真空冷凍干燥技術在食品方面的應用研究

路 敏，陳媛媛

（1.天津賽譽食品有限公司，天津 300308；2.天津華測檢測認證有限公司，天津 300300）

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。