預處理方法在食品冷凍干燥中的應用分析

吳陽陽，李敏，關志強，張珂

（1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東湛江524088，2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088）

預處理方法在食品冷凍干燥中的應用分析

吳陽陽1，李敏2，*，關志強2，張珂1

（1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東湛江524088，2.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088）

真空冷凍干燥在干制品品質方面優于其他干燥，但由于其能耗較大，應用范圍和規模受到一定的限制，干燥前的預處理可以有效改善傳熱傳質，降低能耗。本文綜述了預處理方法在食品冷凍干燥中的應用，綜合分析了滲透、微波、超聲波、真空冷卻、高壓脈沖電場和凍融等預處理的原理和研究現狀，為不同食品物料冷凍干燥預處理方法的選擇提供理論依據，并為改善凍干工藝提供參考。

預處理；滲透；微波；超聲波；真空冷卻；高壓脈沖電場；凍融

真空冷凍干燥是將濕物料凍結到共晶點溫度以下，然后在較高真空度下使固態冰直接升華成氣態水蒸氣而除去水分的一種干燥方法［1］。真空冷凍干燥是在低溫低壓下的傳熱傳質過程，適用于極為熱敏以及極易氧化食品的干燥，用此方法干燥能夠使產品形成穩定的固體骨架，有利于保持食品的營養成分和風味，同時凍干食品有較好的復水性［2］。但由于其干燥時間長，能耗大，從而增加了生產成本，且成為真空冷凍干燥方法推廣應用的瓶頸。

謝國山等［3］用真空冷凍干燥海蠣子，干燥時間為19 h；云霞等［4］研究了海參真空冷凍干燥工藝，結果表明海參干燥時間需要18 h～24 h；Jelena等［5］真空冷凍干燥雞胸肉，所需最短時間18 h。其次，預凍過程會對食品造成一定的影響，凍結可以分為慢速凍結和快速凍結，慢速凍結時，細胞外空間形成較大冰晶，細胞受到擠壓而變形或破裂，破壞食品的組織結構；快速凍結能以最短的時間通過最大冰晶生成帶，形成細小冰晶，對組織結構破壞較小，但產品在預凍階段的不同凍結速度又反過來影響了凍干過程的傳質速度。另外，預凍過程的冷凍濃縮效應等容易造成蛋白質變性，從而使食品品質下降。

真空冷凍干燥升華干燥階段除去食品中的大部分水，但升華干燥的能耗接近總能耗的一半以上，因此可以在真空冷凍干燥前對食品進行適當的預處理，除去部分水分，減少升華干燥時間；或者使物料形成微孔通道，改善熱質傳遞條件。同時也可以在此過程添加保護劑改善干制品品質。目前，常用的干燥預處理方法有滲透、微波、超聲波、真空冷卻、高壓脈沖電場和凍融預處理等。

1滲透預處理

滲透是指在一定溫度條件下，將生物組織浸入高濃度溶液中，利用細胞膜的半透性進行脫水的一種方法［6］。滲透脫水過程存在兩個反向過程：水分滲出細胞組織和高滲溶液中的溶質滲入到細胞組織中。在這個過程中，食品原料中的可溶性物質，如還原性糖、礦物質、部分風味物質等會滲出少量。滲透脫水過程由于無相變，不需要加熱，使得加工食品能耗降低，同時還能較好地保持食品的色澤、風味、營養等品質。

