前言（引言）：真空冷冻干燥是将湿物料冻结到共晶点温度下, 使物料中的水分变成固态冰, 然后在较高真空环境下, 通过给物料加热, 将冰直接升华成水蒸气, 再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝, 从而获得干燥制品的技术。由于干燥过程是在低温、真空状态下进行, 物料中水分直接从固态升华为气态, 因而可最大限度保持被干物料色、香、味、形状和营养成分, 而且干燥后的制品呈多孔海绵状结构, 极易溶于水(甚至在冰水中), 能够迅速复原, 密封包装后保存期长。目前, 真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学、农副产品深加工甚至古旧书画修复和动植物标本制作等领域有着广泛应用。
在食品工业方面, 尤其在高价值食品和高附加值食品加工中,真空冷冻干燥是干燥技术领域科技含量高、涉及知识面广的一门技术, 被认为是目前最优良、最为先进的干燥技术之一。由于干燥过程是在低温、真空状态下进行, 物料中的水分直接从固态升华为气态, 因而可以最大限度地保持被干物料的色、香、味、形状和营养成分, 而且复水性能好。由于该技术具有其他干燥方法所无法比拟的优点, 目前, 正逐渐应用于很多行业, 尤其在食品工业方面。而该技术下的冻干产品能够很好地吻合“绿色食品”、“保健食品”、“方便食品”三大发展趋势, 因此,冻干食品工业逐渐被人们所关注和亲睐。 1. 真空冷冻干燥设备
食品用冻干设备已经实现了大型化, 一般都采用自动控制系统, 同时为保证冻干产品的质量和节能, 常采用冻干设备和其他干燥设备组合在一起的组合冻干设备, 例如, 喷雾冻干设备等等。 1.1 真空冷冻干燥机
主要由真空冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成。干燥箱是一个真空密闭容器, 是干燥过程中传热和传质的场所, 他的性能好坏直接影响到冷冻干燥设备的性能。如果带有蒸汽消毒灭菌功能, 冻干箱还应是一个低压内压容器。干燥室的形状主要有圆形和矩形两种。圆形干燥室操作容易、强度高、制作费用低, 但其内部空间利用率低。真空系统包括机械泵( 旋片式真空泵) 和增压泵( 罗茨真空泵) 。真空泵用来抽除系统内空气水蒸汽。当真空泵工作时, 打开隔离阀, 真空干燥室内的空气及水蒸汽经过水蒸汽捕集冷凝器捕获后进入真空泵, 由真空泵排气口排出系统外。为了防止经水蒸汽捕集冷凝器捕获后抽除的气体中仍含有极少量的水蒸汽进入泵内, 系统配气镇阀。在真空泵的排气口装有油雾捕集器,以防止排出气体中烟雾污染室内环境。冷阱的作用是将干燥室中的水蒸汽冷凝吸附变成冰, 以免进入真空泵, 一方面可以减小真空泵的工作负担, 另一方面能够保证干燥室具有较低的真空度。 1.2 真空冻结干燥设备系统组成
真空冷冻干燥系统主要由制冷系统、真空系统、加热系统、干燥系统和控制系统等组成,冷冻干燥室:冷冻干燥室有卧式圆柱形、箱形等类型。干燥室要求能制冷到- 40 ℃或更低温度,又能加热到+ 50 ℃左右。干燥室设计有几层至十几层干燥搁扳,以放置几十至数百只干燥盘。干燥室装有管道和真空阀门与低温冷凝器相连,以排除室内的水蒸汽,同时还有管道与交换器、制冷机相连,以获得物料冰晶升华所需要的热量和低温环境。低温冷凝器:低温冷凝器是一个密封的容器,用管路与制冷机、真空泵、热交换器相连,以获取低温真空环境和冷凝器内除霜的热量供给。冷凝器内的温度必须保持低于干燥室内物料的温度,一般冷凝器内的温度应保持在- 40 ℃至- 50 ℃左右,使大量的水蒸汽在冷凝器室中凝结低温冷凝器还设有除霜装置、排出阀、热空气吹入装置等,用来融化凝结的冰霜和排出内部水分,并将室内吹干。 1.3真空系统
