用于使用微波能量來加速冷凍干燥產(chǎn)品的方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)聲明享有2013年7月19日提交的系列號(hào)為No. 61 /856，603的美國(guó)臨時(shí)專利 申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)?jiān)诖送ㄟ^引用W其整體明確地并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體設(shè)及冷凍干燥，具體設(shè)及一種用于使用微波能量來加速產(chǎn)品的冷凍干 燥的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 冷凍干燥是從為了保存物質(zhì)而從物質(zhì)去除掉幾乎所有水分的處理。冷凍干燥(也 稱為凍干)是通過冷凍物質(zhì)、降低其溫度、而且增加熱量W使得物質(zhì)內(nèi)的冷凍水通過升華變 成氣體實(shí)現(xiàn)的。冷凍干燥被用來保存各種產(chǎn)品，包括產(chǎn)品（例如水果蔬菜）和藥物（例如疫 苗)。
[0005] 傳統(tǒng)冷凍干燥存在一些缺陷。在升華所要求的低壓下，采用對(duì)流加熱對(duì)于加熱產(chǎn) 品相對(duì)無效，運(yùn)是因?yàn)閷⒈患訜岬漠a(chǎn)品周圍存在很少的氣體分子。為此，傳統(tǒng)冷凍干燥處理 通常使用傳導(dǎo)能量，其中產(chǎn)品一般被放置成接觸加熱表面。傳導(dǎo)能量加熱產(chǎn)品的外部產(chǎn)品 而且依賴熱傳導(dǎo)來加熱產(chǎn)品的外部。
[0006] 該方案的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，隨著接觸表面的干燥，其變得更像是一個(gè)絕熱體，由此逐 漸越來越抑制到產(chǎn)品的內(nèi)部的導(dǎo)熱。如果接觸表面或加熱的表面在內(nèi)部已經(jīng)完全升華之前 變得太熱，產(chǎn)品可能被損壞。因此，冷凍干燥處理期間供應(yīng)的導(dǎo)熱量必須被小屯、地調(diào)整。由 于運(yùn)一約束，傳統(tǒng)冷凍干燥處理可能要求相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。例如，水果或蔬菜的傳統(tǒng)冷凍 的典型持續(xù)時(shí)間介于8-40小時(shí)的范圍內(nèi)，具體取決于將被干燥的產(chǎn)品的幾何形狀、類型和 數(shù)量。簡(jiǎn)單地通過增加熱量，不能加速該處理，運(yùn)是因?yàn)檫^分加熱產(chǎn)品外部可能會(huì)造成損 害。
[0007] 冷凍干燥諸如草替、覆盆子和藍(lán)替之類的產(chǎn)品整體，提出了新的挑戰(zhàn)。在冷凍干燥 期間，高達(dá)6(TC的溫度可能出現(xiàn)在已經(jīng)完成升華的產(chǎn)品區(qū)域中。在干燥持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，例 如在傳統(tǒng)冷凍中，一些或所有產(chǎn)品可能數(shù)小時(shí)地暴露至運(yùn)些提升的溫度下。運(yùn)個(gè)問題對(duì)于 整體產(chǎn)品或者對(duì)于諸如蘋果之類的產(chǎn)品的大瓣尤其成問題，因?yàn)檫\(yùn)些類型的產(chǎn)品干燥起來 要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間而且對(duì)熱敏感。干燥階段的過度加熱導(dǎo)致了諸如氣味、維生素和抗氧化 劑之類的揮發(fā)物被破壞。最終的產(chǎn)品可能仍然能夠提供極佳的質(zhì)地W及良好的再水合特 性，但是可能已經(jīng)失去了維生素、抗氧化劑和氣味。
[000引近年來，微波能量已經(jīng)被提出用于加速冷凍干燥處理。不同于傳導(dǎo)提供的熱，微波 能量穿透了物質(zhì)的外層來使得內(nèi)部變暖而且增加了升華速率。按照運(yùn)樣的方式，微波能量 會(huì)潛在地降低冷凍干燥所需的時(shí)間和能量。然而，冷凍干燥所需溫度和壓力下微波的使用 提出了一些挑戰(zhàn)，包括由于熱逃逸而導(dǎo)致的產(chǎn)品損壞的可能性。通過使用低微波能量，W更 長(zhǎng)的干燥時(shí)間為代價(jià)，可W最小化運(yùn)些效應(yīng)。類似地，某些環(huán)境條件下在冷凍干燥期間使用 更高微波能量，可能導(dǎo)致非熱能的（即，冷)等離子體的放電和點(diǎn)火，從而導(dǎo)致燒壞或者損壞 的產(chǎn)品。
[0009] 需要一種允許在產(chǎn)品的冷凍干燥期間應(yīng)用高微波功率而不破壞產(chǎn)品的微波冷凍 干燥方法，由此實(shí)現(xiàn)更短的冷凍干燥時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] -種用于使用微波能量來加速具有外皮的產(chǎn)品的冷凍干燥的方法，所述方法包 括:冷凍產(chǎn)品;使得產(chǎn)品的外皮弄破;使得弄破的冷凍產(chǎn)品周圍的環(huán)境壓力降低至允許升華 的壓力；向產(chǎn)品施加第一微波功率W達(dá)到至少30W/kg的初始微波功率密度；W及在產(chǎn)品溫 度超過闊值時(shí)向產(chǎn)品施加第二微波功率，其中第二微波功率小于第一微波功率。
