凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用*

杜瑞麗，陳興煌

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002）

凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用*

杜瑞麗，陳興煌

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002）

凍干技術(shù)作為一種高新的干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品干燥領(lǐng)域，在食品加工過程中起到重要作用，使食品原料快速干燥。此外凍干技術(shù)還應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。文章主要綜述了凍干技術(shù)原理及其在食品加工中的應(yīng)用，以期為今后對凍干技術(shù)進(jìn)一步的研究和在食品加工中的應(yīng)用提供參考。

凍干技術(shù)；食品加工；應(yīng)用

凍干技術(shù)即真空冷凍干燥技術(shù)，是一門跨學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)，是真空與冷凍相結(jié)合的新型干燥技術(shù)。凍干技術(shù)是將含水物料冷凍成固體，在低溫低壓條件下利用水的升華性能，使物料低溫脫水而達(dá)到干燥目的的一種干燥方法[1]。凍干技術(shù)作為一種高新技術(shù)應(yīng)用在食品工業(yè)中，有效的保持了物料原有的色、香、味及營養(yǎng)物質(zhì)等。對食品工業(yè)的發(fā)展具有推動(dòng)作用，提高食品加工業(yè)的技術(shù)含量，使食品工業(yè)發(fā)生質(zhì)的飛躍。

1 真空冷凍干燥技術(shù)概況

目前，脫水干燥的方法主要有熱風(fēng)干燥、微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、氣調(diào)干燥等，其中，凍干技術(shù)尤為重要。真空冷凍干燥技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于食品加工業(yè)。與傳統(tǒng)干燥方法相比，真空冷凍干燥技術(shù)能夠有效保持物料的結(jié)構(gòu)，在低溫條件下，將產(chǎn)品水分含量降到最低，從而減緩其自身化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[2]，能保持新鮮食品的色、香、味、形，最大限度地保存了食品內(nèi)部的維生素、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，使其貯藏穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，且復(fù)水性好，因而被廣泛地用于食品工業(yè)生產(chǎn)中[3]。

1.1 凍干技術(shù)的發(fā)展歷史

冷凍干燥技術(shù)是20世紀(jì)新興的一種應(yīng)用于生物體的脫水干燥方法，早在1921年蘇聯(lián)科學(xué)家拉巴一斯塔羅仁連茨就發(fā)明了凍干技術(shù)，1942年二戰(zhàn)期間，美國首先將該項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于制藥工業(yè)領(lǐng)域[4]，血液和抗生素的凍干保存技術(shù)在制藥工業(yè)得到廣泛應(yīng)用[5]。第二次世界大戰(zhàn)后，德國、荷蘭等西歐國家才將凍干技術(shù)用于食品工業(yè)，此后，美、英、法、日和港、臺等一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)先后建起了凍干食品廠[6]。我國凍干食品起步較晚，70年代在北京、上海、大連等地相繼建立了試驗(yàn)和生產(chǎn)基地，但由于凍干制品昂貴、缺乏市場等原因，迫使這些基地停止運(yùn)行被拆除。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，90年代凍干技術(shù)在我國也日趨完善發(fā)展，規(guī)模變得越來越大，并取得一定的成績。目前，河南、廣東、江西、浙江、寧夏、新疆、上海、北京、河北、山東等各地已建立一批凍干食品加工廠，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得凍干技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高度。

1.2 凍干技術(shù)的原理

凍干技術(shù)是一種特殊的干燥技術(shù)，凍干技術(shù)的基本原理是根據(jù)水的3相變化。水（H2O）的3相為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，水的三相之間既可以共存又可以相互轉(zhuǎn)換[7]。水（H2O）的相平衡圖如圖1所示，3相點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為0.01℃，水蒸氣壓為6.105×10-4MPa，在此條件下，水、冰、水蒸氣3相既共存又互相平衡。當(dāng)水蒸汽壓大于6.105×10-4MPa時(shí)，冰會(huì)融化為水，水再蒸發(fā)為水蒸氣，即為蒸發(fā)過程；當(dāng)水蒸汽壓小于6.105×10-4MPa，冰加熱升華為水蒸氣，即為升華過程[8]。真空冷凍干燥就是利用了水的相變這一原理，冷凍干燥是將物料預(yù)冷至-30～-40℃，能夠使物料中的大部分水分凍結(jié)成冰，然后提供低溫?zé)嵩?，在真空條件下，冰被升華為水蒸氣，從而使物料達(dá)到脫水干燥的目的。其與傳統(tǒng)的加熱方法不同，加熱干燥只發(fā)生一個(gè)從“液體→氣體”的相變，而冷凍干燥則需要經(jīng)過兩次相變，先從“液體→固體”的形變，再經(jīng)過升華“固體→氣體”的相變[9]。此外，經(jīng)凍干技術(shù)處理的物料呈多孔、疏松結(jié)構(gòu)，具有更好的復(fù)水性，便于后續(xù)加工處理或直接食用[10]。