由冷冻干燥室、低温冷凝器、真空阀门和管道、真空泵和真空仪表等构成冷冻干燥设备的真空系统,系统要求密封性能好。真空泵采用旋片式或滑阀式油封机械泵,也可采多级蒸汽喷射泵的真空系统和采用罗茨泵中间增压- 水环泵机组真空系统。
2. 真空冷冻干燥工艺
不同产品, 由于其品种、成分、含水量、共晶点和崩解温度等的差异, 所需要的冻干工艺也不同。同一种样品, 使用不同的冻干机或同一冻干机不同的装机容量, 其冻干工艺也是有差别的。因此, 研究各种物料的冻干工艺是真空冷冻干燥技术的关键。
真空冷冻干燥一般分为三个阶段: 预冻阶段、升华阶段和解析阶段。冻干工艺必须分段制定, 然后再连成整体, 形成温度、压力和时间关系曲线,即冻干曲线。每处理一种新产品, 必须制定一次冻干曲线。 2.1 预冻阶段
预冻温度必须低于物料的共晶点温度, 最好低5 ℃ ~ 10 ℃。物料的冻结过程是放热过程, 需要一定时间。为使全部产品冻结, 一般在产品达到规定的预冻温度后, 保持2 h 左右的时间。冻结过程的关键在于控制食品的冻结速率。冻结速率直接影响干燥速率和产品质量。慢速冻结时, 形成的冰晶晶格较大, 冰晶呈六角对称型, 有利于物料中冰晶的升华, 但产品品质差; 而速冻形成的冰晶呈不规则树枝型或球型, 间隙小, 升华时阻力大, 不利于冻干。所以, 需要摸索出一个合适的冻结速率, 以得到较好的物理性状和溶解度, 并且利于干燥过程中的升华。
2.2 升华阶段升华, 即第一阶段干燥。升华阶段物料的温度应低于共融点温度。低得太多, 升华时间加长, 这时升华速率低。高于共融点温度, 则产品融化, 出现干缩现象。因此, 在生产中应严格控制产品温度低于并接近共融点温度。升华所需的热量一般来源于搁板, 在升华过程中, 冻结温度不能超过物料的共晶点温度, 已干燥层的温度不能超过物料的崩解温度。冻干过程的主干燥阶段一直保持低温状态, 二期干燥阶段由于真空度降低, 可升高搁板温度使产品温度升高, 但必须低于其崩解温度, 这样有利于减低残留的少量水分。在干燥过程中, 当产品温度与加热搁板温度接近, 干燥箱内压力与捕水器压力接近且两者差值维持不变时, 可以判断干燥结束。
2.3 解析阶段
解析, 即第二阶段干燥。在解析阶段物料内不存在冻结区, 物料温度可迅速上升到最高许可温度, 并在该温度下一直维持到冻干结束。板层温度( 冻干曲线的温度) 一般略高于产品温度, 具体值与冻干机有关, 由实验获得。解析阶段的压力一般在20 Pa—30 Pa。冻干的最后阶段真空度可以高些。解析时间由产品的品种和形状、残水含量的要求、冻干机的性能决定。解析阶段水汽凝结器的温度会因水蒸气量小而下降, 当冻干室压力下降到20Pa附近, 有利于水蒸气从产品中逸出, 但此时产品需迅速升温, 所需热量多, 压力太低不利于传热, 此时也可采用调压升华法加速解析。
3. 包装
