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真空冷凍干燥技術在食品中的應用

     真空冷凍干燥技術(vacuum freezing technology)是將物料預先凍結到共晶點溫度以下，在一定的真空狀態下，通過升華過程除去物料中水分的一種干燥方法，由制冷、供熱和真空三大操作系統組成。由于應用真空冷凍干燥技術加工的食品維持了低溫狀態，避免了高溫對食品的影響，能夠很大限度的保持原料的營養、色澤、形態和風味，并且制品含水量低，復水性好，被一致認為是目前生產高品質食品的干制方法。近年來，食品冷凍干燥技術被廣泛的應用于食品、藥品、保健品等行業，其中許多高值食品如刺參、人參、水蛭、扇貝等均探索使用真空冷凍干燥技術進行加工，從而有效提高了食品的質量和附加值。

然而利用真空冷凍干燥技術進行食品加工

、共晶點和共融點
共晶點和共熔點是凍干中需要考慮的重要物性參數，直接影響凍干產品質量，因此，在開展食品真空冷凍干燥工藝之前，首先要清楚食品的共晶點和共融點，才能針對性的制定食品物料凍結的合理工藝參數，提高產品質量，縮短凍干時間，降低能耗。

1.1、食品的共晶點

    食品的共晶點是指食品物料中的水分被全部凍結時物料的溫度，在食品進行冷凍干燥加工前，需要對物料進行預凍，如果物料的凍結溫度過低，會延長凍干時間，浪費能源;如果凍結溫度設定過高，物料沒有*凍結，物料在生化過程中會造成局部沸騰和起泡現象，不能保證食品的水分除去，導致收縮、軟化甚至崩解等變形現象，造成凍干產品表面硬化，產品質量下降。因此，在真空冷凍干燥工藝的預凍溫度要根據物料共晶點設定，為保證食品凍結*，食品原料預凍溫度一般控制比其共晶點低5～10℃為宜。

1.2、食品的共融點

食品的共熔點是指已經全部凍結成冰的食品因溫度升高到冰晶開始融化時的溫度。食品的共熔點和共晶點是兩個相反的變化過程，但是兩個溫度并不重合，同一種食品物料的共晶點要比共熔點低，這是因為共晶點是食品中水分全部凍結時的溫度，而共熔點是已經全部凍結的物料開始融化時的溫度。通常在食品物料進行干燥時，加熱溫度不能高于物料的共融點溫度，否則物料內部會產生氣泡，出現融化和干縮等現象，甚至不能保證水分全部汽化除去，從而影響凍干產品的水分含量和質量。

1.3、共晶、共融點的測定

食品物料的共晶點、共融點的準確測量對于優化食品凍干工藝，保證凍干食品的品質、降低能耗具有重要意義。目前，食品物料的共晶點、共融點的測量方法主要有低溫顯微鏡直接觀察法、電阻法、差示掃描量熱法(DSC)、數學公式推算法等，其中應用很是廣泛的是電阻法，它具有操作簡單、穩定性好、測量范圍廣泛等特點。

2、塌陷(崩解)溫度
食品的塌陷溫度也叫崩解溫度，是指在凍干升華階段，隨著溫度上升，產品失去剛性，開始變粘，發生類似塌方的崩解、熔化或產**泡現象時的溫度，凍干過程中發生塌陷會嚴重影響產品品質，因此需要在食品物料凍干過程中防止塌陷的發生，塌陷主要與產品工藝和物料本身性質有關。不同的凍干參數會對塌陷發生產生影響，例如，左建國等利用凍干顯微鏡研究了溶液冷凍干燥過程中降溫速率、升華壓力、溶液質量分數對干燥層塌陷溫度的影響，結果表明對于10%的蔗糖/水二元溶液，降溫速率對塌陷溫度無明顯的影響;而對于10%叔丁醇/10%蔗糖/水三元溶液，塌陷溫度隨降溫速率增大而顯著降低;壓力對塌陷溫度影響不大;溶液質量分數不同，塌陷溫度略有變化。但可以通過優化工藝減少塌陷發生，董會龍等探索了影響番木瓜凍干脆片塌陷的因素，結果表明，漂燙預處理和硬化預處理可減緩凍干產品的塌陷程度，冷凍速率對產品品質影響不大，但冷凍時間不足會造成凍干產品塌陷。

