氨酸、苏氨酸等浓缩二倍。用超滤可把固形物20％的血浆浓缩到30％。用超滤生产的白酱油，可减少高价金属离子的含量，除去细菌和杂质，提高酱油对热和氧的稳定性；用超滤加工的食醋，清亮透明、无菌、无沉淀，并能改善风味。 3.在果汁和饮料生产中的应用 可用超滤对果汁进行除菌、澄清、脱果胶及回收果汁中的果胶、蛋白酶等，也可用反渗透对果汁进行浓缩，浓缩浓度可达20～25 oBx。可用反渗透把速溶咖啡的固形物含量从8％浓缩至35％；速溶茶可浓缩至20％左右。用超滤脱除罗汉果浸提液中的多糖、蛋白质等，再用反渗透进行浓缩，其浓缩浓度为20～25 oBx。 4.在色素生产中的应用 用超滤可脱除焦糖色素中的有害成分亚铵盐及不愉快的味道。用超滤可脱除天然食用色素水提取液中95％以上的果胶和多糖类物质，并可用反渗透法浓缩该浸提液至固含量20％以上。色价保持率极高。 5.在食用胶生产上的应用 用超滤可脱掉食用明胶中的色素及灰分，并把食用明胶的固含量浓缩至15％。用超滤可脱掉果胶中的糖、酸、色素，其脱除率>98％，并可把果胶浓缩到固含量3.5％以上。 6.在蛋白质加工中的应用 用超滤法生产大豆分离蛋白，蛋白质截留率＞95％，蛋白质回收率＞93％，比传统的酸沉淀法得率提高10％。用反渗透浓缩蛋清，固含量可从12％浓缩到20％；用超滤浓缩全蛋，其固含量可从24％浓缩到42％。用超滤可从马铃薯淀粉加工废水、粉丝生产黄浆水、水产品加工废水、大豆分离蛋白加工废水以及葡萄糖生产中回收蛋白。这样既充分利用了资源，又符合环保的要求。 7.在乳制品加工中的应用 用反渗透法浓缩牛奶，用于生产奶粉和奶酪，牛奶的固形物可浓缩到25％。亚洲人普遍对乳糖过敏，用超滤法把牛奶中的乳糖脱除，并回收乳糖作工业原料。用超滤法可从干酪乳清中回收并浓缩蛋白。 第二节 微胶囊技术 一、微胶囊的基本概念 1.微胶囊的定义 日常生活中人们对服用胶囊药物已经司空见惯，那是将药粉或药粒装填到可食性胶囊中，便于吞服并避免了药的苦味和不良气味，这种胶囊已有一百多年历史了。如果将这种胶囊缩小到直径只有5～200μm范围内，就是微胶囊。可以说，微胶囊就是指一种具有聚合物壁壳的微型容器或包装物。包在微胶囊内的物质称为芯材，而外面的“壳”称为壁材；它们必须是无毒无味及食品卫生法规所允许的材料，且在食品中的最终用量也应符合食品卫生法的要求。一般来说，油溶性芯材应采用水溶性壁材，而水溶性芯材必须采用油溶性壁材。当然这样小的胶囊不可能是装填的，于是人们发明了许多制造微胶囊的方法。微胶囊造粒技术有时也被称为包埋技术。 2.微胶囊的构成 （1）芯材 在食品工业生产中，凡食品中的必要成分或需要添加的材料，如要改变性状并保持其特定性能，都可作为芯材，它是开发和应用微胶囊技术的目的物。 （2）壁材 就是构成微胶囊外壳的材料，也有的称为“包衣”。食品微胶囊的壁材首先应无毒，符合国家食品添加剂卫生标淮。它必须性能稳定，不与芯材发生反应，具有一定强度，耐摩擦、挤压、耐热等性能。 最常用的壁材为植物胶、阿拉拍胶、海藻酸钠、卡拉胶、琼脂等。其次是淀粉及其衍生物，如各种类型的糊精、低聚糖。国外开发出许多淀粉衍生物具有很好的乳化性、成膜性、质密性，是很好的包埋香精的壁材。此外明胶、酪蛋白、大豆蛋白、多种纤维素衍生物也都是很好的壁材。 3. 微胶囊的形态 微胶囊因制作方法的不同有球型、椭球型、柱型、无定型等形状。但最多的是球型。它们可以是单核的，也可以是多核的。微胶囊外壁可以是单层也可以是双层。对于挤压成型再粉碎的产品则是无定型的。应用最广的喷雾干燥法微胶囊为表面有陷凹的球形，内部为众多个不连续的球状芯。 4. 微胶囊芯材的释放 微胶囊芯材可在水中或其他溶剂中因壁材溶解而释放，这是最常见的释放方法，如喷雾干燥法制造的粉末香精、粉末油脂。也有因温度升高到壁材融化，外壳破坏而释放的，如膨松剂中的酸性材料。也有因挤压摩擦破坏外壳而释放的。如口香糖中的甜味剂和香精。以上几种是瞬时释放。即一旦外壳破坏，芯材立即释放出来。还有因壁材吸水膨胀形成半透膜而使芯材逐渐渗透而缓慢释放的，这种释放直到内外渗透压平衡而停止。微胶囊的制造应根据其用途、释放方式、芯材性质而选择相应的制造方法。 5.食品工业中常用的几种微胶囊化方法 微胶囊化方法大致可分为化学法、物理法和融合二者的物理化学法。具体方法可有20余种。如喷雾干燥法、喷雾冻凝法、空气悬浮法(又称沸腾床法)、真空蒸发沉积法、多孔离心法、静电结合法、单凝聚法、复合凝聚法、油相分离法、挤压法、锐孔法、粉末床法、熔融分散法、复相乳液法、界面聚合法、原位聚合法、分子包埋法、幅射包埋法等，其中，有一部分还停留在发明专利上，没有形成规模工业生产；部分已应用于医药工业、化学工业上。真正可用于食品工业的微胶囊方法则需符合以下条件：能批量连续化生产，生产成本低。能被食品工业接受，有成套相应设备可引用、设备简单，生产中不产生大量污染物、如含化学物的废水。壁材是可食用的，符合食品卫生法和食品添加剂标准。