真空冷凍干燥技術在食品方面的應用研究

路敏 陳媛媛

摘 要：我國作為一個農業生產大國，糧食、果蔬產量巨大，但現今我國約30%的糧食、果蔬等農產品在運輸、加工中受損，這在強調綠色發展的今天已成為不可忽視的數字。真空冷凍干燥技術能夠在維持食品色、香、味的同時，最大限度保留其維生素、蛋白質等營養物質，使其在常溫環境下能夠較長時間保存，是避免農產品受損的有效方式，經濟價值巨大。本文介紹了真空冷凍干燥技術的原理，并對其在食品方面的應用進行了研究，希望能夠提供參考與幫助。

關鍵詞：真空冷凍干燥技術；食品；應用

Application of Vacuum Freeze Dried Technology in food

LU Min1， CHEN Yuanyuan2

（1.Tianjin C.Y. Foods Co.， Ltd.， Tianjin 300308， China;

2.Tianjin Huace Testing Certification Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： As a large agricultural production country， China has a huge output of grain， fruits and vegetables. However， about 30% of the grain， fruits and vegetables in China are damaged in transportation and processing， which has become a number that can not be ignored today when green development is emphasized. Vacuum freeze-drying technology can not only maintain the color， aroma and taste of food， but also retain its vitamins， proteins and nutrients to the maximum extent， so that it can be stored at room temperature for a long time. It is an effective way to avoid damage to agriculture products and has great economic value. In this paper， the principle of vacuum freeze-drying technology is described in detail， and its application in food is studied. I hope it can provide reference and help.

Keywords： vacuum freeze drying technology; food; application

受到外界環境、自身特點等影響，食品在存儲、運輸、加工過程中會不可避免地發生物理、化學、生物變化，導致其外觀形狀發生改變、營養成分降低，損害了其經濟價值。干燥是人們在歷史發展進程中探索出的有效食品加工技術之一，真空冷凍干燥技術將真空、低溫與干燥結合，能夠更加有效地保留食品品質，延長食品儲存期限[1]。

1 真空冷凍干燥技術原理

真空冷凍干燥技術是基于熱力學中的相平衡理論實現的。相平衡即為多相系統中各相變化達到的極限狀態，這一狀態下，相際物質傳遞凈速率為0。對于水來說，其有固態、液態、氣態3種相態。當外界壓力下降時，水的沸點會逐步降低，在溫度0.009 8 ℃，

壓力609.3 Pa時與冰點重合，達到相平衡。當水的壓力繼續下降，其中的冰會直接轉化為水蒸氣，實現冰晶升華。真空冷凍干燥技術是先對含有大量水分的新鮮食品進行預冷凍處理，使得其中的水分轉變為固體冰結晶，進一步將其置于真空環境中，借助相平衡使得冰結晶轉化為水蒸氣，吸附剩余水分后，可將食品中的含水量降低至1%～4%，實現干燥的目的。

2 真空冷凍干燥技術在食品方面的應用優勢

2.1 保留食品色、香、味

色、香、味是人們購買食品的主要因素之一。新鮮食品較易氧化，或受到酶、微生物的影響而腐敗變質，進而改變色、香、味。真空冷凍干燥將食品置于缺氧、低溫狀態，有效避免受到氧氣、酶、微生物的影響，使其色、香、味得以留存。此外，食品在常溫儲存過程中，營養物質會逐步流失。科學研究表明，真空冷凍干燥對于食品的蛋白質和維生素A、維生素D等脂溶性維生素的損害幾乎為0，對于食品的維生素C、β-胡蘿卜素等水溶性維生素的損失僅為5%，最大限度地保留了食品中的營養物質[2]。

2.2 保留食品形態

在長距離物流運輸過程中，食品內部結構易受到擠壓，或因為內部水分流失而導致其外部形態改變。真空冷凍干燥技術能夠有效強化食品內部結構，并借助干燥使其內部生成多氣孔，實現復水速溶，迅速恢復其自然形態。

2.3 延長食品保存期限

食品中水分含量較多且暴露于空氣中極易受到酶、微生物的影響，導致腐敗變質。經過真空冷凍干燥的食品，其含水量在1%～4%，且水分分布均勻。同時，大多真空冷凍干燥后的食品采用真空包裝，可徹底隔絕空氣，有效延長了其保存期限，通常可在常溫環境下保存數年。

