真空冷凍干燥技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及趨勢

畢金峰 馮舒涵 金 鑫 易建勇 李 旋 呂 健 吳昕燁

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，北京 100193)

當(dāng)前，我國人民生活已經(jīng)從吃飽向吃得好、吃得營養(yǎng)健康轉(zhuǎn)變，消費者開始逐漸追求食物的品質(zhì)、營養(yǎng)、方便、即食、快樂和享受等特點，食品行業(yè)也呈現(xiàn)出綠色、有機(jī)、天然、營養(yǎng)、功能、健康、方便和時尚等發(fā)展趨勢。真空冷凍干燥(freeze-drying，F(xiàn)D)技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用被喻為20世紀(jì)食品工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一[1]，該技術(shù)是國際上公認(rèn)的可以最大限度保留食物原料組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)功能的高品質(zhì)干燥加工手段。FD技術(shù)是利用原料中水分升華原理，將含水物料凍結(jié)到共晶點溫度以下，并在真空條件下升溫，以達(dá)到水分直接升華形成蒸汽并從物料中排出的效果[2]。由于該過程一直處于低溫、真空和低氧環(huán)境，極大地抑制了好氧微生物的繁殖和某些生物酶的活性，保留了原料中生物活性成分和熱敏性成分，確保FD產(chǎn)品的色澤、風(fēng)味和外觀形狀基本不變，最大程度地保留了物料中維生素、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和酚類等營養(yǎng)成分[3]。同時，F(xiàn)D技術(shù)可以去除物料中90%～95%的水分，使產(chǎn)品可以實現(xiàn)常溫下的長期保存與便捷運(yùn)輸。因此，F(xiàn)D技術(shù)能夠同時滿足綠色天然、營養(yǎng)保持、功能穩(wěn)定和方便即食等新時期食品發(fā)展的訴求，該項加工技術(shù)的開發(fā)與利用對我國食品產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的推動作用。

1 真空冷凍干燥技術(shù)與產(chǎn)品簡介

1.1 FD技術(shù)原理

水可分別以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種狀態(tài)存在，當(dāng)大氣壓降低到一定程度(610.5 Pa)時，水的沸點與冰點重合，此時水分子可以在低溫條件下實現(xiàn)由冰到蒸汽的直接轉(zhuǎn)變，這個過程被稱為水的升華[4]。FD技術(shù)是通過將濕物料凍結(jié)至共晶點溫度以下，利用水的升華原理，在低壓條件下直接去除物料中水分子的干燥技術(shù)，并通過真空系統(tǒng)中的水蒸氣冷凝器捕獲物料中升華出的水蒸氣，從而獲得貯藏期長、體系穩(wěn)定且營養(yǎng)功能完整的脫水產(chǎn)品。

凍干過程主要可以分為三個階段，分別為預(yù)凍階段、升華干燥階段(第一階段干燥)與解析干燥階段(第二階段干燥)[5]。

預(yù)凍階段：該階段主要將濕物料中大量的自由水凍結(jié)成固態(tài)，一般根據(jù)不同物料的共融點來確定適宜的預(yù)凍溫度。由于物料處于凍結(jié)狀態(tài)，物料體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)凍速率與凍干物料種類存在顯著相關(guān)性。速凍形成的冰晶較小，對物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響較小。相反，緩慢冷凍過程會生成較大冰晶，留下較大的孔狀結(jié)構(gòu)，從而有利于水的升華。然而較大冰晶將破壞細(xì)胞的原始結(jié)構(gòu)，對物料組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)生物活性物質(zhì)具有一定影響[6]。

升華干燥階段(第一階段干燥)：該階段需要對物料進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳郎兀刮锪现刑幱趦鼋Y(jié)狀態(tài)的游離態(tài)水發(fā)生升華，在這期間約去除物料中全部水分的90%[7]。不同物料由于其自身的物質(zhì)組成、水分含量、水分分布及水分狀態(tài)等特性存在差異，導(dǎo)致該階段水分升華所需要的熱量也存在差異。該階段內(nèi)需要保證溫度既不能超過物料本身的共融點溫度，還要超過水的升華溫度。若升華溫度高于共融點過多，物料將會因體系中水分粘度的減小而發(fā)生體積塌陷、變色、出現(xiàn)氣泡等現(xiàn)象，故物料升華溫度以接近共融點，同時超過水升華點為宜。

解析干燥階段(第二階段干燥)：基于前一階段，本階段繼續(xù)將第一階段未去除的約10%的結(jié)合水升華除去。該階段需要有足夠高的真空度，確保解析出的結(jié)合水有足夠動力從物料中逸出。此外，由于結(jié)合水的解析需要較高的能量，所以需要確保此階段的溫度達(dá)到一定水平。由于物料的物質(zhì)組成、形狀以及殘水含量不同，具體的解析時間需要由具體物料的基本性質(zhì)來決定。

