凍干技術在食品加工中的應用*

杜瑞麗，陳興煌

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

凍干技術在食品加工中的應用*

杜瑞麗，陳興煌

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

凍干技術作為一種高新的干燥技術廣泛應用于食品干燥領域，在食品加工過程中起到重要作用，使食品原料快速干燥。此外凍干技術還應用于生物、醫藥、化工等領域。文章主要綜述了凍干技術原理及其在食品加工中的應用，以期為今后對凍干技術進一步的研究和在食品加工中的應用提供參考。

凍干技術；食品加工；應用

凍干技術即真空冷凍干燥技術，是一門跨學科的復雜技術，是真空與冷凍相結合的新型干燥技術。凍干技術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到干燥目的的一種干燥方法[1]。凍干技術作為一種高新技術應用在食品工業中，有效的保持了物料原有的色、香、味及營養物質等。對食品工業的發展具有推動作用，提高食品加工業的技術含量，使食品工業發生質的飛躍。

1 真空冷凍干燥技術概況

目前，脫水干燥的方法主要有熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、氣調干燥等，其中，凍干技術尤為重要。真空冷凍干燥技術越來越廣泛應用于食品加工業。與傳統干燥方法相比，真空冷凍干燥技術能夠有效保持物料的結構，在低溫條件下，將產品水分含量降到最低，從而減緩其自身化學反應的進行[2]，能保持新鮮食品的色、香、味、形，最大限度地保存了食品內部的維生素、蛋白質等營養成分，使其貯藏穩定性顯著增強，且復水性好，因而被廣泛地用于食品工業生產中[3]。

1.1 凍干技術的發展歷史

冷凍干燥技術是20世紀新興的一種應用于生物體的脫水干燥方法，早在1921年蘇聯科學家拉巴一斯塔羅仁連茨就發明了凍干技術，1942年二戰期間，美國首先將該項新技術應用于制藥工業領域[4]，血液和抗生素的凍干保存技術在制藥工業得到廣泛應用[5]。第二次世界大戰后，德國、荷蘭等西歐國家才將凍干技術用于食品工業，此后，美、英、法、日和港、臺等一些發達國家和地區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和生產基地，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行被拆除。隨著我國經濟建設的快速發展和人民生活水平的不斷提高，90年代凍干技術在我國也日趨完善發展，規模變得越來越大，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，帶動了當地經濟的快速發展，使得凍干技術發展到了一個新的高度。

1.2 凍干技術的原理

凍干技術是一種特殊的干燥技術，凍干技術的基本原理是根據水的3相變化。水（H2O）的3相為固態、液態和氣態，水的三相之間既可以共存又可以相互轉換[7]。水（H2O）的相平衡圖如圖1所示，3相點所對應的溫度為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。當水蒸汽壓大于6.105×10-4MPa時，冰會融化為水，水再蒸發為水蒸氣，即為蒸發過程；當水蒸汽壓小于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冷至-30～-40℃，能夠使物料中的大部分水分凍結成冰，然后提供低溫熱源，在真空條件下，冰被升華為水蒸氣，從而使物料達到脫水干燥的目的。其與傳統的加熱方法不同，加熱干燥只發生一個從“液體→氣體”的相變，而冷凍干燥則需要經過兩次相變，先從“液體→固體”的形變，再經過升華“固體→氣體”的相變[9]。此外，經凍干技術處理的物料呈多孔、疏松結構，具有更好的復水性，便于后續加工處理或直接食用[10]。

圖1 水的三相平衡圖

1.3 凍干技術的設備[11-15]

真空冷凍干燥設備通常由干燥室、制冷系統、真空系統、加熱系統和控制系統設備組成。

1.3.1 干燥室

干燥室是凍干機的重要設備之一，干燥室的性能直接影響到凍干機的性能，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

制冷系統是凍干機的一個關鍵設備，制冷系統主要包括：制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器和熱力膨脹閥等。氨壓縮機是最常使用的制冷壓縮機；蒸發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用較多的熱力膨脹閥。制冷系統主要是為冷凍干燥室內物料預凍和冷阱供給充足的冷量。

1.3.3 真空系統

真空系統由真空泵、真空壓力計、真空壓力開關和真空度調節閥等構成，整個系統必須達到完全密封，一般采用機械真空泵，最常見的真空泵有旋片式和滑片式油封機械真空泵。

1.3.4 加熱系統

加熱系統由加熱板、換熱器、循環泵及管路、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，加熱系統可使產品中的冰晶升華成水蒸氣，也為冷凝器內的積霜溶解提供足夠的熱量。

