真空冷凍干燥技術(shù)在食品加工應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題

宋 凱徐仰麗郭遠(yuǎn)明蘇來(lái)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(xué)研究院，浙江 溫州 325006）

真空冷凍干燥技術(shù)（vacuum freezing technology）是將物料預(yù)先凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，在一定的真空狀態(tài)下，通過(guò)升華過(guò)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(yīng)用真空冷凍干燥技術(shù)加工的食品維持了低溫狀態(tài)，避免了高溫對(duì)食品的影響，能夠最大限度的保持原料的營(yíng)養(yǎng)、色澤、形態(tài)和風(fēng)味，并且制品含水量低，復(fù)水性好，被一致認(rèn)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(lái)，食品冷凍干燥技術(shù)被廣泛的應(yīng)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(shù)進(jìn)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(shù)進(jìn)行食品加工時(shí)，需要對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題加以關(guān)注，否則不僅會(huì)直接影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，還可能導(dǎo)致能源浪費(fèi)。文章根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)真空冷凍干燥技術(shù)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題及其研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和探討，并總結(jié)了真空冷凍干燥技術(shù)提高干燥速率、節(jié)能減排的工藝要求，為食品中應(yīng)用真空冷凍干燥技術(shù)提供參考。

1 共晶點(diǎn)和共融點(diǎn)

共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)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(kāi)展食品真空冷凍干燥工藝之前，首先要清楚食品的共晶點(diǎn)和共融點(diǎn)，才能針對(duì)性的制定食品物料凍結(jié)的合理工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短凍干時(shí)間，降低能耗。

1.1 食品的共晶點(diǎn)

食品的共晶點(diǎn)是指食品物料中的水分被全部?jī)鼋Y(jié)時(shí)物料的溫度，在食品進(jìn)行冷凍干燥加工前，需要對(duì)物料進(jìn)行預(yù)凍，如果物料的凍結(jié)溫度過(guò)低，會(huì)延長(zhǎng)凍干時(shí)間，浪費(fèi)能源；如果凍結(jié)溫度設(shè)定過(guò)高，物料沒(méi)有完全凍結(jié)，物料在生化過(guò)程中會(huì)造成局部沸騰和起泡現(xiàn)象，不能保證食品的水分除去，導(dǎo)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(yù)凍溫度要根據(jù)物料共晶點(diǎn)設(shè)定，為保證食品凍結(jié)完全，食品原料預(yù)凍溫度一般控制比其共晶點(diǎn)低5～10℃為宜［8］。

1.2 食品的共融點(diǎn)

食品的共熔點(diǎn)是指已經(jīng)全部?jī)鼋Y(jié)成冰的食品因溫度升高到冰晶開(kāi)始融化時(shí)的溫度。食品的共熔點(diǎn)和共晶點(diǎn)是兩個(gè)相反的變化過(guò)程，但是兩個(gè)溫度并不重合，同一種食品物料的共晶點(diǎn)要比共熔點(diǎn)低［9］，這是因?yàn)楣簿c(diǎn)是食品中水分全部?jī)鼋Y(jié)時(shí)的溫度，而共熔點(diǎn)是已經(jīng)全部?jī)鼋Y(jié)的物料開(kāi)始融化時(shí)的溫度。通常在食品物料進(jìn)行干燥時(shí)，加熱溫度不能高于物料的共融點(diǎn)溫度，否則物料內(nèi)部會(huì)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(diǎn)的測(cè)定

食品物料的共晶點(diǎn)、共融點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)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(diǎn)、共融點(diǎn)的測(cè)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(xué)公式推算法［9］等，其中應(yīng)用最為廣泛的是電阻法，它具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣泛等特點(diǎn)［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(kāi)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(shí)的溫度［16］，凍干過(guò)程中發(fā)生塌陷會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)，因此需要在食品物料凍干過(guò)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(guān)。

