凍干技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

王鵬飛，陳佳宇，朱佳怡

（上海理工大學(xué)，健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093）

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍愈發(fā)廣泛，人們可以享受到全國(guó)各地的美食。如何保障人們?nèi)肟诿朗车臓I(yíng)養(yǎng)、安全與質(zhì)量成為了人們愈發(fā)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，除了食品原料和物流兩大因素外，最重要的影響因素就是食品加工技術(shù)。干燥是一種日常生活中最常接觸也最熟悉的加工方法，其又分為自然干燥和人工干燥兩種。干燥的方法多種多樣，主要有真空干燥、冷凍干燥、微波干燥與紅外線干燥等，但多數(shù)干燥方法都會(huì)導(dǎo)致干燥后的食品出現(xiàn)復(fù)水性不佳、營(yíng)養(yǎng)成分損失、熱敏性物質(zhì)被破壞等問(wèn)題。真空冷凍干燥技術(shù)可以很好地解決上述 問(wèn)題。

真空冷凍干燥技術(shù)又稱為凍干技術(shù)，所得產(chǎn)物簡(jiǎn)稱凍干。該技術(shù)是在低溫條件下將被干燥的物質(zhì)快速凍結(jié)，然后在適合的真空條件下，利用升華的原理使水蒸氣逸出，該技術(shù)可有效防止被干燥物質(zhì)的理化性質(zhì)和生物性質(zhì)發(fā)生改變，有利于保存食品中營(yíng)養(yǎng)成分和熱敏性物質(zhì)，因此在現(xiàn)代食品加工的凍干工藝中被廣泛應(yīng)用[1]。本文將從真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，介紹該技術(shù)的原理和優(yōu)勢(shì)，綜述其在食品機(jī)械和食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 凍干技術(shù)概述

1.1 凍干技術(shù)的發(fā)展

對(duì)冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用最早出現(xiàn)在20世紀(jì)，Shackell利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了菌種、病毒和血清的穩(wěn)定保存，解決了二戰(zhàn)期間人體血漿和抗生素的貯存和運(yùn)輸難的問(wèn)題。此后，真空冷凍干燥技術(shù)在生物和醫(yī)藥領(lǐng)域迅速興起[2]。該技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用是由英國(guó)學(xué)者Fikidd于20世紀(jì)30年代提出的。10年不到的時(shí)間里，俄羅斯科學(xué)家成功應(yīng)用該技術(shù)對(duì)食品樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。1958年，針對(duì)凍干過(guò)程的物理生物學(xué)基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化，召開(kāi)了第一屆國(guó)際冷凍干燥會(huì)議，引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，進(jìn)一步推動(dòng)了凍干技術(shù)在食品行業(yè)的發(fā)展。到了60年代，美國(guó)將該技術(shù)技術(shù)正式用于食品加工、農(nóng)副產(chǎn)品及太空食品的制造。幾年后，英國(guó)食品實(shí)驗(yàn)工廠奠定了凍干技術(shù)在優(yōu)質(zhì)食品的生產(chǎn)中的地位[3]。此后，凍干食品得到了快速 發(fā)展。

我國(guó)凍干技術(shù)在食品中的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代中期，國(guó)家投資該類產(chǎn)品主要用作戰(zhàn)略儲(chǔ)備。1965年，原北京人民食品廠和北京食品工業(yè)研究所合作開(kāi)展了冷凍干燥食品的實(shí)驗(yàn)研究工作，設(shè)計(jì)出每日脫水l0.5 t的凍干設(shè)備。1978年，食品年產(chǎn)量高達(dá)300 t的冷凍升華干燥車間問(wèn)世，此車間由蒸汽噴射泵抽真空系統(tǒng)構(gòu)成，是我國(guó)最大的凍干裝置。20世紀(jì)80年代后，我國(guó)冷凍干燥食品生產(chǎn)發(fā)展迅速，引進(jìn)了日本凍干設(shè)備，生產(chǎn)凍干香蔥及姜片等食品。此后，食品真空冷凍干燥技術(shù)在我國(guó)蓬勃發(fā)展，在工藝、設(shè)計(jì)水平及控制水平方面都有著很大的進(jìn)步[4]。