1.2 FD產(chǎn)品介紹

1.2.1 FD產(chǎn)品概述 目前，國外凍干產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。FD食品在歐美和日本市場迅速流行，除了應(yīng)用于宇航、登山、旅游、勘探和采礦等行業(yè)外，已廣泛進(jìn)入餐館和家庭消費領(lǐng)域，屬于高端營養(yǎng)健康休閑食品。在日本消費市場，F(xiàn)D食品占50%左右，F(xiàn)D食品品質(zhì)優(yōu)良，已被國內(nèi)外廣大消費者公認(rèn)為高檔的脫水食品。我國農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，但精深加工水平低，農(nóng)產(chǎn)品一直徘徊在出口原料或初級加工階段。FD食品的技術(shù)含量高，目前國內(nèi)凍干機(jī)已實現(xiàn)自主研發(fā)，因此國內(nèi)凍干產(chǎn)業(yè)應(yīng)著重從凍干工藝出發(fā)，在考慮節(jié)能的同時，應(yīng)該系統(tǒng)開展凍干過程中品質(zhì)形成與調(diào)控技術(shù)研究，對設(shè)備的控制系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，逐步智能化、無人化，從根本上提高我國大型食品FD設(shè)備的整體設(shè)計及智能控制水平。

1.2.2 FD產(chǎn)品特點

(1)FD產(chǎn)品中熱敏性及易氧化組分得以保存完好，基本可以保持物料的色澤、風(fēng)味、營養(yǎng)品質(zhì)和生物活性成分免受損失。

(2)FD產(chǎn)品基本可以保持物料原有的組織結(jié)構(gòu)和基本骨架，具有物料天然的形狀和酥脆口感。

(3)FD產(chǎn)品具有冰晶升華留下的多孔結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)可以使其具有速溶和快速復(fù)水等特點。

(4)FD技術(shù)作為共性關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)單一物料、復(fù)合物料、再造型制品及個性化創(chuàng)制食品等多品類FD產(chǎn)品制造，滿足多場景、個性化、方便即食和營養(yǎng)健康等需求。

(5)FD產(chǎn)品的水分一般為2%～5%，具有較低的水分活度，有效地抑制了食品基質(zhì)中微生物的繁殖，如同時進(jìn)行惰性氣體密封包裝，可以有效地抑制其吸濕并防止脂肪氧化變質(zhì)，有效延長產(chǎn)品的貨架期和保質(zhì)期。

(6)FD產(chǎn)品重量輕，可實現(xiàn)產(chǎn)品大批量的長途運(yùn)輸及銷售，大大降低運(yùn)輸成本。

1.3 FD產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢

1.3.1 產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu) FD技術(shù)由于具有友好的加工工藝，使其產(chǎn)品實現(xiàn)了降低酶活、抑制微生物生長、物料基質(zhì)不變質(zhì)、不氧化、營養(yǎng)因子損失少等優(yōu)點。研究表明，與熱風(fēng)干燥相比，凍干具有明顯的活性組分含量和組成保持的優(yōu)勢[8]。相似地，凍干青稞與熱風(fēng)干燥、微波干燥、熱泵干燥青稞相比，黃酮、γ-氨基丁酸、β-葡聚糖、多酚、核黃素等活性成分含量更高，且具有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和最小的體積收縮率[9]。同時，當(dāng)使用FD技術(shù)處理肉類、蛋類等食品時，凍干技術(shù)可以使蛋白質(zhì)和其他脂溶性維生素(VA、VD)的損失率接近于0[10]。甚至有國外學(xué)者宣稱，經(jīng)過未來幾年的發(fā)展，F(xiàn)D食品的營養(yǎng)水平可以與新鮮食品相互持平[11]。

1.3.2 技術(shù)適用廣 FD技術(shù)不僅在食品加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在中藥材處理、生物制藥等領(lǐng)域也占據(jù)了重要地位。

在食品加工方面，F(xiàn)D技術(shù)幾乎可以對所有的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行加工，包括果蔬類，如蘋果[12-13]、榴蓮[14]、桃[15]、草莓[16-17]、菠蘿、藍(lán)莓[18-19]、西蘭花、黃秋葵[20]等；谷物類，如玉米[21]、豆類、面類[22]、雜糧、油料作物等；肉禽水產(chǎn)類，如畜禽肉、蛋、奶等；調(diào)味食品類，如蔥、姜、蒜等香料；飲料類，如咖啡、果汁、蔬菜汁等固體飲料；特色農(nóng)產(chǎn)品類，如野生菌[23]、食用菌[24]、木耳等。

在中藥材處理方面，由于目前大部分傳統(tǒng)中藥的加工方式較為簡單，加工工藝標(biāo)準(zhǔn)化不高，整體品質(zhì)亟待提升。研究表明，凍干處理的鹿茸材料較煮炸干燥法可以更有效地保持鹿茸中的脂溶性成分及色澤[25]。邢穎等[26]發(fā)現(xiàn)凍干處理后的生姜葉中的黃酮、多酚及精油含量較陰干、曬干、烘干處理更高。

在生物制藥方面，凍干技術(shù)可以維持藥品的穩(wěn)定性，并更有效地提升藥物的生物活性。FD技術(shù)可以避免藥品在處理過程受到外界因素的影響，使藥材的活性與品質(zhì)得以保留[27]。此外，相較傳統(tǒng)的干燥技術(shù)中會浮現(xiàn)皺縮破損等缺陷，凍干技術(shù)由于采用了水分子直接升華的方式，不會對藥物形成產(chǎn)生過大的破壞，同時可以滿足對藥物生物化學(xué)結(jié)構(gòu)的保護(hù)[28]。由于脫水過程在真空環(huán)境下進(jìn)行，大大減少了藥物被空氣污染的可能性，并易于貯藏運(yùn)輸。