【附圖說明】
[0011] 圖1示出了用于微波冷凍干燥具有外皮的產(chǎn)品的示例方法。
[0012] 圖2示出了微波冷凍干燥期間施加給藍(lán)替的第一和第二能量，W及相關(guān)的初始功 率密度。
[0013] 圖3示出了利用傳統(tǒng)冷凍干燥和微波冷凍干燥對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷凍干燥的示例產(chǎn)品溫 度。
[0014] 圖4是針對(duì)藍(lán)替的示例切割模式的示意圖。
[0015] 圖5示出了擊穿電壓及壓力。
[0016] 圖6示出了具有快感標(biāo)度值2的微波冷凍干燥的藍(lán)替。
[0017] 圖7示出了具有快感標(biāo)度值3的微波冷凍干燥的藍(lán)替。
[0018] 圖8示出了具有快感標(biāo)度值5.0的微波冷凍干燥的藍(lán)替。
[0019] 圖9示出了總的施加能量和質(zhì)量隨著產(chǎn)品被微波冷凍干燥的示例變化。圖9還示出 了剩下及蒸發(fā)的水。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下述說明書闡述了示例的方法、參數(shù)等。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，運(yùn)種說明并非對(duì)本公 開文本的范圍的限制，而是被提供作為示例實(shí)施例的描述。
[0021] 本公開文本描述了利用微波能量冷凍干燥產(chǎn)品的處理。不同于要求針對(duì)整個(gè)產(chǎn)品 或者產(chǎn)品的大瓣的很長(zhǎng)的干燥時(shí)間的冷凍干燥處理，本文描述的處理通過預(yù)處理產(chǎn)品W改 進(jìn)熱吸收能力而且降低了內(nèi)部壓力積累的可能性，隨后在適合于升華的壓力和溫度條件下 施加相對(duì)高的微波能量至產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)了顯著更快的干燥時(shí)間。預(yù)處理降低了由于與在 冷凍干燥所要求的典型溫度和壓力條件下使用高微波能量來加熱產(chǎn)品相關(guān)的熱失控或其 它效應(yīng)(例如，等離子體放電或冷等離子體點(diǎn)火)而導(dǎo)致的產(chǎn)品損壞的可能性。
[0022] 1.冷凍干燥具有外皮的產(chǎn)品
[0023] 圖1示出了示例處理IOOfor微波冷凍干燥具有外皮的產(chǎn)品。下文將對(duì)該處理進(jìn)行 詳細(xì)描述。
[0024] a.冷凍產(chǎn)品
[0025] 在塊102,產(chǎn)品可被冷凍。在一個(gè)示例處理中，產(chǎn)品被冷凍至溫度-20°C。在替換處 理中，產(chǎn)品可被冷凍至溫度-5°C、-15°C或-35°C，例如。在一些示例中，可根據(jù)產(chǎn)品的含糖量 來選擇產(chǎn)品冷凍溫度。
[0026] 在一些示例中，冷凍溫度可能會(huì)影響冷凍干燥處理的質(zhì)量和速度。例如，更低的溫 度可能增大微波的穿透深度，由此使得微波能量實(shí)現(xiàn)進(jìn)入蔬菜和水果的體內(nèi)的穿透深度。 在該情況下，升華可在產(chǎn)品的整個(gè)體內(nèi)發(fā)生。
[0027] b.使得產(chǎn)品的外皮弄破
[00%]在塊104,經(jīng)冷凍的產(chǎn)品的外皮弄破。例如，弄破可包括沖孔、穿孔、切割、刻痕、畫 斷面線、切片、去除或松弛外皮的化學(xué)處理、或者打磨?？砂凑崭倪M(jìn)了蒸汽滲透性或者在冷 凍干燥處理期間保持產(chǎn)品內(nèi)部壓力較低的任意方式執(zhí)行弄破處理。優(yōu)選地，弄破處理使得 產(chǎn)品基本上未受損傷，還是一個(gè)單塊;然而，對(duì)于一些市場(chǎng)，可W接受按照不使得產(chǎn)品基本 上未受損傷的方式使得外皮弄破。例如，對(duì)于諸如蘋果之類的更大的水果的一些瓣，產(chǎn)品可 能并非未受損傷，但是瓣可能比傳統(tǒng)用于冷凍干燥的薄片更厚。
[0029] 例如，可通過手、使用自動(dòng)機(jī)械、或者通過在適當(dāng)化學(xué)溶液中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行洗浴來完 成弄破。在替換處理中，可在冷凍產(chǎn)品之前弄破外皮;例如，用于去除一部分外皮的一些化 學(xué)處理在冷凍產(chǎn)品之前更容易執(zhí)行。
[0030] 具有低蒸汽滲透性的未受損外皮的整個(gè)產(chǎn)品（例如葡萄、黑醋栗、紅醋栗或藍(lán)替） 傾向于隨著冰升華在微波冷凍干燥期間經(jīng)歷相對(duì)高的內(nèi)部壓力。蒸汽不能容易地逃離產(chǎn)品 W實(shí)現(xiàn)持續(xù)的干燥，因?yàn)橥馄し乐沽藷徂D(zhuǎn)移