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)水性強以及保持原有生化活性的特點。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行脫水干燥。當(dāng)滿足一定的真空度時，水的兩相點重合，即沸點與冰點重合，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

在進行凍干之前，需要對食品進行預(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，嚴格把控冷凍的溫度和持續(xù)時間。預(yù)凍時間一定要足夠充足，溫度下降的梯度要適中。如果是進行速凍處理，速凍時間一定要短，放樣前應(yīng)將速凍室溫保持在-50～-40 ℃。這個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行，需要符合兩個基本要求：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條件，就會出現(xiàn)食品融化、隆起、塌陷等問題，升華干燥工藝流程實際是費時、高能消耗的過程[3]，此過程通常長達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 封裝與儲存

總體而言，應(yīng)重點關(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（如氮氣）條件下進行。通常選擇密封性高、顏色較深的原材料對凍干食品進行包裝。此外，包裝的原材料需要具備較好的機械性能，以維持物料本身特有的形態(tài)。

在運輸和貯藏中，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行包裝。另外，食品殘留的細菌等微生物也會降低食品質(zhì)量、縮短食品保存時間。因此，在包裝前，需要對凍干食品及外包裝進行殺菌或消毒，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

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，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喪失，進而降低產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。口腔黏膜是人體中最薄的皮膚，在黏膜下有很豐富的毛細管床。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。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。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97%[5]，其較低的含水量有效地控制了細菌等微生物的繁殖。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，凍干食品的儲存期限可長達數(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)品大批量運輸及銷售，擴寬了凍干產(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，也存在一些缺點。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

進行真空冷凍干燥時，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，這會影響到冷凍食品的凍干效果、品質(zhì)、外觀，增加了運輸過程中食品變質(zhì)的風(fēng)險[7]。

4.2 干燥效果不夠理想

食品在冷凍過程中，表層會形成大量細微的冰晶。然而，這種冰晶粒若不能及時去除，在后期加熱的過程中會對食品的干燥速度產(chǎn)生極大影響[8]。現(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)實際情況設(shè)計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60年代中期，我國很多地區(qū)向國外引進凍干設(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，又不影響食品的營養(yǎng)價值。二代凍干食品實現(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、面向個體，實現(xiàn)精準服務(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行保質(zhì)、保鮮的新技術(shù)手段，它所特有的一系列優(yōu)點是其他干燥技術(shù)所無法取代的[9]。但該項技術(shù)在我國起步遲滯，該領(lǐng)域的技術(shù)人才可從改進冷凍干燥設(shè)備、優(yōu)化工藝流程、參考食材本身的特質(zhì)進行精準化調(diào)控等方面進行研究，以提高冷凍干燥效率，降低企業(yè)運營成本，使其更好的應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)。