1.2 凍干技術(shù)的基本原理

冷凍干燥技術(shù)的基本原理是應(yīng)用水的三相變化而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)水在三相點(diǎn)（610.5 Pa），水蒸氣、水和冰3者可共存且相互平衡。當(dāng)壓力高于610.5 Pa時(shí)，水一開(kāi)始以冰的狀態(tài)存在，在進(jìn)行等壓升溫時(shí)，冰會(huì)首先轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，再?gòu)囊簯B(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸氣；而當(dāng)壓力低于610.5 Pa時(shí)，對(duì)冰進(jìn)行等壓升溫，此時(shí)冰就會(huì)直接升華為水蒸氣。冷凍干燥的過(guò)程可分為兩個(gè)階段：①對(duì)于需要干燥的物料先進(jìn)行凍結(jié)處理，使液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，然后在真空的條件下進(jìn)行低溫加熱，此時(shí)的冰就會(huì)直接升華為水蒸氣；②進(jìn)行再次升溫，物料中的“束縛水”就會(huì)解吸變成“自由”的液態(tài)水，進(jìn)一步吸熱蒸發(fā)成水蒸氣，最終達(dá)到冷凍干燥的目的[5]。

1.3 凍干技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 產(chǎn)品品質(zhì)、性能較優(yōu)

經(jīng)過(guò)冷凍干燥技術(shù)處理過(guò)的產(chǎn)品具有揮發(fā)性成分損失較小、抑制微生物的生長(zhǎng)和酶活、保持原來(lái)的性狀和體積、不發(fā)生濃縮現(xiàn)象、避免熱敏反應(yīng)和氧化作用[6]、可長(zhǎng)期保存而不變質(zhì)以及熱能利用較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

1.3.2 應(yīng)用范圍廣

冷凍干燥技術(shù)不僅可以應(yīng)用于食品加工，還可以應(yīng)用于生物工程、醫(yī)藥及材料工程。①在食品加工方面，凍干技術(shù)可用于各類農(nóng)副產(chǎn)品。果蔬類，如桑果[7]、黃秋葵[8]等；特色農(nóng)產(chǎn)品，如木耳、野生菌[9]等；谷物類，如面類、豆類、玉米等；肉禽水產(chǎn)類，如畜禽肉、蛋、奶等。經(jīng)研究表明，凍干技術(shù)處理后的產(chǎn)品，營(yíng)養(yǎng)成分得以更大程度的保存，體積和重量也大幅降低，便于運(yùn)輸，適合長(zhǎng)期保存，且復(fù)水性良好[10]。②在生物工程方面，冷凍干燥技術(shù)可以應(yīng)用于血漿凍干[11]、凍干顯微鏡[12]、狂犬病凍干滅活疫苗[13]及水痘減毒滅活疫苗[14]等。經(jīng)過(guò)該技術(shù)處理后的產(chǎn)品有著更長(zhǎng)的保質(zhì)期，且可以保留原有的性狀。③在醫(yī)藥方面，冷凍干燥技術(shù)可以應(yīng)用于生物化學(xué)、免疫學(xué)、細(xì)菌學(xué)的藥品及中草藥檢查，能較好地保存原料中的活性物質(zhì)。冷凍干燥技術(shù)可以維持藥物的穩(wěn)定性，避免其化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞[15]。④在材料工程方面，邢赟[16]發(fā)現(xiàn)冷凍干燥技術(shù)可以作為一種簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保及可控的材料結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，可使有序多孔復(fù)合材料具有多種優(yōu)良的性能。

2 凍干技術(shù)的應(yīng)用

2.1 凍干技術(shù)在食品機(jī)械中的應(yīng)用

在食品機(jī)械領(lǐng)域，凍干機(jī)是凍干技術(shù)的直接體現(xiàn)。真空冷凍干燥設(shè)備通常由干燥室、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)備組成[17]。其中，干燥室既能加熱又能制冷，可直接影響凍干機(jī)的性能；制冷系統(tǒng)主要是為冷凍干燥室內(nèi)物料預(yù)凍和冷阱供給充足的冷量，制冷系統(tǒng)主要包括制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和熱力膨脹閥等[18]；真空系統(tǒng)由真空泵、真空壓力計(jì)、真空度調(diào)節(jié)閥和真空壓力開(kāi)關(guān)等構(gòu)成；加熱系統(tǒng)主要由熱源、加熱板、溫度傳感器和壓力傳感器等組成[19]；電氣控制系統(tǒng)具有設(shè)定凍干曲線、測(cè)試與控制真空泵、控制加熱板和各類閥門等功能[20]。

