冷凍干燥技術及其在食品工業(yè)中的應用


1.冷凍干燥食品的概念
干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。冷凍干燥（Freeze Dry）是一種新型干燥技術，即在低溫條件下，對濕物料凍結，再在較高真度下加熱，使固態(tài)冰升華，脫去物料中的水份，全稱為真空冷凍干燥技術，簡稱凍干技術。采用凍干技術獲得的食品就叫凍干食品，也叫FD食品。
2.冷凍干燥食品的分類和特點
2.1凍干食品的分類
幾乎所有含水的食品都可以進行凍干，但對某些糖分含或膠質含量過高的食品以及共晶點溫度過低的食品，凍干比較困難?？蓛龈傻母黝愂称啡缦拢?br /> 2.1.1蔬菜類
香蔥、大蒜、洋蔥、生姜、辣椒、青椒、胡蘿卜、菠菜菜花、荷蘭豆、蘆筍、豆角、歐芹、西蘭花、食用菌等。
2.1.2水果類 蘋果、桃、梨、杏、紅棗、革莓、香蕉、菠蘿、哈密瓜、龍眼、榴蓮、藍莓、山竹等。
2.1.3肉類 牛肉、羊肉、豬肉、雞肉、蛇肉等。
2.1.4水產類 魚片、蝦仁、蟹肉、墨魚絲、魷魚、銀魚、海參、干貝等。
2.1.5方便食品類 方便面及其輔料、肉丸、湯料，嬰兒食品、軍用食品、宇航食品等。
2.1.6速溶飲料類 咖啡、牛奶、豆?jié){、果汁、蜂王漿等。
2.1.7調味品類 果醬、湯料、調料、香料等。
2.1.8
其他類茶葉、中藥材動物膠蛋白、人參、酶制劑等。[1]
2.2凍干食品的特點
2.2.1冷凍干燥在低溫下進行，特別適用于熱敏性食品，使其不致變性或失活。特殊風味食品中風味物質損失小，能最大限度地保存食品的色香味。
2.2.2冷凍干燥不改變食品的物理結構，化學變化也很小，干燥后疏松多孔，體積幾乎不變。
2.2.3復水快，食用方便。干燥后的物質疏松多孔呈海綿狀，加水溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的形狀。
2.2.4干燥過程真空度高，易氧化物質得到保護。
2.2.5凍干食品重量輕體積小，易于儲存和運輸。各種凍干蔬菜壓塊后包裝，體積縮小幾十倍，重量減輕十幾倍，包裝倉儲運輸成本大大降低。
3.冷凍干燥技術原理
3.1水的三相點
真空冷凍干燥基本原理是基于水的三相變化。隨著壓力的降低，水的冰點變化不大，而沸點不斷下降，逐漸接近冰點。當水的沸點降至與冰點重合時，氣、液、固三相水共存，此時對應的氣壓溫度值稱三相點，純水的三相點為（610.5Pa，0.01℃）。在三相點溫度和壓力以下，冰由固相直接轉變?yōu)闅庀啵Q之為升華。

圖3-1 水的三相圖
3.2升華
在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預先凍結的果蔬中的水分直接以冰態(tài)升華為水蒸氣被除去，從而得到冷凍干燥脫水食品。凍干過程由于升華吸熱，需要在凍干階段補充熱量，通過干燥層不斷傳遞給凍結部分，在升華界面上，水分子被加熱后沿毛細孑管進入到周圍環(huán)境中被冷凝器捕捉而排除，避免了真空度的降低。在干燥過程中，物料必須處于真空冷凍狀態(tài)，且需維持物料溫度低于三相點溫度。
3.3共晶點與共熔點
共晶點是指物料溶液析出冰晶體后，水與溶質達到平衡，共晶溶液全部凍結時的溫度，是溶液完全凍結固化的最高溫度。
溶液完全凍結后，隨著溫度上升，開始有冰晶融化的溫度稱為共熔點。
凍結的最終溫度常以物料的共晶點為依據，必須達到共晶點以下才能保證物料完全凍結。干燥過程中的物料，其干燥層溫度必須保持在共熔點以下，否則不能保證水分全部以汽化形式除去。
數據自張國治主編《速凍機凍干食品加工技術》
