杜瑞丽，陈兴煌
（福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002）
摘 要：冻干技术作为一种高新的干燥技术广泛应用于食品干燥领域，在食品加工过程中起到重要作用，使食品原料快速干燥。此外冻干技术还应用于生物、医药、化工等领域。文章主要综述了冻干技术原理及其在食品加工中的应用，以期为今后对冻干技术进一步的研究和在食品加工中的应用提供参考。
关键词：冻干技术；食品加工；应用
冻干技术即真空冷冻干燥技术，是一门跨学科的复杂技术，是真空与冷冻相结合的新型干燥技术。冻干技术是将含水物料冷冻成固体，在低温低压条件下利用水的升华性能，使物料低温脱水而达到干燥目的的一种干燥方法[1]。冻干技术作为一种高新技术应用在食品工业中，有效的保持了物料原有的色、香、味及营养物质等。对食品工业的发展具有推动作用，提高食品加工业的技术含量，使食品工业发生质的飞跃。
目前，脱水干燥的方法主要有热风干燥、微波干燥、远红外干燥、真空冷冻干燥、热泵干燥、气调干燥等，其中，冻干技术尤为重要。真空冷冻干燥技术越来越广泛应用于食品加工业。与传统干燥方法相比，真空冷冻干燥技术能够有效保持物料的结构，在低温条件下，将产品水分含量降到最低，从而减缓其自身化学反应的进行[2]，能保持新鲜食品的色、香、味、形，最大限度地保存了食品内部的维生素、蛋白质等营养成分，使其贮藏稳定性显著增强，且复水性好，因而被广泛地用于食品工业生产中[3]。
1.1 冻干技术的发展历史
冷冻干燥技术是20世纪新兴的一种应用于生物体的脱水干燥方法，早在1921年苏联科学家拉巴一斯塔罗仁连茨就发明了冻干技术，1942年二战期间，美国首先将该项新技术应用于制药工业领域[4]，血液和抗生素的冻干保存技术在制药工业得到广泛应用[5]。第二次世界大战后，德国、荷兰等西欧国家才将冻干技术用于食品工业，此后，美、英、法、日和港、台等一些发达国家和地区先后建起了冻干食品厂[6]。我国冻干食品起步较晚，70年代在北京、上海、大连等地相继建立了试验和生产基地，但由于冻干制品昂贵、缺乏市场等原因，迫使这些基地停止运行被拆除。随着我国经济建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，90年代冻干技术在我国也日趋完善发展，规模变得越来越大，并取得一定的成绩。目前，河南、广东、江西、浙江、宁夏、新疆、上海、北京、河北、山东等各地已建立一批冻干食品加工厂，带动了当地经济的快速发展，使得冻干技术发展到了一个新的高度。
1.2 冻干技术的原理
冻干技术是一种特殊的干燥技术，冻干技术的基本原理是根据水的3相变化。水（H2O）的3相为固态、液态和气态，水的三相之间既可以共存又可以相互转换[7]。水（H2O）的相平衡图如图1所示，3相点所对应的温度为0.01℃，水蒸气压为6.105×10-4MPa，在此条件下，水、冰、水蒸气3相既共存又互相平衡。当水蒸汽压大于6.105×10-4MPa时，冰会融化为水，水再蒸发为水蒸气，即为蒸发过程；当水蒸汽压小于6.105×10-4MPa，冰加热升华为水蒸气，即为升华过程[8]。真空冷冻干燥就是利用了水的相变这一原理，冷冻干燥是将物料预冷至-30～-40℃，能够使物料中的大部分水分冻结成冰，然后提供低温热源，在真空条件下，冰被升华为水蒸气，从而使物料达到脱水干燥的目的。其与传统的加热方法不同，加热干燥只发生一个从“液体→气体”的相变，而冷冻干燥则需要经过两次相变，先从“液体→固体”的形变，再经过升华“固体→气体”的相变[9]。此外，经冻干技术处理的物料呈多孔、疏松结构，具有更好的复水性，便于后续加工处理或直接食用[10]。
图1 水的三相平衡图
1.3 冻干技术的设备[11-15]
真空冷冻干燥设备通常由干燥室、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统设备组成。
1.3.1 干燥室
干燥室是冻干机的重要设备之一，干燥室的性能直接影响到冻干机的性能，既能加热又能制冷。它有圆筒形及方形两种主要形状，圆筒形容易操作，制作成本较高；而方形则相反。
1.3.2 制冷系统
制冷系统是冻干机的一个关键设备，制冷系统主要包括：制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀等。氨压缩机是最常使用的制冷压缩机；蒸发器多采用换热效率高的板式换热器；冷凝器常采用体积小、效率高的壳管式换热器；外平衡式热力膨胀阀则是应用较多的热力膨胀阀。制冷系统主要是为冷冻干燥室内物料预冻和冷阱供给充足的冷量。
1.3.3 真空系统
真空系统由真空泵、真空压力计、真空压力开关和真空度调节阀等构成，整个系统必须达到完全密封，一般采用机械真空泵，最常见的真空泵有旋片式和滑片式油封机械真空泵。
1.3.4 加热系统
加热系统由加热板、换热器、循环泵及管路、阀门、温度传感器等组成，电加热和蒸汽加热是两种主要的加热方式，加热系统可使产品中的冰晶升华成水蒸气，也为冷凝器内的积霜溶解提供足够的热量。
1.3.5 控制系统
控制系统主要包括：各类开关、安全装置、自动监测传感器和仪表等，既有手动控制也有自动控制，控制系统是冻干机的指挥控制中心，能够有效地控制冻干工艺流程的正确运行，并且记录冻干过程的有效参数。