使用微胶囊技术后确实可简化生产工艺，提高食品质量。因此目前能在食品工业中应用的方法只有少数几种。 主要有喷雾干燥法、喷雾冻凝法、空气悬浮法、分子包接法、水相分离法、油相分离法、挤压法、锐孔法等八种方法，另外还有界面聚合法、原位聚合法、粉末床法。随着技术的改进和设备的开发，今后会有更多的造粒技术走向成熟，投入使用。 二、食品工业的微胶囊功能 在食品工业中应用最早、最广泛的微胶囊功能是物料形态的改变。即把液态原料固体化，变成微细的可流动性粉末，除便于使用、运输、保存外，还能简化食品生产工艺和开发出新型产品，如粉末香精就是固体饮料开发的前提，粉末的油脂的出现促成了许多方便食品的开发，如咖啡伴侣、维生素强化奶粉等。 防止某些不稳定的食品原辅料挥发、氧化、变质。许多香精和香料精油化学性质不稳定，易挥发或被氧化，维生素E、维生素C、高度不饱和的油脂(如DHA、EPA)等材料很易氧化而失去功能，生产中又要求这些成分在食品中高度分散于易被氧化的环境中。微胶囊化就是解决这一矛盾的最好方法。 控制芯材释放速度是微胶囊技术应用最广泛的功能之一。食品中有效成分需要控制释放的例子很多。如在焙烤业中，某些膨松剂要求在面胚表面升温到某一程度，淀粉糊化和蛋白质变性已具备了保气功能后再产气，而生成的气体形成气泡不会溢散。酸碱式膨松剂中的一种(通常为酸性材料)应先制成微胶囊，待达到所需温度后再释放气体。日本有微胶囊化乙醇保鲜剂，在密封包装中缓慢释放乙醇蒸汽以防止霉菌。还可以利用医药中的肠溶微胶囊技术制某些活菌制品，改善肠道消化状态。中国传统豆腐生产中使用石膏可生产出细嫩的南豆腐，就是利用了石膏的天然缓释Ca++的功能；MgCl2没有缓释功能，但豆腐的风味更好，将MgCl2微胶囊化后，就可以结合二者优点。 功能食品加工过程中可能产生不良气味，某些原料中也会含有难于去除的不良气味或去除工艺复杂，还会破坏应有香气，此时可用微胶囊化方法解决，通常用β-环糊精为壁材的分子包埋法。 三、微胶囊技术的应用 微胶囊技术在食品工业中的应用范围越来越广,各种新的使用方法、新产品被不断开发出来。 以海藻酸钠、蔬菜、天然果汁为原料, 微胶囊技术和饮料工艺相结合，制造微胶囊复合果蔬饮料，产品具有叶酸、蛋白质、ＶＣ、钙等营养成分。理想的胶囊呈圆形且表面光滑,微胶囊成形时，氯化钙溶液的流速决定了胶囊的外观及口感。产品具有色泽明快、风味独特、营养丰富、稳定性极佳等特点。 以海藻提取物为主要原料，利用滴制设备滴入到另一种液体物料之中,发生化学变化,从而形成珍珠状球形胶囊颗粒。将之加入到饮料中制成海藻酸钠珍珠胶囊饮料，饮料的颜色与珍珠胶囊的颜色可相同也可不同，增加饮料的营养价值，改善饮料的外观和口感。对于阻碍人体对胆固醇的吸收,抑制有害金属离子在人体内积累具有特殊功效。 从果蔬中提取可利用的营养物质，并保持其颜色、防止其褐变褪色而将蔬菜汁制成彩色胶囊加入至饮料中，所得的产品色彩鲜艳、稳定性好、感官性好。 在乳制品中添加的营养物质往往具有不愉快的气味，其性质不稳定易分解，影响产品质量。将这些添加物利用微胶囊技术包埋，可增强产品稳定性,使产品具有独特的风味，无异味、不结块,泡沫均匀细腻、冲调性好、保质期长。利用此法制成的产品有果味奶粉、姜汁奶粉、可乐奶粉、发泡奶粉、膨化乳制品、啤酒奶粉等。 微胶囊技术可应用于糖果的调色、调香、调味及糖果的营养强化和品质改善。糖果生产中的天然食用色素、香精、营养强化剂等物质易分解，将其微胶囊化可确保产品质量的稳定。用β-环状糊精包埋胡萝卜素、核黄素、叶绿素铜钠、甜红素等，经日光照射不褪色。直接在烘焙面粉中添加FeSO4强化芝麻酥心糖，则产品易氧化酸败，但经包埋后再添加可防异味并能延长保质期。常用的壁材有水溶性食用胶、环状糊精、纤维素衍生物、明胶、酪蛋白等物质,用此法生产的糖果颜色鲜亮持久，产品货架期长。 微胶囊技术还可应用于其它食品行业中。如食品添加剂中的某些甜味剂、酸味剂、防腐剂、香精、色素的性质不稳定,利用微胶囊包埋技术制备微胶囊化甜味剂、酸味剂、防腐剂等，既改变了物质的原有状态，又增强了食品添加剂的稳定性，减少了与其他物质产生不良反应的可能性。在酿酒工业中也逐步引入微胶囊化技术研制开发新产品，现已问世的产品有奶味啤酒、螺旋藻悬浮啤酒、粉末化酒等。酒的粉末化需选择一种适当的包囊材料将酒中的酒精和挥发性芳香物质包埋起来，利用喷雾干燥法制成固化微胶囊颗粒，从而改变了传统酒类产品的固有形态。 第三节 超临界流体萃取技术 一、超临界流体的萃取原理和特性 超临界流体萃取技术是以超临界状态下的流体作为溶剂，利用该状态下流体所具有的高渗透能力和高溶解能力萃取分离混合物的过程。 任何物质都具有气、液、固三态，随着压力、温度的变化、物质的存在状态也会相应发生改变，图25-1标出了各相存在的区域。在相图中，当气——液两相共存线自三相点延伸到气液临界点后，气相与液相混为一体，相间的界线消失，物质成为既非液体也非气体的单一相态，即超临界状态，此时物质不能再被液化。 