冷冻干燥技术及其在食品工业中的应用


1.冷冻干燥食品的概念
干燥是保持物质不致腐败变质的方法之一。冷冻干燥（Freeze Dry）是一种新型干燥技术，即在低温条件下，对湿物料冻结，再在较高真度下加热，使固态冰升华，脱去物料中的水份，全称为真空冷冻干燥技术，简称冻干技术。采用冻干技术获得的食品就叫冻干食品，也叫FD食品。
2.冷冻干燥食品的分类和特点
2.1冻干食品的分类
几乎所有含水的食品都可以进行冻干，但对某些糖分含或胶质含量过高的食品以及共晶点温度过低的食品，冻干比较困难。可冻干的各类食品如下：
2.1.1蔬菜类
香葱、大蒜、洋葱、生姜、辣椒、青椒、胡萝卜、菠菜菜花、荷兰豆、芦笋、豆角、欧芹、西兰花、食用菌等。
2.1.2水果类 苹果、桃、梨、杏、红枣、革莓、香蕉、菠萝、哈密瓜、龙眼、榴莲、蓝莓、山竹等。
2.1.3肉类 牛肉、羊肉、猪肉、鸡肉、蛇肉等。
2.1.4水产类 鱼片、虾仁、蟹肉、墨鱼丝、鱿鱼、银鱼、海参、干贝等。
2.1.5方便食品类 方便面及其辅料、肉丸、汤料，婴儿食品、军用食品、宇航食品等。
2.1.6速溶饮料类 咖啡、牛奶、豆浆、果汁、蜂王浆等。
2.1.7调味品类 果酱、汤料、调料、香料等。
2.1.8
其他类茶叶、中药材动物胶蛋白、人参、酶制剂等。[1]
2.2冻干食品的特点
2.2.1冷冻干燥在低温下进行，特别适用于热敏性食品，使其不致变性或失活。特殊风味食品中风味物质损失小，能最大限度地保存食品的色香味。
2.2.2冷冻干燥不改变食品的物理结构，化学变化也很小，干燥后疏松多孔，体积几乎不变。
2.2.3复水快，食用方便。干燥后的物质疏松多孔呈海绵状，加水溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的形状。
2.2.4干燥过程真空度高，易氧化物质得到保护。
2.2.5冻干食品重量轻体积小，易于储存和运输。各种冻干蔬菜压块后包装，体积缩小几十倍，重量减轻十几倍，包装仓储运输成本大大降低。
3.冷冻干燥技术原理
3.1水的三相点
真空冷冻干燥基本原理是基于水的三相变化。随着压力的降低，水的冰点变化不大，而沸点不断下降，逐渐接近冰点。当水的沸点降至与冰点重合时，气、液、固三相水共存，此时对应的气压温度值称三相点，纯水的三相点为（610.5Pa，0.01℃）。在三相点温度和压力以下，冰由固相直接转变为气相，称之为升华。

图3-1 水的三相图
3.2升华
在高真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的果蔬中的水分直接以冰态升华为水蒸气被除去，从而得到冷冻干燥脱水食品。冻干过程由于升华吸热，需要在冻干阶段补充热量，通过干燥层不断传递给冻结部分，在升华界面上，水分子被加热后沿毛细孑管进入到周围环境中被冷凝器捕捉而排除，避免了真空度的降低。在干燥过程中，物料必须处于真空冷冻状态，且需维持物料温度低于三相点温度。
3.3共晶点与共熔点
共晶点是指物料溶液析出冰晶体后，水与溶质达到平衡，共晶溶液全部冻结时的温度，是溶液完全冻结固化的最高温度。
溶液完全冻结后，随着温度上升，开始有冰晶融化的温度称为共熔点。
冻结的最终温度常以物料的共晶点为依据，必须达到共晶点以下才能保证物料完全冻结。干燥过程中的物料，其干燥层温度必须保持在共熔点以下，否则不能保证水分全部以汽化形式除去。
数据自张国治主编《速冻机冻干食品加工技术》
表3-1几种蔬菜的共晶点、共熔点
4.一般冻干食品工艺流程及设备
4.1预处理
不同的物料在预冻和冷冻干燥前要有必要的预处理，以使之便于加工。水果蔬菜类的物料需要拣选检测、清洗、(去皮去核)、切割、热漂烫和冷却处理。肉和水产品物料需要检测筛选、冷却排酸熟化、切片（可在预冻步骤之后）处理，熟食产品（鱼香肉丝等中式菜品）需在烹调后按标准挑取和混均，取样测出水分含量以便确定冷冻干燥技术参数。蛋白和乳制品需要加入蛋白质冻干制品保护剂，如甘油、山梨醇、双糖、氨基酸、聚乙二醇、重组蛋白等，以避免冻干过程中冻结应力、干燥应力、低温应力等导致的蛋白质不稳定化。
4.2产品预冻
产品用适宜的容器分装，预先冻结至共晶点以下，才能进入冷冻干燥。预冻的目的是保护物料的主要性能不变，生产的冻干制品有合理的结构以有利于水分升华。冻干的物料需配置成10%-15%溶液，采用散装或瓶装方式分装。预冻可以直接在冻干箱内进行，也可在箱外进行，必要时用旋冻方法或离心预冻法缩短预冻时间。
4.3产品第一阶段干燥
图4-1 冻干果蔬制品工艺流程图[12]
在产品的冻结冰消失前的升华过程为第一阶段干燥，即升华干燥。此时注意提供适宜速率的热通量保证升华的进行而又不致达到共熔点以上，温度过低升华时间太长，温度高于共熔点将发生产品体积缩小、出现气泡溶解困难等不良现象。同时，为排除升华产生的大量水蒸气，需用相当的冷凝器捕获水蒸气凝结后排出，以保持系统内的真空度。一般冷凝器-40℃以下的低温，可以保证1Pa气压。