塌陷溫度也受食品物料本身的物理性質影響，有的食品崩解溫度高于共晶點溫度，進行凍干操作時要控制產品溫度低于共晶點溫度;有的食品的崩解溫度低于共晶點溫度，進行凍干操作時應以密切關注崩解溫度。目前，塌陷溫度測量比較困難，需要借助凍干顯微鏡進行測量。近年來，許多研究采用凍干保護劑的方式來避免產品的塌陷，以便達到節能和保護產品形態的目的，Hamoudi等優化了白地霉凍干保護劑的配方，曾小群等優化確定了干酪乳桿菌凍干保護劑的*佳配方。

3、干燥速率和干燥能耗
干燥速率和能耗決定著食品中應用真空冷凍干燥技術的成本問題，通常情況下，物料的干燥速率和能耗有直接關系，干燥速率越快，耗時越短，耗能則越低。高能耗問題仍然是真空冷凍干燥技術在食品中應用的瓶頸問題，目前，通過工藝優化的方法來提高食品干燥速率、降低能耗的方法主要有以下幾種。

3.1、控制適宜的預凍速度

對食品原料的預凍是冷凍干燥工藝的前提步驟，研究表明，快速預凍和慢速預凍對食品物料所需要的凍干時間有顯著影響，快速預凍要比慢速預凍所需要的凍干時間長，這是由于食品進行快速預凍時產生的冰晶小，致密的冰晶對于冰的升華起阻礙作用，而在慢速預凍時，食品中形成的冰晶大，冰晶之間具有較大縫隙，能夠促進冰升華，但是冰晶越大對凍干產品品質影響也越大，特別是對一些生物制品進行凍干時，慢速預凍產生的大冰晶會破環細胞結構，如果對終產品要求不高，可以考慮通過慢速預凍來提高凍干速率。

3.2、調整液態食品的濃度或改變固態食品的形狀

液態食品的凍干，需要充分考慮溶液的濃度，如果濃度過高，則不利于水分的升華，如果濃度太低，雖然利于升華，但因含水多，則會耗時耗能造成浪費。朱虹等證明了膠原在濃度為1g/60mL時，膠原膜制備簡單且穩定性好;王旭等研究了棗漿的冷凍干燥工藝，結果顯示棗漿的濃度在20%時很適宜。應用凍干技術進行液態食品干燥時，要充分衡量能耗與產品質量的關系，探索優化*佳凍干濃度，進而提高凍干速率。

固態食品進行凍干時，切片、粉碎是增大傳熱面積、提高凍干速率的*佳方法。例如，彭幫柱等將獼猴桃進行切片凍干可以提高凍干速率;柳青等通過優化發現雙孢菇切片厚度4mm時，產品形、色、鮮、香等性狀良好，凍干時間顯著縮短。目前市售的凍干產品如凍干蘋果片、凍干草莓片、凍干檸檬片等，都采取了切片的方法。但是如果對固態食品形狀要求嚴格，可以考慮對食品物料進行穿刺處理，通過穿刺孔通透性來增加傳質，提高凍干速率。

3.3、控制食品原料裝盤量和厚度

不同型號凍干機冷阱均有*大的捕水能力，如果裝盤物料的水分超過了*大捕水量，就會造成產品不能達到一定的干燥程度，導致干燥失敗;如果裝盤物料過少，雖然會提高凍干速率，但會造成空間浪費，增加了產品成本。因此，在凍干前要根據冷阱的捕水能力，確定放入合適量的食品原料。在冷凍干燥裝盤時，控制適當的物料厚度，可降低傳熱、傳質阻力，提高干燥速率;張光杰等確定了真空冷凍干燥生姜粉*佳物料厚度2mm，產品得率、含水量及感官性能較好。在實際生產過程中，如果物料厚度太薄，裝盤量就會自然減小，凍干速率提高同時卻增加了單位凍干產品的成本，因此，并非物料的厚度越小越好，單位面積裝載的食品原料，需要綜合考慮原料裝盤量對干燥速率和成本，根據冷阱捕水能力、物料性質、加熱方式以及干燥效率等而定。

3.4、設定適當的真空度

維持冷凍干燥時真空度的耗能約占凍干總耗能的26%，真空度越低，有利于能量傳遞，但卻增加了水汽擴散阻力從而耗能。實際凍干過程中，每種食品原料都存在一個*佳的真空度，因此可以使能耗降到低。郭樹國等在研究黃瓜真空冷凍干燥工藝發現真空度為60Pa比在50Pa和70Pa的效果都好，因此在升華干燥階段要根據冷阱溫度優化*佳的真空度;凍干機的真空度受阱溫度和真空泵性能決定，在升華干燥階段，一般冷阱溫度越低、真空度越高可促進水汽凝結，提高凍干速率，但高真空度對真空泵有特殊的要求，真空度過高，會增加維持真空能耗;當凍干工藝處于在解析干燥階段則應逐漸降低干燥室的真空度，來促進傳熱和傳質，達到降低凍干能耗的目的。