1.3.5 控制系統

控制系統主要包括：各類開關、安全裝置、自動監測傳感器和儀表等，既有手動控制也有自動控制，控制系統是凍干機的指揮控制中心，能夠有效地控制凍干工藝流程的正確運行，并且記錄凍干過程的有效參數。

1.4 凍干技術的工藝流程

原料→前處理→預凍→速凍→干燥（升華干燥—解析干燥）→后處理。

1.5 凍干食品的優點

1.5.1 食品干燥是在低溫（-40～-60℃）下進行，并且處于高真空狀態。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、味及營養成分。例如：菠菜中的維生素曬干后僅剩7%，而凍干多達94%[9]。

1.5.2 凍干產品不會喪失其原有的固體骨架結構，形狀不易發生變化，而且具有高效的速溶性和復水性。食品復水后的外觀和形態及口味等都沒有發生太大的變化，復水率高達90%以上[16]。

1.5.3 凍干食品采取真空或充氮的方式進行包裝，且避光保存，因此，保質期較長，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不會發生向表面遷移，而是就地析出，因此，可有效地避免物料表面營養成分的損失和表面硬化等現象[18]。

1.6 凍干食品的缺點

1.6.1 凍干產品加工工藝復雜，工藝流程長一般分為：前處理、預凍、速凍、升華、解析和后處理6個流程，每個流程都有相應的條件要求，不易控制。

1.6.2 生產設備復雜，投資大，通常由干燥室、制冷系統、真空系統、加熱系統和控制系統等設備組成。1.6.3凍干食品的生產成本較高，在冷凍干燥過程中制冷系統和加熱系統需要消耗大量能量；產品包裝要求高，包裝的材料和方式等都要求相當嚴格，這進一步推高生產成本[19]。

2 凍干技術在食品加工中的應用

楊涓[20]將枸杞進行真空冷凍干燥處理，研究發現，采用凍干技術對新鮮枸杞進行加工后其色、香、味及營養物質得到有效地保存，經凍干制得的枸杞粉質輕，較容易保存，易于運輸。凍干技術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行了研究，研究發現，棗漿的共晶點是-32℃，共熔點是-28℃。研究還發現，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。大棗中的抗環血酸含量很高，他們在對棗進行真空冷凍干燥加工過程中，發現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87.4%。因此，可見凍干技術在棗粉加工過程中起到重要作用。

易麗等[22]采用凍干技術加工番木瓜片，從而得到番木瓜片在凍干過程中的一些加工工藝參數，他們通過正交試驗，分析了番木瓜片的厚度、升華及預凍溫度對凍干的番木瓜片的復水性和色澤的影響；還通過多指標綜合加權評分法綜合評價其復水性和色澤，從而優化了番木瓜片的凍干加工工藝參數。結果表明，番木瓜片凍干的較優工藝參數為升華溫度35℃，預凍溫度-40℃，物料厚度3mm；方差分析結果顯示升華溫度的影響較顯著，而物料厚度、預凍溫度的影響不明顯（升華溫度＞預凍溫度＞物料厚度）；此外，在較優工藝參數條件下，番木瓜片的復水比為5.36、總色差值為9.03，與正交試驗結果相近，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。

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

3 總結與展望

凍干技術作為一種新興的脫水干燥技術，廣泛適用于蔬菜、水果、肉類、水產、藥品的護色、保鮮、保質等，在食品加工業中得到廣泛應用。凍干食品是通過真空冷凍技術與工藝加工而成的具有高品質綠色、純天然的食品，目前在國際市場中的銷量達到30%的增速[24]。在國外食品工業中凍干食品已非常普遍并具有相當大的規模，而我國凍干食品剛剛起步，但該項技術已經引起了我國科研部門的重視，逐步應用于各個食品行業，占有一定的市場地位[25]。隨著我國果蔬業、水產業等產業的快速發展以及人民生活水平的進一步提高，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發展的另一趨勢[26]。另外，凍干技術由于設備復雜、耗能大、成本高等缺點，從而限制了其發展，對于我們研究該項技術是一個挑戰，有待進一步解決。總之凍干技術在我國食品加工業作為一項新技術，必將為食品工業提供有利的條件，只要抓住機遇，積極發展凍干食品，開拓國內食品市場，就會在國際市場上占有一定的有利地位。因此，凍干技術在食品加工業中的發展前景無限。

[1] 姚靜，張自強.藥物凍干制劑技術的設計及應用 [M].北京:中國醫藥科技出版社，2007:2-3.

