凍幹技術(又稱為冷凍真空幹燥技術)是一種廣泛應用於食品加工、醫藥、科研等領域的高效脫水方法。通過將水分在低溫下升華，從而避免傳統幹燥方法中對食品質量的破壞。凍幹過程涉及複雜的熱傳遞與水分遷移機理，這些因素共同決定了凍幹產品的較終質量與效率。本文將深入探討
食品凍幹機中凍幹過程中的熱傳遞與水分遷移機理。
一、凍幹過程概述
凍幹過程通常包括三個主要步驟：冷凍、升華和解凍。在冷凍階段，食品首先被冷卻至低於冰點溫度，使水分以固態冰的形式存在。接著在升華階段，食品在低溫真空環境下，通過加熱使冰直接升華成水蒸氣，水分從固態轉變為氣態，並通過真空係統排出。較後，解凍階段恢複食品的常溫狀態，得到幹燥後的產品。
整個凍幹過程的核心在於如何有效控製熱量的傳遞與水分的遷移，以保持食品的營養成分、色澤、風味及結構的完整性。
二、熱傳遞機理
在凍幹過程中，熱傳遞主要通過以下三種方式進行：
1.熱傳導：在升華階段，凍幹機內部通過加熱板或外部加熱源對凍幹食品進行加熱。熱量從加熱表麵傳遞到食品的表層，再通過熱傳導作用向食品的內部傳播。熱傳導是凍幹過程中較重要的熱傳遞方式之一，它確保了食品內部溫度逐步升高至升華溫度。
2.熱對流：在真空環境下，雖然氣體分子稀少，熱對流的效應比常規幹燥條件下弱，但在凍幹機的設計中，通過外部加熱的氣體(如氮氣或其他惰性氣體)進行輕微的對流傳遞，從而促進熱量均勻分布於食品表麵。
3.輻射熱傳遞：一些凍幹機設計采用紅外加熱或其他輻射加熱方式，這可以進一步提高熱傳遞效率，尤其在食品表麵形成薄層冰晶時，輻射熱傳遞可以加速冰晶的升華過程。
凍幹機中的加熱設計要考慮不同食品的熱傳遞特性。例如，低密度、含水量高的食品(如蔬菜、水果)通常需要較為溫和、均勻的熱傳遞，以避免局部過熱導致的食品結構破壞。
三、水分遷移機理
凍幹過程中水分遷移主要經曆三種過程：凍結、升華與擴散。
1.凍結階段的水分分布：在冷凍階段，食品中的水分首先凍結形成冰晶。冰的形成通常以食品表麵開始，逐漸向內部擴展。冰晶的大小與分布對後續的升華過程具有重要影響。較大的冰晶可能導致食品內部結構破壞，影響凍幹質量。
2.升華階段的水分遷移：升華階段是凍幹過程中的關鍵階段，水分從冰晶中轉化為水蒸氣。由於真空環境下水的蒸汽壓力低，冰晶在熱的作用下直接升華為氣態水分子，而不是先變為液態水。水分的遷移通常遵循“表麵先行”的規律，水蒸氣從冰晶表麵釋放出來，並通過真空泵排出。在此過程中，熱量的傳遞和水蒸氣的流動是密切相關的。
3.擴散與毛細作用：在升華階段，水分的遷移主要由擴散驅動。食品內部的水分分布會隨溫度升高而發生變化，水分會從較高水分區域通過擴散作用向較低水分區域遷移。此外，食品本身的多孔性結構(如水果、蔬菜等)也通過毛細作用促進水分的遷移。
四、影響因素
1.溫度與壓力：凍幹過程中的溫度和壓力是影響熱傳遞和水分遷移的關鍵因素。溫度過高可能導致食品結構損壞，而溫度過低則可能導致升華速率過慢，延長幹燥時間。真空度也是重要因素，較低的壓力可以加速升華過程。
2.食品的物理性質：不同食品具有不同的密度、孔隙率、熱導率和水分含量，這些都會影響熱傳遞和水分遷移的效率。例如，含水量高、孔隙較大的食品更容易在低溫下進行有效升華。
3.凍幹設備設計：凍幹機的設計決定了熱傳遞和水分遷移的效率。合理的加熱方式、真空度控製和氣流循環係統能夠有效提高凍幹速率和產品質量。
食品凍幹機的凍幹過程涉及複雜的熱傳遞與水分遷移機理。熱傳導、對流和輻射是熱傳遞的主要方式，而水分遷移過程則受到凍結、升華與擴散的共同影響。理解這些機理可以幫助優化凍幹過程，提高食品幹燥的效率和質量。此外，溫度、壓力、食品物理性質以及凍幹設備的設計等因素也在很大程度上影響著凍幹效果。因此，在食品凍幹技術的應用中，綜合考慮各項因素，有助於實現較佳的幹燥效果。
