食品加工原理：干燥原理及湿空气物理性质与水分降低

（一）干燥的目的

1.延长食品货架期

通过干燥降低食品中的水分活度，使引起食品腐败变质的微生物难以生长繁殖，使促进食品发生不良化学反应的酶类钝化失效，从而延长食品的货架期，达到安全保藏的目的。

2.便于贮运

干燥去除水分，使食品物料减轻质量和缩小体积，可以节省包装、运输和仓储费用。

3.加工工艺的需要

干燥有时是食品加工工艺必要的操作步骤。如烘烤面包、饼干及茶叶干燥不仅在制造过程中除去水分，而且还具有形成产品特有的色、香、味和形状的作用。

（二）湿空气

在食品干燥生产中，从湿物料中除去水分通常采用热空气为干燥介质。供给干燥的热空气都是干空气（即绝干空气）与水蒸气的混合物，常称为湿空气。研究干燥过程有必要了解湿空气的各种物理性质以及它们之间的相互关系。

湿空气对水蒸气的吸收能力（吸湿能力）是由湿空气的状态特性决定的，湿空气的特性参数有压力、绝对湿度、相对湿度、湿含量、密度、比热容、温度和热焓等。

1.湿度

空气中的水分含量用湿度来表示，有两种表示方法，即绝对湿度和相对湿度。

（1）绝对湿度 绝对湿度是指单位质量绝干空气中所含水蒸气的质量，表示为：

式中 H——空气的绝对湿度，kg/kg绝干空气；

M_g——绝干空气中的摩尔质量，kg/kmol；

M_v——水蒸气的摩尔质量，kg/kmol；

n_g——绝干空气的物质的量，kmol；

n_v——水蒸气的物质的量，kmol。

常压下湿空气可视为理想气体混合物，由分压定律可知，理想气体混合物中各组成的摩尔比等于分压比，式2-1可表示为：

式中 p_w——湿空气中水蒸气的分压，Pa；

p——湿空气的总压，Pa。

由式2-2可知，湿空气的湿度与总压及其中的水蒸气分压有关。当总压一定时，则湿度仅由水蒸气的分压所决定。

（2）相对湿度 在一定的总压下，湿空气中水蒸气分压与同温度下纯水的饱和蒸汽压之比，称为相对湿度，计算公式如下所示。

式中 φ——空气相对湿度；

p_w——湿空气中水蒸气分压，Pa；

p_s——同温度下纯水的饱和蒸汽压，Pa。

相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和程度。φ=1，表示空气已达饱和状态，不能再接纳任何水分；φ值越小，表示该空气离饱和程度越远，可接纳的水分越多，干燥能力也越大。可见空气的绝对湿度H仅表示其中水蒸气的含量，而相对湿度φ才能反映出空气吸收水分的能力。水的饱和蒸汽分压p_s可根据空气的温度在饱和水蒸气表中查到，水蒸气分压可根据湿度计或露点仪测得的露点温度查得。

干燥时，食品的水分能下降的程度由空气的含水量所决定。空气相对湿度越低，食品干燥速率越快。食品的水分始终要和周围空气的湿度处于平衡状态。当物料表面水蒸气分压大于空气水蒸气分压时，物料表面水分蒸发，内部水分密度高于表面，水分不断向表面迁移，如此往复，使物料干燥。反之，当空气的水蒸气分压高于物料表面的水蒸气分压时，则物料吸湿。当空气的湿度达到平衡湿度，物料既不脱水也不吸湿。

2.温度

湿空气的温度可用干球温度和湿球温度表示。用普通温度计测得的湿空气实际温度即为干球温度θ。在普通温度计的感温部分包以湿纱布，湿纱布的一部分浸入水中，使它保持湿润状态就构成了湿球温度计，将湿球温度计置于一定温度和湿度的湿空气流中，达到平衡或稳定时的温度称为该空气的湿球温度θ_w。湿球温度计所指示的平衡温度θ_w，实际上是湿纱布中水分的温度，该温度由湿空气干球温度θ及湿度H所决定。当湿空气的干球温度θ一定时，若其湿度H越高，则湿球温度θ_w也越高；当湿空气达饱和时，则湿球温度和干球温度相等。不饱和空气的湿球温度低于其干球温度。

