真空冷凍干燥技術在食品加工應用中的關鍵問題

宋 凱徐仰麗郭遠明蘇來金

SONG Kai1XU Yang－li2GUO Yuan－ming1SU Lai－jin2

（1.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316100；2.溫州市農(nóng)業(yè)科學研究院，浙江 溫州 325006）

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(tài)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(tǒng)組成［1］。由于應用真空冷凍干燥技術加工的食品維持了低溫狀態(tài)，避免了高溫對食品的影響，能夠最大限度的保持原料的營養(yǎng)、色澤、形態(tài)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(chǎn)高品質(zhì)食品的最好的干制方法［2］。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(yè)，其中許多高值食品如刺參、人參、水蛭、扇貝等［3－6］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(zhì)量和附加值。

然而利用真空冷凍干燥技術進行食品加工時，需要對幾個關鍵問題加以關注，否則不僅會直接影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，還可能導致能源浪費。文章根據(jù)目前國內(nèi)外對真空冷凍干燥技術的研究熱點問題及其研究進展進行了綜述和探討，并總結了真空冷凍干燥技術提高干燥速率、節(jié)能減排的工藝要求，為食品中應用真空冷凍干燥技術提供參考。

1 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(shù)，直接影響凍干產(chǎn)品質(zhì)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(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)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，物料沒有完全凍結，物料在生化過程中會造成局部沸騰和起泡現(xiàn)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(xiàn)象，造成凍干產(chǎn)品表面硬化，產(chǎn)品質(zhì)量下降［7］。因此，在真空冷凍干燥工藝的預凍溫度要根據(jù)物料共晶點設定，為保證食品凍結完全，食品原料預凍溫度一般控制比其共晶點低5～10℃為宜［8］。

1.2 食品的共融點

食品的共熔點是指已經(jīng)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［9］，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(jīng)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(nèi)部會產(chǎn)生氣泡，出現(xiàn)融化和干縮等現(xiàn)象，甚至不能保證水分全部汽化除去，從而影響凍干產(chǎn)品的水分含量和質(zhì)量［10］。

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(yōu)化食品凍干工藝，保證凍干食品的品質(zhì)、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［11］、電阻法［12，13］、差示掃描量熱法（DSC）［14］、數(shù)學公式推算法［9］等，其中應用最為廣泛的是電阻法，它具有操作簡單、穩(wěn)定性好、測量范圍廣泛等特點［15］。

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(chǎn)品失去剛性，開始變粘，發(fā)生類似塌方的崩解、熔化或產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象時的溫度［16］，凍干過程中發(fā)生塌陷會嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)，因此需要在食品物料凍干過程中防止塌陷的發(fā)生，塌陷主要與產(chǎn)品工藝和物料本身性質(zhì)有關。

不同的凍干參數(shù)會對塌陷發(fā)生產(chǎn)生影響，例如，左建國等［11］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(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)不同，塌陷溫度略有變化。但可以通過優(yōu)化工藝減少塌陷發(fā)生，董會龍等［17］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(chǎn)品的塌陷程度，冷凍速率對產(chǎn)品品質(zhì)影響不大，但冷凍時間不足會造成凍干產(chǎn)品塌陷。

塌陷溫度也受食品物料本身的物理性質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品的塌陷，以便達到節(jié)能和保護產(chǎn)品形態(tài)的目的，Hamoudi等［18］優(yōu)化了白地霉凍干保護劑的配方，曾小群等［19］優(yōu)化確定了干酪乳桿菌凍干保護劑的最佳配方。

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(yōu)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［20］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(chǎn)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(chǎn)品品質(zhì)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(chǎn)生的大冰晶會破環(huán)細胞結構，如果對終產(chǎn)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(diào)整液態(tài)食品的濃度或改變固態(tài)食品的形狀

液態(tài)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［21］證明了膠原在濃度為1g／60mL時，膠原膜制備簡單且穩(wěn)定性好；王旭等［22］研究了棗漿的冷凍干燥工藝，結果顯示棗漿的濃度在20%時最適宜。應用凍干技術進行液態(tài)食品干燥時，要充分衡量能耗與產(chǎn)品質(zhì)量的關系，探索優(yōu)化最佳凍干濃度，進而提高凍干速率。

