真空冷冻干燥的使用及应用

真空冷冻干燥的使用及其在食品中的应用

真空冷冻干燥(又称冻干,英文“Freeze Dried”简称“FD”),是真空技术与冷冻技术相结合的新型干燥脱水技术。冷冻干燥的简单定义是:先将湿物质冷冻,然后把它放到较低的水蒸气分压下,使冰直接升华成蒸汽的干燥方法。在这里较低的气压就是大约低于600Pa(4.5mmHg),也就是水的三相点。与其他干燥手段(水蒸气转变为气相)不同,物料中的水是固态直接转变为气态的。真空冷冻产品具有很多优点(下文有详细讲述),能提高产品附加值并促进地方经济发展,符合国家提出的农副产品加工要讲究高水平、高起点、高标准的发展方向。

水的三相变化温度是与压力直接有关的，随着压力的降低，水的冰点变化不大，而沸点则迅速降低。当压力低到某一值时，水的沸点与冰点相重合，即达到水的三相平衡点，这时的压力称为三相点压力(P0) ，相应的温度称为三相点温度(T0)。见水的三相图。

然而,冷冻干燥是一项成本和操作费用都很高的工艺,并且很费时。在20世纪60年代期间,人们期望这项工艺能有广泛的应用,并投人了相当大的资源去开发新的设备和方法。在美国和欧洲,用于冷冻和冷藏食品的高效分配和存储体系已经稳固地建立了起来。

1真空冷冻干燥原理

真空冷冻干燥基本原理是基于水的三种变化。水(H2O)有三种相态,即固态、液态和气态,三相态既可以相互转换也可以共存。三相点所对应的温度为0.0098℃,水蒸气压为610.5

Pa(4.58 mmHg),在这样的温度和水蒸气压下,水、冰、水蒸气三者可共存且相互平衡。只有在三相点以下,冰才能由固相直接转变为气相,这个过程称为升华。在高真空状态下,利用升华原理,使预先冻结的物料中的水分(不经过冰的融化)直接以冰态升华为水蒸气被除去,从而达到冷冻干燥的目的。

真空冷冻干燥设备的工作原理是:先将物料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后将经过预冻的物料装入干燥仓内,在低温真空状态下,由加热板以导热或辐射方式供给热能,使物料中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出来的水蒸气,由真空泵组抽至捕水仓内,在-40℃～-45℃的排管外壁上凝结被捕,直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空,完成物料冻干全过程[1]。

真空冷冻干燥机(简称冻干机)主要由真空冷冻干燥箱(简称冻干箱)、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。一般间歇式真空冷冻干燥机结构如图1[2]所示。

2真空冷冻干燥食品的特点

2.1物料干燥是在低温下进行,且处于真空状态。因此,特别适用于高热敏性和极易氧化物料的干燥,可以保留新鲜物料色、香、味及营养成份不损失。

2.2可保持食品原有的形状并具有很好的速溶性和复水性。由于物料在升华前先冻结,形成了稳定的固体骨架,所以水分升华后固体骨架基本保持不变。在升华干燥过程中,固态冰晶升华成水蒸气后在食品物料中留下了大量空隙,使得冻干食品具有海绵状多孔性结构,食品因此而具有理想的速溶性和快速复水性。复水后的食品无论其外观和形态及口味都与冻干前没有多大差异,复水率可达90%以上[3]。

2.3在升华过程中溶于水中的可溶性物质就地析出,避免了其它干燥方法因物料内部水分向表面迁移而将无机盐和营养物携带到物料表面而造成表面硬化和营养损失。

2.4冻干制品采取真空或充氮包装和避光保存,保质期长。由于重量轻,可室温储藏和运输,耗损大大降低。

3冻干机的组成

产品的冷冻干燥需要在一定装置中进行,这个装置叫做真空冷冻干燥机,简称冻干机。

冻干机按系统分,由致冷系统、真空系统、加热系统、和控制系统四个主要部分组成。按结构分,由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水汽凝集器、冷冻机、真空泵和阀门、电气控制元件等组成。图2是冻干机组成示意图。