（三）物料含水量

根据热力学原理，食品内部的水蒸气压总是要与外界空气中的水蒸气压保持平衡状态，如果不平衡，食品就会通过水分子的蒸发或吸收达到新的平衡状态。当食品内部的水蒸气压与外界空气的水蒸气压在一定温、湿度条件下达成平衡时，食品的含水量恒定，这一数值即为食品的含水量或食品的平衡水分，一般用百分数来表示。食品的含水量通常用干基和湿基两种方法来表示，通常所指的物料水分含量多指湿基水分含量（也称为湿度），干基水分含量常用于干燥过程物料衡算。

湿基水分含量是以湿物料为基准，指湿物料中水分占总质量的百分比，计算公式如下。

式中 ω——湿基湿含量，%；

m——水的质量，kg；

m₀——湿物料的总质量（水和干物质质量之和），kg。

干基水分含量是以不变的干物质为基准，指湿物料中水分与干物质质量的百分比，计算公式如下。

式中 ω′——干基湿含量，%；

m——水的质量，kg；

m_c——湿物料中干物质的质量，kg。

（四）水分活度

物料的含水量只是表示了物料中含水的多少，它不足以说明水的功能水平，特别是水的生物化学可利用性和在物料变质机制中水的作用大小。安全含水量的标准不能任意从一个产品推广到另一产品，因为一定的含水量对某种产品是安全的，对另一产品则未必安全。例如，含水量为20%的土豆淀粉或者含水量为14%的小麦淀粉都是稳定的，然而含水量12%的乳粉却很快就会变质。能本质地反映物料中水的活性的概念是水分活度A_W。活度是重要的物理化学概念。水分活度A_W是物料中水分的热力学能量状态高低的标志。

水分活度（A_W）是指溶液的水蒸气分压p和同温度下溶剂（常以纯水）的饱和蒸汽压p₀之比：

水分活度是0～1的数值。纯水的A_W等于1。食品中的水总有一部分是以结合水的形式存在的，而结合水的蒸汽压远比纯水的蒸汽压低得多，因此，食品的A_W总是小于1。食品中结合水的含量越高，A_W越低。温度不变，A_W增大表示物料中水分的汽化能力增大，水分透过细胞膜的渗透能力增大，水分在物料内部扩散速率增大。

图2-1表示了典型食品物料水分吸附等温线。水从湿物料中去除的难易程度与水分活度有关，各种食品的含水量与其对应的A_W呈非线性关系。在一定温度条件下用来反映食品的含水量与其水分活度的平衡曲线称为吸附等温线。

图2-1 典型食品物料水分吸附等温线

（五）水分活度与食品稳定性

各种食品在一定条件下都有其一定的水分活度，食品中微生物的活动和各种生物化学反应也都需要在一定的水分活度范围内才能进行。因此，降低水分活度，可以提高食品的稳定性，减少腐败变质并预测食品的耐藏性。

1.水分活度与微生物的关系(www.xing528.com)

微生物是引起食品变质的主要原因，不同的微生物在食品中繁殖，都有它最适的A_W范围，其中以细菌最为敏感，其次是酵母和霉菌。在一般情况下，A_W小于0.90时，细菌不能生长；A_W低于0.87时大多数酵母菌受到抑制；A_W小于0.8时大多数霉菌不能生长，但有一些嗜高渗酵母菌株在A_W低至0.65时仍能生长。

表2-2所示为适合各类微生物生长所要求的水分活度范围。当水分活度高于微生物生长所需的最低水分活度时，微生物的生长会导致食品腐败变质。根据表中提供的数据，对不同食品选择适宜的贮存条件，以防止或降低微生物对食品品质的不良影响。