滲透作為預處理方法比較常見，常用的滲透溶液有：氯化鈉、凍干保護劑、水分活度降低劑等。氯化鈉可以作為滲透溶液單獨使用，以達到脫水的目的。張孫現等［7］研究不同濃度鹽溶液對鮑魚微波真空干燥過程和品質的影響，發現適當增加鹽溶液濃度可提高干燥速率，但鹽濃度過高，鹽分在食品表面結晶，阻礙熱量傳遞，減慢干燥速率。氯化鈉可以與其他大分子質量物質共同作為滲透溶液使用，其原理在于滲透脫水與滲透溶液的離解情況與分子量大小有關，溶質若能離解為離子，溶液的滲透壓增加，用量就可以減少。溶質的分子量雖對滲透速度沒有顯著影響，但分子量和濃度與滲透壓有一定的關系。在滲透溶液中加入分子質量大的物質在提高原料失水率的同時可控制小分子質量物質滲入原料。Giovana等研究［8］發現：溫度、Nacl濃度、蔗糖濃度的增加均會使水分擴散速率增大，但在滲透脫水過程中鹽糖存在相互抑制作用，糖濃度的增加也會導致鹽擴散率減小。另外，三元體系滲透溶液的有效水分擴散率高于二元體系。Bahadur等［9］以滲透溶液（糖+鹽）、溫度、時間為因素，利用響應面優化滲透脫水過程，以獲得最大脫水量、最小糖滲入量以及最好的感官品質。還有一些科研人員對滲透脫水過程中傳質過程進行研究，建立了很多動態模型。Erasmo等［10］描述了蘿卜片在NaCl溶液中滲透脫水過程中水和溶液傳質情況，得出有效水分擴散速率和溶液擴散速率的區間范圍。Otoniel等研究了鹽濃度和溫度對沙丁魚片滲透脫水平衡分布系數［11］和有效水分擴散的影響［12］。Vega-Gálvez等［13］描述了魷魚在不同溫度下滲透脫水有效水分擴散現象。Prothon F等［14］選用蔗糖作為滲透壓預處理溶液，對蘋果進行微波/熱風干燥。結果表明經過滲透壓脫水，可以減少整體干燥時間，且干制品的硬度變大，即脆性好，但是未經過預處理的產品復水性稍差。Vega-Gálvez等［15］研究發現在辣椒干燥前的預處理時加入NaCl、CaCl2可以提高干品品質；Singh B等［16］用響應面法研究了胡蘿卜塊用糖-鹽滲透脫水，優化了處理工藝。Naikwadi等［17］用不同糖漿處理無花果的研究，得出轉化糖的效果最好。I brahim Doymaz等［18］研究了預處理對黑葡萄熱風干燥的影響，結果表明用油酸乙酯加碳酸鉀溶液浸泡后的黑葡萄可以獲得最短干燥時間。Contreras［19］以果膠含量和玻璃態轉化溫度為指標研究了滲透前處理對草莓熱風干燥結構特征的影響。以上的研究均表明，滲透預處理在食品干燥加工中一直占著重要的地位。

冷凍干燥時，添加劑預處理可以有效縮短干燥時間，有效改善預凍可能導致的食品品質下降的問題，合適的保護劑會使食品損傷降低，并有利于干燥的進行。保護劑可以分為糖類、多元醇類、氨基酸類等。糖類作為保護劑必須具有較高的玻璃化轉變溫度、低吸濕性以及不含還原性基團等特點。多元醇類與糖類相似，可以改變體系的玻璃化轉變溫度，且都具有羥基，可產生“優先水化作用”。氨基酸類具有氨基和羧基，可以調節體系的pH［20］。非還原性糖海藻糖由于甜度低、玻璃化轉變溫度高等性質而被廣泛使用。蒙健宗等［21］發現5%海藻糖和10%海藻糖可以防止冷凍羅非魚片冷藏過程蛋白質變性，但兩者的效果差別不大。Wu等［22］研究表明海藻糖可以減緩凍藏花鱸Ca2+-ATPase的變化，且隨著海藻糖含量的增加效果更好。殼聚糖作為一種新型凍干保護劑，也正在被開發利用。Pan等［23］研究表明殼聚糖可以減緩凍藏鱸魚肌纖維蛋白質冷凍變性，添加1%殼聚糖的鱸魚在-18℃冷藏90 d后，Ca2+-ATPase活性為鮮魚的92%。李學鵬等［24］用殼聚糖和茶多酚保鮮冷藏中國對蝦，發現兩者在一定程度上均可減緩蛋白質變性，但殼聚糖的效果比茶多酚好。

