食品加工學課程 (第四部份)

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亡福路
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1 Food Dehydration 蔡敏郎 1

2 食品脫水乾燥食品乾燥的定義與目的水與食品水活性 (water activity) 在食品乾燥的應用食品乾燥機構影響食品乾燥速率因素乾燥前處理乾燥方法與設備乾燥食品之品質變化乾燥食品的貯存乾製品各論 2

3 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米粉乳製品 : 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 3

4 ( 一 ) 定義一食品乾燥的定義與目的 Artificial drying under controlled conditions Not refer to all processes that remove water from foods not refer to concentration Strict sense-the nearly complete removal of water from foods under controlled conditions that cause minimum or ideally no other changes in the food properties. Optimization of variables (1) maximum drying rate (2) minimum product damage (3) most economical drying cost 4

5 ( 二 ) 目的延長貯存期限減少重量與體積方便性增加風味增加質感製造新型食品水果蜜餞牛奶奶粉麵粉即食麵鰹魚柴魚馬鈴薯薯條豬肉肉乾肉紙 5

6 二水與食品 ( 一 ) 水在食品中的功能 1. Reactant i.e. in hydrolysis 2. Product i.e. in polymerization 3. Solvent for mobility 4. Modifier of intermediate 5. Stabilizer of biopolymer conformation 9

7 ( 二 ) 食品中的水含量 proximate composition 肉類與蔬果類之一般成分差異豬肉與魚肉何者較易腐敗? 蜂蜜與麵包何者較易腐敗? wet weight and dry weight 食品一般成分會影響乾燥速率? 10

8 一般成分 (proximate composition) 水分 (moisture) 蛋白質 (protein) 脂肪 (fat) 碳水化合物 (carbohydrate) 灰分 (ash) 11

9 ( 三 ) 水在食品中的狀態根據食品中水分的存在狀態, 可將食品中的水分為自由水和結合水 ( 一 ) 結合水結合水 ( 或稱為束縛水固定水,bound water), 通常是指存在於溶質或其他非水組成分附近的與溶質分子之間透過化學鍵結合的該部分水 1. 化合水 (chemically combined water) 2. 鄰近水 (monolayer water) 3. 多層水 (multiplayer water) 12

10 結合水可分成以下幾種 : 化合水 (chemically combined water): 是結合最牢固構成非水物質組成中的水鄰近水 (monolayer water): 是處在非水組成分親水性強的基團周圍的一層位置, 與離子或離子基團結合的水是結合最緊密的鄰近水, 又稱單層水多層水 (multiplayer water): 上述第一層的剩餘位置的水, 和隣近水的外層形成的幾個水層, 主要靠水 - 水水 - 溶質間氫鍵而形成 13

11 自由水自由水 ( 體相水,free water) 就是指沒有被非水物質化學結合的水分類如下 : 滯化 ( 截留 ) 水 : 被組織中的膜所阻留住的水, 因水不能自由流動, 又稱不移動水 100 g 肉, 固形物 20 g, 總含水量 g,10 g 結合水,60-65 g 滯化水毛細管水 : 存在於組織細胞間隙中以毛細管力所繫留的水, 又稱細胞間水 ( 液 ) 自由流動水 : 指動物的血漿淋巴和尿液植物的導管和細胞內液胞中的水, 可自由流動 14

12 水分子與溶質間之作用方式 Ionic bonding Hydrogen bonding van der Waals force Hydrophobic bonding 15

13 三水活性在食品乾燥的應用水活性 (water activity) 1. 定義 Available water (Aw, aw), a measure of unbound, free water in a system available to support biological and chemical reaction. 16

14 2. Determination of Aw (1) Aw=ERH / 100=P / Po p 是某種食品在密閉容器中達到平衡狀態時的水蒸氣分壓 ; p 0 是相同溫度下純水的蒸汽壓 ERH (equilibrium relative humidity) 是樣品周圍的空氣平衡相對濕度 (2) Raoult s law Aw=N = Nw / (Nw+Ns) N 是溶劑莫耳分數,Nw 為溶劑莫耳數,Ns 為溶質莫耳數 17

