果蔬真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)的研究進(jìn)展

蘇克軍，李海峰

（寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏銀川 750021）

真空冷凍干燥是干燥工藝中對(duì)果蔬品質(zhì)影響最低的工藝之一，經(jīng)過(guò)真空冷凍干燥后的干制品硬度低，脆度高，干制品中的營(yíng)養(yǎng)成分含量可保留90%以上[1]，有研究表明經(jīng)過(guò)真空冷凍干燥的果蔬干制品的物理特性均優(yōu)于其他果蔬干燥工藝，但在耗時(shí)長(zhǎng)及能耗高方面，是果蔬熱風(fēng)干燥能耗的4～8倍[2]。近年來(lái)，針對(duì)真空冷凍干燥耗能高、耗時(shí)久等不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同果蔬的物理特性相應(yīng)地研究出不同類型的真空冷凍聯(lián)合干燥工藝。本文總結(jié)了真空冷凍干燥的基本原理及其優(yōu)勢(shì)和缺陷，并對(duì)真空冷凍聯(lián)合干燥方法進(jìn)行了詳盡介紹，內(nèi)容分為微波-真空冷凍干燥、紅外線-真空冷凍干燥、高壓電場(chǎng)-真空冷凍干燥及變溫壓差膨化-真空冷凍干燥，闡述了真空冷凍聯(lián)合干燥方法對(duì)果蔬干產(chǎn)品中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和外形、色彩方面的作用。此外，本文對(duì)真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作出了預(yù)測(cè)，并為今后的新果蔬真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)發(fā)展提出了理論依據(jù)。

1 真空冷凍干燥

1.1 真空冷凍干燥的原理

水以固、液、氣（蒸汽）3種相態(tài)存在且可相互轉(zhuǎn)換也可共存。圖1為水的三相分布圖（溫度與壓力的關(guān)系），其中曲線OA表示水在固態(tài)與液態(tài)轉(zhuǎn)換通道（熔化或凝固）；曲線OB表示水在固態(tài)與氣態(tài)轉(zhuǎn)換通道（升華或凝華）；曲線OC表示水在液態(tài)與氣態(tài)轉(zhuǎn)換通道（氣化或液化）。圖1中水在O點(diǎn)以液態(tài)、蒸汽及冰三相共存（在0.01 ℃和0.612 kPa時(shí)），C點(diǎn)為水的臨界點(diǎn)（374 ℃和22 060 kPa）[3]。

圖1 水的三相圖

1.2 真空冷凍干燥過(guò)程

真空冷凍干燥過(guò)程分為預(yù)凍階段、初級(jí)干燥階段（升華干燥階段）及二次干燥階段（解析干燥階段）。

（1）預(yù)凍階段。根據(jù)不同果蔬的共晶點(diǎn)確定其預(yù)冷溫度，將果蔬中大部分自由水分凍結(jié)至共晶點(diǎn)以下。果蔬的預(yù)冷速率也會(huì)對(duì)品質(zhì)造成影響，快速預(yù)冷易形成細(xì)小的冰晶顆粒，對(duì)果蔬組織結(jié)構(gòu)破壞較??；過(guò)慢會(huì)使水分形成顆粒較大的冰晶，使得果蔬內(nèi)部形成直徑過(guò)大的孔狀結(jié)構(gòu)，對(duì)果蔬組織結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞性較嚴(yán)重。

（2）升華干燥階段。在真空環(huán)境中以適當(dāng)壓力處理并進(jìn)行緩慢升溫，保持產(chǎn)品溫度較塌陷溫度（Collapse Temperature，Tc）低2～3 ℃，也可測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Glass Transition Temperature，Tg）維持溫度差，將果蔬水分中80%～90%自由水升華為水蒸氣排出果蔬[4]。升華干燥過(guò)程中可持續(xù)利用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將果蔬升華后的水蒸氣冷凝。圖2描述了真空冷凍干燥過(guò)程中不同干燥階段產(chǎn)品的典型溫度曲線，可觀察到干燥初級(jí)階段產(chǎn)品溫度應(yīng)低于塌陷溫度Tc。

圖2 真空冷凍干燥過(guò)程中物料的溫度曲線

（3）解析干燥階段。解析干燥階段持續(xù)去除果蔬中剩余10%～20%的結(jié)合水。解析階段過(guò)程中需保證較高的真空壓力，干燥壓力一般在20～30 Pa，使得結(jié)合水有充足的動(dòng)能在解析后從果蔬中逸出[5]。同時(shí)，干燥過(guò)程中需要提供一定的解析溫度，確保果蔬組織中的結(jié)合水解析。解析干燥階段從升華干燥階段結(jié)束起至干燥過(guò)程完全結(jié)束需要維持約2～3 h，干制品含水量應(yīng)符合加工產(chǎn)品要求，但解析時(shí)間因物料種類、形狀、生產(chǎn)設(shè)備性能及干制品水分含量的加工要求而存在一定差異。

1.3 真空冷凍干燥的特點(diǎn)