表2-2 部分食品中水分活度与微生物生长的关系

续表

需要指出的是，表2-2所示的最低水分活度值不是绝对的，因为食品的pH、温度、微生物的营养状况以及水中特定溶质的性质，对水分活度也会有影响。如金黄色葡萄球菌生长的最低A_W，在乳粉中是0.861，在酒精中则是0.973。

目前干燥采用的温度不是很高，即使是高温干燥，因脱水时间短，微生物只是随着干燥过程中水分活度的降低而进入休眠状态。一旦环境条件改变，食品物料吸湿，微生物也会重新恢复活动。仅靠干燥过程并不能将微生物全部杀死，因此干燥食品并非无菌，遇到温暖潮湿气候，也会腐败变质。因此食品干燥过程不能代替食品必要的灭菌处理，仍需加强卫生控制，减少微生物污染，降低其对食品的腐败变质作用。应该在干制工艺中采取相应的措施如蒸煮、烫漂等，以保证干制品安全卫生。某些食品物料若污染有病原菌，或有导致人体致病的寄生虫（如猪肉旋毛虫）存在时，则应在干燥前设法将其杀死。

2.水分活度对酶的影响

当水分活度小于0.85时，导致食品原料腐败的大部分酶会失去活性，如多酚氧化酶、过氧化物酶、维生素C氧化酶、淀粉酶等。然而，即使在0.1～0.3这样的低水分活度下，脂肪氧化酶仍能保持较强活力。只有当水分含量降至1%以下时才能完全抑制酶的活性，而通常的干燥很难达到这样低的水分含量。例如30℃下贮藏的大麦粉和卵磷脂的混合物，在低水分活度下基本不发生酶解反应，在贮藏48d以后，当水分活度A_W上升到0.7时，该食品的脂酶解反应速率迅速提高。此外，酶反应速率还与酶能否与食品相互接触有关，当酶与食品相互接触时，反应速率较快；当酶与食品相互隔离时，反应速率较慢。如A_W等于0.15时，脂肪氧化酶就能分解油脂，而固态脂肪在此水分活度时仅有极小的变化。

食品干燥过程不能替代酶的钝化或失活处理，为了防止干制品中酶的作用，食品在干燥前需要进行酶的钝化或灭酶处理。

3.水分活度对食品质构的影响

水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。当水分活度从0.2～0.3增加到0.65时，大多数半干或干燥食品的硬度及黏性增加。水分活度为0.4～0.5时，肉干的硬度及耐咀嚼性最大。另外，饼干、爆米花等各种脆性食品，必须在较低的A_W下才能保持其酥脆。为了避免绵白糖、乳粉以及速溶咖啡结块或变硬发黏，都需要使产品保持相当低的水分活度。控制水分活度在0.35～0.5可保持干燥食品的理想状态。而对含水较多的食品，如蛋糕、面包、果冻布丁等，它们的水分活度大于周围空气的相对湿度，保存时需要防止水分蒸发。

（六）物料中水分的分类

将物料吸湿或解湿等温线图中的横坐标值当作空气的相对湿度φ，纵坐标为相对应的物料平衡含水量，则物料中的各种水分关系如图2-2所示。

图2-2 物料中各种水分的含义

1.按物料与水分的结合方式分类

按与物料的结合方式，物料中所含的水分分为化学结合水、物理化学结合水和机械结合水。

（1）化学结合水 包括与物料的离子结合和结晶型分子结合的水。化学结合水结合最牢，不能用一般干燥方法除去。例如，若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。

（2）物理化学结合水 包括吸附水分、渗透水分和结构水分。吸附水分是物料内外表面靠分子间力吸附结合的水分，是物理化学结合水中结合最强的。渗透水分是物料组织壁内外溶质浓度差形成的渗透压作用而结合的水。结构水分是胶体形成时结合在物料网状结构内的水。

（3）机械结合水 包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。毛细管水分存在于物料中的纤维或成团颗粒间。润湿水分是与物料机械混合的水分，易用加热和机械方法脱除。