图2 冻干设备组成示意图

冻干箱是一个能够致冷到-40℃左右,能够加热到+50℃左右的高低温箱,也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主要部分,需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上,对产品进行冷冻,并在真空下加温,使产品内的水份升华而干燥。

冷凝器同样是一个真空密闭容器,在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面,吸附面的温度能降到-40℃以下,并且能恒定地维持这个低温。冷凝器的功用是把冻干箱内产品升华出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面上。

冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门,再加上真空泵,便构成冻干机的真空系统。真空系统要求没有漏气现象,真空泵是真空系统建立真空的重要部件。真空系统对于产品的迅速升华干燥是必不可少的。

致冷系统由冷冻机与冻干箱、冷凝器内部的管道等组成。冷冻机可以是互相独立的二套,也可以合用一套。冷冻机的功用是对冻干箱和冷凝器进行致冷,以产生和维持它们工作时所需要的低温,它有直接致冷和间接致冷二种方式。

加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。有的是利用直接电加热法；有的则利用中间介质来进行加热,由一台泵使中间介质不断循环。加热系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热,以使产品内的水份不断升华,并达到规定的残余水份要求。

控制系统由各种控制开关,指示调节仪表及一些自动装置等组成,它可以较为简单,也可以很复杂。一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的功用是对冻干机进行手动或自动控制,操纵机器正常运转,以冻干出合乎要求的产品来。

4真空冷冻干燥的工艺流程及工艺要点

4.1预处理

包括选择、切分、清洗、漂烫、杀菌、添加反应剂和抗氧化剂等。其目的是清除杂物，使之易升华干燥；清除醇素引起的变质；防止脂肪氧化和酵母引起的化学变质。不同的食品，有不同的预处理工艺。预处理对冻干制品质量影响很大，需严格按工艺要求操作。

4.2预冻

预冻是将溶液中的自由水固化，使干燥后产品与干燥前有相同的形态，防止抽真空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生，减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。一般来说预冻之前应确定三个数据：预冻速率、预冻的最低温度和预冻时间。

4.2.1预冻速率

预冻的速度影响真空冻干食品的质量与冻干速率。为了获得不同的降温速度，就要采用不同的预冻方法。 图3 真空冷冻干燥工艺流程图

4.2.2预冻温度

食品在进入干燥室以前必须低于共晶（熔）点温度，预冻之前必须通过实验测得。测定共晶点的方法有多种，有电阻检测法、差热分析仪扫描法、低温显微镜直接观察法等。其中电阻检测法方便易行测量时先把需要冻干的产品配制成溶液或悬浊液，溶液冻结后离子将固定不能运动，因此电阻率将非常大，而有少量液体存在时电阻率将显著下降。因此测量产品的电阻率将能确定产品的共熔点。在制定实际工艺曲线时，一般预冻温度要比共晶点温度低5～10℃。

4.2.3预冻时间

根据设备的情况来决定，保证抽真空之前所有产品均已冻实。不致因抽真空而冒出瓶外，冻干箱的每一板层之间的温差越小，则预冻的时间可以相应缩短，一般产品的温度达到预冻最低温度之后1～2小时既可开始抽真空升华。

4.3冻干

冻干是工艺要求最复杂的一道工序，要严格按一定的工艺要求既冻干曲线进行。冻干曲线是指冻干物料温度和冻干箱内压力随时间变化的曲线。不同的物料、不同的品种、不同的冻干设备，都有不同的冻干曲线，一般都是由实验确定，再用来指导冻干生产。图4是冻干曲线示意图(其中没有冷凝器的温度曲线和真空度曲线)。