表3-1幾種蔬菜的共晶點、共熔點
4.一般凍干食品工藝流程及設備
4.1預處理
不同的物料在預凍和冷凍干燥前要有必要的預處理，以使之便于加工。水果蔬菜類的物料需要揀選檢測、清洗、(去皮去核)、切割、熱漂燙和冷卻處理。肉和水產品物料需要檢測篩選、冷卻排酸熟化、切片（可在預凍步驟之后）處理，熟食產品（魚香肉絲等中式菜品）需在烹調后按標準挑取和混均，取樣測出水分含量以便確定冷凍干燥技術參數。蛋白和乳制品需要加入蛋白質凍干制品保護劑，如甘油、山梨醇、雙糖、氨基酸、聚乙二醇、重組蛋白等，以避免凍干過程中凍結應力、干燥應力、低溫應力等導致的蛋白質不穩(wěn)定化。
4.2產品預凍
產品用適宜的容器分裝，預先凍結至共晶點以下，才能進入冷凍干燥。預凍的目的是保護物料的主要性能不變，生產的凍干制品有合理的結構以有利于水分升華。凍干的物料需配置成10%-15%溶液，采用散裝或瓶裝方式分裝。預凍可以直接在凍干箱內進行，也可在箱外進行，必要時用旋凍方法或離心預凍法縮短預凍時間。
4.3產品第一階段干燥
圖4-1 凍干果蔬制品工藝流程圖[12]
在產品的凍結冰消失前的升華過程為第一階段干燥，即升華干燥。此時注意提供適宜速率的熱通量保證升華的進行而又不致達到共熔點以上，溫度過低升華時間太長，溫度高于共熔點將發(fā)生產品體積縮小、出現(xiàn)氣泡溶解困難等不良現(xiàn)象。同時，為排除升華產生的大量水蒸氣，需用相當的冷凝器捕獲水蒸氣凝結后排出，以保持系統(tǒng)內的真空度。一般冷凝器-40℃以下的低溫，可以保證1Pa氣壓。
4.4產品第二階段干燥
不含凍結冰的產品尚含有10%的水分，為使產品達到預定的殘余含水量，必須對其進一步干燥，稱之為解析干燥。此階段可使產品溫度迅速上升至該產品允許最高溫度，（一般是25-40℃），以利于降低殘余水量并減少解析干燥的時間。
4.5凍干食品的后處理
干燥結束后，對食品進行一個調節(jié)過程：解除真空環(huán)境之前，需要穩(wěn)定一段時間，使使食品中剩余水分和溫度完全均勻。為抑制微生物在消除真空環(huán)境后繼續(xù)滋生，應該用干燥、清潔無菌的N2消除真空，出箱時放入的應是無菌干燥空氣。干燥后的產品應迅速分裝保存或暫時保存到干燥柜中，盡快包裝貼標，檢測合格后即成正式產品。
4.6凍干設備及性能指標
真空冷凍干燥機由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、干燥及加熱系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，按結構可分為干燥箱、冷凍機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。食品凍干設備一般可分為連續(xù)式和間歇式，各自特點如下表：
表4-1連續(xù)式和間歇式冷凍干燥裝置性能比較
2001年國家監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家機械工業(yè)聯(lián)合會批準“食品冷凍干燥設備”機械行業(yè)標準JB/T10285-2001，主要性能指標如下：
干燥箱空載極限壓力5～15Pa；抽空時間不大于0．75h；漏氣率從10Pa開始觀測，觀測0．5h，靜態(tài)漏氣率不大于0．025Pa •m3/S；降溫速率擱板溫度20℃±2℃降至40℃的時間應不大于2h；抽水器降溫速率從20℃±2℃降至一50℃的時間應不大于lh；凍干箱內板層溫差與板內溫差板層溫度控制在±2℃，板內溫度為±1．5℃；捕水器捕水能力應不小于10Kg/m2。