3 真空冷凍干燥技術流程

3.1 預處理

預處理是食品在經真空、冷凍、干燥前的處理過程。與其他加工方式相比，真空冷凍加工技術對食品自身品質要求較高。因此，應依據食品種類選擇預處理方式。例如，針對果蔬類食品，為保證其鮮度，應當在采摘后8 h內進行冷藏加工，避免其氧化變色以及營養成分流失。同時，預處理環節也需要對原材料進行切割。通常情況下，真空冷凍干燥加工食品大多采取條狀、片狀、塊狀、丁狀和粉狀加工。不同的加工方式對于后續冷凍、干燥環節的條件、時間有著不同的要求，相關工作人員應當結合食品自身性質和加工特點進行合理選擇。例如，針對纖維素較多的果蔬類食品，應當選取條狀、片狀、塊狀加工，并垂直于食品纖維走向進行切割，增加內部水分暴露的表面積，確保水分在冷凍干燥過程中完全排出，提升冷凍干燥效果和效率。針對肉類食品，應當選取片狀、塊狀、丁狀，并盡可能降低切割厚度，保障冷凍效果[3]。

3.2 凍結處理

在較大型的工廠流水生產中，真空冷凍干燥操作通常由凍結處理和干燥升華兩步驟組成，凍結處理是其中的核心環節。凍結處理的速度、環境溫度等要素對于食品內部水分的升華效果、成品質量、耗費能源等有著直接影響。現今我國凍結處理操作大多采用慢速凍結，雖然食品內部水分的升華速度較快，但升華后的冰晶多為少量、大塊、連續的網狀結晶，增加了干燥的難度。雖然提升凍結處理的速率能夠使得食品內部冰晶體積縮小、排布更為密集，提升干燥效果，確保食品口感，但密集的小結晶體阻礙了內部深層水分溢出，導致凍結時間延長，所需能源相應增多。因此，相關人員應當選取合適的凍結方式。科學研究表明，在-5 ℃的環境下，食品內部約80%的水分已經凍結[4]。相關工作人員可以使食品維持該溫度一段時間后再次凍結，在提升冰晶體的升華效果的同時，有效抑制能源消耗，節約加工成本。

3.3 凍干處理

3.3.1 加熱

加熱是凍干處理的第一步。經過冷凍后，食品內部可能存在的微生物處于低活性狀態，在儲存運輸過程中有恢復活性的風險。在進行凍干處理前對食品進行加熱，能夠進一步消除食品含有的微生物，保證食品安全。此外，水的升華過程伴隨著吸熱，較低的熱量進一步抑制了水升華速度。為確保食品內部水分完全升華，需要借助加熱提升食品內部水分的飽和蒸汽壓，促進升華速率上升。應當注意的是，為避免食品解凍，全過程中的食品溫度均應維持在-30～-10 ℃。

3.3.2 真空

真空加工需將加熱結束后的食品放入真空箱，抽取其中空氣，使食品處于真空狀態，進一步提升和食品干燥層的導熱系數，加快冰晶的升華速度，進而進行食品干燥。由于食品自身含水量及內部結構的影響，在真空加工過程中，相關工作人員應當精準計劃壓力，確保食品真空冷凍干燥效果的同時避免能源的過度使用。

3.3.3 干燥

待食品內部冰晶全部經升華排出后，即可進入干燥環節。相關人員可借助真空泵進一步抽出凍干倉內的水蒸氣，確保食品徹底干燥。

3.3.4 包裝

包裝是食品抵御外界侵襲的第一層防護。真空冷凍干燥食品水分含量低，遇水速溶，且易受到光照、空氣等影響。因此，必須選取防水、遮光、隔絕空氣的材料進行食品包裝。通常情況下，真空冷凍干燥食品大多選取鋁薄膜復合材料進行真空包裝。同時，在包裝操作前，也可借助輻射、紫外線照射等方式消除食品表面的殘留細菌，抵御儲存運輸風險。

4 真空冷凍干燥技術現狀

4.1 冷凍恒溫難以保證

冷凍操作的溫度對于食品的質量有著直接影響。現今我國食品真空冷凍干燥加工過程中，缺乏針對冷凍時間、溫度的精細化管理，導致食品凍結狀況難以達到預期，影響了成品的質量[5]。此外，近年來我國食品物流運輸距離不斷增長，但冷鏈物流仍未完全普及，加工成品在物流運輸中難以保證恒溫，增大了食品腐敗、變質的概率，在提升經濟成本的同時威脅著消費者的食品安全。

