冷凍干燥技術(shù)及其在食品加工行業(yè)的應(yīng)用

李兢思，李俊欣，付佳佳

（福州理工學(xué)院 應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350506）

冷凍干燥技術(shù)是一種以冰升華為脫水原理的干燥方法，最早興起于醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域，主要是為了解決配方生化成分不穩(wěn)定、不耐熱等問題。隨著人們?nèi)找嬖鲩L的對美好生活的需求，冷凍干燥技術(shù)在食品加工、生物工程、醫(yī)藥工業(yè)以及美容護(hù)膚等行業(yè)發(fā)展迅速，已成為不可或缺的技術(shù)之一。我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品出口量最大的國家之一。經(jīng)過冷凍干燥加工處理后，食品具有體積小、重量輕、保質(zhì)期長、復(fù)水性強(qiáng)以及保持原有生化活性的特點(diǎn)。因此，冷凍干燥技術(shù)被廣泛用于食品加工行業(yè)[1]。

1 冷凍干燥技術(shù)的基本原理

冷凍干燥（Freeze-Drying）技術(shù)簡稱凍干技術(shù)，主要是利用冰升華對食品進(jìn)行脫水干燥。當(dāng)滿足一定的真空度時(shí)，水的兩相點(diǎn)重合，即沸點(diǎn)與冰點(diǎn)重合，直接將食品中的水分從固態(tài)升華為氣態(tài)，使產(chǎn)品得到干燥。在凍干過程中，超過90%的水分流失。從食品的外觀、微觀結(jié)構(gòu)、色澤以及口感等方面來說，冷干是獲得理想干燥效果的最佳技術(shù)。該技術(shù)是在低溫和真空下進(jìn)行的，可以長期保存熱敏性和易氧化的食品。

2 冷凍干燥技術(shù)用于食品加工行業(yè)的工藝流程

2.1 預(yù)處理

在進(jìn)行凍干之前，需要對食品進(jìn)行預(yù)處理。原材料的品質(zhì)決定了食品凍干后的品質(zhì)，因此通常選擇品質(zhì)優(yōu)良、新鮮度高的食品進(jìn)行預(yù)處理[2]。預(yù)處理主要包括篩選、切分、清潔和歸類等過程。

2.2 冷凍

在冷凍環(huán)節(jié)，需要結(jié)合不同食品的特性，嚴(yán)格把控冷凍的溫度和持續(xù)時(shí)間。預(yù)凍時(shí)間一定要足夠充足，溫度下降的梯度要適中。如果是進(jìn)行速凍處理，速凍時(shí)間一定要短，放樣前應(yīng)將速凍室溫保持在-50～-40 ℃。這個(gè)溫度可以快速鎖定食品中的水分，避免蛋白質(zhì)變質(zhì)，保持食品的營養(yǎng)成分不流失。

2.3 升華干燥

凍結(jié)完成后，需要提供升華進(jìn)行干燥。凍干過程中的水分有自由水和結(jié)合水兩種，前者指物料內(nèi)可以自由流動(dòng)的水分，其在低溫下可被凍結(jié)成冰；后者是與各種生物大分子結(jié)合，在低溫下不可被凍結(jié)的水分，這部分的水可以看作是被“束縛”的，又稱“束縛水”。升華干燥又稱一次干燥，通常指對冷凍后的物料升溫，使已被凍結(jié)成冰晶的自由水不經(jīng)過液態(tài)，直接升華成氣態(tài)水。要使這一步驟順利進(jìn)行，需要符合兩個(gè)基本要求：①升溫后形成的氣態(tài)水從物料析出；②連續(xù)不斷地為物料提供熱能。如果沒有控制好這兩個(gè)條件，就會(huì)出現(xiàn)食品融化、隆起、塌陷等問題，升華干燥工藝流程實(shí)際是費(fèi)時(shí)、高能消耗的過程[3]，此過程通常長達(dá)8～9 h。

2.4 解析干燥

解吸干燥又稱二次干燥，是指將一期干燥完成后，物料表面、孔隙中所存在的局部“束縛水”解吸，變成液態(tài)的“自由水”，隨后再吸熱蒸發(fā)成水蒸氣。此過程通常需要較高的溫度和充足的熱量才能滿足結(jié)合水解吸所需的能量。然而，為避免溫度過高導(dǎo)致物料變性，解析干燥溫度不宜過高。