冻干食品的包装很关键。由于冻干食品是在低温低压下加工, 所得到的冻干食品组织呈多孔状,总表面积比原来扩大了100～150 倍, 与水分和氧气的接触机会大大增加了, 所以要在真空条件下或在充满干燥惰性气体的密封包装袋中保存; 当需要粉碎与分包装时, 也应在充溢氮气的环境中、相对湿度低于40%、温度低于25℃的条件下进行。为保持干燥食品含水量在5%以下, 包装袋内应放入干燥剂以吸附微量水分。包装材料以透气性差、强度高、颜色深的为好。包装完毕后抽真空封口, 以利于长期贮存。 4. 真空干燥应注意的问题
4. 1 冻结温度应保证在三相点以下。否则在真空环境中,液体沸腾会使产品表面凹凸不平。
4. 2 升华干燥过程中,保持足够的真空度。真空度不够或供热不足可能导致成品水分升华不完全,含水量偏高。
4. 3 供热太快,受热不均匀或预冻不完全,则会在升华过程中,使产品部分液化,在减压条件下产生喷瓶现象,使制品表面不平整。 4. 4 保持升华温度不变。
4. 5 速冻过程要快,越快,生成的冰晶越小,对物品结构影响越小。
3.2.6 复水和使用复水方法影响到某些食品的最终感官质量。生肉类制品在复水时, 要求加入肉类软化剂。 5. 冻干食品的现状及存在问题
食品冷冻干燥技术在20 世纪50 年代，已从实验研究发展到小规模生产。而后随着术突破，研究成果及专利的不断涌现，又向工业化、实用化发展，很多国家都建立了大型的冻干食品加工企业。由于消费观念和消费水平的局限，食品冻干一度陷入低潮。近20 年来，人们对加工食品的消费理念向方便、营养保健、高品质等方向发展，对冻干食品的需求就不断增加。上世纪70 年代，全球冻干食品的产量仅为20万t左右，而如今产量已超1000万t，且呈上升的势头。在日本和美国的脱水食品市场上，冻干食品所占份额已超过50%，在欧洲市场的消费也很可观。我国冻干食品生产起步较晚，到上世纪90 年代才有较大规模的生产，主要面向一些特殊部门和出口，家庭消费尚处于空白。我国农副产品资源丰富， 劳动力成本低廉，有明显的价格优势，吸引着国外商家前来采购。
近年来，为满足国内食品冻干的发展需要，科技工作者研制出国产的冻干设备，开发新的冻干工艺，提高我国食品出口的档次，获得较高的附加值，形成新的经济增长点。食品冻干的种类很多，并且不断推广到食品加工的各个领域中，其中包括：
① 方便食品领域。高档次的方便面和方便米饭，以及方便调料；
② 即食汤料领域。各种冻干蔬菜、冻干肉类、水产品、冻干调味品以及经过合理调配而制成的各种汤料（可即冲即饮）；
③ 颗料蔬菜领域。多种蔬菜粉碎混合，冻干后成颗料，营养丰富，味道好，食用方便，适合老人小孩食用；
④ 粉末蔬菜领域。将冻干技术与超微粉碎技术相结合，将蔬菜水果制成易消化的粉末，制成保健品；
⑤ 速溶饮品领域。有冻干咖啡、速溶茶等；
⑥ 营养保健品领域。冻干人参、冻干鹿茸、冻干蜂蜜、冻干蜂王浆粉、冻干花粉、牛初乳、芦荟粉等。
我国食品冻干系统工程起步较晚，在冻干技术和冻干设备制造等方面与先进国家有一定的差距，例如能耗相对较高，冻干周期较长，冻干食品质量参差不齐等问题。不过，值得欣慰的是，在我国技术人员的努力下，这种差距在不断缩小，而且在某些领域已经领先，如在脱水蔬菜方面。另外，我们已建立了相应的检测方法和食品标准，严格把好产品质量关。 6. 发展新方向
虽然微波加热方式目前并未广泛应用于食品冻干，但与传统冷冻干燥相比有着其独特的优点，所以微波真空冷冻干燥是真空冻干技术的发展方向。它具有如下优点：
①能更有效地保护原料色香味等有效成分。传统冻干能保留70%以上，而微波冻干可达97%以上，称为不变性干燥，其产品品质与传统冻干相似，甚至优于传统冻干。