图25-1 纯物质压温图（CO2） 严格地说，超临界流体是指那些高于又接近流体临界点，以单相形式而存在的流体。流体在临界点附近其物理化学性质与在非临界状态有很大不同，其密度、介电常数、扩散系数、粘度以及溶解度都有显著变化。 人们利用超临界流体对混合物某些组分进行萃取，发现超临界流体具有良好的溶解性 能，能够萃取一些重要的化合物。在适当条件下，难溶物质在超临界相中的溶解度比在非临界状态相下要大104倍。这是由于超临界相的密度增大了，导致溶剂的介电常数和极化度增加，从而增加了溶剂分子与被溶解分子的作用力。 由于在其它条件完全相同的情况下，流体的密度在相当程度上反映了它的溶解能力，而超临界流体的密度又与压力和温度有关。因此，在进行超临界萃取操作时，通过改变体系的温度和压力，从而改变流体密度，进而改变萃取物在流体中的溶解度，以达到萃取和分离的目的。 关于超临界流体萃取时分子间作用的特点，可以认为它更近似于液——液(固)萃取。蒸馏过程之所以能分离预定的组分，主要是靠组分间挥发度的差异。而液——液(固)萃取的分离原理则是依靠各组分的溶解度差异；物质的挥发度虽与物质间的相互作用有关，但主要取决于分子的热运动，而物质的溶解度则主要依赖于分子间的相互作用。当超临界流体的压力增加，流体密度增大，分子间距离减少，它们之间的相互作用也就加强，溶剂分子与溶质分子间的作用要么发生在气固界面或发生在液相界面上，要么发生在液相内部，使溶质分子克服原有分子的相互作用而进入超临界相内，因此，其分离作用原理与液——液萃取过程类似。 根据超临界流体萃取技术的原理，可将超临界流体萃取过程的基本特征归纳如下： 作为萃取溶剂的超临界流体同时兼有液体和气体的长处，它具有与液体相近的密度和介电常数，又具有与气体相近的粘度，扩散系数也远大于一般液体。高的密度和介电常数有利于溶剂和溶质分子之间的相互作用，提高溶剂效能；低的粘度和高的扩散系数有利于传质和溶质溶剂间的分离，这样，可在较短的时间内达到平衡，提高萃取效率，也无需进行溶剂蒸馏回收。所以超临界流体是萃取分离的理想溶剂。 利用超临界流体可在常温或不高的温度下溶解或选择性地提取或萃取出相应难挥发的物质，形成一个负载的超临界相，此方法特别适用于提取或精制热敏性和易氧化的物质。 超临界流体的溶剂效能强烈依赖于流体密度、温度和压力，对于给定的物质，增加超临界流体相的密度，使溶剂的溶解能力增加，萃取分离更为有效；降低超临界流体的密度，使溶剂的溶解能力下降，有助于溶剂与溶质的回收。而超临界流体相的密度可由过程的温度和压力进行控制。常用的溶剂种类并不多，但它们的性质，特别是密度可以在较宽的范围内随压力和温度而发生变化。 二、超临界流体萃取剂的选择 用作超临界萃取剂的流体很多，这些流体有的价格昂贵制取困难，有的对设备有腐蚀和破坏性，有的气体有毒有害，不适于提取食品或医药中的有效成分。与其它气体比较，二氧化碳作为超临界溶剂具有较大的优越性。目前在食品、化妆品、医药、香料的领域中，常用二氧化碳作为超临界萃取剂。二氧化碳基本上能满足非极性提取剂的要求，且价廉易得，还不会引起被萃取物的污染，无毒无害，是食品工业领域超临界流体萃取中一种较理想和使用较普遍的溶剂。 二氧化碳作为超临界萃取溶剂有以下溶解特点： （1）分子量大于500 dalton的物质具有一定的溶解度。 （2）中、低分子量的卤化物、醛、酮、酯、醇、醚非常易溶。 （3）低分子量、非极性的脂族烃(20碳以下)及小分子的芳烃化合物是可溶解的。 （4）分子量很低的极性有机物(如羧酸)是可溶解的，酰胺、脲、氨基甲酸乙酯、偶氮染料的溶解性较差。 （5）极性基团(如羟基、氮)的增加通常会降低有机物的溶解性。 （6）脂肪酸及其甘油三酯具有较低的溶解性，单酯化作用可增加脂肪酸的溶解性。 （7）同系物中溶解度随分子量的增加而降低。 （8）生物碱、类胡萝卜素、氨基酸、水果酸和大多数无机盐是不溶的。 三、超临界流体萃取技术在食品工程中的应用 超临界流体特别是超临界CO2萃取技术以其提取率高、产品纯度好、过程能耗低、后处理简单和无毒、无三废、无易燃易爆危险等诸多传统分离技术不可比拟的优势,近年来得到了广泛的应用,在食品工业中的应用正在不断扩展,它既有从原料中提取和纯化少量有效成分的功能,还可以去除一些影响食品的风味和有碍人体健康的物质。 植物中的挥发性芳香成分由精油和某些特殊香味的成分构成。精油分离一般使用水汽蒸馏，精油和香味成分从植物组织中提取使用溶剂浸提法。但应用传统的提取方法，部分不稳定的香气成分受热变质,溶剂残留以及低沸点头香成分的损失将影响产品的香气。因此,室温操作、无毒、无残留的超临界CO2萃取就成了传统的提取方法的理想替代技术。在超临界条件下，精油和特殊的香味成分可同时被抽出,并且植物精油在超临界CO2流体中溶解度很大,与液体CO2几乎能完全互溶,因此精油可以完全从植物组织中被抽提出来,加之超临界流体对固体颗粒的渗透性很强,使萃取过程不但效率高而且与传统工艺相比有较高的收率。