不同的凍干參數(shù)會(huì)對(duì)塌陷發(fā)生產(chǎn)生影響，例如，左建國(guó)等［11］利用凍干顯微鏡研究了溶液冷凍干燥過(guò)程中降溫速率、升華壓力、溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干燥層塌陷溫度的影響，結(jié)果表明對(duì)于10%的蔗糖／水二元溶液，降溫速率對(duì)塌陷溫度無(wú)明顯的影響；而對(duì)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(duì)塌陷溫度影響不大；溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，塌陷溫度略有變化。但可以通過(guò)優(yōu)化工藝減少塌陷發(fā)生，董會(huì)龍等［17］探索了影響番木瓜凍干脆片塌陷的因素，結(jié)果表明，漂燙預(yù)處理和硬化預(yù)處理可減緩凍干產(chǎn)品的塌陷程度，冷凍速率對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響不大，但冷凍時(shí)間不足會(huì)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(diǎn)溫度，進(jìn)行凍干操作時(shí)要控制產(chǎn)品溫度低于共晶點(diǎn)溫度；有的食品的崩解溫度低于共晶點(diǎn)溫度，進(jìn)行凍干操作時(shí)應(yīng)以密切關(guān)注崩解溫度。目前，塌陷溫度測(cè)量比較困難，需要借助凍干顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。近年來(lái)，許多研究采用凍干保護(hù)劑的方式來(lái)避免產(chǎn)品的塌陷，以便達(dá)到節(jié)能和保護(hù)產(chǎn)品形態(tài)的目的，Hamoudi等［18］優(yōu)化了白地霉凍干保護(hù)劑的配方，曾小群等［19］優(yōu)化確定了干酪乳桿菌凍干保護(hù)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(yīng)用真空冷凍干燥技術(shù)的成本問(wèn)題，通常情況下，物料的干燥速率和能耗有直接關(guān)系，干燥速率越快，耗時(shí)越短，耗能則越低。高能耗問(wèn)題仍然是真空冷凍干燥技術(shù)在食品中應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，目前，通過(guò)工藝優(yōu)化的方法來(lái)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(yù)凍速度

對(duì)食品原料的預(yù)凍是冷凍干燥工藝的前提步驟，研究［20］表明，快速預(yù)凍和慢速預(yù)凍對(duì)食品物料所需要的凍干時(shí)間有顯著影響，快速預(yù)凍要比慢速預(yù)凍所需要的凍干時(shí)間長(zhǎng)，這是由于食品進(jìn)行快速預(yù)凍時(shí)產(chǎn)生的冰晶小，致密的冰晶對(duì)于冰的升華起阻礙作用，而在慢速預(yù)凍時(shí)，食品中形成的冰晶大，冰晶之間具有較大縫隙，能夠促進(jìn)冰升華，但是冰晶越大對(duì)凍干產(chǎn)品品質(zhì)影響也越大，特別是對(duì)一些生物制品進(jìn)行凍干時(shí)，慢速預(yù)凍產(chǎn)生的大冰晶會(huì)破環(huán)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如果對(duì)終產(chǎn)品要求不高，可以考慮通過(guò)慢速預(yù)凍來(lái)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(guò)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(huì)耗時(shí)耗能造成浪費(fèi)。朱虹等［21］證明了膠原在濃度為1g／60mL時(shí)，膠原膜制備簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好；王旭等［22］研究了棗漿的冷凍干燥工藝，結(jié)果顯示棗漿的濃度在20%時(shí)最適宜。應(yīng)用凍干技術(shù)進(jìn)行液態(tài)食品干燥時(shí)，要充分衡量能耗與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，探索優(yōu)化最佳凍干濃度，進(jìn)而提高凍干速率。

固態(tài)食品進(jìn)行凍干時(shí)，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(jìn)行切片凍干可以提高凍干速率；柳青等［24］通過(guò)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)雙孢菇切片厚度4mm時(shí)，產(chǎn)品形、色、鮮、香等性狀良好，凍干時(shí)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(duì)固態(tài)食品形狀要求嚴(yán)格，可以考慮對(duì)食品物料進(jìn)行穿刺處理，通過(guò)穿刺孔通透性來(lái)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(hào)凍干機(jī)冷阱均有最大的捕水能力，如果裝盤物料的水分超過(guò)了最大捕水量，就會(huì)造成產(chǎn)品不能達(dá)到一定的干燥程度，導(dǎo)致干燥失敗；如果裝盤物料過(guò)少，雖然會(huì)提高凍干速率，但會(huì)造成空間浪費(fèi)，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(shí)，控制適當(dāng)?shù)奈锪虾穸龋山档蛡鳠帷髻|(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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如果物料厚度太薄，裝盤量就會(huì)自然減小，凍干速率提高同時(shí)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(duì)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(shè)定適當(dāng)?shù)恼婵斩?/h3>

