การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง: นวัตกรรมการผลิตที่ช่วยเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์
ขั้นตอนการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง
- การแช่แข็ง (freezing phase)
อาหารจะถูกนำไปแช่แข็งจนถึงอุณหภูมิ -40°C ถึง -50°C โดยการควบคุมอุณหภูมิในขั้นตอนนี้จะมีความสำคัญต่อขนาดของผลึกน้ำแข็ง ซึ่งการแช่แข็งแบบรวดเร็วจะทำให้ผลึกน้ำแข็งมีขนาดเล็ก ขณะที่การแช่แข็งแบบช้าจะทำให้เกิดผลึกน้ำแข็งขนาดใหญ่ที่อาจทำให้เซลล์ของอาหารเกิดความเสียหายซึ่งจะส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์สุดท้าย นอกจากนี้จำเป็นที่จะต้องควบคุมให้อุณหภูมิอาหารต่ำกว่าอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (glass transition temperature; Tg) เพื่อป้องกันอาหารเกิดการเสียโครงสร้างและยุบตัว (collapse) ในระหว่างการทำแห้ง
การผลิตในระดับอุตสาหกรรมมักจะแยกขั้นตอนของการแช่แข็งกับการทำแห้งออกจากกันเพื่อรองรับการผลิตในปริมาณมาก รวมถึงลดต้นทุนการผลิตและการดูแลรักษาเครื่องจักร ขณะที่การผลิตในปริมาณน้อย สามารถใช้เครื่องจักรขนาดเล็กที่มีระบบแช่เยือกแข็งติดตั้งร่วมกับการทำแห้งในเครื่องเดียวกันเพื่อความสะดวกในการทำงาน
- การทำแห้งขั้นต้น (primary drying)
สำหรับขั้นตอนนี้จะเป็นการทำให้น้ำแข็ง (frozen water) เกิดการระเหิด โดยการลดความดันของห้องอบแห้งให้ต่ำกว่าจุดร่วมสามของน้ำ (tripple point) โดยการใช้ปั๊มสุญญากาศ โดยทั่วไปจะมีการควบคุมความดันให้อยู่ที่ 10–100 Pa (abs) ซึ่งจะมีอุณหภูมิในการระเหิดประมาณ -40°C ถึง -20°C เพื่อให้อุณหภูมิระเหิดต่ำกว่า Tg ของอาหาร ร่วมกับการให้ความร้อนอย่างช้าๆ ผ่านขดลวดความร้อนหรือท่อของเหลวที่ควบคุมอุณหภูมิซึ่งจะติดตั้งกับชั้นวางตามการออกแบบของผู้ผลิตแต่ละราย
แม้ว่าในทางทฤษฎีสภาวะดังกล่าวน้ำจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งไปเป็นไอเท่านั้น แต่ในทางปฏิบัติอาจเกิดการละลายเฉพาะจุด (localized melting) ซึ่งเกิดจากการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว (heat overload) จึงทำให้น้ำแข็งที่อยู่ในผลิตภัณฑ์ได้รับพลังงานเกินขีดจำกัดที่จะสามารถระเหิดได้ทันที ส่งผลให้น้ำแข็งบางส่วนเกิดการละลายเป็นของเหลวได้แม้อยู่ในสภาวะแรงดันต่ำ รวมถึงโครงสร้างของอาหารที่อาจเกิดโพรงหรือช่องที่สามารถกักเก็บของเหลวไว้ได้ ดังนั้น การควบคุมสภาวะและการให้ความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างมากต่อคุณภาพของสินค้า
- การทำแห้งขั้นสุดท้าย (secondary drying)
ขั้นตอนนี้เป็นการทำแห้งเพื่อกำจัดความชื้นที่อยู่ภายในโครงสร้างของอาหารและส่งผลให้น้ำไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ (bounded water) โดยทั่วไปอุณหภูมิการทำแห้งที่ใช้จะอยู่ระหว่าง 30–50°C แต่สามารถใช้อุณหภูมิที่สูงกว่านี้ได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของผลิตภัณฑ์และความไวต่อความร้อน โดยอุณหภูมิที่ใช้จะต้องสูงเพียงพอที่จะช่วยเร่งการกำจัดน้ำที่ถูกดูดซับออกโดยไม่ทำให้ผลิตภัณฑ์เกิดความเสียหาย
By:
Asst. Prof. Samak Rakmae
Department of Food Engineering
School of Engineering
King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang
samak.ra@kmitl.ac.th
Freeze Drying Procedure
- Freezing Phase
The process commences with the rapid freezing of food, typically at temperatures ranging from -40°C to -50°C. The resultant ice crystal size is intrinsically linked to the freezing rate; rapid freezing engenders smaller crystals, whereas slower freezing leads to larger crystals, which can potentially induce cellular damage and degrade final product quality. Crucially, the food’s temperature must be maintained below its glass transition temperature (Tg) to avert structural collapse during the subsequent drying phases.
Freezing and drying are often decoupled for industrial-scale operations to optimize throughput, minimize production costs, and streamline maintenance. Conversely, smaller-scale producers may opt for integrated, compact freeze dryers that combine both functions for enhanced convenience.
- Primary Drying
The primary drying stage hinges on the sublimation of frozen water under vacuum. Vacuum pumps systematically reduce the pressure within the drying chamber to below the triple point of water, typically maintaining a pressure of 10–100 Pa (absolute) at sublimation temperatures between -40°C and -20°C, ensuring these remain below the Tg of the food. Gentle heat is applied through heating coils or fluid-filled tubes integrated into the drying shelves or trays, adhering to manufacturer-specific designs.
While theoretical models posit complete sublimation, localized melting can occur due to rapid heat influx, hindering immediate phase transition and causing partial liquefaction despite low-pressure conditions. Furthermore, the formation of cavities or pores encapsulating molten liquid within the food matrix can also result. Consequently, stringent process control and precise heat management are paramount for achieving optimal product quality.
- Secondary Drying
Secondary drying focuses on removing residual, bound moisture, which is tightly adhered to the food structure and lacks mobility. This phase typically employs temperatures of 30–50°C, although higher temperatures may be used depending on the product’s characteristics and heat sensitivity. The objective is to elevate the temperature sufficiently to accelerate moisture removal without compromising product integrity.