（1）可保持果蔬原有色、香、味及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。真空冷凍干燥是在高壓低溫和高度缺氧的環(huán)境中對(duì)果蔬進(jìn)行干燥處理，果蔬中微生物和酶的生物活性極低，不會(huì)引起酶促褐變反應(yīng)，可最大程度地保留果蔬原有色澤、香氣及營(yíng)養(yǎng)成分，不會(huì)降低果蔬干制品品質(zhì)，適合用于干燥熱敏感和易發(fā)生氧化的果蔬。

（2）可保持果蔬原有組織結(jié)構(gòu)及基本骨架。果蔬在排除水分前經(jīng)過(guò)低溫預(yù)冷，使得果蔬內(nèi)部形成冰晶顆粒建立穩(wěn)定的固體骨架。干燥過(guò)程中固體骨架基本保持不變，使得干燥后的果蔬保持天然形狀和酥脆口感，并且冰晶升華后無(wú)干縮，能形成多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使果蔬產(chǎn)品具有良好的速溶性和快速?gòu)?fù)水性。

（3）可有效延長(zhǎng)果蔬產(chǎn)品貨架期及保質(zhì)期。真空冷凍干燥后果蔬中殘余水分含量一般為10%～15%，分布均勻且水分活度較低，可有效抑制果蔬表面微生物繁殖，如采用惰性氣調(diào)包裝或真空包裝可抑制果蔬吸濕延長(zhǎng)貨架期。

（4）預(yù)冷階段，溶解于果蔬水分中的無(wú)機(jī)鹽類等溶質(zhì)會(huì)被凍結(jié)固定。因此，在升華干燥階段與解析干燥階段，果蔬內(nèi)部不會(huì)發(fā)生溶質(zhì)遷移現(xiàn)象，從而避免了果蔬產(chǎn)品出現(xiàn)表面硬化現(xiàn)象[6]。

2 真空冷凍聯(lián)合干燥

2.1 微波-真空冷凍干燥

微波干燥是通過(guò)頻率0.3～300 GHz微波以每秒數(shù)億次速率進(jìn)行周期性的變化從而穿透果蔬表面進(jìn)入內(nèi)部，與果蔬內(nèi)部極性分子相互作用，使極性分子吸收電磁波從而改變極性分子的極性[7]。宏觀表現(xiàn)為水分因果蔬溫度升高而蒸發(fā)，達(dá)到果蔬產(chǎn)品干燥目的。有報(bào)道表明，對(duì)功能性秋葵零食經(jīng)微波與真空冷凍干燥相結(jié)合干燥處理后的抗氧化特性、感官及能耗進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)秋葵中的各種抗氧化成分含量，如表沒(méi)食子兒茶素、表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯、表兒茶素沒(méi)食子酸酯等與單一真空冷凍干燥相近，色澤也無(wú)明顯差異，并且聯(lián)合干燥的秋葵產(chǎn)品具有中等硬度與脆性，干燥時(shí)間縮短了約75.36%，能耗降低了約71.92%。同時(shí)，微波-真空冷凍聯(lián)合干燥也可殺滅果蔬中的有害微生物。朱蘊(yùn)蘭等[8]采用不同干燥方式處理蘆筍并對(duì)蘆筍營(yíng)養(yǎng)成分及品質(zhì)特性變化進(jìn)行測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)微波-真空冷凍聯(lián)合干燥后蘆筍中細(xì)菌及霉菌殺菌率分別達(dá)到96.8%與97.8%。微波-真空冷凍干燥不僅可提高果蔬營(yíng)養(yǎng)成分保留率，維持原有色澤及氣味，大大提高果蔬干制品品質(zhì)，也可大幅度縮短干燥耗時(shí)，降低生產(chǎn)能耗及成本。因此，微波-真空冷凍聯(lián)合干燥可作為脫水蔬菜干燥發(fā)展的方向之一。

2.2 紅外-真空冷凍干燥

紅外干燥是利用紅外輻射元件（紅外燈管）發(fā)射出紅外線輻射到果蔬表面，使得果蔬吸收紅外輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，果蔬表面及內(nèi)部水分子獲得內(nèi)能，使得果蔬內(nèi)部水分向表面轉(zhuǎn)移從而達(dá)到果蔬干燥目的。具有干燥速率快、產(chǎn)品質(zhì)量高、能量利用效率高等優(yōu)點(diǎn)。有關(guān)研究對(duì)紅外干燥與熱風(fēng)、冷凍及微波干燥分段對(duì)紅棗片干燥，發(fā)現(xiàn)紅棗片冷凍干燥品質(zhì)最佳，結(jié)合紅外輻射輔助可縮短干燥耗時(shí)，較單一真空冷凍干燥縮短了57.6%。紅外-真空冷凍分段干燥后的紅棗片在色澤、質(zhì)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)方面均優(yōu)于熱風(fēng)干燥與微波干燥，紅棗片中維生素C保留率相比單一紅外干燥提高了34.6%。國(guó)外學(xué)者利用催化紅外線分別聯(lián)合熱風(fēng)干燥與真空冷凍干燥對(duì)韭菜進(jìn)行處理，并對(duì)韭菜產(chǎn)品干燥特性及產(chǎn)品質(zhì)量變化進(jìn)行測(cè)定分析。結(jié)果表明，紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥可除去韭菜中80%~85%水分，并使干燥耗時(shí)節(jié)省約1.1~3.8 h。綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，紅外-真空冷凍干燥分段干燥不僅縮短了果蔬干燥時(shí)間，同時(shí)保證了干燥后果蔬產(chǎn)品質(zhì)量不發(fā)生較多改變，在果蔬干燥技術(shù)方面具有可觀的應(yīng)用前景。