超临界流体CO2萃取技术生产天然辛香料的植物原料很多,如啤酒花、生姜、大蒜、洋葱、辣根、砂仁和八角茴香等。从墨红花、桂花等中用超临界CO2提取的精油(或浸膏)香气与鲜花相近。 富含油脂的植物种子是食用油的主要原料,目前工业化分离多采用压榨法或溶剂萃取法。用压榨法,油脂得率低,约有5%以上的残油会留在油饼中;而用乙烷、石油醚等有机溶剂萃取时,油脂的收率大有提高,但存在溶剂回收和产品带有溶剂残留问题。而且两种方法不能有效地进行物质成分的选择性萃取。超临界CO2萃取植物油脂的技术日趋成熟，用超临界CO2萃取得到的油品,一般油收率高,杂质含量低,色泽浅,并且可省去减压蒸馏和脱臭等精制工序。与传统方法相比,萃取油脂后的残粕仍保留了原样,可方便地用于提取蛋白、掺入食品或用作饲料。磷脂普遍存在于动植物的细胞中,磷脂主要有卵黄磷脂和大豆磷脂。用超临界CO2萃取技术分离、提纯可得到高纯度卵黄磷脂和大豆磷脂。 生物体内的一些生理活性物质,对人的营养保健和对疾病的治疗效果已日显重要,但这些物质易受常规分离条件的影响而失去生理活性功效。超临界流体萃取由于分离条件十分温和,而在这个领域有十分广阔的前景。鱼油中含有大量的二十碳五烯酸(ＥＰＡ)和二十二碳六烯酸(ＤＨＡ)这类具有生理活性的不饱和脂肪酸,由于高度不饱和脂肪酸分子结构的特点,ＥＰＡ和ＤＨＡ极易被氧化,易受光热破坏,传统的分离方法很难解决高浓度的ＥＰＡ、ＤＨＡ提取问题。超临界CO2萃取可将ＥＰＡ和ＤＨＡ从鱼油中分离。月见草中的γ-亚麻酸、紫苏籽中的α-亚麻酸、荔枝种仁中的荔枝酸等生理活性物质均可用超临界CO2萃取。 有害物质的分离和去除，从茶叶中脱除咖啡因、使橙汁脱苦等。咖啡因富含于咖啡豆和茶叶中。许多人饮用咖啡或茶时,不喜欢咖啡因含量过高;而且从植物中脱除的咖啡因可做药用,因此从咖啡豆和茶叶中提取咖啡因是一举两得的事。用超临界CO2萃取咖啡豆和茶叶,不仅得到了咖啡因,而且保留了咖啡和茶叶的原香、原味。用同一原理处理烟草,能获得低尼古丁含量却又保留原烟草香气的烟草叶。另外,用超临界CO2萃取技术也可以脱除蛋黄等中的胆固醇，分离天然色素,如胡萝卜素、黄色素、叶绿素和辣椒红色素、蕃茄红素、可可色素等。 除此之外，超临界流体萃取还可从月见草油中提取γ—亚麻酸，从甘蔗渣滤饼中提取生理活性物质二十八烷醇，从磷虾壳中提取虾黄素，从沙棘中提取沙棘油，除去银杏叶中的银杏酚等致敏物质等。 由于超临界萃取技术是应用高压加工的工艺，其投资成本较高．不过，因为它能提供高产率和质量令人满意的产品，所以逐渐为功能食品加工企业采用。 第四节 生物技术 现代生物技术是以生命科学为基础，以基因工程为核心，包括细胞工程、酶工程和发酵工程等内容，利用生物体系和工程原理，对加工对象进行加工处理的一种综合技术。由于它是在分子生物学、生物化学、应用微生物学、化学工程、发酵工程和电子计算机的最新科学成就基础上形成的综合性学科，被列入当今世界七大高科技领域之一。 生物技术的研究内容 1.基因工程 以分子遗传学为基础，以DNA重组技术为手段，实现动物、植物、微生物等物种之间的基因转移或DNA重组，达到食品原料或食品微生物的改良。或者在此基础上，采用DNA分子克隆对蛋白质分子进行定位突变的所谓蛋白质工程，这对提高食品营养价值及食品加工性能，具有重要的科学价值和应用前景。 2.细胞工程 应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术以及动物、植物大量控制性培养技术，以生产各种功能性食品有效成分、新型食品和食品添加剂。 3.酶工程 酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。为了提高酶催化各种物质转化，以实现控制性工程的能力，因此，酶工程的主要内容是把游离酶固定化，称为固定化酶，或者把经过培养发酵产生目的酶活力高峰时的整个微生物细胞再固定化，称为固定化细胞。这样，便可直接应用于食品生产过程中物质的转化。 4.发酵工程 这是采用现代发酵设备，使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的食品或食品的功能成分。 二、生物技术在功能食品开发中的应用 生物技术起源于传统的食品发酵，并首先在食品加工中得到广泛的应用。目前，甜味剂中木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等都可用生物技术生产。 通过把风味前体转变为风味物质的酶基因的克隆，或通过微生物发酵产生风味物质都可使食品芳香风味得以增强。 目前，维生素中抗坏血酸(Vc)、核黄素(VB2)和钴胺素(VB12)已能用发酵技术制取，并且VB2和Vc 已有商品化基因工程产品，另外用工程菌株生物合成生物素、肌醇和胡萝卜素也已开始研制。 