4.4产品第二阶段干燥
不含冻结冰的产品尚含有10%的水分，为使产品达到预定的残余含水量，必须对其进一步干燥，称之为解析干燥。此阶段可使产品温度迅速上升至该产品允许最高温度，（一般是25-40℃），以利于降低残余水量并减少解析干燥的时间。
4.5冻干食品的后处理
干燥结束后，对食品进行一个调节过程：解除真空环境之前，需要稳定一段时间，使使食品中剩余水分和温度完全均匀。为抑制微生物在消除真空环境后继续滋生，应该用干燥、清洁无菌的N2消除真空，出箱时放入的应是无菌干燥空气。干燥后的产品应迅速分装保存或暂时保存到干燥柜中，尽快包装贴标，检测合格后即成正式产品。
4.6冻干设备及性能指标
真空冷冻干燥机由制冷系统、真空系统、干燥及加热系统、冷凝系统和控制系统组成，按结构可分为干燥箱、冷冻机、真空泵和阀门、电气控制元件等组成。食品冻干设备一般可分为连续式和间歇式，各自特点如下表：
表4-1连续式和间歇式冷冻干燥装置性能比较
2001年国家监督检验检疫总局和国家机械工业联合会批准“食品冷冻干燥设备”机械行业标准JB/T10285-2001，主要性能指标如下：
干燥箱空载极限压力5～15Pa；抽空时间不大于0．75h；漏气率从10Pa开始观测，观测0．5h，静态漏气率不大于0．025Pa •m3/S；降温速率搁板温度20℃±2℃降至40℃的时间应不大于2h；抽水器降温速率从20℃±2℃降至一50℃的时间应不大于lh；冻干箱内板层温差与板内温差板层温度控制在±2℃，板内温度为±1．5℃；捕水器捕水能力应不小于10Kg/m2。
5．我国冻干食品发展过程及前景
5.1我国冻干食品业发展历程。
我国冻干食品加工技术的发展起步于50年代，开始研究冷冻干燥技术在食品加工中的应用。进入80年代后，随着我国经济的迅猛增长，食品工业得到飞速发展。国内企业开始大胆引进国外先进冻干技术设备，冻干食品的加工才在我国逐渐发展起来。首先是青岛第二食品厂率先引进日本冻干技术设备，生产冻干葱、冻干姜片，随后宁夏寒力冰食品有限公司引进意大利设备，厦门佳裕食品有限公司引进台湾设备等等。生产出的冻干食品主要出口创汇，并取得了较好的经济效益。进入90年代，我国进一步深化改革开放，国内丰富的原料市场和充实的劳动力，吸引许多外商到大陆来投资办厂。由于我国方便面工业的大发展，而其中的调料均选用冻干食品(如冻干鱼虾、鱼版、牛肉、鸡肉、香菇、青豆等)，再加上国外对冻干食品的需求，都拉动了我国冻干食品的发展。冻干食品的畅销和高附加值也刺激了国内科研单位和企业开始研制生产自己的冻干设备。广东、山东、河南、宁夏等地出现了30余家冻干设备生产厂，少数设备的主要性能指标(如真空度、冷阱温度、捕水能力)已接近国外80年代中期水平。据报道我国近年已成功研制达到国际先进水平的JDG型国产冻干设备及配套生产线，可大批量生产冻干食品，这些必将推动我国冻干食品的长足发展。我国冻干设备基本上走的是一条引进、吸收、消化的道路。虽然国产冻干设备与进口设备相比还有一定差距，特别是自动化技术远不如国外，但国产冻干设备价格低廉，仅为进口设备1／5，并随着技术的不断引进，国产冻干设备也在迎头赶上，特别是我国自行研制的100m2-200m2型干燥仓投人生产，说明我国冻干设备的核心技术已达到相当水平。然而随着中国即将加入WTO，大批国外先进设备的涌人，国内冻干设备厂家和冻干食品市场必将面临强大冲击，而另一方面，我国冻干食品在国外供不应求，可谓利润丰厚。
5.2我国冻干食品行业发展前景
冻干食品由于采用当今食品加工中的高新加工技术，使得冻干食品集方便、天然、可保藏性于一体，既保留食物原有的色泽、味道，又最大限度的保留了食物中的天然营养成份。国外冻干食品市场畅销两旺也说明了这一点。而就国内来说，我国有丰富的原料供应地，侧如我国的香菇、草菇、侧耳、术耳等食用菌年产量达58．5万吨，占世界总产量的29．1％。而我国生产的冻干食品如冻干野菜、葱、姜、冻干菇、冻干虾仁等在日本、美国、德国市场成为抢手货。[5]
同时，应该看到冻干技术与其他技术的联合应用，大大提高了生产效率和产品质量，使冻干食品具有更广阔的前景。如为加快升华速度，可利用微波源工作提供热量。普通加热方式总是要靠内外温度梯度来传热，因此表面温度高于内部温度，食品物料导热系数都很低，传热速度很慢。而微波加热属介电加热，物料整体同时吸收能量，尤其对于多数食品，主要微波能量都被水分吸收，干的部分却不受影响，这就使物料升温一致，不易出现过热现象。另外，微波加热不受真空状态的限制，加热效率很高，这也是微波冻干的最大优势。
随着我国人民生活水平的提高和消费观念的改变，冻干食品以其方便性和营养性，必将得到国人的喜爱。快餐业的发展对方便冻干食品需求也越来越大，可以说我国发展冻干食品市场前景非常广阔。