1.3.3 產(chǎn)品增值高 凍干技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與推廣可以延伸和拓寬農(nóng)產(chǎn)品精深加工廣度和深度，大大提高農(nóng)產(chǎn)品附加值和出口創(chuàng)匯能力，實現(xiàn)加工增值增效，延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提升農(nóng)產(chǎn)品價值鏈。

2 FD發(fā)展歷程

2.1 FD技術(shù)發(fā)展歷史

自20世紀(jì)初真空泵與制冷機(jī)問世后，有人將兩者結(jié)合，并于1909年首次實現(xiàn)了FD技術(shù)的應(yīng)用。1919年，Shackell利用FD技術(shù)實現(xiàn)了菌種、病毒以及血清的穩(wěn)定保存，實現(xiàn)了凍干技術(shù)最初的實際應(yīng)用，并于第二次世界大戰(zhàn)期間解決了人體血漿和抗生素的貯存和運(yùn)輸問題，自此FD技術(shù)開始在生物制藥和生物制品產(chǎn)業(yè)中迅速興起[29]。FD技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用起源于20世紀(jì)30年代，英國的Fikidd提出FD技術(shù)在食品加工領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。此后，于20世紀(jì)40年代，俄羅斯科學(xué)家開始進(jìn)行FD產(chǎn)品的小型實驗并獲得成功。隨著1958年第一屆國際冷凍干燥會議的召開，針對凍干過程的物理生物學(xué)基礎(chǔ)研究以及工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化引起了大量學(xué)者關(guān)注，并促進(jìn)了FD技術(shù)在食品行業(yè)的進(jìn)一步推廣[30]。上世紀(jì)60年代，美國將FD技術(shù)用于加工食品及農(nóng)副產(chǎn)品，并應(yīng)用于太空食品的制造。1961年英國Aberdeen食品實驗工廠針對食品FD技術(shù)展開一系列研究，并證明FD技術(shù)的應(yīng)用為優(yōu)質(zhì)食品生產(chǎn)提供了無限可能性[1]。此后，F(xiàn)D食品得到了快速發(fā)展，據(jù)資料記載，從1965到1970年，全球的FD食品廠從50多家增加到了100多家；自1963年起，9年內(nèi)美國的FD食品產(chǎn)量從5 000 t增長到175 000 t。從20世紀(jì)80年代到90年代，全球的FD食品得到了迅猛發(fā)展，發(fā)達(dá)國家近一半的方便食品采用FD技術(shù)研制，并已經(jīng)普遍被人們所接受。

我國的FD技術(shù)起步較晚且僅有50余年的發(fā)展歷史。20世紀(jì)50年代我國開始從前蘇聯(lián)引進(jìn)FD技術(shù)用于生物制藥的生產(chǎn)與保存，但由于科技水平有限，F(xiàn)D擱板面積通常不超過20 m2，作業(yè)方式皆為間歇式，耗能較高，運(yùn)行成本高，并存在自動化較低等缺點。20世紀(jì)60年代中期，出于軍事戰(zhàn)略需要，我國逐漸開始推動FD食品的研究，并分別在北京、天津和上海等地建立FD食品基地。1965年原北京人民食品廠與北京食品工業(yè)研究所合力發(fā)展了針對果蔬以及肉類等物料的FD實驗研究，并開發(fā)出每日處理量500 kg的FD設(shè)備。到80年代后期，跟隨著全球FD食品迅猛發(fā)展的大趨勢，我國的FD食品生產(chǎn)也乘上了快車并取得了長足發(fā)展[31]。我國從日本、丹麥等國家引進(jìn)先進(jìn)的FD設(shè)備，并于90年代實現(xiàn)了FD工藝和控制水平的大幅度進(jìn)步。同時，自90年代后，F(xiàn)D技術(shù)引起了中國科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)的科研單位開始了研發(fā)系列FD設(shè)備的征程。至今，我國已有20多個廠家具備食品FD設(shè)備的制造能力[32]。2015以來，國內(nèi)迎來了冷凍干燥技術(shù)研究的黃金期，截止2019年我國有關(guān)冷凍干燥發(fā)明專利高達(dá)6 000余件。

2.2 FD裝備發(fā)展歷程

2.2.1 FD裝備簡介 冷凍干燥機(jī)主要由凍干箱以及真空、制冷、控制、循環(huán)4個主要系統(tǒng)組成，冷凍干燥機(jī)可以根據(jù)不同衡量指標(biāo)劃分為不同類型。如：根據(jù)用途分為實驗用凍干機(jī)和生產(chǎn)用凍干機(jī)；根據(jù)干燥擱板面積分為小、中、大 3 種類型(1 m2及以下為小型；1～10 m2為中型；10～50 m2為大型)；根據(jù)作業(yè)方式分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式；根據(jù)凍結(jié)方式分為凍干合一型和凍干分離型；根據(jù)自動化程度分為全自動型、半自動型和手動型。