2.按水分去除的难易程度分类

按物料中水分去除的难易程度，物料中的水分分为结合水分和非结合水分。

（1）结合水分 主要是指物化结合的水分和机械结合的毛细管水分，这种水分难以去除。结合水分产生的蒸汽压低于相同温度纯水的蒸汽压，故结合水分的A_W小于1。

（2）非结合水分 包括物料表面的润湿水分及空隙水分，这种水分易于去除。非结合水分产生的蒸汽压和同温度纯水产生的蒸汽压相近，亦即其A_W近似等于1。

3.按水分能否用干燥方法除去分类

物料中的水分按在一定条件下是否能用干燥方法除去而分为自由水分和平衡水分。

（1）自由水分 物料与一定温度和湿度的湿空气流充分接触，物料中的水分能被干燥除去的部分，称为自由水分。

（2）平衡水分 自由水分被干燥除去后，尽管物料仍与这种温湿度的空气流接触，但物料中的水分已不再失去而维持一定的含水量，这部分水分就称作物料在此空气状态下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空气状态下干燥的极限。平衡水分的多少即平衡含水量值与空气的温湿度相联系，也因物料种类而异。

（七）湿热传递过程

食品的干燥过程实际上是食品从外界吸收足够的热量，使其所含水分不断向环境中转移，从而导致其含水量不断降低的过程。该过程是热量和质量传递同时存在的过程，伴随着传热（物料对热量的吸收）和传质（水分在物料中的迁移），因而也称作湿热传递过程。

1.给湿过程

当干燥环境介质空气处于不饱和状态，食品物料表面水分蒸气压大于干燥介质的蒸汽压时，物料表面受热蒸发水分，而物料表面又被内部向外扩散的水分湿润，此时水分从物料表面向干燥介质中蒸发的过程称为给湿过程，也称为物料表面水分蒸发过程。

2.导湿过程

给湿过程的进行，导致了待干食品内部与表面之间的水分差异，表面湿含量比物料内部的湿含量低，即存在水分梯度。在这种作用下，内部水分将以液体或蒸汽形式向表层迁移，这就是所谓的导湿过程或水分的扩散过程。水分扩散一般是从高水分处向低水分处扩散，即是从内部不断向表面方向移动。

导湿过程食品表面受热高于中心部位，因而在物料内部会建立一定的温度差，即温度梯度。因此，水分既会在水分梯度的作用下迁移，也会在温度梯度的作用下扩散。温度梯度将促使水分（无论是液态还是气态）从高温向低温处转移，这种现象称为导湿温性。

3.热湿传导现象

在干燥过程中，湿物料表面同时存在着温度梯度和湿度梯度，在大多数干燥方法中，物体传热的方向由表至里，因此温度梯度和湿度梯度的方向相反，而且温度梯度起着阻碍水分由内部向表层扩散的作用。但是在对流干燥的降率干燥阶段，往往会出现导湿温性占主导地位的情形。此时食品表面的水分就会向它的内部迁移，由于其表面蒸发作用仍进行，导致其表面迅速干燥，温度上升。只有当食品内部因水分蒸发而建立起足够的压力时，才能改变水分传递的方法，使水分重新扩散到表面蒸发。结果不仅延长了干燥时间，而且会导致食品表面硬化。

随着干燥过程的进行，物料的水分梯度逐渐减少，温度梯度逐渐增大，水分从内部向表面的总流量逐渐减少，而物料表面的水分蒸发速度则取决于干燥介质的参数变化。若表面水分的蒸发速度不大于内部水分的扩散速度，则干燥过程就维持恒速干燥阶段；反之，若水分的蒸发速度大于水分的扩散速度，干燥则进入减速干燥阶段。在减速干燥阶段，会出现导湿温性大于导湿性，迫使水分从外层向内部转移，而表面的水分仍在进行蒸发，导致产品表面硬化、龟裂。