15 遲滯現象 (hysteresis) 如果在乾燥樣品中以添加水 ( 吸濕作用 ) 的方法繪製等溫吸濕曲線和依照脫濕過程繪製的等溫脫濕曲線並不完全重疊, 這種不重疊性稱為遲滯現象很多食品的遲滯作用的大小曲線的開端和遲滯回線的起始點和終點都不相同, 取決於食品的性質脫水復水時的物理變化溫度脫水程度和速度等因素 18

16 引起食品脫濕與吸濕出現遲滯現象的原因可能是 : 脫濕過程中一些水分與非水溶液成分作用而無法釋出水分不規則形狀產生毛細管現象的部位, 欲填滿或抽空水分需不同蒸氣壓 ( 要抽出需 p 內 >p 外, 要填滿即吸著時則需 p 外 >p 內 ) 脫濕作用時, 因組織改變, 當再吸水時無法緊密結合水分, 由此可導致吸濕相同水分含量時處於較高的水活性 19

17 Aw 低時, 水會與氫過氧化物形成氫鍵, 保護過氧化物進一步氧化反應微量金屬可催化氧化反應, 但形成金屬水合物後, 降低催化活性 20

18 降低 Aw 可以提高食品的安定性, 其機制 : 降低水活性, 能使食品中許多可能發生的化學反應酵素性反應受到抑制很多化學反應是屬於離子反應, 該反應發生的條件是反應物首先必須進行離子化或水合作用, 而發生離子化或水合作用的條件必須有足夠的自由水才能進行很多化學反應和生物化學反應都必須有水分子參加才能進行 ( 如水解反應 ) 許多以酶為催化劑的酵素性反應中, 水除了具有作為反應物的功能外, 還能作為受質在酶擴散作用中的輸送介質, 並且透過水合促使酶和受質活化 21

19 欄柵技術 (Hurdle Technology): 利用多種技術或方法對微生物進行控制, 達到食品保存之目的水活性 ph 值加熱抑菌劑 ( 添加物 ) 包裝儲藏溫度 22

20 中度水分食品 (Intermediate moisture foods, IMF; Semimoist foods) 1. 原理 1) Moisture content 20-50%, Aw ) 高濃度潤濕劑 (humectant), 如糖鹽 glycerol 等增加滲透壓, 降低 Aw 3) 潤濕劑本身之殺菌效果 4) 防腐劑作用 ( 防黴, 如己二烯酸鈉 ) 23

21 2. 產品種類 : 蜂蜜果醬果凍蜜餞義大利香腸 (salami sausage) 貓狗食品太空食品 * 狗漢堡食品配方 : 碎肉 ( 加工廠副產品 ) 糖鹽己二烯酸鉀 (potassium sorbate) 丙二醇 (propylene glycol, 降低 Aw; antimycotics; 嚼感 ) 其他營養劑 24

22 salami sausage 25

23 3. 中度水分食品優缺點優點不須冷藏冷凍不用加水復元高熱量高密度包裝要求較不嚴格缺點無法抑制酵素作用無法抑制非酵素褐變無法抑制油脂氧化作用所加溶質往往無法被消費者接受溶質會與水分離營養問題 26

24 四食品乾燥機構熱能與質量之傳遞 (Heat and mass transfer) 表面蒸發 (Surface evaporation) 與內部擴散 (Internal diffusion) 恆率乾燥 (Constant rate drying) 表面蒸發 Rate 內部擴散 Rate ( 表面自由水蒸發 ) 27

25 食品乾燥機制 ---- 加熱乾燥之原理表面蒸發層與層之間有濃度差水的移動方向內部擴散層與層之間有溫度差 28

26 ( 四 ) 減率乾燥 (Falling rate drying) 表面蒸發 Rate > 內部擴散 Rate 1. 第一減率乾燥.B - C 表面自由水蒸發減少 2. 第二減率乾燥.C - D 表面自由水蒸發殆盡 ( 五 ) 臨界水含量 (Critical moisture content) 恆率期結束要進入減率期時之食品水分含量 * 臨界水分量的影響因素? 29