2.5 封裝與儲(chǔ)存

總體而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注凍干食品密封效果。封存過程仍必須在真空條件下，或者充惰性氣體（如氮?dú)猓l件下進(jìn)行。通常選擇密封性高、顏色較深的原材料對凍干食品進(jìn)行包裝。此外，包裝的原材料需要具備較好的機(jī)械性能，以維持物料本身特有的形態(tài)。

在運(yùn)輸和貯藏中，凍干食品的包裝應(yīng)滿足以下條件：①為了防止凍干食品因受潮而變質(zhì)，包裝原材料應(yīng)密封、防水；②為了防止凍干食品因暴露在空氣中而氧化變質(zhì)，包裝原材料應(yīng)隔絕氧氣；③為了防止凍干食品因較長時(shí)間的光照而使?fàn)I養(yǎng)成分分解變質(zhì)，包裝原材料應(yīng)遮光。結(jié)合凍干食品本身所存在的特性以及外部條件導(dǎo)致變質(zhì)的因素，選用的冷凍干燥食品包裝原材料應(yīng)防水、密封、遮光。所以，大多數(shù)食品加工廠家選用聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、鍍鋁膜以及聚丙烯等復(fù)合性材料并填充惰性氣體或抽真空等方式對物料進(jìn)行包裝。另外，食品殘留的細(xì)菌等微生物也會(huì)降低食品質(zhì)量、縮短食品保存時(shí)間。因此，在包裝前，需要對凍干食品及外包裝進(jìn)行殺菌或消毒，常見的方式有紫外殺菌和微波消毒等。

3 冷凍干燥食品的特點(diǎn)

食品干燥加工的方法包括熱風(fēng)干燥法、真空干燥法和噴霧干燥法等。相比之下，真空冷凍干燥技術(shù)處理的食品具有可保持食品原有的生化特性及營養(yǎng)價(jià)值，提高活性成分的吸收率，較好的速溶性和快速復(fù)水性以及易于長期保存等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合對熱敏感、易氧化食品的加工。因此，目前冷凍干燥技術(shù)在食品加工行業(yè)得到推廣，為人們的生活提供了極大的便利。

3.1 保持食品原有的生化特性及營養(yǎng)價(jià)值

凍干食品的熱敏性和容易氧化組分都能夠被完整的保留下來，因此凍干食品基本能夠維持原物料自身的組成及其穩(wěn)定性，它的生化活性和功能都可以得到保證，可保持原物料天然的狀態(tài)，更有一種獨(dú)特的酥脆口感[4]。凍干食品在真空條件下快速脫水，保存了食品本身的微觀結(jié)構(gòu)、生化特性和原始特征，最大限度地保留了膳食中含有的蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和其他活性營養(yǎng)成分。例如，植物代謝產(chǎn)生的具有多種有益作用的酚類化合物、食品中的天然酶等，真正做到“原生態(tài)、零添加”，是理想的天然衛(wèi)生食品。

3.2 提高活性成分的吸收率

凍干技術(shù)的另外一個(gè)應(yīng)用就是可以提高活性成分的吸收率。普通食品通過吞服的方式不可避免地會(huì)受到胃酸和各種酶類的分解作用的影響，食品中的蛋白質(zhì)和一些多肽的生理活性就會(huì)喪失，進(jìn)而降低產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值?？谇火つな侨梭w中最薄的皮膚，在黏膜下有很豐富的毛細(xì)管床。凍干產(chǎn)品可以很迅速地被口腔唾液所溶解。因此，它可以通過口腔黏膜被完整的吸收。

3.3 具有較好的速溶性和快速復(fù)水性

在各種干燥技術(shù)中，凍干干燥技術(shù)被認(rèn)為是最溫和的一種，它對物料微觀結(jié)構(gòu)的破壞基本可以忽略不計(jì)。冰晶升華產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)可以使凍干食品具有速溶、快速復(fù)水等特點(diǎn)。凍干食品在吸收水分后，能恢復(fù)到食品凍干前的狀態(tài)，很好地保證了食品的新鮮程度。