5．我國凍干食品發(fā)展過程及前景
5.1我國凍干食品業(yè)發(fā)展歷程。
我國凍干食品加工技術的發(fā)展起步于50年代，開始研究冷凍干燥技術在食品加工中的應用。進入80年代后，隨著我國經濟的迅猛增長，食品工業(yè)得到飛速發(fā)展。國內企業(yè)開始大膽引進國外先進凍干技術設備，凍干食品的加工才在我國逐漸發(fā)展起來。首先是青島第二食品廠率先引進日本凍干技術設備，生產凍干蔥、凍干姜片，隨后寧夏寒力冰食品有限公司引進意大利設備，廈門佳裕食品有限公司引進臺灣設備等等。生產出的凍干食品主要出口創(chuàng)匯，并取得了較好的經濟效益。進入90年代，我國進一步深化改革開放，國內豐富的原料市場和充實的勞動力，吸引許多外商到大陸來投資辦廠。由于我國方便面工業(yè)的大發(fā)展，而其中的調料均選用凍干食品(如凍干魚蝦、魚版、牛肉、雞肉、香菇、青豆等)，再加上國外對凍干食品的需求，都拉動了我國凍干食品的發(fā)展。凍干食品的暢銷和高附加值也刺激了國內科研單位和企業(yè)開始研制生產自己的凍干設備。廣東、山東、河南、寧夏等地出現(xiàn)了30余家凍干設備生產廠，少數設備的主要性能指標(如真空度、冷阱溫度、捕水能力)已接近國外80年代中期水平。據報道我國近年已成功研制達到國際先進水平的JDG型國產凍干設備及配套生產線，可大批量生產凍干食品，這些必將推動我國凍干食品的長足發(fā)展。我國凍干設備基本上走的是一條引進、吸收、消化的道路。雖然國產凍干設備與進口設備相比還有一定差距，特別是自動化技術遠不如國外，但國產凍干設備價格低廉，僅為進口設備1／5，并隨著技術的不斷引進，國產凍干設備也在迎頭趕上，特別是我國自行研制的100m2-200m2型干燥倉投人生產，說明我國凍干設備的核心技術已達到相當水平。然而隨著中國即將加入WTO，大批國外先進設備的涌人，國內凍干設備廠家和凍干食品市場必將面臨強大沖擊，而另一方面，我國凍干食品在國外供不應求，可謂利潤豐厚。
5.2我國凍干食品行業(yè)發(fā)展前景
凍干食品由于采用當今食品加工中的高新加工技術，使得凍干食品集方便、天然、可保藏性于一體，既保留食物原有的色澤、味道，又最大限度的保留了食物中的天然營養(yǎng)成份。國外凍干食品市場暢銷兩旺也說明了這一點。而就國內來說，我國有豐富的原料供應地，側如我國的香菇、草菇、側耳、術耳等食用菌年產量達58．5萬噸，占世界總產量的29．1％。而我國生產的凍干食品如凍干野菜、蔥、姜、凍干菇、凍干蝦仁等在日本、美國、德國市場成為搶手貨。[5]
同時，應該看到凍干技術與其他技術的聯(lián)合應用，大大提高了生產效率和產品質量，使凍干食品具有更廣闊的前景。如為加快升華速度，可利用微波源工作提供熱量。普通加熱方式總是要靠內外溫度梯度來傳熱，因此表面溫度高于內部溫度，食品物料導熱系數都很低，傳熱速度很慢。而微波加熱屬介電加熱，物料整體同時吸收能量，尤其對于多數食品，主要微波能量都被水分吸收，干的部分卻不受影響，這就使物料升溫一致，不易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。另外，微波加熱不受真空狀態(tài)的限制，加熱效率很高，這也是微波凍干的最大優(yōu)勢。
隨著我國人民生活水平的提高和消費觀念的改變，凍干食品以其方便性和營養(yǎng)性，必將得到國人的喜愛?？觳蜆I(yè)的發(fā)展對方便凍干食品需求也越來越大，可以說我國發(fā)展凍干食品市場前景非常廣闊。