27 30

28 五影響食品乾燥速率因素 ( 一 ) 物理 ( 乾燥條件 ) 因素 1. 溫度 (temperature): 食品熱媒或空氣溫度,rate ( 須考量風速 ) 2. 風速 (air velocity): 流速,rate 3. 濕度 (humidity): 濕度,rate 4. 氣壓 (atmospheric pressure and vacuum): 氣壓, rate 5. 時間與溫度 (time and temperature):htst 與 LTLT 31

29 ( 二 ) 食品本身特性與組成分因素 1. 表面積 (surface area): 表面積,rate 2. 組成分之方向 (constituent orientation): 組成分排列與熱源平行, rate 3. 溶質濃度 (solute concentration): 濃度,rate 4. 水結合狀態 (binding of water): 自由水多,rate 5. 細胞構造 (cellular structure): 活細胞,rate 6. 多孔結構 (porosity): 結構緻密,rate 32

30 六乾燥前處理 1. Blanching 2. Treated with NaCl 3. Sulfur dioxide 4. Treated with enzymes (e.g. glucose oxidase or catalase) 5. Predipping in dilute lye solution 己二烯酸鹽 6. Addition of preservatives (e.g. sorbates or 苯甲酸鹽 benzoates) and antioxidants (e.g. BHA, BHT, TBQH or propyl gallate, ascorbic acid, tocopherol) 沒食子酸丙酯 7. Addition of humectants 8. Others (e.g. bleeding, hair or scale removing) 放血去鱗食品添加物使用範圍及用量標準 33

31 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 34

32 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效果並防止貯存時的變質提高乾燥食品的還原性 ( 復水性 ) 改善食品的物理性質 35

33 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 36

34 抑制酵素活性的前處理殺菁 (blanching) 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 流失方法有三 : 熱水殺菁 ( 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加入氯化鈣和重合磷酸鹽, 調整原料的硬度和咀嚼性加硫處理 (sulfuring) 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 SO 2 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 37

35 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 38

36 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曬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 500 ppm 以下, 金針為 4000 ppm 以下 39

37 食品添加物使用範圍及用量標準第四類 : 漂白劑 ( 硫酸鹽類 ) 金針乾製品,SO 2 殘留量計為 4.0 g/kg 以下即 4000 ppm 杏乾,SO 2 殘留量計為 2.0 g/kg 以下白葡萄乾,SO 2 殘留量計為 1.5 g/kg 以下動物膠脫水蔬菜及其他脫水水果,SO 2 殘留量計為 0.5 g/kg 以下糖蜜及糖飴,SO 2 殘留量計為 0.3 g/kg 以下糖漬果實類蝦類及貝類,SO 2 殘留量計為 0.1 g/kg 以下水果酒類,SO 2 殘留量計為 0.25 g/kg 以下其他食品,SO 2 殘留量計為 0.03 g/kg 以下即 30 ppm 但飲料 ( 不包括果汁 ) 麵粉及其製品 ( 不包括烘焙食品 ) 不得使用 40

38 避免食品酵素性褐變的方法破壞酵素作用, 如 : 殺菁, 置於鹽水隔絕或去除氧氣, 如 : 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, 如 : 亞硫酸溶液, 維生素 C 調整酸度多酚氧化酶多酚 + O 2 褐變茶多酚 41

39 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 42

40 Treated with enzymes Glucose Gluconic acid + H 2 O 2 glucose oxidase H 2 O 2 H 2 O + O 2 catalase 43

41 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 44

42 促進乾燥效率的前處理 (1) 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棗蜜餞, 針孔可加速乾燥 45

43 促進乾燥效率的前處理 (2) 在果汁中加入氫氧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 46

44 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) 浸漬液, 並可和抗氧化劑併用, 可使製品柔軟且強化抗氧化效果 47

Chapter 2

Chapter 2 水分蔡敏郎教授 [email protected] 1 教學目的和要求瞭解水在食品中的重要作用水和冰的結構及性質含水食品的水分轉移規律分子流動性和食品安定性的關係掌握水在食品中的存在狀態水活性和水分等溫吸濕線的概念及意義水活性與食品的安定性之間的關係 2 3 4 水和冰的結構和性質水分子 (H 2 O) 中氫原子的電子結構是 1s 1, 氧原子為 1s 2,2s 2,2p x2,