圖1 水的三相平衡圖

1.3 凍干技術(shù)的設(shè)備[11-15]

真空冷凍干燥設(shè)備通常由干燥室、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)備組成。

1.3.1 干燥室

干燥室是凍干機(jī)的重要設(shè)備之一，干燥室的性能直接影響到凍干機(jī)的性能，既能加熱又能制冷。它有圓筒形及方形兩種主要形狀，圓筒形容易操作，制作成本較高；而方形則相反。

1.3.2 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)是凍干機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，制冷系統(tǒng)主要包括：制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和熱力膨脹閥等。氨壓縮機(jī)是最常使用的制冷壓縮機(jī)；蒸發(fā)器多采用換熱效率高的板式換熱器；冷凝器常采用體積小、效率高的殼管式換熱器；外平衡式熱力膨脹閥則是應(yīng)用較多的熱力膨脹閥。制冷系統(tǒng)主要是為冷凍干燥室內(nèi)物料預(yù)凍和冷阱供給充足的冷量。

1.3.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空泵、真空壓力計(jì)、真空壓力開關(guān)和真空度調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)必須達(dá)到完全密封，一般采用機(jī)械真空泵，最常見的真空泵有旋片式和滑片式油封機(jī)械真空泵。

1.3.4 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由加熱板、換熱器、循環(huán)泵及管路、閥門、溫度傳感器等組成，電加熱和蒸汽加熱是兩種主要的加熱方式，加熱系統(tǒng)可使產(chǎn)品中的冰晶升華成水蒸氣，也為冷凝器內(nèi)的積霜溶解提供足夠的熱量。

1.3.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括：各類開關(guān)、安全裝置、自動(dòng)監(jiān)測傳感器和儀表等，既有手動(dòng)控制也有自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)是凍干機(jī)的指揮控制中心，能夠有效地控制凍干工藝流程的正確運(yùn)行，并且記錄凍干過程的有效參數(shù)。

1.4 凍干技術(shù)的工藝流程

原料→前處理→預(yù)凍→速凍→干燥（升華干燥—解析干燥）→后處理。

1.5 凍干食品的優(yōu)點(diǎn)

1.5.1 食品干燥是在低溫（-40～-60℃）下進(jìn)行，并且處于高真空狀態(tài)。因此，對高熱敏性和極易氧化食品原料的干燥很適用，可以有效保持新鮮食品原料的色、香、味及營養(yǎng)成分。例如：菠菜中的維生素曬干后僅剩7%，而凍干多達(dá)94%[9]。

1.5.2 凍干產(chǎn)品不會(huì)喪失其原有的固體骨架結(jié)構(gòu)，形狀不易發(fā)生變化，而且具有高效的速溶性和復(fù)水性。食品復(fù)水后的外觀和形態(tài)及口味等都沒有發(fā)生太大的變化，復(fù)水率高達(dá)90%以上[16]。

1.5.3 凍干食品采取真空或充氮的方式進(jìn)行包裝，且避光保存，因此，保質(zhì)期較長，易于食品的保藏[17]。

1.5.4 在升華干燥過程中，物料中溶于水中的可溶性物質(zhì)不會(huì)發(fā)生向表面遷移，而是就地析出，因此，可有效地避免物料表面營養(yǎng)成分的損失和表面硬化等現(xiàn)象[18]。

1.6 凍干食品的缺點(diǎn)

1.6.1 凍干產(chǎn)品加工工藝復(fù)雜，工藝流程長一般分為：前處理、預(yù)凍、速凍、升華、解析和后處理6個(gè)流程，每個(gè)流程都有相應(yīng)的條件要求，不易控制。

1.6.2 生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，投資大，通常由干燥室、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。1.6.3凍干食品的生產(chǎn)成本較高，在冷凍干燥過程中制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)需要消耗大量能量；產(chǎn)品包裝要求高，包裝的材料和方式等都要求相當(dāng)嚴(yán)格，這進(jìn)一步推高生產(chǎn)成本[19]。

2 凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

楊涓[20]將枸杞進(jìn)行真空冷凍干燥處理，研究發(fā)現(xiàn)，采用凍干技術(shù)對新鮮枸杞進(jìn)行加工后其色、香、味及營養(yǎng)物質(zhì)得到有效地保存，經(jīng)凍干制得的枸杞粉質(zhì)輕，較容易保存，易于運(yùn)輸。凍干技術(shù)為枸杞深加工提供了一種良好有效的加工手段。