（八）影响湿热传递的主要因素

干燥过程的影响因素主要取决于干燥条件（由干燥设备类型和操作状况决定）和干燥物料的性质。

1.干燥条件的影响

（1）空气温度 传热介质的温度对干燥速度和干制品的质量有明显的影响。如果传热介质温度低，物料表面水分蒸发速度就慢，干燥时间就长，造成干制品质量下降。如果传热介质的温度高，食品表面水分蒸发速度快，若食品内部水分扩散速度小于表面蒸发速度，则水分蒸发就会从表面向内层深处转移。为了提高产品质量，保证物料表面水分蒸发的顺利进行，并避免在食品内部形成阻碍水分向外扩散的温度梯度，就必须控制干燥介质的温度，既不能过高，也不能过低，应尽可能使水分蒸发速度等于水分扩散速度。

（2）空气相对湿度 空气的相对湿度也是影响湿热传递的因素。脱水干燥时，空气相对湿度低，食品干燥速率快。近于饱和的湿空气进一步吸收水分的能力远比干燥空气差。干燥时，食品的水分下降的程度是由空气湿度所决定的。

（3）空气流速 空气流速加快，食品干燥速率加速。加快空气流速，能及时将聚集在食品表面附近的饱和湿空气带走，以免阻止食品内水分进一步蒸发；同时还因为与食品表面接触的空气量增加，而显著加速食品中水分的蒸发。在生产过程中，由于物料脱水干燥过程有恒速与降速阶段，为了避免食品干燥过程中形成温度梯度，影响干燥质量，空气流速与空气温度在干燥过程中要互相调节控制。

（4）大气压力或真空度 在其他条件不变的情况下，大气压力降低，沸点下降，水的沸腾蒸发加快。在真空室内加热干燥，就可以在较低的温度条件下进行，使产品的溶解性提高，较好地保存营养价值，延长产品的储藏期。对于热敏性食品物料的干燥，低温加热与缩短干燥时间对制品的品质极为重要。

2.食品物料的影响因素

（1）物料的干燥温度 物料的温度对干燥也有影响。水分从物料表面蒸发，会使表面温度下降，这是水分由液态转化成蒸汽时吸收相变热所引起的。物料的进一步干燥需要提供热量，如用热空气加热，干燥空气温度不论多高，只要有水分蒸发，物料温度不会高于介质温度。若物料水分含量下降，蒸发速率减慢，物料的温度将随之上升，最终接近干燥介质温度。对于热敏性食品物料，通常在物料尚未达到高温时就应取出，以保证产品质量。

（2）物料的表面积 物料的表面积对干燥速度有一定的影响。由于传热介质与食品的换热量及食品水分的蒸发量均与食品的表面积成正比。为了加速湿热交换，提高干燥速率，通常把被干燥物料分割成薄片、小块或粉碎后再进行干燥。这不仅可以增加食品与传热介质的接触面积，而且缩短了热与质的传递距离，为物料内水分外逸提供了更多的途径，从而加速了水分的扩散与蒸发，缩短了干燥时间。可见，食品的表面积越大，干燥的速度就越快，干燥效率越高。

（3）物料的组成与结构 食品成分、结构、食品溶质的类型和浓度、食品中水分的存在状态等都会影响物料在干燥过程中的湿热传递，影响干燥速率和产品质量。食品成分在物料中的位置对干燥速率有一定的影响。从分子组成角度上来看，真正具有均一组成成分结构的食品物料并不多。许多纤维性食物都具有方向性，因此在干燥肉制品时，肥瘦组成不同的部位将有不同的干燥速度，特别是水分的迁移需通过脂肪层时，对速率影响更大。故当肉类干燥时，将肉层与热源相对平行，避免水分透过脂肪层，就可获得较快的干燥速率。溶质的存在，特别是高糖分食品物料或低相对分子质量溶质的存在，会提高溶液的沸点，影响水分的汽化。因此溶质浓度愈高，维持水分的能力愈强，相同条件下干燥速率下降。与食品物料结合力较低的游离水分最易去除，以物理化学结合力吸附在食品物料固形物中的水分相对较难去除，最难去除的是由化学键形成水化物的水分。