3.5、控制隔板加熱溫度

目前，大部分的真空冷凍干燥設備都安裝了隔板加熱裝置，以提高物料升華所需要能量，段江蓮等在研究梨棗凍干工藝時發現，擱板溫度每提高10 ℃，凍干時間就會縮短2.0h，可見提高擱板溫度，可提高干燥速率。對擱板溫度的控制包括控制凍結層和已干層的溫度，對于凍結層的溫度應首先保證低于共融點前提下越高越好;對于已干層的溫度，在不出現因溫度升高造成產品塌陷或變性現象的前提下，盡量采用較高的隔板溫度，在解析干燥階段，應密切注意產品溫度和隔板溫度差別，保持隔板溫度高于樣品溫度5 ℃左右，同時對于小型凍干機要設法降低控制熱量輻射的影響，擱板溫度要緩慢升高，但一般不高于70℃，對于一些活性生物制品則應當一直維持更低的隔板溫度。

4、組合冷凍干燥技術發展
4.1、微波真空冷凍干燥技術

近年來，研究者使用微波輻射作為熱傳方式，將高效的微波輻射加熱技術和真空冷凍干燥技術相結合建立了微波真空冷凍干燥技術，主要利用微波輻射處于凍結狀態的被 干燥物料，將電磁能轉化為物料中水分升華所需要的熱能。江南大學研制出了微波冷凍干燥機器和工藝，利用微波真空冷凍干燥技術處理食品脫水*，可有效保持食品的品質，干燥速率提高4～20倍，Ma等通過試驗也證明了這一點，他們采用微波加熱13mm厚的牛排，干燥時間只需4～6h，而用傳導的方式加熱時，干燥時間達11～13h。但缺點是設備成本高，主要應用于高值食品中，大規模應用仍處于研究階段。

4.2、噴霧冷凍干燥技術

噴霧干燥和冷凍干燥結合起來，形成了新的噴霧冷凍干燥技術，*早報道于歐洲中，該方法通過采用把待干燥的物料直接噴入液氮中，依靠液氮極低的溫度使得霧滴迅速在液氮中形成冰粉，然后再在真空冷凍干燥中完成對產品的干燥。噴霧冷凍干燥技術主要應用于制造粉末狀的**和食品中，該技術能顯著縮短凍干時間，黃立新等利用該技術對奶粉進行了干燥，時間從48h縮短到10h。

4.3、冷凍干燥與熱風干燥聯合

在充分考慮能耗和產品品質的同時，許多研究者開始探索采取聯合干燥的方式對食品物料進行干燥，其中將傳統的熱風干燥和冷凍干燥技術聯合就是其中一個方法。徐艷陽等用真空冷凍干燥技術與熱風干燥技術聯合進行毛竹筍干制，結果表明，聯合干燥方式比單一的冷凍干燥能耗減少約41.0%。其中先熱風再凍干的產品整體質量差，先凍干后再熱風干燥卻能獲得品質較佳的產品，說明冷凍干燥技術在保持產品形狀、維持產品品質方面具有優越性。黃嬌麗等研究真空冷凍與熱風聯合干燥腌制調味高菜，聯合干燥方法比單純凍干節省能耗約22%，且產品水分和復水性能均達到了要求。

4.4、凍干與真空微波干燥聯合

真空微波結合了真空和微波干燥的優點，使食品原料能快速被 干燥，但其過快的干燥速度會使果蔬切片等產生較大的變形，影響產品的外觀品質，研究者將凍干和真空微波干燥聯合起來，取長補短，可提高產品品質，降低能耗。宋蕓等采用冷凍干燥與微波真空聯合的方法生產脫水果蔬，結果發現，產品品質在色澤、營養成分和復水性能等方面都接近凍干產品，且脫水胡蘿卜片能耗降低56%，脫水蘋果片能耗降低20%。錢革蘭等利用真空微波和冷凍干燥組合來降低胡蘿卜片的干燥能耗，發現兩種組合干燥工藝比單純凍干節能47.0%和54.2%，干燥時間可縮短一半。

5、展望
凍干食品因其很大限度保持了食品營養、水分含量低等優點會受到更多消費者的關注，然而在應用真空冷凍干燥技術進行食品加工時，應重視產品品質和能耗問題，通過改善加工工藝、采取干燥組合聯合等方法來提高產品品質、降低生產成本是未來的真空冷凍干燥技術在食品中的重要發展方向。
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