真空冷凍干燥技術(shù)最關(guān)鍵的應(yīng)用在于凍干機(jī)，凍干機(jī)可以根據(jù)需求劃分為不同類型。根據(jù)作業(yè)方式可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式；根據(jù)自動(dòng)化程度分為全自動(dòng)型、半自動(dòng)型和手動(dòng)型；根據(jù)用途可分為實(shí)驗(yàn)用凍干機(jī)和生產(chǎn)用凍干機(jī)；根據(jù)凍結(jié)方式分為凍干合一型和凍干分離型；根據(jù)干燥擱板面積分為小、中、大3種類型[20-21]。

2.2 凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

在食品加工中，凍干技術(shù)可保留食品中熱敏性物質(zhì)，使凍干食品仍保有新鮮食品的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)還具有較好的復(fù)水性，保質(zhì)期長(zhǎng)、便于運(yùn)輸，因此在食品加工中得到廣泛應(yīng)用。

張桂芝等[22]將火龍果進(jìn)行真空冷凍干燥處理，發(fā)現(xiàn)采用凍干技術(shù)對(duì)火龍果的果肉、果皮、花及莖進(jìn)行加工后，其顏色、味道及所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以得到有效地保存，同時(shí)制成凍干?；騼龈煞勰┬螒B(tài)更便于運(yùn)輸和應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。郭建業(yè)等[23]以隋珠草莓為原料，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)研究了真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)草莓片品質(zhì)產(chǎn)生影響的因素，結(jié)果表明真空冷凍干燥技術(shù)的最佳工藝參數(shù)組合為預(yù)凍條件-35 ℃、 2 h，在該參數(shù)下加工得到的草莓片含水量為3.8%，復(fù)水率為264.5%，維生素C含量為531 mg/100 g，產(chǎn)品色澤天然飽滿，有光澤，有濃郁的草莓香氣，結(jié)構(gòu)保存良好，口感松軟有一定硬度。采用真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)草莓進(jìn)行加工，不僅可以拓展草莓類產(chǎn)品的市場(chǎng)，還能有效改善草莓在運(yùn)輸和儲(chǔ)存中存在的問(wèn)題。

易麗等[24]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究了番木瓜片的厚度、升華溫度、預(yù)凍溫度對(duì)產(chǎn)品的復(fù)水比和色澤的影響。結(jié)果表明，番木瓜片的最佳真空冷凍干燥工藝參數(shù)為物料厚度3 mm，升華溫度35 ℃，預(yù)凍溫度-40 ℃，在該工藝參數(shù)下實(shí)驗(yàn)得出樣品的復(fù)水比及總色差值均有較高的可信度?？梢?jiàn)真空冷凍干燥技術(shù)在番木瓜片的實(shí)際加工生產(chǎn)中有較高的實(shí)用價(jià)值。

李新建等[25]以糯米為原料，對(duì)比熱風(fēng)、真空和真空冷凍干燥技術(shù)加工的速食方便粥產(chǎn)品，比較干燥后糯米粥的失水率、復(fù)水率及微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在糯米粥厚度為5 mm、快速冷凍至-40 ℃，在絕對(duì)壓力30 Pa、40 ℃條件下干燥12 h得到的糯米粥復(fù)水后呈純白色，具有香氣，米粒有韌性，結(jié)構(gòu)均勻完整。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

真空冷凍干燥技術(shù)能夠有效減少食品營(yíng)養(yǎng)成分的流失、熱敏性物質(zhì)的損失，且具有凍干前后物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變小、保存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。但該技術(shù)存在以下幾方面問(wèn)題。①凍干工藝復(fù)雜，需要真空和低溫條件，工藝流程包括前處理、預(yù)凍、速凍、升華、解析和后處理6個(gè)階段，每個(gè)階段都需要嚴(yán)格的控制條件。②凍干設(shè)備復(fù)雜，使用凍干設(shè)備投資費(fèi)用較高，因而凍干制品生產(chǎn)成本也較高。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者對(duì)凍干技術(shù)在食品領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展提出展望：①隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，科研技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)繼續(xù)研究改進(jìn)工藝中的不足，充分了解并引進(jìn)國(guó)際上的先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備；②優(yōu)化繁雜的工藝流程、參數(shù)、條件，促進(jìn)凍干技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)更高質(zhì)量、更經(jīng)濟(jì)的凍干制品。期待未來(lái)的凍干技術(shù)能夠在食品領(lǐng)域被更廣泛的利用，從而為人們提供營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、風(fēng)味更好且普及度廣的食品。