固態(tài)食品進行凍干時，切片、粉碎是增大傳熱面積、提高凍干速率的最佳方法。例如，彭幫柱等［23］將獼猴桃進行切片凍干可以提高凍干速率；柳青等［24］通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)雙孢菇切片厚度4mm時，產(chǎn)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(chǎn)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(tài)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(zhì)，提高凍干速率［25］。

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最大的捕水能力，如果裝盤物料的水分超過了最大捕水量，就會造成產(chǎn)品不能達到一定的干燥程度，導致干燥失?。蝗绻b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(chǎn)品成本。因此，在凍干前要根據(jù)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?shù)奈锪虾穸?，可降低傳熱、傳質(zhì)阻力，提高干燥速率；張光杰等［26］確定了真空冷凍干燥生姜粉最佳物料厚度2mm，產(chǎn)品得率、含水量及感官性能較好。在實際生產(chǎn)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(chǎn)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(jù)冷阱捕水能力、物料性質(zhì)、加熱方式以及干燥效率等而定。

3.4 設定適當?shù)恼婵斩?/h3>

維持冷凍干燥時真空度的耗能約占凍干總耗能的26%［27］，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最佳的真空度，因此可以使能耗降到最低［28］。郭樹國等［29］在研究黃瓜真空冷凍干燥工藝發(fā)現(xiàn)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(jù)冷阱溫度優(yōu)化最佳的真空度；凍干機的真空度受冷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(zhì)，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［30］在研究梨棗凍干工藝時發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)因溫度升高造成產(chǎn)品塌陷或變性現(xiàn)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(chǎn)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［31］。

4 組合冷凍干燥技術發(fā)展

4.1 微波真空冷凍干燥技術

近年來，研究者［32］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(tài)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［33，34］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徹底，可有效保持食品的品質(zhì)，干燥速率提高4～20倍，Ma等［35］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［36］，主要應用于高值食品中，大規(guī)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，最早報道于歐洲專利中［37］，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(chǎn)品的干燥［38］。噴霧冷凍干燥技術主要應用于制造粉末狀的藥物和食品中［39］，該技術能顯著縮短凍干時間，黃立新等［40］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(lián)合

在充分考慮能耗和產(chǎn)品品質(zhì)的同時，許多研究者開始探索采取聯(lián)合干燥的方式對食品物料進行干燥，其中將傳統(tǒng)的熱風干燥和冷凍干燥技術聯(lián)合就是其中一個方法［41］。徐艷陽等［42］用真空冷凍干燥技術與熱風干燥技術聯(lián)合進行毛竹筍干制，結果表明，聯(lián)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(chǎn)品整體質(zhì)量差，先凍干后再熱風干燥卻能獲得品質(zhì)較佳的產(chǎn)品，說明冷凍干燥技術在保持產(chǎn)品形狀、維持產(chǎn)品品質(zhì)方面具有優(yōu)越性。黃嬌麗等［43］研究真空冷凍與熱風聯(lián)合干燥腌制調(diào)味高菜，聯(lián)合干燥方法比單純凍干節(jié)省能耗約22%，且產(chǎn)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(lián)合

真空微波結合了真空和微波干燥的優(yōu)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(chǎn)生較大的變形，影響產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，研究者將凍干和真空微波干燥聯(lián)合起來，取長補短，可提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低能耗。宋蕓等［44］采用冷凍干燥與微波真空聯(lián)合的方法生產(chǎn)脫水果蔬，結果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品品質(zhì)在色澤、營養(yǎng)成分和復水性能等方面都接近凍干產(chǎn)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［45］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(fā)現(xiàn)兩種組合干燥工藝比單純凍干節(jié)能47.0%和54.2%，干燥時間可縮短一半。

5 展望

凍干食品因其最大限度保持了食品營養(yǎng)、水分含量低等優(yōu)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(chǎn)品品質(zhì)和能耗問題，通過改善加工工藝、采取干燥組合聯(lián)合等方法來提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本是未來的真空冷凍干燥技術在食品中的重要發(fā)展方向。

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