国际上对食品添加剂的品质要求显示如下趋势：要求食品更具天然、新鲜；追求低脂肪、低胆固醇、低热量食品；增强食品贮藏中品质的稳定性；不用或少用化学合成的添加剂。为此，用生物合成法代替化学法合成食品添加剂已是大势所趋。利用细胞杂交和细胞培养技术还可生产独特的食品香味和风味的添加剂，如香草素、可可香素、菠萝风味剂以及高级的天然色素，如咖喱黄、类胡萝卜素、紫色素、花色苷素、辣椒素、靛蓝等，并且通过杂种选育，培养的色素含量高、色调和稳定性好，如转基因的E．coli的玉米黄素最高产量可达289 μg／g。 近年来酶制剂工业取得飞速发展，利用生物技术开发出一些具特定功能的酶品种已成为关注的焦点。由于全球患高血压死亡人数比例逐年增加、从而促进了新型胆固醇氧化酶、胆固醇还原酶和胆固醇合成酶抑制剂的研究开发。 利用基因工程可使许多酶和蛋白质的基因得以克隆和表达，在这方面较为成功的是牛皱胃凝乳酶的克隆。除此以外，α-淀粉酶、乳糖酶、脂酶、β-葡聚糖酶及一些蛋白酶都得已克隆与表达，其中蛋白酶、葡糖淀粉酶、α-淀粉酶和葡糖异构酶已大量生产。丹麦公司用重组技术合成的单一成分酶——纤维素酶、木聚糖酶已经商品化。 为提高酶的产量和质量常采用特定位点诱发突变，原生质体融合和重组DNA技术。利用这些技术，使丙酮、丁醇发酵产率大为提高，日本则使α-淀粉酶发酵产率提高近200倍，而且有极强的热稳定性。 生产酶的工程菌以大肠杆菌、酵母菌和丝状真菌为主，还有芽孢菌和链霉菌等。固定酶技术和酶分子修饰技术仍在发展，同时固定化细胞技术不断完善。利用酶修饰食品中的蛋白组分和脂肪组分等，改变食品质构和营养的研究也不断深入。非水相酶促反应的应用在国内外则处于试验阶段。 今后功能食品总的发展趋势是充分利用生物资源丰富和多样性的优势、将现代生物技术与食品制造技术相结合，在开发出新一代生物技术产品的同时也不放松对传统生产技术的改造。生物技术在改造传统食品生产工艺方面的应用主要体现在以下几个方面：用微生物发酵代替化学合成。由于化学合成产率低、周期长，并且合成产品中往往含诱变剂，因此人们逐渐转向于用微生物合成各种食品添加剂和生物活性物质，这些物质往往具有化学合成不可比拟的优越性。如用粘红酵母GLR 513生产油脂，油脂含量高，不饱和脂肪酸含量也高；用微生物脂肪酸合成短链芳香脂不仅得到高质量天然产品，且条件温和、转化率高；用热带假丝酵母生产木糖醇，产量高，且无乙酸盐及化学提取残留物；最近日本还开发研究利用链球菌和乳酸菌生产γ-氨酪酸。目前已出现了品种繁多的低糖甜味剂、酸味剂、鲜味剂、维生素、活性多肽等现代发酵产品。 第五节 微粉碎和超微粉碎 根据被粉碎物料和成品粒度的大小，粉碎可分成粗粉碎、中粉碎、微粉碎和超微粉碎等四种。粗粉碎的原料粒度在40～1500 mm范围内，成品颗粒粒度5～50 mm；中粉碎的原料粒度在10～100 mm范围内，成品颗粒粒度5～10 mm；微粉碎的原料粒度在5～10 mm范围内，成品颗粒粒度100μm以下；超微粉碎的原料粒度在0.5～5 mm范围内，成品颗粒粒度10～25μm以下。 在功能性食品生产上，某些微量活性物质(如硒)的添加量很小，如果颗粒稍大，就可能带来毒副作用。这就需要非常有效的超微粉碎手段将之粉碎至足够细小的粒度，加上有效的混合操作才能保证它在食品中的均匀分布，使功能性活性成分更好地发挥作用。因此，超微粉碎技术已成为功能食品加工的重要新技术之一。 一、干法超微粉碎和微粉碎 1.气流式超微粉碎 气流式超微粉碎的基本原理是利用空气、蒸汽或其它气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍流和能量转换流，物料颗粒在这高能气流作用下悬浮输送着，相互之间发生剧烈的冲击、碰撞和摩擦作用，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充足的研磨而粉碎成超微粒子，同时进行均匀混合。由于欲粉碎的食品物料大多熔点较低或者不耐热，故通常使用空气。被压缩的空气在粉碎室中膨胀，产生的冷却效应与粉碎时产生的热效应相互抵消。 气流式超微粉碎概括起来有以下几方面特点：粉碎比大，粉碎颗粒成品的平均粒径在5μm以下；粉碎设备结构紧凑、磨损小且维修容易，但动力消耗大；在粉碎过程中设置一定的分级作用，粗粒由于受到离心力作用不会混到细粒成品中，这保证了成品粒度的均匀一致；易实现多单元联合操作，在粉碎同时还能对两种配合比例相差很远的物料进行很好的混合，此外在粉碎的同时可喷入所需的包囊溶液对粉碎颗粒进行包囊处理；易实现无菌操作，卫生条件好。 2.高频振动式超微粉碎 高频振动式超微粉碎的原理是利用球形或棒形研磨介质作高频振动时产生的冲击、摩擦和剪切等作用力，来实现对物料颗粒的超微粉碎，并同时起到混合分散作用。振动磨是进行高频振动式超微粉碎的专门设备，它在干法或湿法状态下均可工作。 3.