滲透溶液的組合使用，取長補短，有可能大大提高了干制品的質量，有效降低水分活度［25］。例如蔗糖/山梨醇是一種常見的組合，氨基酸和糖也可以組合使用，具體的滲透液組合可根據所要求的食品品質篩選和優化。

2微波預處理

微波是一種高頻電磁波，微波干燥食品被認為是一種有效的方法，微波干燥利用介質損耗原理，水損耗因素比干物質大，能夠強烈吸收微波，將其轉化為熱能。微波同時作用于食品內外表面，形成均勻的內熱源。由于物料表面蒸發冷卻和內部產生的熱量，致使物料的溫度梯度分布方向與蒸氣遷移方向相同，這就大大加快了水分遷移速度，提高了干燥速度［26］。在凍干前采用微波預處理，去除部分游離水分，可縮短干燥時間，降低干燥能耗。章斌等［27］研究表明在真空冷凍干燥佛手瓜之前采用微波預處理，可以明顯縮短干燥時間和提高復水率。林平等［28］研究微波和熱風兩種預處理方法，結果表明，微波處理更有利于胡蘿卜的真空冷凍干燥過程，微波預處理可縮短干燥時間3 h，節能百分比達到20%，且最終產品色澤較好。曾慶倬等［29］在研究微波對生物質原料預處理及熱解的作用研究進展中重點比較了微波干燥預處理與常規干燥方法，經微波預處理后的干制品與常規干燥方法相比可以較大的縮短干燥時間。

微波處理具有穿透性、選擇性、即時性、加熱效率高、節約能源等優點［30］。但若不能很好地控制微波功率的輸出，就容易造成物料過熱，從而影響食品品質。解決方法之一就是在處理的過程中嚴格控制功率輸出，采用變功率微波輔助干燥；另一種方法就是采用脈沖間歇式微波，控制微波功率密度和微波的開斷時間比［on/off］。脈沖間歇式微波可以使物料在間歇時間內得到“緩蘇”，使溫度和水分得到均勻再分配，能夠緩解連續微波產生的局部過熱與表面硬化等現象，改善物料品質，提高干燥速率。Kisselmina等［31］采用不同功率密度的微波輔助熱風干燥西紅柿，獲得干品品質質量優于未控制組。張國琛等［32］利用變功率微波真空間歇式來干燥扇貝，改善了干品品質且提高了干燥速率。張黎驊等［33］以微波功率、微波時間和間歇時間為因素，利用二次回歸正交試驗優化銀杏果微波間歇干燥工藝。結果顯示，3個因素均對實驗結果有顯著影響，且影響主次順序為：微波時間＞微波功率＞間歇時間。

微波輔助干燥技術因干燥速度快且干燥產品質量穩定而備受關注，國外微波輔助干燥對食品等熱敏性物質的干燥研究較成熟，國內研究較少，研究潛力較大。

3超聲波預處理

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，它與物料的相互作用主要有熱機制、機械機制和空化機制3種形式。超聲波處理時，物料因反復受到壓縮和拉伸作用而不斷收縮和膨脹，形成海綿效應。當這種結構效應產生的作用力大于水分的表面附著力，水分就容易轉移出來。空化作用產生的沖擊波、微射流和微擾動是強化超聲波干燥的主要機理，在超聲波壓力場內，空化氣泡迅速膨脹閉合產生強大的沖擊波，引起水分子湍流擴散；靠近固體表面會產生微射流，造成水分子與固體表面分子之間的結合鍵斷裂，固體表面活化，有利于除去與物料結合緊密的水分［34-35］。