維持冷凍干燥時(shí)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(kuò)散阻力從而耗能。實(shí)際凍干過(guò)程中，每種食品原料都存在一個(gè)最佳的真空度，因此可以使能耗降到最低［28］。郭樹(shù)國(guó)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(jī)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(jìn)水汽凝結(jié)，提高凍干速率，但高真空度對(duì)真空泵有特殊的要求，真空度過(guò)高，會(huì)增加維持真空能耗；當(dāng)凍干工藝處于在解析干燥階段則應(yīng)逐漸降低干燥室的真空度，來(lái)促進(jìn)傳熱和傳質(zhì)，達(dá)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(shè)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(shí)發(fā)現(xiàn)，擱板溫度每提高10℃，凍干時(shí)間就會(huì)縮短2.0h，可見(jiàn)提高擱板溫度，可提高干燥速率。對(duì)擱板溫度的控制包括控制凍結(jié)層和已干層的溫度，對(duì)于凍結(jié)層的溫度應(yīng)首先保證低于共融點(diǎn)前提下越高越好；對(duì)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(yīng)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(shí)對(duì)于小型凍干機(jī)要設(shè)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(duì)于一些活性生物制品則應(yīng)當(dāng)一直維持更低的隔板溫度［31］。

4 組合冷凍干燥技術(shù)發(fā)展

4.1 微波真空冷凍干燥技術(shù)

近年來(lái)，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(shù)和真空冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合建立了微波真空冷凍干燥技術(shù)，主要利用微波輻射處于凍結(jié)狀態(tài)的被干燥物料，將電磁能轉(zhuǎn)化為物料中水分升華所需要的熱能。江南大學(xué)［33，34］研制出了微波冷凍干燥機(jī)器和工藝，利用微波真空冷凍干燥技術(shù)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(guò)試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，他們采用微波加熱13mm厚的牛排，干燥時(shí)間只需4～6h，而用傳導(dǎo)的方式加熱時(shí)，干燥時(shí)間達(dá)11～13h。但缺點(diǎn)是設(shè)備成本高［36］，主要應(yīng)用于高值食品中，大規(guī)模應(yīng)用仍處于研究階段。

4.2 噴霧冷凍干燥技術(shù)

噴霧干燥和冷凍干燥結(jié)合起來(lái)，形成了新的噴霧冷凍干燥技術(shù)，最早報(bào)道于歐洲專利中［37］，該方法通過(guò)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(duì)產(chǎn)品的干燥［38］。噴霧冷凍干燥技術(shù)主要應(yīng)用于制造粉末狀的藥物和食品中［39］，該技術(shù)能顯著縮短凍干時(shí)間，黃立新等［40］利用該技術(shù)對(duì)奶粉進(jìn)行了干燥，時(shí)間從48h縮短到10h。

4.3 冷凍干燥與熱風(fēng)干燥聯(lián)合

在充分考慮能耗和產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，許多研究者開(kāi)始探索采取聯(lián)合干燥的方式對(duì)食品物料進(jìn)行干燥，其中將傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥和冷凍干燥技術(shù)聯(lián)合就是其中一個(gè)方法［41］。徐艷陽(yáng)等［42］用真空冷凍干燥技術(shù)與熱風(fēng)干燥技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行毛竹筍干制，結(jié)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(fēng)再凍干的產(chǎn)品整體質(zhì)量差，先凍干后再熱風(fēng)干燥卻能獲得品質(zhì)較佳的產(chǎn)品，說(shuō)明冷凍干燥技術(shù)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(fēng)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(fù)水性能均達(dá)到了要求。

4.4 凍干與真空微波干燥聯(lián)合

真空微波結(jié)合了真空和微波干燥的優(yōu)點(diǎn)，使食品原料能快速被干燥，但其過(guò)快的干燥速度會(huì)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(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品品質(zhì)在色澤、營(yíng)養(yǎng)成分和復(fù)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(lái)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(shí)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(yíng)養(yǎng)、水分含量低等優(yōu)點(diǎn)會(huì)受到更多消費(fèi)者的關(guān)注，然而在應(yīng)用真空冷凍干燥技術(shù)進(jìn)行食品加工時(shí)，應(yīng)重視產(chǎn)品品質(zhì)和能耗問(wèn)題，通過(guò)改善加工工藝、采取干燥組合聯(lián)合等方法來(lái)提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本是未來(lái)的真空冷凍干燥技術(shù)在食品中的重要發(fā)展方向。

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