3.4 易于長期保存

凍干食品的脫水率可高達(dá)97%[5]，其較低的含水量有效地控制了細(xì)菌等微生物的繁殖。另外，真空包裝、填充惰性氣體、避光保存能夠有效抑制食品氧化變質(zhì)，延長其保質(zhì)期。一般來說，在常溫環(huán)境下，凍干食品的儲(chǔ)存期限可長達(dá)數(shù)年[6]。凍干食品的體積小、重量輕、保質(zhì)期長等優(yōu)勢有利于產(chǎn)品大批量運(yùn)輸及銷售，擴(kuò)寬了凍干產(chǎn)品的市場。

4 冷凍干燥技術(shù)在食品加工中常見的問題

冷凍干燥技術(shù)給人們的生活帶來便利的同時(shí)，也存在一些缺點(diǎn)。因此，改良凍干技術(shù)的方法還有待發(fā)掘。

4.1 冷凍過程中的恒溫效果不佳

進(jìn)行真空冷凍干燥時(shí)，為了使制備的食品充分干燥，需要冷凍后保持恒溫。但是，目前冷凍后還無法維持相對恒定的溫度，這會(huì)影響到冷凍食品的凍干效果、品質(zhì)、外觀，增加了運(yùn)輸過程中食品變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

4.2 干燥效果不夠理想

食品在冷凍過程中，表層會(huì)形成大量細(xì)微的冰晶。然而，這種冰晶粒若不能及時(shí)去除，在后期加熱的過程中會(huì)對食品的干燥速度產(chǎn)生極大影響[8]?，F(xiàn)階段，由于很多真空冷凍干燥食品加工處理工藝不夠成熟，導(dǎo)致食品的干燥效果不夠理想。

4.3 產(chǎn)品易受潮、易破碎

凍干食品含水量低且呈蓬松多孔的海綿結(jié)構(gòu)，具有較好的復(fù)水性，這也造成了其容易受潮。受潮對產(chǎn)品的穩(wěn)定性和保質(zhì)期都有非常大的影響，所以凍干食品的包裝必須要密封、隔絕空氣。凍干食品特有的多孔疏松結(jié)構(gòu)也造成了其極易破碎，因而需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)合適的外包裝形狀及材料。

5 冷凍干燥食品在國內(nèi)外的發(fā)展前景

近年來，我國食品行業(yè)呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。隨著行業(yè)競爭的急劇增加，世界格局的不斷變化，食品行業(yè)也迎來了多重挑戰(zhàn)。

我國的冷凍干燥技術(shù)起步遲滯，發(fā)展歷史只有五十余年。20世紀(jì)60年代中期，我國很多地區(qū)向國外引進(jìn)凍干設(shè)備，逐步開啟了凍干食品的研發(fā)工作[5]。到了80年代后期，隨著世界凍干食品行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國的凍干食品工藝也實(shí)現(xiàn)了長足發(fā)展。

一代凍干食品，主要指將天然食品經(jīng)過簡單的處理，再經(jīng)冷凍干燥得到原汁原味的產(chǎn)品。二代凍干食品，是在一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)味加工而得到的滋味凍干食品。此類產(chǎn)品中肉類、蔬菜等食品較多，增添食品滋味的同時(shí)，又不影響食品的營養(yǎng)價(jià)值。二代凍干食品實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品口味的多樣性，但受原料本身的局限，缺乏更多可能。三代凍干食品，主要指利用食品行業(yè)一系列的加工手段，將富含多種營養(yǎng)素的原料經(jīng)過特定處理后，制備的具有多種營養(yǎng)功能的產(chǎn)品，可同時(shí)滿足人體對不同營養(yǎng)素的需求。此類產(chǎn)品存在不同的食用方式，滿足了廣大消費(fèi)者多樣化的需求。四代凍干食品，是在三代凍干食品的基礎(chǔ)上，營養(yǎng)均衡，突出功能，為特定的人群提供營養(yǎng)。五代凍干食品，將針對市場、面向個(gè)體，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)服務(wù)，是未來凍干食品市場的主要發(fā)展方向。

真空冷凍干燥工藝作為一種對食品進(jìn)行保質(zhì)、保鮮的新技術(shù)手段，它所特有的一系列優(yōu)點(diǎn)是其他干燥技術(shù)所無法取代的[9]。但該項(xiàng)技術(shù)在我國起步遲滯，該領(lǐng)域的技術(shù)人才可從改進(jìn)冷凍干燥設(shè)備、優(yōu)化工藝流程、參考食材本身的特質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)化調(diào)控等方面進(jìn)行研究，以提高冷凍干燥效率，降低企業(yè)運(yùn)營成本，使其更好的應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)。