超聲波應用于食品干燥預處理不僅可以改變物料的組織結構，而且可以減少物料水分含量，在保證產品質量的前提下，有利于提高干燥速度，縮短干燥時間，緩解干制品品質和能耗之間的矛盾。Fabiano等［36-37］超聲波預處理香蕉和菠蘿均提高了水分遷移速率且干燥時間分別減少了11%和8%。Deng等［38］脈沖真空和超聲波預處理蘋果塊，結果發現，超聲波處理后的干制品有較高的玻璃化轉變溫度，較低的水分活度，但與脈沖真空處理相比，復水率較低。趙芳等［39］試驗觀測超聲波預處理胡蘿卜過程，建立了熱濕耦合傳遞的數學模型，推導出含濕多孔介質在超聲波作用下水分有效擴散系數，并對超聲波預干燥胡蘿卜過程進行數值模擬，最終分析了超聲聲強對樣品干燥速率、內部溫度和內部含水率分布的影響。嚴小輝等［40］利用超聲波預處理半型荔枝的干燥試驗表明：干燥前的超聲波預處理能夠有效縮短其干燥時間。

超聲波的功率、頻率和作用時間均影響物料干燥速率，不同因素影響效果不同，且同種因素對不同物料影響也不同。超聲波功率指的是聲波具有的能量，功率越大，能量就越大，對物料的機械作用強度就越大。但功率過大會導致細胞破裂，預凍過程中冰晶分布不均，影響升華干燥的進行；頻率對物料干燥速率的影響效果主要是當適當頻率的超聲波所產生的空化效應與物料組織破碎的振幅接近時，易產生共振效果，物料內部形成較好的升華通道，有利于干燥時脫水。林平等［41］超聲波（功率、頻率、時間為因素）預處理胡蘿卜可以縮短真空冷凍干燥時間且干品復水性與感官性狀較好，3個因素對結果影響均顯著，主次順序為功率＞時間＞頻率，最優組合為功率250 W、頻率40 kHz、時間30 min。章斌等［42］則發現超聲波頻率對凍干香蕉片影響差異不顯著。

超聲波預處理作為一門新興技術，應用于食品干燥具有重要意義。低頻超聲波常用于食品干燥，它可通過空化機制使食品機械、物理和化學/生物化學性能改變，從而減少反應時間。但是，即使在常溫下，由于空化機制，食品組織結構可能局部受熱，這與超聲波是否作用連續以及超聲波的功率、頻率和作用時間有關，并且這些參數與空化機制沒有確定的線性關系，因此，超聲波作為預處理方法有待進一步研究。

4真空冷卻預處理

真空冷卻是將被冷卻物料置于真空冷卻室中，用真空泵抽去空氣，食品由于處于一個低壓環境中，內部的水分得以蒸發；由于蒸發吸熱，產品的溫度降低。該過程主要分為兩個階段：首先是真空室內的壓力由大氣壓降到被冷卻物初始溫度對應的飽和壓力，此階段蒸發速度較慢。在飽和壓力下，閃點出現，閃發開始，被冷卻食品中的水分蒸發吸收大量熱量，食品溫度開始降低直至預定溫度［43］。真空冷卻冷卻速度快、冷卻溫度均勻、不會產生局部脫水干燥現象且避免了外界環境對食品的再次污染，保證了食品的質量。另外，真空冷卻是一種相當節能的制冷方式，真空制冷系統所消耗的能量只有氨制冷系統、氟制冷系統的1/3到1/5。

真空冷卻過程中食品物料內部水分遷移分為兩類：水在重力或毛細管壓力梯度作用下從空隙通道內遷移至產品表面進行蒸發；水分因為壓力梯度作用在產品內部蒸發，以氣態的方式進行遷移。真空冷卻效應主要來自于水分在產品內部的蒸發。周航等［44］試驗得出真空冷卻后吸附水和自由水所占百分比明顯降低，同時采用核磁共振成像技術研究真空冷卻前后豆制品內部水分分布的變化，由MRI圖看出，真空冷卻后產品的弛豫信號減弱，圖像變暗，表明產品含水量降低，與前面研究相一致。金聽祥等［45］建立水分遷移的數學模型并預測了真空冷卻過程中物料內部溫度和壓力的分布。