通常，真空系統(tǒng)通過真空泵抽出整個凍干系統(tǒng)中的空氣及水蒸氣，經(jīng)由蒸汽捕集冷凝器捕獲后從真空泵排氣口排出[33]。真空泵系統(tǒng)必須同時將干燥室和冷凝器中的空氣壓力降至必要水平。此外，真空系統(tǒng)需抽出物料中釋放的氣體和通過泄露孔進(jìn)入設(shè)備的空氣，保證設(shè)備內(nèi)的永久氣體分壓小于水蒸氣的壓力。真空系統(tǒng)運(yùn)行時間貫穿于FD全過程以抽出水蒸氣和永久性氣體。

制冷系統(tǒng)是完成設(shè)備中濕物料預(yù)凍以及捕獲物料中逸出水蒸氣的重要冷源，與真空系統(tǒng)一樣，也需要在整個凍干過程中保持運(yùn)行。根據(jù)制冷系統(tǒng)的制冷方式以及冷阱溫度的不同，可將其分為單機(jī)單級、雙機(jī)雙級、雙機(jī)復(fù)疊和液氮制冷系統(tǒng)。由于使用隔熱板傳遞系統(tǒng)和冷凝器的冷卻受到壓縮機(jī)的影響，現(xiàn)在越來越流行使用液氮制冷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)相比，液氮制冷系統(tǒng)可以在降低電能需求的同時避免使用冷卻水，即節(jié)約成本也可降低噪聲，且占地面積小并由于不需要壓縮機(jī)而不需要刻意維護(hù)。

控制系統(tǒng)是FD設(shè)備中提供工藝控制、監(jiān)測以及記錄的系統(tǒng)，旨在使FD設(shè)備具有很好的重演性，同時可以獲得高品質(zhì)的FD產(chǎn)品。該系統(tǒng)需要滿足以下條件：(1)標(biāo)準(zhǔn)組件與軟件，以確保用戶及制造商易于維護(hù)、操作及監(jiān)測；(2)實現(xiàn)凍干過程中所有過程可視化以及可控化；(3)具有數(shù)據(jù)監(jiān)測、記錄以及管理功能，可以隨意提供實時及歷史數(shù)據(jù)的批次記錄及查詢；(4)具有自檢及警報功能，以確保如果出現(xiàn)故障，產(chǎn)品與數(shù)據(jù)能夠及時被保護(hù)及挽救。

2.2.2 FD裝備發(fā)展歷程 目前，美國Millrock科技公司、丹麥Atlas公司和日本共和株式會社在全球的FD設(shè)備生產(chǎn)中占有一席之地。Atlas公司于1873年成立，專注于凍干系統(tǒng)中壓縮機(jī)、真空解決方案、動力工具和組合系統(tǒng)，且設(shè)備類型齊全，包括分離型FD設(shè)備和連續(xù)型FD設(shè)備，具有設(shè)計合理、自動化程度高和能耗低等優(yōu)點，并在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先位置。日本共和株式會社真空技術(shù)于1952年成立，是日本擁有最大規(guī)模的凍干裝備的企業(yè)，提出了干燥過程無隔離水氣凝結(jié)器除冰再生技術(shù)和TL型液態(tài)食品密閉系統(tǒng)管式FD技術(shù)等世界食品凍干機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，所研發(fā)的食品FD設(shè)備一般為間歇式，可以實現(xiàn)濕物料的周期性分批干燥作業(yè)。

我國早期的FD設(shè)備主要以引進(jìn)并仿制國外產(chǎn)品為主，通常存在凍干面積小、能耗高和自動化程度低等缺點。我國第一代凍干機(jī)的出現(xiàn)可追溯到1965年，該類型設(shè)備主要用于各種固態(tài)食品凍干，采用托盤/擱板方法，通過接觸傳熱的方式實現(xiàn)升華，但存在凍干耗時長、生產(chǎn)效率低、托盤操作復(fù)雜和成本高等缺點。發(fā)展到第二代凍干機(jī)時，出現(xiàn)了通過輻射提供升華熱，并用雙冷阱交替冷凝水蒸氣和化霜的連續(xù)型凍干機(jī)，縮短了食品凍干周期，降低了成本，但仍存在擱板溫度不均勻、干燥速率低和水汽凝結(jié)效率低等缺點。

近十年來，在我國高等院校、科研院所和設(shè)備生產(chǎn)廠家的共同努力下, 我國逐步擁有了FD設(shè)備的自主設(shè)計和生產(chǎn)能力, 并在國產(chǎn)化食品凍干裝置方面取得了重大突破。如清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院研發(fā)的TH-FD50型凍干機(jī)、中科院蘭州物理研究所自主研發(fā)的DG系列凍干機(jī)、東北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研發(fā)的LG系列凍干機(jī)、廣東省制冷學(xué)會食品保鮮工程開發(fā)中心研發(fā)的系列大型凍干機(jī)等[32]。我國在FD設(shè)備大型化方面的研制已接近20世紀(jì)90年代國際先進(jìn)水平，但仍與國外存在差距，還需要不斷優(yōu)化FD設(shè)備性能參數(shù)，提升設(shè)備的自動化、智能化程度，降低能耗。同時，組合凍干技術(shù)與設(shè)備不斷出現(xiàn)，將是未來凍干研發(fā)的一個重要方向。