1.4 冻干技术的工艺流程
原料→前处理→预冻→速冻→干燥（升华干燥—解析干燥）→后处理。
1.5 冻干食品的优点
1.5.1 食品干燥是在低温（-40～-60℃）下进行，并且处于高真空状态。因此，对高热敏性和极易氧化食品原料的干燥很适用，可以有效保持新鲜食品原料的色、香、味及营养成分。例如：菠菜中的维生素晒干后仅剩7%，而冻干多达94%[9]。
1.5.2 冻干产品不会丧失其原有的固体骨架结构，形状不易发生变化，而且具有高效的速溶性和复水性。食品复水后的外观和形态及口味等都没有发生太大的变化，复水率高达90%以上[16]。
1.5.3 冻干食品采取真空或充氮的方式进行包装，且避光保存，因此，保质期较长，易于食品的保藏[17]。
1.5.4 在升华干燥过程中，物料中溶于水中的可溶性物质不会发生向表面迁移，而是就地析出，因此，可有效地避免物料表面营养成分的损失和表面硬化等现象[18]。
1.6 冻干食品的缺点
1.6.1 冻干产品加工工艺复杂，工艺流程长一般分为：前处理、预冻、速冻、升华、解析和后处理6个流程，每个流程都有相应的条件要求，不易控制。
1.6.2 生产设备复杂，投资大，通常由干燥室、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等设备组成。1.6.3冻干食品的生产成本较高，在冷冻干燥过程中制冷系统和加热系统需要消耗大量能量；产品包装要求高，包装的材料和方式等都要求相当严格，这进一步推高生产成本[19]。
杨涓[20]将枸杞进行真空冷冻干燥处理，研究发现，采用冻干技术对新鲜枸杞进行加工后其色、香、味及营养物质得到有效地保存，经冻干制得的枸杞粉质轻，较容易保存，易于运输。冻干技术为枸杞深加工提供了一种良好有效的加工手段。
王锐平等[21]对采用冷冻干燥法制作速溶大枣粉进行了研究，研究发现，枣浆的共晶点是-32℃，共熔点是-28℃。研究还发现，在冻干过程中，加入助干剂（如麦芽糊精）使枣粉干燥效果更加明显。大枣中的抗环血酸含量很高，他们在对枣进行真空冷冻干燥加工过程中，发现冻干处理有效的保留了枣粉中的抗坏血酸含量，保留率可高达87.4%。因此，可见冻干技术在枣粉加工过程中起到重要作用。
易丽等[22]采用冻干技术加工番木瓜片，从而得到番木瓜片在冻干过程中的一些加工工艺参数，他们通过正交试验，分析了番木瓜片的厚度、升华及预冻温度对冻干的番木瓜片的复水性和色泽的影响；还通过多指标综合加权评分法综合评价其复水性和色泽，从而优化了番木瓜片的冻干加工工艺参数。结果表明，番木瓜片冻干的较优工艺参数为升华温度35℃，预冻温度-40℃，物料厚度3mm；方差分析结果显示升华温度的影响较显著，而物料厚度、预冻温度的影响不明显（升华温度＞预冻温度＞物料厚度）；此外，在较优工艺参数条件下，番木瓜片的复水比为5.36、总色差值为9.03，与正交试验结果相近，因此，可为番木瓜片的冷冻干燥加工提供更加可靠的参考依据。
何建军等[23]采用正交试验对新鲜莲子进行冻干加工，探究了冻干莲子产品的含水量、外观、复水性、营养成分等感官理化特性。结果表明：冻干技术既没有改变新鲜莲子的风味，又避免了营养成分的损失，从而得到莲子的最佳冻干工艺参数：装盘料为每盘750g，速冻温度-36℃，速冻时间为12h，干燥升华时仓压110～130Pa；干燥解析时仓压为30～50Pa，解析时的物料温度为45～50℃。
冻干技术作为一种新兴的脱水干燥技术，广泛适用于蔬菜、水果、肉类、水产、药品的护色、保鲜、保质等，在食品加工业中得到广泛应用。冻干食品是通过真空冷冻技术与工艺加工而成的具有高品质绿色、纯天然的食品，目前在国际市场中的销量达到30%的增速[24]。在国外食品工业中冻干食品已非常普遍并具有相当大的规模，而我国冻干食品刚刚起步，但该项技术已经引起了我国科研部门的重视，逐步应用于各个食品行业，占有一定的市场地位[25]。随着我国果蔬业、水产业等产业的快速发展以及人民生活水平的进一步提高，使得对食品的要求也越来越高，因而冻干食品成了食品加工业发展的另一趋势[26]。另外，冻干技术由于设备复杂、耗能大、成本高等缺点，从而限制了其发展，对于我们研究该项技术是一个挑战，有待进一步解决。总之冻干技术在我国食品加工业作为一项新技术，必将为食品工业提供有利的条件，只要抓住机遇，积极发展冻干食品，开拓国内食品市场，就会在国际市场上占有一定的有利地位。因此，冻干技术在食品加工业中的发展前景无限。
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doi：10.3969/j.issn.1007-550X.2017.05.006
中图分类号：TS205.1
文献标识码：A
文章编号：1007-550X（2017）05-0043-04
*基金项目：福建省经信委“企业技术创新项目（产学研合作）”（项目编号：108KLf16003A）。
收稿日期：2017-03-10
作者简介：杜瑞丽（1988- ），女，山东省沂南县人，硕士研究生，研究方向：食品加工工艺与新技术。
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