②干燥速度快，不受形状、厚度影响。微波加热有着穿透性加热和选择性加热的特点，物料厚度越厚越能体现其加热性能上的优点。
③节能降耗，热效率高，理论计算可高达94%。
然而，目前微波冻干存在着一些技术问题，制约了该技术的应用，如微波加热在1-50Pa范围内有微波放电的趋势，冻结层的过热融化，非均匀加热，还有成本高。这些问题有待于进一步的解决。
常压流化床吸附冷冻干燥是在低温下利用吸附剂的强吸湿作用，使环境蒸汽压远小于升华界面的饱和蒸汽压，达到脱水干燥效果；与流态化技术的结果，促进了干燥过程的进行。该技术始于20世纪70年代，经过长期的摸索，其可行性已经被证实。该方法保留了冷冻干燥的优点，改变了捕集水汽的方法，因而比真空冷冻干燥节能，设备简单，投入成本低。Wolf和Gibert在对土豆片的研究得出，用这种方法加工的产品的品质与真空冷冻干燥方法的相似，且节约能量约1/3，但干燥周期较长。近来研究表明，这种干燥方法使产品融化、坍塌的可能性增大。
因此，该技术还在研究阶段，其理论研究、数学模型还不完善，如何缩短干燥时间都有待解决。
7. 真空冻干技术在食品加工中的应用及发展前景
因为冷冻干燥的本质就是去水, 所以该过程不适合高脂肪含量食品的处理, 否则会使食品腐败。冷冻干燥的优点: ①对不耐热的物质来说, 其活力的破坏和损失最小; ②形成一层有孔的脆性结构; ③快速并完全复水; ④具有无菌过滤液体的能冻干产品的种类(按品种分) ①蔬菜类: 蘑菇、辣椒、姜蒜、胡萝卜等; ②水果类: 香蕉、苹果、草莓、桔子、水蜜桃等;
③鱼、肉类: 猪肉、牛肉、虾仁、海虾、海带、海参、贝类等;
④ 方便食品类: 碗仔面、盒装便餐、婴儿食品、旅游食品、军用食品等; ⑤ 调味品类: 汤料、果酱、香料等; ⑥ 饮料类: 速溶咖啡、速溶茶等。
⑦ 中草药类: 人参、冬虫夏草、山药、生物制品等; ⑧ 营养品类: 蜂蜜、蜂王浆、甲鱼、龟类等。
冻干食品具有方便、营养和绿色的优异品质。在国外冻干的方便、休闲、风味食品受到广大消费者的喜欢。冻干食品在国际市场的价格是热风干燥食品的4～6 倍 ,是速冻食品的7～8 倍,且其产量正以每年30 %的速度递增。据有关部门统计,目前,美国每年消费冻干食品500 t ,日本160 万t ,法国150万t 。日本每年需花1 000 亿日元进口冻干食品,日本、美国及欧洲等地每年均需冻干大蒜粉6 000 t ,可见冻干食品的国际市场很大,且正成为国际食品贸易的大宗贸易。全球的冻干食品产量从70 年代的20 多万t 上升到现在的数千万t 。随着人们生活水平的提高和环境污染的恶化,对冻干食品的需求会逐年上升,生产真空冷冻食品会成为食品加工的一个新热点,高真空冻结干燥装置的应用也会越来越广泛。
结论：我国现已成功入世,为农产品出口带来了良好机遇,同时也对食品加工提出了更高的要求,过去出口配额的限制已经成为历史,非关税的技术壁垒给企业带来了新的挑战。如何融入国际大市场参与国际竞争,需要相关产业的共同努力。随着真空冷冻干燥技术和设备研究的不断完善,真空冷冻干燥食品已经成为21世纪食品工业的发展方向。当然,食品的冷冻干燥以及这一技术的载体———真空冷冻干燥技术仍有很多尚待研究的问题,如何从冷冻干燥设备和能量利用两方面综合考虑冻干过程解决产品价值与加工成本的比例关系是该技术发展的关键,今后仍需低温、真空领域的工作者进行深入系统的研究。