2.3 FD產(chǎn)品發(fā)展歷史

2.3.1 一代FD產(chǎn)品——天然FD產(chǎn)品 一代FD產(chǎn)品主要指天然物料經(jīng)簡單前處理后直接凍干所獲得的天然單一FD產(chǎn)品。此類產(chǎn)品保留著原料的原汁原味，同時保持其純天然特性和大部分生物活性成分，不添加任何“配料”，實現(xiàn)了“零”添加，是目前國內(nèi)市場上FD食品的主力軍。此類產(chǎn)品主要包括水果、蔬菜、香料以及藥食同源植物，原料可接食用，且風(fēng)味濃郁，干燥處理后仍然可以保持良好的原味口感和較強(qiáng)的功能活性。一代FD產(chǎn)品的食用方法豐富多樣，包括即食、制粉等，產(chǎn)品面向大眾，老少皆宜。雖然這類凍干產(chǎn)品零添加少處理，保證了產(chǎn)品的天然屬性，但是產(chǎn)品相對單一，營養(yǎng)不均衡全面，無法滿足目前市場多元化需求。一代FD產(chǎn)品的工藝技術(shù)還主要停留在初處理工藝流程，包括對天然果蔬原料的擇選、整理、清洗、切分等。由于原料的種類多樣，差異較大，使其加工條件、時間和處理方式等均不同。通常，新鮮果蔬需在采摘后2～12 h內(nèi)處理完成，并及時進(jìn)行冷凍，否則會影響原料的新鮮度、營養(yǎng)價值等。一般情況下，一代FD凍干產(chǎn)品主要被切分為條狀、塊狀、片狀、粉狀和丁狀等形態(tài)，不同的形態(tài)將會影響凍干的時間和效率。

2.3.2 二代FD產(chǎn)品——調(diào)理FD產(chǎn)品 二代FD產(chǎn)品主要指在一代FD產(chǎn)品的基礎(chǔ)上經(jīng)過調(diào)味處理獲得的FD產(chǎn)品，即調(diào)味FD產(chǎn)品。各種天然或合成食品風(fēng)味物質(zhì)賦予FD食品特殊風(fēng)味。此類產(chǎn)品中肉禽、蔬菜凍干產(chǎn)品較多，彌補(bǔ)了原材料本身風(fēng)味的缺陷，使其凍干產(chǎn)品具有馥郁濃厚的風(fēng)味，同時不影響原料本身的營養(yǎng)價值。相較一代FD產(chǎn)品，調(diào)味FD產(chǎn)品實現(xiàn)了產(chǎn)品口味的多樣性，豐富了產(chǎn)品呈現(xiàn)形式的多樣性，帶來了更多可能性。然而，二代FD產(chǎn)品仍然停留在天然原料，未突破物料本身的限制，且營養(yǎng)成分局限于原料本身，缺乏更多的可能性。與一代FD產(chǎn)品相比，二代FD產(chǎn)品包括多種展現(xiàn)形式，且受眾群體較廣。二代FD產(chǎn)品在一代FD產(chǎn)品加工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過滲糖、調(diào)味、涂膜等加工工藝實現(xiàn)改善原料風(fēng)味的目的。例如，有研究發(fā)現(xiàn)滲糖處理后的果蔬具有更好的口感、風(fēng)味、質(zhì)地[20-21]。

3 FD技術(shù)與產(chǎn)業(yè)存在的主要問題

3.1 理論與技術(shù)亟待突破

當(dāng)前，我國FD技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究與國外存在較大差距，缺乏對凍干基礎(chǔ)理論及相關(guān)學(xué)科的系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)凍干理論對于指導(dǎo)生產(chǎn)仍有一定距離，在溫度、真空度、三相點、傳熱傳質(zhì)等理論模型構(gòu)建、精準(zhǔn)變化與調(diào)控機(jī)制方面還存在一些問題亟需解決。按照傳統(tǒng)凍干理論，根據(jù)共晶點和共熔點確定預(yù)凍溫度是目前普遍觀點，然而實際上還存在其他因素影響干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)。從目前實際生產(chǎn)來看，一方面不同預(yù)凍速率得到的物料在干燥速率和品質(zhì)上均有差異；另一方面對于果漿、酸奶等混合物的物料在塊狀模具中凍結(jié)時冰晶生長模式通常為豎狀，并且物料表層密度增大，影響凍干過程初期塌陷溫度、干燥速率和產(chǎn)品最終形態(tài)。凍干過程傳熱方式是熱輻射，由于物料的熱導(dǎo)率和物料在凍干機(jī)內(nèi)位置的不同，物料的塌陷溫度有差異，當(dāng)物料所在位置熱流大，物料已干層熱導(dǎo)率高時，物料塌陷溫度較低；當(dāng)物料溫度超過塌陷溫度時，物料內(nèi)部凍結(jié)層發(fā)生融化，超過共熔點溫度，產(chǎn)品可能會發(fā)生起泡、鼓包、塌縮等現(xiàn)象。

