用于使用微波能量来加速冷冻干燥产品的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请声明享有2013年7月19日提交的系列号为No. 61 /856，603的美国临时专利 申请的优先权，该申请在此通过引用W其整体明确地并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体设及冷冻干燥，具体设及一种用于使用微波能量来加速产品的冷冻干 燥的方法。
【背景技术】
[0004] 冷冻干燥是从为了保存物质而从物质去除掉几乎所有水分的处理。冷冻干燥(也 称为冻干)是通过冷冻物质、降低其溫度、而且增加热量W使得物质内的冷冻水通过升华变 成气体实现的。冷冻干燥被用来保存各种产品，包括产品（例如水果蔬菜）和药物（例如疫 苗)。
[0005] 传统冷冻干燥存在一些缺陷。在升华所要求的低压下，采用对流加热对于加热产 品相对无效，运是因为将被加热的产品周围存在很少的气体分子。为此，传统冷冻干燥处理 通常使用传导能量，其中产品一般被放置成接触加热表面。传导能量加热产品的外部产品 而且依赖热传导来加热产品的外部。
[0006] 该方案的一个挑战在于，随着接触表面的干燥，其变得更像是一个绝热体，由此逐 渐越来越抑制到产品的内部的导热。如果接触表面或加热的表面在内部已经完全升华之前 变得太热，产品可能被损坏。因此，冷冻干燥处理期间供应的导热量必须被小屯、地调整。由 于运一约束，传统冷冻干燥处理可能要求相当长的一段时间。例如，水果或蔬菜的传统冷冻 的典型持续时间介于8-40小时的范围内，具体取决于将被干燥的产品的几何形状、类型和 数量。简单地通过增加热量，不能加速该处理，运是因为过分加热产品外部可能会造成损 害。
[0007] 冷冻干燥诸如草替、覆盆子和蓝替之类的产品整体，提出了新的挑战。在冷冻干燥 期间，高达6(TC的溫度可能出现在已经完成升华的产品区域中。在干燥持续时间较长时，例 如在传统冷冻中，一些或所有产品可能数小时地暴露至运些提升的溫度下。运个问题对于 整体产品或者对于诸如苹果之类的产品的大瓣尤其成问题，因为运些类型的产品干燥起来 要花费更长的时间而且对热敏感。干燥阶段的过度加热导致了诸如气味、维生素和抗氧化 剂之类的挥发物被破坏。最终的产品可能仍然能够提供极佳的质地W及良好的再水合特 性，但是可能已经失去了维生素、抗氧化剂和气味。
[000引近年来，微波能量已经被提出用于加速冷冻干燥处理。不同于传导提供的热，微波 能量穿透了物质的外层来使得内部变暖而且增加了升华速率。按照运样的方式，微波能量 会潜在地降低冷冻干燥所需的时间和能量。然而，冷冻干燥所需溫度和压力下微波的使用 提出了一些挑战，包括由于热逃逸而导致的产品损坏的可能性。通过使用低微波能量，W更 长的干燥时间为代价，可W最小化运些效应。类似地，某些环境条件下在冷冻干燥期间使用 更高微波能量，可能导致非热能的（即，冷)等离子体的放电和点火，从而导致烧坏或者损坏 的产品。
[0009] 需要一种允许在产品的冷冻干燥期间应用高微波功率而不破坏产品的微波冷冻 干燥方法，由此实现更短的冷冻干燥时间。
【发明内容】
[0010] -种用于使用微波能量来加速具有外皮的产品的冷冻干燥的方法，所述方法包 括:冷冻产品;使得产品的外皮弄破;使得弄破的冷冻产品周围的环境压力降低至允许升华 的压力；向产品施加第一微波功率W达到至少30W/kg的初始微波功率密度；W及在产品溫 度超过阔值时向产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。
【附图说明】
[0011] 图1示出了用于微波冷冻干燥具有外皮的产品的示例方法。
[0012] 图2示出了微波冷冻干燥期间施加给蓝替的第一和第二能量，W及相关的初始功 率密度。
[0013] 图3示出了利用传统冷冻干燥和微波冷冻干燥对产品进行冷冻干燥的示例产品溫 度。
[0014] 图4是针对蓝替的示例切割模式的示意图。
[0015] 图5示出了击穿电压及压力。
[0016] 图6示出了具有快感标度值2的微波冷冻干燥的蓝替。
[0017] 图7示出了具有快感标度值3的微波冷冻干燥的蓝替。
[0018] 图8示出了具有快感标度值5.0的微波冷冻干燥的蓝替。
[0019] 图9示出了总的施加能量和质量随着产品被微波冷冻干燥的示例变化。图9还示出 了剩下及蒸发的水。
【具体实施方式】
[0020] 下述说明书阐述了示例的方法、参数等。然而，应该认识到，运种说明并非对本公 开文本的范围的限制，而是被提供作为示例实施例的描述。
[0021] 本公开文本描述了利用微波能量冷冻干燥产品的处理。不同于要求针对整个产品 或者产品的大瓣的很长的干燥时间的冷冻干燥处理，本文描述的处理通过预处理产品W改 进热吸收能力而且降低了内部压力积累的可能性，随后在适合于升华的压力和溫度条件下 施加相对高的微波能量至产品，从而实现了显著更快的干燥时间。预处理降低了由于与在 冷冻干燥所要求的典型溫度和压力条件下使用高微波能量来加热产品相关的热失控或其 它效应(例如，等离子体放电或冷等离子体点火)而导致的产品损坏的可能性。
[0022] 1.冷冻干燥具有外皮的产品
[0023] 图1示出了示例处理IOOfor微波冷冻干燥具有外皮的产品。下文将对该处理进行 详细描述。
[0024] a.冷冻产品
[0025] 在块102,产品可被冷冻。在一个示例处理中，产品被冷冻至溫度-20°C。在替换处 理中，产品可被冷冻至溫度-5°C、-15°C或-35°C，例如。在一些示例中，可根据产品的含糖量 来选择产品冷冻溫度。
[0026] 在一些示例中，冷冻溫度可能会影响冷冻干燥处理的质量和速度。例如，更低的溫 度可能增大微波的穿透深度，由此使得微波能量实现进入蔬菜和水果的体内的穿透深度。 在该情况下，升华可在产品的整个体内发生。
[0027] b.使得产品的外皮弄破
[00%]在块104,经冷冻的产品的外皮弄破。例如，弄破可包括冲孔、穿孔、切割、刻痕、画 断面线、切片、去除或松弛外皮的化学处理、或者打磨。可按照改进了蒸汽渗透性或者在冷 冻干燥处理期间保持产品内部压力较低的任意方式执行弄破处理。优选地，弄破处理使得 产品基本上未受损伤，还是一个单块;然而，对于一些市场，可W接受按照不使得产品基本 上未受损伤的方式使得外皮弄破。例如，对于诸如苹果之类的更大的水果的一些瓣，产品可 能并非未受损伤，但是瓣可能比传统用于冷冻干燥的薄片更厚。
[0029] 例如，可通过手、使用自动机械、或者通过在适当化学溶液中对产品进行洗浴来完 成弄破。在替换处理中，可在冷冻产品之前弄破外皮;例如，用于去除一部分外皮的一些化 学处理在冷冻产品之前更容易执行。
[0030] 具有低蒸汽渗透性的未受损外皮的整个产品（例如葡萄、黑醋栗、红醋栗或蓝替） 倾向于随着冰升华在微波冷冻干燥期间经历相对高的内部压力。蒸汽不能容易地逃离产品 W实现持续的干燥，因为外皮防止了热转移