旋转球(棒)磨式超微粉碎或微粉碎 旋转球(棒)磨式超微粉碎或微粉碎的原理是利用水平回转筒体中的球或棒状研磨介质，后者由于受到离心力的影响产生了冲击和摩擦等作用力，达到对物料颗粒粉碎的目的。它与高频振动式超微粉碎的相同之处都是利用研磨介质实现对物料的超微粉碎，但两者在引发研磨介质产生作用力方式上存在差异。 4.转辊式微或超微粉碎 这种微或超微粉碎技术是利用转动的辊子在另一相对表面之间产生摩擦、挤压或剪切等作用力，达到粉碎物料的目的。根据相对表面形式的不同，有盘辊研磨机和辊磨机两大类型的专用设备。 5.锤击式和盘击式微粉碎 锤击式微粉碎的原理是利用高速旋转锤头产生的强大冲击力，以及受锤头离心力作用冲向内壁产生的冲击、摩擦和剪切力，和颗粒间相互强烈地冲击、摩擦和剪切等作用力将物料粉碎成微细粒子。经锤击式粉碎的物料平均粒度可达40 μm以下，属于微粉碎范畴； 二、湿法超微粉碎 超微粉碎技术除了干法处理外，还有湿法处理。有些干法处理设备，也适合于用湿法处理。另外，湿法超微粉碎还有一些专用设备，诸如搅拌磨、胶体磨和均质机等。 1.搅拌磨 搅拌磨的超微粉碎原理是在分散器高速旋转产生的离心力作用下，研磨介质和液体浆料颗粒冲向容器内壁，产生强烈的剪切、摩擦、冲击和挤压等作用力。使浆料颗粒得以粉碎。搅拌磨能满足成品粒子的超微化、均匀化要求，成品的平均粒度最小可达到数微米。 搅拌磨所用的研磨介质有玻璃珠、钢珠、氧化铝珠等，此外还常用天然砂子，故又称为砂磨。研磨成品粒径与研磨介质粒径成正比，研磨介质粒径愈小，研磨成品粒径愈细，产量愈低，但研磨介质过小反而会影响研磨效率。 2.行星磨和双锥磨 行星磨和双锥磨都是20世纪80年代问世的湿法高效超微粉碎设备，可将浆料中的固体颗粒粒度研磨至1～2μm以下。 行星磨由2～4个研磨罐组成，这些研磨罐除自转外还围绕主轴作公转，研磨罐设计成倾斜式，以使之在离心运动时同时出现摆动现象，在每次产生最大离心力的最外点旋转时，罐内研磨介质会上下翻动，把物料颗粒研磨成微细粒子。 行星磨研磨罐的磨介充填率为30％左右，它的粉碎效率比球磨机高。不但粒度可达1μm以下，而且微粒大小均匀。同时具有结构简单、运转平稳、操作方便等优点。不仅常用在湿法处理上，也适用于干法处理。 双锥磨是一种新型高能量密度的超微粉碎设备，它利用两个锥型容器的间隙构成一个研磨区，内锥体为转子，外锥体为定子。在转子和定子之间的环隙用研磨介质填充，研磨介质为玻璃珠、陶瓷珠和钢珠等。磨介直径通常为0.5～3.0 mm，转子与定子之研磨间距(缝隙)约为6～8 mm，与研磨介质直径相适应。介质直径大，则间距也大。 3.胶体磨和均质机 胶体磨又称分散磨，工作构件由一个固定的磨体(定子)和一个高速旋转磨体(转子)所组成，两磨体之间有一个可以调节的微小间隙。当物料通过这个间隙时，由于转子的高速旋转，使附着于转子面上的物料速度最大，而附着于定子面的物料速度为零；这样产生了急剧的速度梯度，从而使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍动骚扰，产生了超微粉碎作用。 胶体磨的特点体现在：可在极短时间内实现对悬浮液中的固形物进行超微粉碎，同时兼有混合、搅拌、分散和乳化的作用，成品粒径可达1μm；效率和产量高，大约比球磨机和辊磨机的效率高出两倍以上；可通过调节两磨体间隙达到控制成品粒径的目的；结构简单，操作方便，占地面积小。但是，由于定子和转子磨体间隙极微小，因此加工精度较高。 胶体磨的普通形式为卧式，其转子随水平轴旋转，定子与转子间的间隙通常为50～150μm依靠转动件的水平位移来调节。料液在旋转中心处进入，流过间隙后从四周卸出。转子的转速范围为3000～15000 r／min。这种胶体磨适用于粘性相对较低的物料。 对于粘度相对较高的物料，可采用立式胶体磨，其转子的转速为3000～10000 r／min，这种胶体磨卸料和清洗都很方便。 均质机的工作部件是均质阀，工作原理是当高压物料在阀盘与阀座间流过时产生了急剧的速度梯度，速度以缝隙的中心为最大，而附于阀盘与阀座上的物料流速为零。由于急剧的速度梯度产生强烈的剪力，使液滴或颗粒发生变形和破裂以达到微粒化的目的。 均质阀的形式甚多，多由一锥形阀盘置于阀室内的阀座上构成。阀盘上有垂直的阀杆，阀杆上带有弹簧，可借调节手柄来调节其张力，以此改变均质压力。工作时由于物料的压力，阀盘被提起而离开阀座，其间形成极小间隙。当物料从环状间隙出来后立即与挡环相碰，起着进一步碎裂液滴的作用。 均质机与胶体磨相比较，前者适于处理粘度较低的制品(低于0.2Pa·s)，而后者适于处理粘度较高的制品(大于1.0 Pa·s)。对粘度介于上述范围之内的物料则两者均可使用，但均质机可得到更细的乳化分散性。 4.超声波乳化器 超声波是频率大于16kHz的声波。当它遇到障碍时，会对障碍物起着迅速交替的压缩和膨胀作用。在膨胀的半个周期内物料受到张力，物料中存在的任何气泡将膨胀；而在压缩的半个周期内，此气泡将被压缩。