2.3 高壓電場(chǎng)-真空冷凍干燥

高壓電場(chǎng)處理屬于非熱食品加工技術(shù)，食品加工過(guò)程中溫度不發(fā)生明顯變化。其分為高靜電場(chǎng)（High-voltage Electrostatic Field，HEF）、高壓脈沖電場(chǎng)（Pulsed Electric Fields，PEF）和高壓放電（High Voltage Electrostatic Field，HVED），通過(guò)利用升壓器改變外接電源電壓，將高壓電流通入干燥室的上下兩極板，極板之間形成一個(gè)非均勻高壓電場(chǎng)，果蔬置于兩極板之間受到非均勻高壓電場(chǎng)作用，果蔬中水分子變得活躍而相互碰撞產(chǎn)生熱能，水分迅速蒸發(fā)從而達(dá)到干燥目的[9]。高壓電場(chǎng)處理果蔬不僅改善了果蔬干制品品質(zhì)，提高了果蔬產(chǎn)品復(fù)水性及營(yíng)養(yǎng)成分保留率，并且能有效降低干燥能耗，縮短干燥耗時(shí)。有研究利用高壓電場(chǎng)聯(lián)合真空冷凍干燥處理海參并對(duì)干燥海參的效用進(jìn)行測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法聯(lián)合干燥后海參的皺縮率和硬度與真空冷凍干燥相比更低，復(fù)水性和蛋白質(zhì)含量明顯提高，干燥耗時(shí)3 h、5 h后節(jié)能分別約為19.5%、32.6%。因此，高壓電場(chǎng)處理結(jié)合果蔬真空冷凍干燥技術(shù)在果蔬工業(yè)化生產(chǎn)中具有可觀的應(yīng)用前景。

2.4 變溫壓差膨化-真空冷凍干燥

果蔬變溫壓差膨化干燥，又稱壓差膨化干燥、空氣膨化干燥或爆炸膨化干燥，是將真空干燥和高溫高壓膨化處理相結(jié)合的新型果蔬干燥工藝。變溫是指果蔬在熱膨化過(guò)程和真空干燥過(guò)程中溫度不相同，果蔬在干燥過(guò)程中溫度不斷改變，溫度范圍在75～135 ℃；壓差是果蔬在膨化階段會(huì)經(jīng)歷從高壓瞬時(shí)降至低壓的過(guò)程，壓力范圍在0.1～0.5 MPa；膨化是指果蔬內(nèi)部的水分瞬間升溫汽化，低壓水蒸氣開(kāi)始膨脹，引起果蔬組織大分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)變形，形成穩(wěn)定的多孔狀物質(zhì)的過(guò)程。高鶴等[10]采用真空冷凍聯(lián)合變溫壓差膨化干燥番木瓜并對(duì)聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化得到番木瓜最佳干燥條件：膨化溫度87.46～100.00 ℃、抽空溫度72.42～80.00 ℃、抽空時(shí)間3.64～4.00 h。與單一真空冷凍干燥相比，真空冷凍-壓差膨化聯(lián)合干燥縮短了干燥耗時(shí)，且干燥后果蔬產(chǎn)品理化特性與真空冷凍干燥類似。因此，真空冷凍-壓差膨化聯(lián)合干燥也可作為未來(lái)果蔬聯(lián)合干燥的技術(shù)之一，并且真空冷凍-壓差膨化聯(lián)合干燥可用于生產(chǎn)果蔬脆片類零食，相比油炸膨化生產(chǎn)果蔬，真空冷凍-壓差膨化聯(lián)合干燥后的果蔬脆零食更健康，食用人群更加廣泛。

3 結(jié)論與展望

真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)果蔬破壞率最低，相比其他干燥技術(shù)，干燥后果蔬產(chǎn)品色澤、風(fēng)味及品質(zhì)均接近于新鮮果蔬，但存在干燥耗時(shí)長(zhǎng)、耗能高等不足，限制了真空冷凍干燥廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸傾向于用真空冷凍干燥聯(lián)合其他干燥技術(shù)及處理手段對(duì)物料進(jìn)行加工，已有利用熱風(fēng)干燥、微波干燥、紅外干燥及高壓電場(chǎng)處理聯(lián)合真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)各種新鮮果蔬進(jìn)行干燥的相關(guān)研究。真空冷凍聯(lián)合干燥不僅可以保證果蔬產(chǎn)品質(zhì)量，也可縮短干燥時(shí)間和降低干燥耗能，節(jié)省果蔬工業(yè)化生產(chǎn)成本。因此，隨著各種新型干燥技術(shù)及干燥設(shè)備的研發(fā)，真空冷凍聯(lián)合干燥會(huì)發(fā)展成一種新的干燥趨勢(shì)。