3.2 裝備自動化、智能化程度低

我國FD設(shè)備的類型較為單一，整體性能落后，開發(fā)制造存在混亂現(xiàn)象。此外，我國自主研發(fā)的FD設(shè)備較進(jìn)口設(shè)備，在連續(xù)式FD技術(shù)方面仍然有待攻克：我國當(dāng)前生產(chǎn)的大部分凍干作業(yè)方式仍然是間歇式，需要停機(jī)卸料、冷卻、制冷以及再次抽真空等操作，不僅增加了能源損失也降低了生產(chǎn)效率。在工藝研究方面，目前凍干工藝還主要集中于小型凍干試驗機(jī)上的應(yīng)用，利用多變量因素分析對食品凍干工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，往往忽視了不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，其研究結(jié)果難以在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

3.3 精準(zhǔn)化、個性化產(chǎn)品少

與其他普通消費食品相比，國內(nèi)市場中FD產(chǎn)品仍然存在價格高、市場占比不理想的問題。此外，國內(nèi)FD產(chǎn)品主要以原料直接生產(chǎn)為主，缺少精準(zhǔn)化、個性化、功能化產(chǎn)品研發(fā)，需要考慮營養(yǎng)均衡、色香味俱佳、食藥同源、多食品多組分設(shè)計復(fù)合再造等，解決目前市場上FD產(chǎn)品口味單一、品類單調(diào)和創(chuàng)新性缺乏等問題。

3.4 產(chǎn)品易吸潮、易破碎、易褪色、風(fēng)味淡

FD產(chǎn)品在脫水之后呈現(xiàn)海綿狀疏松多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，具有蓬松的外觀結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)致FD產(chǎn)品易吸潮、易破碎，與其他干燥方式相比，F(xiàn)D產(chǎn)品顏色較淺且易發(fā)生褪色，不利于維持產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。此外，F(xiàn)D產(chǎn)品的揮發(fā)性風(fēng)味成分損失，產(chǎn)品風(fēng)味相比傳統(tǒng)加工方式較淡。由于某些小分子化合物的沸點較低，在水分升華過程中從物料中一同逸出。

3.5 能耗高、時間長、效率低

FD技術(shù)應(yīng)用于食品加工方面仍存在成本高的問題。FD食品高成本主要來源于三個方面，一是FD設(shè)備本身投資成本較高；二是凍干生產(chǎn)能耗高；三是干燥時間較長、產(chǎn)能低。在FD設(shè)備中，核心部件、能源消耗及決定干燥時長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要來自于制冷系統(tǒng)和升華系統(tǒng)，升華干燥過程的能耗占凍干總能耗的48%。因此，如何創(chuàng)新凍干裝備、精準(zhǔn)控制干燥工藝、縮短凍干時間、提高干燥效率、降低用工成本已經(jīng)成為FD技術(shù)亟待繼續(xù)突破的“卡脖子”問題。

4 FD技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

4.1 FD技術(shù)裝備發(fā)展趨勢

4.1.1 凍干產(chǎn)品加工適宜性研究 不同品種的果蔬、肉品、糧油等由于具有不同的色澤、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味以及營養(yǎng)功能，使得不同品種的原料凍干產(chǎn)品品質(zhì)各異，并不是所有的原料都適合凍干。就凍干產(chǎn)品而言，具有不同物質(zhì)基礎(chǔ)的原料，將顯著影響其凍干過程中的加工適宜性。以蘋果為例，含糖量較高且風(fēng)味純正的蘋果品種，如富士、國光以及黃元帥等較適合用于凍干加工。然而，目前國內(nèi)蘋果凍干脆片品種混雜，品質(zhì)差異較大。此外，同一品種不同成熟度的原料所加工出的產(chǎn)品品質(zhì)也具有較大的差異性。以水果為例，未成熟或貯藏期的水果中含有大量未轉(zhuǎn)化為小分子糖的淀粉，果皮中存在大量未轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨z的原果膠，使得未成熟果實的凍干產(chǎn)品與成熟果實的凍干品質(zhì)存在顯著性差異。同時，物料本身的物質(zhì)組成和組織結(jié)構(gòu)對凍干產(chǎn)品品質(zhì)的影響也較大。由于凍干后物料喪失了絕大部分水分，故原料本身的物質(zhì)組成決定了凍干產(chǎn)品最終的色澤、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)以及營養(yǎng)功能等。

4.1.2 凍干品質(zhì)形成機(jī)理與調(diào)控技術(shù) 首先是色澤、風(fēng)味和質(zhì)地等品質(zhì)形成機(jī)理與調(diào)控技術(shù)。熱風(fēng)干燥的色澤變化，通常與產(chǎn)品褐變(酶促或非酶促反應(yīng))或色素降解有關(guān)，不同于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥，凍干過程中的顏色變化可能是由于凍干樣品中存在孔隙結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)散射了反射光，使得顏色發(fā)生改變。香氣的保留是冷凍干燥提取物的主要優(yōu)勢之一，因此凍干技術(shù)被廣泛應(yīng)用于某些市場價值較高的咖啡粉或其他液體食品的生產(chǎn)加工。在加工過程中，增加液體食品中可溶性固形物含量，可降低系統(tǒng)內(nèi)芳香化合物的擴(kuò)散性，從而限制香氣成分在基質(zhì)中的傳輸，在一定程度上減少冷凍干燥過程中的香氣損失。由于水分被去除，冷凍食品的收縮或塌陷是升華階段存在的主要問題。較低的升華壓力(較高的真空度)通常可以減小食品的皺縮率，生產(chǎn)出具有較低堆積密度和更多孔結(jié)構(gòu)的凍干產(chǎn)品。此外，在預(yù)凍階段，冰晶的形成可能會破壞樣品的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)地更軟。較慢的冷凍速度會導(dǎo)致更大的冰晶形成，從而導(dǎo)致冷凍過程中更多的細(xì)胞破壞，并形成更軟的質(zhì)地特征，而這種對各種水果組織完整性的破壞將導(dǎo)致水果樣品硬度降低。