清洗、燙漂或蒸煮的原料凍干之前進行真空冷卻處理，一方面可以迅速降低物料的溫度，甚至可以使物料完成預凍過程；另一方面可以快速去除物料表面殘留水分以及表層組織中的水分，以完成預干燥，降低后續干燥負荷。真空冷卻作為預處理其目的為最大限度地降低物料溫度以及盡可能多地脫除水分。王海鷗［46］通過試驗研究了真空冷卻處理過程胡蘿卜脫水量及脫水速率的變化，同時研究了不同預處理對微波凍干的影響。結果表明：真空冷卻預處理可以改善微波凍干初期低壓放電現象，且縮短干燥時間，降低總耗電量。

真空冷卻依靠水分蒸發而快速冷卻，冷卻速度快，避免微生物的污染，同時可以去除部分水分，所以真空冷卻作為凍干的一種預處理方法前景可觀。

5高壓脈沖電場預處理

高壓脈沖電場處理可破壞細胞膜，改變其通透性。其原理是每個細胞都有一個自然電位差，外加電場使得膜內外電位差增大，當其高于生物細胞膜自然電位差時，細胞膜就會破裂，通透性增強。采用適當的電場作用于細胞時，電場造成的電穿孔可以重新閉合，形成可逆電穿孔，有利于保持食品的品質。高壓脈沖電場波形有多種，但只有矩形波作用比較明顯，適合用于預處理［47］。

高壓脈沖電場屬于非熱加工方法，并且在可逆電擊穿的情況下改變細胞膜的通透性，因此高壓脈沖電場預處理食品可以提高干燥速率，將其與真空冷凍干燥結合，可以降低凍干能耗。關于高壓脈沖電場作為干燥的預處理方法，國內外有較多研究。劉振宇等［48-49］用高壓脈沖電場預處理白蘿卜，凍干時間減少26.7%，凍干能耗降低26.4%；并用BP神經網絡分析高壓脈沖電場預處理參數脈沖強度、作用時間和脈沖個數與干燥速率的關系，建立電場預處理白蘿卜和蘋果干燥的BP神經網絡仿真模型預測干燥速率，且預測結果接近實測值。Mounia等［50］通過電容性的變化來判別細胞組織破壞程度，研究高壓脈沖電場預處理對土豆片冷凍、凍干和復水的影響，結果表明，高壓脈沖電場處理之后，細胞組織遭到一定的破壞，使得物料冷凍時間縮短，凍干速率增加，復水率和品質提高。A.Janositz和N.I.Lebovka等［51-52］高壓脈沖電場處理土豆，可使細胞通透性增加，且電場強度越大，細胞失水越多。

6凍融預處理

凍融是先將物料在低溫下凍結，然后在高溫下進行溶解解凍的操作。凍融應用于干燥前有助于水分的脫除。郭婷等［53］凍融預處理甘薯，使得甘薯熱風干燥時間隨凍融次數的增加而減少。吳寶川等［54］研究了凍結時間、凍結溫度、融化時間和融化溫度對熱泵干燥羅非魚片的影響，并對其進行響應面優化。結果表明，合適的凍融預處理可以有效縮短羅非魚片熱泵干燥時間并提高干制品品質。

已有的關于凍融的研究主要針對凍融處理對物料微觀結構（SEM）、肌原纖維蛋白降解（SDS-PAGE電泳）、脂肪氧化（TBARS值）、保水性和剪切力等的影響［55-56］。因此從組織學、蛋白質流變學、脂肪酸、水分移動學以及各指標之間的相關性等方面研究物料在凍融過程中生物化學和物理化學的變化，了解物料在凍融處理過程中的品質變化規律，為保證食品品質提供重要理論依據。