王銳平等[21]對采用冷凍干燥法制作速溶大棗粉進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，棗漿的共晶點(diǎn)是-32℃，共熔點(diǎn)是-28℃。研究還發(fā)現(xiàn)，在凍干過程中，加入助干劑（如麥芽糊精）使棗粉干燥效果更加明顯。大棗中的抗環(huán)血酸含量很高，他們在對棗進(jìn)行真空冷凍干燥加工過程中，發(fā)現(xiàn)凍干處理有效的保留了棗粉中的抗壞血酸含量，保留率可高達(dá)87.4%。因此，可見凍干技術(shù)在棗粉加工過程中起到重要作用。

易麗等[22]采用凍干技術(shù)加工番木瓜片，從而得到番木瓜片在凍干過程中的一些加工工藝參數(shù)，他們通過正交試驗(yàn)，分析了番木瓜片的厚度、升華及預(yù)凍溫度對凍干的番木瓜片的復(fù)水性和色澤的影響；還通過多指標(biāo)綜合加權(quán)評分法綜合評價(jià)其復(fù)水性和色澤，從而優(yōu)化了番木瓜片的凍干加工工藝參數(shù)。結(jié)果表明，番木瓜片凍干的較優(yōu)工藝參數(shù)為升華溫度35℃，預(yù)凍溫度-40℃，物料厚度3mm；方差分析結(jié)果顯示升華溫度的影響較顯著，而物料厚度、預(yù)凍溫度的影響不明顯（升華溫度＞預(yù)凍溫度＞物料厚度）；此外，在較優(yōu)工藝參數(shù)條件下，番木瓜片的復(fù)水比為5.36、總色差值為9.03，與正交試驗(yàn)結(jié)果相近，因此，可為番木瓜片的冷凍干燥加工提供更加可靠的參考依據(jù)。

何建軍等[23]采用正交試驗(yàn)對新鮮蓮子進(jìn)行凍干加工，探究了凍干蓮子產(chǎn)品的含水量、外觀、復(fù)水性、營養(yǎng)成分等感官理化特性。結(jié)果表明：凍干技術(shù)既沒有改變新鮮蓮子的風(fēng)味，又避免了營養(yǎng)成分的損失，從而得到蓮子的最佳凍干工藝參數(shù)：裝盤料為每盤750g，速凍溫度-36℃，速凍時(shí)間為12h，干燥升華時(shí)倉壓110～130Pa；干燥解析時(shí)倉壓為30～50Pa，解析時(shí)的物料溫度為45～50℃。

3 總結(jié)與展望

凍干技術(shù)作為一種新興的脫水干燥技術(shù)，廣泛適用于蔬菜、水果、肉類、水產(chǎn)、藥品的護(hù)色、保鮮、保質(zhì)等，在食品加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。凍干食品是通過真空冷凍技術(shù)與工藝加工而成的具有高品質(zhì)綠色、純天然的食品，目前在國際市場中的銷量達(dá)到30%的增速[24]。在國外食品工業(yè)中凍干食品已非常普遍并具有相當(dāng)大的規(guī)模，而我國凍干食品剛剛起步，但該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)引起了我國科研部門的重視，逐步應(yīng)用于各個(gè)食品行業(yè)，占有一定的市場地位[25]。隨著我國果蔬業(yè)、水產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及人民生活水平的進(jìn)一步提高，使得對食品的要求也越來越高，因而凍干食品成了食品加工業(yè)發(fā)展的另一趨勢[26]。另外，凍干技術(shù)由于設(shè)備復(fù)雜、耗能大、成本高等缺點(diǎn)，從而限制了其發(fā)展，對于我們研究該項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步解決?？傊畠龈杉夹g(shù)在我國食品加工業(yè)作為一項(xiàng)新技術(shù)，必將為食品工業(yè)提供有利的條件，只要抓住機(jī)遇，積極發(fā)展凍干食品，開拓國內(nèi)食品市場，就會(huì)在國際市場上占有一定的有利地位。因此，凍干技術(shù)在食品加工業(yè)中的發(fā)展前景無限。

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10.3969/j.issn.1007-550X.2017.05.006

TS205.1

A

1007-550X（2017）05-0043-04

福建省經(jīng)信委“企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（產(chǎn)學(xué)研合作）”（項(xiàng)目編號：108KLf16003A）。

2017-03-10

杜瑞麗（1988- ），女，山東省沂南縣人，碩士研究生，研究方向：食品加工工藝與新技術(shù)。