当压力的变化很大而气泡很小时，压缩的气泡就急速崩溃，对周围产生巨大的复杂应力，这种现象称为“空蚀”作用，可释出相当的能量。空蚀作用也可能发生在没有气体存在的物料中，但物料中存在溶解氧或气泡可促进这种现象的发生。对于乳化液中悬浮的液滴，若空蚀作用发生在两相界面上，液滴便受到巨大应力而分散为更细的液滴，形成更为稳定的乳化系统，这就是超声波乳化的基本原理。 三、超微粉碎技术在功能性食品基料生产上的应用 功能性食品基料是生产功能性食品的关键。就目前而言，确认具有生理活性的基料包括膳食纤维、真菌多糖、功能性甜味剂、多不饱和脂肪酸酯、复合脂质、油脂替代品、自由基清除剂、维生素、微量活性元素、活性肽、活性蛋白质和乳酸菌等十余种。超微粉碎技术在部分功能性食品基料的制备生产上有重要的作用。 人的口腔对一定大小和形状颗粒的感知程度有一阈值，小于这一阈值时颗粒状就不会被感觉出，并呈现奶油状、滑腻的口感特性。利用湿法超微粉碎技术将蛋白质颗粒的粒径降低至这一阈值，便得到可用来代替油脂的功能性食品基料。有一类以蛋白质微粒为基础成分的脂肪替代品就是利用超微粉碎技术将蛋白质颗粒粉碎至某一粒度。例如美国一公司推出的Simplesse产品，就是以牛乳和鸡蛋白为原料，先经过热处理使两种蛋白质发生一定程度的变性，之后通过很强烈的湿法超微粉碎使蛋白颗粒大小降至0.1～2μm。这样的粒度人的嘴部不会感知出颗粒的存在，同时这样细小的球形蛋白微粒之间还易发生滚动作用、增强了类似脂肪滑腻柔和的口感特性。 膳食纤维是一种重要的功能性食品基料。自然界中富含纤维的原料很多，诸如小麦麸皮、燕麦皮、玉米皮、豆皮、米糠、甜菜渣和蔗渣等均可用来生产膳食纤维添加剂。以蔗渣为例，其生产工艺包括原料清理、粗粉碎、浸泡漂洗、异味脱除、二次漂洗、漂白脱色、脱水干燥、微粉碎、功能活化和超微粉碎等主要步骤,其中就使用了微粉碎和超微粉碎技术。 第六节 其它技术 一、分子蒸馏技术 1.分子蒸馏的概念 以加热的手段进行液体混合物的分离，其基本操作是蒸馏和精馏。蒸馏和精馏是以液体混合物中各组分的挥发性的差异作为分离依据的。简单的蒸馏一般只能实现液体混合物的粗分离，并且分离效率还远达不到理想的效果。因为在通常的蒸馏过程中，存在着两股分子流的流向：一是被蒸液体的汽化，由液相流向汽相的蒸气分子流；二是由蒸气回流至液相的分子流。一般说来，这两股分子流的量是不同的，前者大于后者。如果采取特别的措施，增大离开液相的分子流而减少返回液相的分子流，实现从液相到汽相的单一分子流的流向，这就是分子蒸馏。因为减少了蒸气回流到液相表面的分子流，因此能提高蒸馏的效率，同时,能够降低物料组分的热分解。 2.分子蒸馏的特征 (1)在中、高真空下操作。有人将操作压力≤0.013Pa的蒸馏过程称为分子蒸馏；把操作压力为0.013～1.33Pa的蒸馏过程称为准分子蒸馏。 采用中、高真空操作，既保证了单向分子的流动，又保证了液体在较低的温度下高效率地蒸发。 (2)在不产生气泡情况下产生相变，产品受热的时间短。中、高真空操作的分子蒸发有一个明显的特点，液体能够在不产生汽泡的情况下实现相变，也就是说相变是发生在被蒸发的液体物料表面，使之就地蒸发。要实现这样的过程，必须尽可能地扩大蒸发表面和不断地更新蒸发表面，以提高传质速率。采用机械式刮板薄膜蒸发装置既可不断更新蒸发表面又能减少停留在蒸发表面的物料量，从而缩短了物料的受热时间，避免或减少了产品受热分解或聚合的可能性。 (3)分子蒸馏设备中，蒸发器的表面与冷凝器表面间的距离很短，约为2～5 cm，仅为不凝性气体平均自由路程的一半。这不仅满足了分子蒸馏的先决条件，并且有助于缩短物料汽化分子处于沸腾状态的时间，仅为数秒钟。 3.分子蒸馏在食品分离中的应用 脂肪酸甘油单酯是食品工业中常用的乳化剂，它是由脂肪酸甘油三酯水解而成。水解产物由甘油单酯和甘油双酯组成，其中甘油单酯含量约为50％，其余为甘油双酯。甘油单酯对温度较为敏感，不能用分馏方法提纯，只能用分子蒸馏法分离。采用二级分子蒸馏流程，可得含量大于90％的甘油单酯产品，收率在80％以上。此外，链长不等的脂肪酸也可用此法进行分离。 采用带预脱器的二级分子蒸馏装置，可以从油中分离维生素A或维生素E，加热温度为200℃，操作压力为1×10-3 Pa，收率超过80％。 从乳脂中分离杀菌剂以及香料的脱臭等都可以采用二级分子蒸馏装置进行。 分子蒸馏也可以用于热敏性物料的浓缩、提纯。例如用于处理蜜蜂、果汁和各糖液等。 二、喷雾干燥 1.喷雾干燥原理 喷雾干燥技术是近代干燥新技术之—。通过机械的作用，将需干燥的物料，分散成很细的像雾一样的微粒，与热空气接触后，在瞬间将大部分水分除去，而使物料中的固体物质干燥成粉末。 喷雾干燥目前在国内外已广泛采用，在食品工业中有奶粉、奶油粉、乳清粉、蛋粉、果汁粉、速溶咖啡、速溶茶等产品的干燥过程都采用了这项技术。 2.喷雾干燥的优点 （1）干燥速率高、时间短。