4.2 干燥效果一般

食品營養物質的保留是真空冷凍干燥技術的主要目的之一。傳統的慢速冷凍方式使得食品細胞內外凍結速率不一，細胞內部水分外溢，產生冰晶，使得營養物質外流。雖然現今快速冷凍技術的出現能夠有效提升冰狀結晶速度，使得食品細胞形成保護層，避免其營養物質流失，但因設備投資高、能耗較大等原因，快速冷凍技術仍未在我國全面普及，導致食品干燥效果平平，影響了干燥食品的質量。

4.3 加工方式不完善

不同類型、體積、形狀的食品冷凍、干燥速率不同，應當有針對性地進行真空冷凍干燥設定。現今我國食品真空冷凍干燥加工仍然較為粗放，以單一式的冷凍干燥方式進行全部食品的處理。同時，為確保凍結效果，在食品冷凍結束后需要進行至少

1 h的保溫處理，但一部分食品加工企業缺乏對時間的把控，甚至將其省去，影響了成品的質量。

5 新型真空冷凍干燥技術

5.1 微波真空冷凍干燥

真空冷凍干燥技術需要借助干燥有效排出水分，耗能大，時間長。微波真空冷凍干燥技術很好地彌補了這一不足。微波真空冷凍干燥借助微波輻射，將微波電磁能轉化為熱能進行干燥，能夠有效提升干燥速率，徹底排出食品水分。但微波真空冷凍干燥技術投資較高，至今仍集中于高附加值食品加工中，有待大規模普及應用。

5.2 噴霧真空冷凍干燥

實現冷凍速度的提升，進一步降低冰晶體積是真空冷凍干燥技術的發展方向。在奶粉、藥品等粉末狀食品加工較多的歐洲，將粉末食品借助噴霧噴灑，并進行液氮冷凍的噴霧真空冷凍干燥技術有效解決了這一課題。噴霧真空冷凍干燥使得食品接觸面積增加，迅速形成冰粉，加以真空冷凍，能夠顯著縮短冷凍干燥的時長。

5.3 真空冷凍干燥聯合熱風干燥

傳統真空冷凍干燥加工借助加熱進行干燥，能耗較高。將熱風干燥引入真空冷凍干燥加工是近年來的發展趨勢。據研究表明，相比傳統真空冷凍干燥技術，真空冷凍干燥聯合熱風干燥加工能夠節約40%左右的能源。但應注意的是，如先進行熱風干燥，容易損傷食品內部骨架結構，影響其速溶復水效果。因此，需將真空冷凍與熱風干燥聯合操作。在對腌制菜干燥過程中，真空冷凍加工加以熱風干燥實現了約20%的能耗降低，同時其速溶復水效果優異[6]。

5.4 冷凍干燥聯合真空微波干燥

微波冷凍干燥雖然實現了干燥速度的提升和能耗的降低，但針對果蔬等食品加工時，食品內部骨架結構會因微波造成損傷，導致食品變形，降低了食品品質。將冷凍干燥與真空微波干燥結合，在真空狀態下利用微波進行干燥，不僅能夠節約近40%的能耗，同時避免了果蔬食品的內部骨架損傷，保留了其內部營養。

6 結語

綜上所述，真空冷凍干燥技術能夠在保存食品色、香、味，維持食品營養物質的同時顯著延長食品保存期限，降低物流運輸損失，是新時代食品加工的有效方法。但我國的真空冷凍干燥技術起步時間較晚，現今仍存在一些不成熟的地方。在實際操作時，相關人員應當全面把握真空冷凍干燥的工藝流程，依據食品自身特性進行針對性地調整和精細化地管理，確保食品品質，減少成本，為我國食品行業的發展作出貢獻。

參考文獻

[1]聶瑩華，陳佳慧，許嘉敏，等.真空冷凍干燥對羅非魚皮性能及提取明膠性能的影響研究[C]//中國食品科學技術學會第十八屆年會摘要集.北京：中國食品科學技術學會，2022：381-382.

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[3]吳晶，徐天一.食品真空冷凍干燥工藝及其強化研究[J].食品界，2021（2）：116-117.

[4]朱洪梅，王禹心，劉喻心，等.胡蘿卜脆片凍干過程中水分、微觀結構及品質變化[J].食品研究與開發，2022，43（11）：42-48.

[5]周旭.獼猴桃切片的射頻真空及熱風聯合干燥研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2019.

[6]鮑王璐.整粒小麥制備全麥脆片及其營養成分變化研究[D].無錫：江南大學，2019.