其次是營養(yǎng)功能品質(zhì)形成機(jī)理與調(diào)控技術(shù)。由于冷凍干燥脫水過程是在沒有液態(tài)水的情況下于低溫條件下進(jìn)行的，因此與傳統(tǒng)干燥方法相比，冷凍干燥技術(shù)大大降低或消除了微生物活性和化學(xué)反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥樣品中生物活性化合物(如總黃酮、黃酮醇、兒茶素和酚類)的損失微不足道[34]。Agudelo等[35]發(fā)現(xiàn)冷凍干燥的葡萄柚樣品中酚類物質(zhì)的保留率超過90%。同時，冷凍干燥可以有效地保持酚類物質(zhì)的貯藏時間，Cheng等[36]發(fā)現(xiàn)PD楊梅粉貯藏50 d后其總多酚含量也很高，說明冷凍干燥技術(shù)有利于保持粉末中多酚的穩(wěn)定性。

4.1.3 預(yù)處理節(jié)能低碳技術(shù) 物料預(yù)處理可以有效提高干燥效率，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)、降低能耗、減少碳排放的目的。例如，在凍干前，采用超聲波預(yù)處理，通過超聲波與介質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的熱能和超聲波空化效應(yīng)，在物料中形成微孔道，快速去除物料中部分水分，縮短干燥時間，達(dá)到降低能耗的效果[37]。此外，結(jié)合高壓脈沖電場處理，可以在物料組織結(jié)構(gòu)不被破壞的基礎(chǔ)上提高細(xì)胞膜的通透性，從而有效縮短凍干時間，降低運(yùn)行成本[38]。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)對凍干物料進(jìn)行真空冷卻預(yù)處理，可以于物料表層形成微孔通道，從而降低物料內(nèi)部冰晶升華阻力，提高升華速度，縮短干燥時間。

4.1.4 真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù) FD技術(shù)與其他干燥技術(shù)聯(lián)合，可以彌補(bǔ)單一凍干技術(shù)能耗高的缺點，同時也可以獲得高品質(zhì)干燥食品。FD聯(lián)合干燥技術(shù)是根據(jù)物料的基本特性，將兩種或兩種以上的干燥技術(shù)以優(yōu)勢互補(bǔ)為原則，分階段對物料進(jìn)行脫水，以降低物料干燥的運(yùn)行成本，提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)并在最大程度上保留物料的理化性質(zhì)。如：真空冷凍-熱風(fēng)組合干燥[39-40]、真空冷凍-微波組合干燥[41]、真空冷凍-壓差閃蒸組合干燥、熱泵-真空冷凍組合干燥[42-43]等。真空冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥與單一凍干技術(shù)相比，具有較低的總能耗量，同時產(chǎn)品的細(xì)胞特征與單一凍干產(chǎn)品中的細(xì)胞特征相一致。熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥對脆性龍眼果干品質(zhì)影響的研究表明，熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥較凍干節(jié)約干燥時間12.16%，節(jié)約單位能耗25.40%[44]。研究發(fā)現(xiàn)，微波-真空冷凍聯(lián)合干燥也可以有效彌補(bǔ)凍干的高耗能的缺點，微波-真空冷凍聯(lián)合干燥處理甘藍(lán)比單一凍干時間短，且對產(chǎn)品有明顯的殺菌效果[45]。

4.1.5 高效節(jié)能低碳FD設(shè)備創(chuàng)制 如上所述，能耗是凍干中一個長期存在的問題，由于電加熱系統(tǒng)主要為濕物料的固態(tài)水升華提供能量，僅由數(shù)個電加熱器組成，故節(jié)能改造空間相對較小。而目前國內(nèi)FD設(shè)備的制冷系統(tǒng)一般采用雙級壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)以及重疊壓縮低溫制冷系統(tǒng)，前者主要適用于大型中式FD設(shè)備，以水冷形式工作；后者主要適用于小型FD試驗型設(shè)備，以風(fēng)冷形式作業(yè)，兩種作業(yè)方式均需要配置風(fēng)機(jī)以及水泵。目前，為了達(dá)到節(jié)能低碳的目的，新型的制冷系統(tǒng)可以利用變頻水泵和變頻風(fēng)機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定頻水泵和定頻風(fēng)機(jī)。此外，鑒于小型凍干機(jī)以及中大型凍干機(jī)的容量差異，可以采用變?nèi)萘繅嚎s機(jī)，如在小型試驗FD設(shè)備采用渦旋式壓縮機(jī)來代替活塞式壓縮機(jī)，而在中大型中式設(shè)備利用螺桿式壓縮機(jī)替換活塞式壓縮機(jī)，從而使壓縮機(jī)與FD機(jī)的能量匹配，達(dá)到降低能耗的作用等。未來FD設(shè)備將不斷實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、連續(xù)化和智能化，從而更加高效、節(jié)能、低碳。