[2] Lee C W，Oh H J，Han S H. Effects of hot air and freeze drying methods on physicochemical properties of citrus‘hallabong’powders[J]. Food Science & Biotechnology，2012，21(6):1633-1639.

[3] Pei F，Yang W，Shi Y. Comparison of Freeze-Drying with Three Different Combinations of Drying Methods and Their Influence on Colour，Texture，Microstructure and Nutrient Retention of Button Mushroom(Agaricus bisporus)Slices[J].Food and Bioprocess Technology，2014，7(3):702-710.

[4] 尤春玲. 真空冷凍干燥技術在食品加工中的應用分析[J]. 中國新技術新產品，2010(18):16-17.

[5] 徐成海，張世偉，彭潤玲，等.真空冷凍干燥的現狀與展望（一）[J].真空，2008，45(2):1-11.

[6] 童軍茂，馬玉林.我國凍干食品的現狀和前景展望[J].糧油加工與食品機械，2001（3）:5-7.

[7] 達道安.真空冷凍升華干燥真空設計手冊[M].北京:國防工業出版社，1995.

[8] 王瑞.典型蔬菜制品高效微波冷凍干燥的工藝與機理研究[D].江蘇:江南大學，2010.

[9] 宋紀蓉.食品工程技術原理[M].北京:化學工業出版社，2005.

[10] 高福成，王海鷗.現代食品工程高新技術[M].北京:中國輕工業出版社，1997.

[11] 孔凡真.真空冷凍干燥食品的技術與設備[J].食品研究與開發，2004(4):94-95.

[12] 李應彪，童軍茂，胡孝勇.我國凍干設備和凍干食品現狀與發展[J].糧油加工與食品機械，2002(1):10-11.

[13] 王白鷗，崔春紅.真空冷凍干燥技術在果蔬加工中的應用[J].果蔬加工，2009(3):52-53.

[14] 謝國山，王立業.國內食品真空冷凍干燥機的研究現狀和發展趨勢[J].冷飲與速凍食品工業，2003，9(4):39-42.

[15] 王冰.淺談國產凍干機的設備配置[J].制冷空調與電力機械，2003，24(1):55-57.

[16] 李志平.真空冷凍干燥技術分析研究及應用[J].四川食品與發酵，2005，41(3):51-54.

[17] 許韓山，張慜，孫東風，等.真空冷凍干燥在食品中的應用[J].干燥技術與設 備，2008，6(2):102-106.

[18] 孔凡真.食品真空凍干技術市場前景廣闊[J].山東食品科技，2001(6):1-3.

[19] 李一果，段承俐，蕭鳳回，等.凍干技術在中藥材及三七加工中的應用[J].現代中藥研究與實踐，2003,17(z1):60-62.

[20] 楊涓.枸杞粉的冷凍真空干燥加工工藝[J].寧夏農學院學報，2001，22(1):74-76.

[21] 王銳平，陳雪峰，雷學鋒.冷凍干燥法加工速溶大棗粉的研究[J].食品科技，2006(7):198-201.

[22] 易麗，楊薇，王晨，等.番木瓜片真空冷凍干燥工藝研究[J].農產品加工，2016(9):19-22.

[23] 何建軍，程薇，陳學玲，等.蓮子真空冷凍升華干燥工藝的研究[J]. 湖北農業科學，2006，45(2): 241-244.

[24] 謝國山，王立業. 國內食品真空冷凍干燥機的研究現狀和發展趨勢[J]. 冷飲與速凍食品工業，2003，9(4):39-42.

[25] 隋繼學，張順新，張雪，等.我國發展凍干食品的前景與對策[J].冷藏技術，1998(3):14-15.

[26] 孔凡真.我國真空凍干食品的技術現狀及其發展趨勢[J].農機與食品機械，1998(5):4-6.

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

TS205.1

A

1007-550X（2017）05-0043-04

福建省經信委“企業技術創新項目（產學研合作）”（項目編號：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。