由于料液被雾化成几十微米大小的液滴,所以液体的比表面积很大，故所进行的热交换和质交换非常迅速,一般只需几秒到几十秒钟就干燥完毕，具有瞬间干燥的特点。 （2）物料温度较低。虽然采用较高温度的干燥介质，但液滴有大量水分存在时，物料表面温度一般不超过热空气的湿球温度。对奶粉干燥，约为50～60℃。因此，非常适宜于热敏性物料的干燥，能保持产品的营养，色泽和香味。 （3）制品有良好的分散性和溶解性。根据工艺要求选用适当的雾化器，可使产品制成粉末或空气球。因此，制品的疏松性、分散性好，不粉碎也能在水中迅速溶解。 （4）产品纯度高。由于干燥是在密闭的容器中进行的，杂质不会混入产品中，而且还改善了劳动条件。 （5）生产过程简单，操作控制方便，即使含水量达90％的料液，不经浓缩同样也能一次获得均匀的干燥产品。大部分产品干燥后不需粉碎和筛选，简化了生产工艺流程。而且，对于产品粒度和含水量等质量指标，可通过改变操作条件进行调整，且控制管理都很方便。⑥适宜于连续化生产。干燥后的产品经连续排料，在后处理上结合冷却器和气力输送，组成连续生产作业线，有利于实现自动化大规模生产。 3.喷雾干燥的缺点 （1）设备比较复杂，一次投资较大，当用160℃以下的热空气进行干燥时，所需干燥设备体积较大，一般情况下干燥室的水分蒸发强度仅能达到2.5～4kg／m3。 （2）使被干燥物料雾化成细小微粒和从废气中回收夹带的粉末，需要一套价格较高的复杂设备。 （3）为了降低产品中水分含量，以致需要较多的空气量，从而增加鼓风机的电能消耗与回收装置的容量。 （4）热效率不高，热消耗大，每蒸发1kg水分约需2～3 kg的蒸汽，相当于1500～1700 kcal热量。 三、升华干燥装置 1.升华干燥原理 将含水物料先冻结，然后使物料中的水分在高真空下不经液相直接从固相化为水汽排出，称升华干燥法，或称冷冻升华干燥法。理论上已知水有三个相——液相、气相和固相，图25-2为水的三相图，O点为三相点，OA是冰的融解线。根据压力减小，沸点下降的原理，由图中可见，当压力降低到P0= 646.5 Pa时，温度在0℃以下，物料中的水分即可从冰不经过液相而直接升华成水汽。但这是对纯水而言，如为一般食品，其中含有的水，基本上是一种溶液，冰点较纯水要低，因此选择升华的温度在-5℃～20℃左右，相应的 图25-2 水的三相图 压力在133.3 Pa左右。 2.升华干燥的特点 由于在低温下操作，能最大限度地保存食品的色、香、味，如蔬菜的天然色素保持不变，各种芳香物质的损失可减少到最低限度，对热敏感性物质特别适合，能保存食品中的各种营养成分，尤其对维生素C，能保存90％以上。在真空和低温下操作，微生物的生长和酶的作用受到抑制。升华干制品重量轻、体积小、贮藏时占地面积少、运输方便，各种升华干燥的蔬菜经压块，重量减少十几倍，体积缩小几十倍。以冷藏食品重量为100％，罐头为110%，升华干制品仅为5％。包装费用方面，比罐头低得多，在贮藏费用方面比冷藏低得多。同时，在贮藏和运输过程中，损失率也较小。因为被干燥物料含有的水分是在结冰状态下直接蒸发的，故在干燥过程中，水汽不带动可溶性物质移向物料表面，不会在物料表面沉积盐类，即在物料表面不会形成硬质薄皮，不会使物料干燥后因收缩引起变形，故极易吸水恢复原状。除此之外，因升华干燥在真空下操作，氧气极少，因此一些易氧化的物质(如油脂类)可以得到保护。用冷冻升华干燥法加工的食品能排除95％～99％以上的水分，产品能长期保存而不变质。 思考题 1.常用的膜分离过程有哪几种？各有何特点？都在什么场合下应用？ 2.微胶囊芯材和壁材的功能是什么？ 3.如何实现功能食品胶囊化？ 4.超临界流体萃取的原理和特点是什么？ 5.超临界流体萃取剂的选择依据是什么？ 6.超临界流体萃取技术是如何应用在功能食品加工中的？ 7.生物技术的研究内容涵盖哪几个领域？ 8.生物技术在功能食品开发中主要应用在哪几个方面？ 9.何为微粉碎和超微粉碎？其方法有哪几种？各有何特点？ 10.何为分子蒸馏技术？ 11.喷雾干燥的原理和特点是什么？ 12.升华干燥的原理和特点是什么？ 参考文献 1 时钧，袁权，高从堦. 膜技术手册. 北京：化学工业出版社，2001 2 王熊，郭宏.高新技术在现代食品工业中的应用——膜分离技术.食品科学，1998，19（11）：4~6 3 鲍鲁生. 食品工业中应用的微胶囊技术. 食品科学，1999，9：6~9 4 林松毅, 程宏, 张冬青. 微胶囊技术在食品工业中的应用. 冷饮与速冻食品工业，2001，7（3） 5 梅丛笑，方元超. 微胶囊技术在食品工业中的应用. 中国食品与营养，2000，3：28~29 6 张国宏，孙奇. 高新技术在现代食品工业中的应用——超临界流体萃取技术. 食品科学， 1998，19（12）：4~7 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