4.2 FD產(chǎn)品發(fā)展趨勢

4.2.1 三代FD產(chǎn)品——重組FD產(chǎn)品 三代FD產(chǎn)品主要指通過破碎打漿、均質(zhì)、復(fù)配以及再造型等手段，以不同原料的天然營養(yǎng)配比為指導(dǎo)，將含有多種營養(yǎng)素水果、蔬菜、谷物等原料通過一定處理，并以一定方式混合重組所獲得的具有多維度營養(yǎng)功能的FD產(chǎn)品，實現(xiàn)1個FD產(chǎn)品能同時滿足人體日常膳食所需攝取的多種營養(yǎng)素，包括糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素、水、礦物元素和膳食纖維等，即重組FD產(chǎn)品。三代FD產(chǎn)品突破了單一原料天然營養(yǎng)的限制，實現(xiàn)了多種原料、多種營養(yǎng)、不同形狀、多維感官的創(chuàng)新。重組FD產(chǎn)品可以通過分析食材天然營養(yǎng)素的含量與比例，對感官品質(zhì)和營養(yǎng)功能成分互補(bǔ)的不同原料進(jìn)行搭配組合，實現(xiàn)FD產(chǎn)品的全面均衡營養(yǎng)，為未來實現(xiàn)營養(yǎng)健康設(shè)計FD產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。目前，三代FD產(chǎn)品在市場上得到高度重視和推廣，產(chǎn)品形式主要以重組脆片、脆塊、脆條、脆棒、溶豆、速凍粉等為主，可以通過即食、咀嚼、沖飲、吞咽等方式食用，具有廣泛的受眾群眾。由于三代FD產(chǎn)品已經(jīng)打破了原料的天然形態(tài)，所以根據(jù)不同的原材料需求，需要選擇不同程度的破碎度以及粒徑。目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了凍干藍(lán)莓酸奶塊、凍干芒果酸奶塊等新型凍干產(chǎn)品，并逐漸成為主流凍干產(chǎn)品。

4.2.2 四代FD產(chǎn)品——營養(yǎng)健康設(shè)計制造FD產(chǎn)品 四代FD產(chǎn)品是在三代FD產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，突出營養(yǎng)均衡、功能突出、色香味俱全、聚焦特需人群等特點，實現(xiàn)更多食品品類的融合，以實現(xiàn)FD產(chǎn)品營養(yǎng)健康精準(zhǔn)設(shè)計制造為目標(biāo)。目前，市場上此類產(chǎn)品逐年增加。相較于第三代產(chǎn)品，四代FD產(chǎn)品將實現(xiàn)水果、蔬菜、谷物、肉類、食藥同源等精準(zhǔn)配伍組裝，同時，通過居民膳食指南來平衡FD產(chǎn)品的營養(yǎng)素比例和成分，提供科學(xué)的人體營養(yǎng)素結(jié)構(gòu)，科學(xué)避免營養(yǎng)過剩或不足的現(xiàn)象。此類產(chǎn)品主要針對嬰童、青少年、中老年人、肥胖、糖尿病、高血壓、高血脂、美容養(yǎng)顏、視力減弱等特需人群。四代FD產(chǎn)品將以方便即食、沖調(diào)粉、功能片劑、膠囊內(nèi)容物等產(chǎn)品形成出現(xiàn)，通過咀嚼、沖調(diào)、吞咽等方式被攝入。此類FD食品的表現(xiàn)形式將為特定人群、特殊用途、特殊環(huán)境等提供更多的可能性，具有廣闊的發(fā)展前景。

4.2.3 五代FD產(chǎn)品——精準(zhǔn)個性化定制FD產(chǎn)品 五代FD產(chǎn)品是在四代FD產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向精準(zhǔn)營養(yǎng)功能調(diào)控和個性化定制方向發(fā)展，針對不同個體營養(yǎng)健康狀況的精準(zhǔn)分析，采用大數(shù)據(jù)分析和精準(zhǔn)營養(yǎng)素復(fù)配等手段，以改善個體消化系統(tǒng)狀況和身體健康為目標(biāo)，精準(zhǔn)設(shè)計制造針對個體目標(biāo)的FD產(chǎn)品，達(dá)到精準(zhǔn)、個性化營養(yǎng)健康調(diào)控的目的。五代FD產(chǎn)品相較于其他FD產(chǎn)品更加強(qiáng)調(diào)針對特需人群的專一性、個體性和精準(zhǔn)設(shè)計制造，并更加注重產(chǎn)品的功效、嗜好、場景、精神、文化、享受、品味等屬性，將主要以休閑食品、功能片劑、沖調(diào)粉、膠囊內(nèi)容物或3D打印制造食品等形式呈現(xiàn)，通過咀嚼、沖調(diào)、吞咽等方式攝入，面向個體精準(zhǔn)服務(wù)，將成為未來FD市場的發(fā)展方向。