4.4后处理

经冻干的制品不仅含水量低，且其呈多孔状，组织表面比原来扩大100～150倍因而吸湿性强，易受氧化影响。为了便于保存，后处理不容忽视，后处理的主要内容是包装。包装材料一般选不透水、隔氧、遮光的真空镀铝薄膜及PET/铝薄/PP复合材料。包装形式可采用真空包装或真空充气包装（充氮或二氧化碳）。食品中的微生物会导致包装后食品的变质和败坏，必须采取各种有效的灭菌和消毒方法，对包装材料和食品杀菌。对冻干食品来说，常用的方法有紫外线杀菌和辐射杀菌。值得一提的是在包装过程中，随着技术的发展，微波也应用于食品包装上。

食品包装纸在生产、传输和保存过程中，极易受到病原微生物的污染，常规的化学或物理消毒方法都会损及纸的品质，尤其是化学消毒方法，甚至会因其臭味而降低纸的使用价值。有的考虑其安全问题，用紫外线灯进行灭菌，效果也不理想，所以很难处理。微波消毒比常规加热消毒所需温度低，杀菌可以从表面到内部均能实现。

在工艺操作过程中应注意如下几点:①前处理时应注意清理干净,加热漂烫要避免过度,这是产出高品质冻干食品的前提条件;②前处理后的原料要尽快速冻,避免在空气中暴露时间过长,冻结速度要快,使原料尽快通过最大冰晶生成区,使原料中的冰结晶尽量小,可最大限度图4 冻干曲线示意图

减小冰晶对原料结构组织的破坏;③速冻后的原料在进入升华干燥仓的时要尽量缩短,避免原料升温而影响干燥,同时,原进入升华干燥仓后要求真空度很快达到升华压及时供给升华热;④由于冻干食品为多孔状结构面积比原来扩大100~150倍,因此,从低温低压恢复常压时,最好在氮气环境中进行,以避免与氧的接触,同时,由于干制品吸湿性强,包装材料内放入吸湿剂,且包装材料应选择不透气、强度高色深为好。

5 真空冷冻干燥在食品中的应用

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力。

冷冻干燥的主要缺点是:①设备投资大(大约是其他方法的三倍);②能耗高(大约也是其他方法的三倍);③处理时间长(典型的干燥周期一般在4～10h之间);④当纯水冻结成冰时溶解物被浓缩,由于pH值和张力的变化,可能会损坏产品。当产品需要满足下列一个或多个标准时,冷冻干燥方法是非常适用的:①产品品质不稳定;②不耐热;③要求快速和完全复水;④高价值或高附加值产品[4];⑤要求质量最小化;⑥不适合长期冰冻冷藏的产品。

冻干产品的种类(按品种分) [5]

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。

冻干食品外销的利润是很可观的,如果经营得好,利税率一般都可达到40%以上。例如,一条装料面积200 m2的生产线,总投资粗估需840万元,如全年用300天生产冻干的大蒜、辣椒和西兰花,年总产值可达1500万元,年利税可达600万元,利税率约40%[6]。

真空冷冻干燥技术在水产品加工方面有着广阔的应用前景。水产品有高的附加值,且脂肪含量相对较低。我国传统的名贵海产品加工制品如干贝、海参、鱼翅、海米等,几乎都是采用干制的方法加工而成的。研究表明,采用传统的自然风干或人工热风干燥加工上述海产品时,水溶性及热敏性等营养活性物质有一定的损失,同时,制品的体积缩小严重,复水较难,还易出现表面结壳、龟裂、脂肪氧化、产品表面变色等质量缺陷,并影响制品质量的均一性和耐藏性。如果采用真空冻干技术代替传统方法来加工海产珍品,就可有效克服上述不足,改善其外观和内在品质,因而可提高经济效益[7]。根据美国农业部提供的资料,真空冻干食品的加工费是冷冻食品和罐头食品的2倍多,但其销售储藏费用较低。从整个加工流通过程的总成本看,真空冻干食品为罐头食品的1.02倍,为冷冻食品的1.28倍,三者相差不大。如果冻干的是保健品、海产珍品、海洋药物等较贵的原料,那么原料费用占总成本的比例就比较大,此时冻干食品的高品质、高档次、高价位的优势就会显示出来[7]。