7組合預處理

針對干燥的預處理方法較多，其作用原理也有所不同，可以適當地將預處理方法進行組合，采用優勢互補，使食品干燥速率增加的同時并提高干制品的品質，保持食品的營養成分。

微波、超聲波和高壓脈沖電場作用使細胞形成微孔道，通透性增加，一方面可以使水分快速脫除，另一方面可促進滲透液滲入到細胞組織中。既提高干燥速率又可以改善物料的品質。江濤等［57］采用微波預處理巨尾桉木材，以吸水增重率和干燥失重率來評價滲透性，結果表明，微波處理可改善木材的滲透性。M. Nowacka等［58］用掃描電鏡法和核磁共振法分析經滲透和超聲波預處理干燥奇異果的微觀結構和水分狀態的變化，結果表明，滲透脫水前超聲波預處理可使細胞形成微觀通道且細胞的平均橫截面積增大，超聲波預處理10 min以上可以促進滲透時的傳質過程。A. Janositz等［51］研究發現高壓脈沖電場預處理土豆片或土豆條后，細胞內液體流失，鹽吸收量增加，另外，高壓脈沖電場處理可使還原糖和雙糖減少，減緩美拉德反應；在油炸過程中可使脂肪吸收量減少，有望在不用包衣和熱處理的前提下生產低脂肪炸薯片。此外，真空冷卻前也可以采用微波、超聲波和高壓脈沖電場處理，Liana等［59］研究表明，物料孔徑的增大有利于蒸氣擴散，從而增加冷卻速率，但孔徑應適當，否則質量損失較大。凍融預處理可以與微波、超聲波以及高壓脈沖電場一起作用于物料，使物料形成較多的微孔結構。苑華寧等［60］將反復凍融法和超聲波相結合來破碎啤酒酵母細胞壁，研究協同作用對破壁率的影響。結果表明，在一定條件下，協同作用破壁率達到了89.31%，是反復凍融單獨作用的2.4倍，是超聲波單獨作用的1.5倍。

8結束語

在日益發達的社會，快速簡便且營養豐富的食品受到人們的青睞。凍干食品能夠最大限度的保持食品的營養，如果能較好地結合上述預處理方法來降低凍干的成本以及進一步改善食品的品質，將有望大大擴大其應用范圍。但不同食品因其自身成分的復雜和多樣，適用的預處理方法會有所不同。針對不同食品，開發研究不同預處理方法及其組合來優化凍干過程，使匹配的預處理方法能顯著縮短干燥時間，且最大限度保持凍干產品品質仍然是優化凍干工藝的一個重要的研究方向。

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The Analysis of Pretreatment Methods Applied in the Freeze-dried Food

WU Yang-yang1，LI Min2，*，GUAN Zhi-qiang2，ZHANG Ke1
（1.College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety，Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution，Zhanjiang 524088，Guangdong，China；2.College of Engineer，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，Guangdong，China）

In terms of the quality of dried products，vacuum freeze drying is superior to other drying methods. But the application scope and scale of freeze-drying are limited because of its large energy consumption.Drying pretreatment can effectively improve the heat and mass transfer，reduce energy consumption.This article described the application status of pretreatment methods in the freeze-dried food.The principles of osmosis，microwave，ultrasound，vacuum cooling，high pulsed electric field，freeze-thaw pretreatment methods were analyzed comprehensively.A theoretical basis for the selection of pretreatment methods suited for different food materials and theoretical guidance to improve lyophilization process were proposed.

pretreatment；osmosis；microwave；ultrasound；vacuum cooling；high pulsed electric field；freeze-thaw

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.09.038

2014-06-18

廣東省科技廳資助項目（2013B020312007）；廣東海洋大學自然科學基金資助（1312450）

吳陽陽（1989—），女（漢），碩士生，研究方向：水產品加工及貯藏及工程領域。

*通信作者：李敏（1967—），女（漢），副教授，碩士，研究方向：食品冷凍冷藏及干燥貯藏相關領域的研究。