本文介紹了真空冷凍干燥技術(shù)的基本原理，綜述了國內(nèi)外食品冷凍干燥技術(shù)的研究狀況和食品冷凍干燥技術(shù)的運(yùn)用情況，探討了國內(nèi)食品冷凍干燥存在的問題。

1. 引言

　　真空冷凍干燥技術(shù)在最近的二十年中取得了長足進(jìn)展。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著人們環(huán)保意識、健康意識的進(jìn)一步加強(qiáng)，必將對消費(fèi)品的品質(zhì)提出更高要求。生活節(jié)奏的不斷加快，人們對方便快餐食品的需求也將日趨旺盛。所有這些都將有力地推動(dòng)真空冷凍干燥技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使其應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。因此，真空冷凍干燥必將成為二十一世紀(jì)的重要應(yīng)用技術(shù)。

2. 真空冷凍干燥的基本原理

　　真空冷凍干燥是將含水物料凍結(jié)后，在真空環(huán)境下加熱，使物料中水分直接除去，從而使物料脫水獲得凍干制品的過程。真空冷凍干燥屬于物理脫水，了解它應(yīng)該從水的三相圖開始。

　　在低壓下水的相變過程和常壓下大體相似，但相變時(shí)的具體溫度不同。例如在103 Pa壓力下，固態(tài)冰轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的溫度略高于0℃，而液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽的溫度為6.3℃，可見降低壓力后冰點(diǎn)變化不大，而沸點(diǎn)卻大大降低了。可以想象，當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)，沸點(diǎn)即與冰點(diǎn)相重合，固態(tài)冰就可以不經(jīng)液態(tài)而直接變?yōu)闅鈶B(tài)，這時(shí)的壓力稱為三相點(diǎn)壓力，相應(yīng)的溫度稱為三相點(diǎn)溫度。

水的相平衡圖

　　水的三種聚集態(tài)隨溫度和壓強(qiáng)不同而變化，以壓強(qiáng)為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)表示水的聚集態(tài)，稱為水的相平衡圖。由圖可以看出，OS,OL，OK三條曲線把相圖分成三個(gè)區(qū)域，即氣相、液相、固相。OS曲線為氣固兩相平衡共存的狀態(tài)，這時(shí)的水蒸氣壓強(qiáng)為水的飽和蒸汽壓，OL曲線為液固兩相平衡共存的狀態(tài)，OK曲線為氣液兩相平衡共存的狀態(tài)，K為水的臨界點(diǎn)，K點(diǎn)溫度為374℃，壓強(qiáng)為2.11×10⁷Pa，在此點(diǎn)液態(tài)水不存在。O點(diǎn)為三條曲線的交點(diǎn)，即三相點(diǎn)，三相點(diǎn)溫度為0.01℃，三相點(diǎn)壓力為610.5Pa，是水的三相平衡共存的狀態(tài)。真空冷凍干燥是在三相點(diǎn)以下進(jìn)行的。

3. 凍干食品的特點(diǎn)

　　由于真空冷凍干燥在低溫低壓下進(jìn)行，而且水分不經(jīng)過液態(tài)直接升華，真空冷凍干燥產(chǎn)品可確保食品中蛋白質(zhì)、維生素等各種營養(yǎng)成份，特別是那些易揮發(fā)的熱敏性成份不損失，因而能最大限度地保持原有的營養(yǎng)成份，有效地防止干燥過程中的氧化、營養(yǎng)成份的轉(zhuǎn)化和狀態(tài)變化。冷凍干燥制品成海綿狀、無干縮、復(fù)水性極好、食用方便、含水分極少，相應(yīng)包裝后可在常溫下長時(shí)間保存和運(yùn)輸。因此賦予其產(chǎn)品許多特殊的性能：

　　1.脫水比較徹底，有利于長時(shí)間貯存。

　　2.物料干燥過程在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其它干燥方法相比，其產(chǎn)品相對于新鮮物料的收縮率要小得多，較好地保存了其原料的組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)。

　　3.不存在表面硬化問題，且內(nèi)部呈多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性。這一性能在即食方便食品中體現(xiàn)出了非常明顯的優(yōu)勢。

　　4.由于干燥過程在很低的溫度下進(jìn)行，而且基本隔絕了空氣，有效地抑制了熱敏物質(zhì)的生物的、化學(xué)的或物理的變化。充分保存了原料中的營養(yǎng)成份和活性物質(zhì)，較好地保持了原料的天然色澤和氣味。

　　5.減少了產(chǎn)品的含水量，降低了重量，便于運(yùn)輸。

4. 食品凍干技術(shù)的研究狀況

4.1 國外的研究狀況

　　食品的凍干技術(shù)起源于二十世紀(jì)三十年代。1930年Flosdorf開始了食品凍干實(shí)驗(yàn)。1940年英國的Fikidd，chvacuum.com提出了用冷凍干燥方法進(jìn)行食品處理的技術(shù)。1961年英國食品部在Aberdeen 實(shí)驗(yàn)工廠開始了食品凍干的研究,他們在綜合了當(dāng)時(shí)各國和自己研究成果的基礎(chǔ)上公布了試驗(yàn)結(jié)果，證明凍干法用于食品是獲得優(yōu)質(zhì)食品的一種方法。幾乎在同一時(shí)期,美、日、德、荷蘭、丹麥等國家相繼建立了食品凍干加工廠。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1963年美國有食品凍干廠11家,歐洲各國有25家。1965年全球已有凍干食品廠50多家。到1972年, 美國有凍干食品生產(chǎn)廠41家, 歐洲各國49家,日本有13家，凍干食品產(chǎn)量增加也很快,僅從美國統(tǒng)計(jì),1963年凍干食品產(chǎn)量約為5000噸,1970年產(chǎn)量為157000噸,1972年產(chǎn)量為175000噸。八十年代白俄羅斯的斯魯茨克市建成了大型生產(chǎn)線,凍干奶酪,年產(chǎn)量為150噸。1985年日本有25家食品凍干公司。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學(xué)和冷凍干燥技術(shù)研究所(ICL)主要研究宇航食品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養(yǎng)食品。該研究所目前在世界上排名第三位,僅次于美國和俄羅斯。本文由真空技術(shù)網(wǎng)首發(fā)。

　　美國凍干食品發(fā)展最快,在全美方便食品中凍干食品占40%～50% ,在20家生產(chǎn)咖啡和茶的工廠中,就有10家采用凍干法生產(chǎn)。日本目前已有35個(gè)凍干食品生產(chǎn)廠家,年產(chǎn)值達(dá)13億日元。美、日凍干蔬菜在市場上已占近10%。凍干食品的普及性在一些發(fā)達(dá)國家已達(dá)到相當(dāng)高的程度。

　　凍干理論和工藝的研究正在向著深入和廣泛的方向發(fā)展。1967年Sandall等提出了凍干冰界面均勻后移的穩(wěn)態(tài)模型(URIF模型),實(shí)驗(yàn)證明能較好地計(jì)算出升華階段所需的時(shí)間。1968年Dyer等提出了熱量由擱板通過冷凍層,凍干室內(nèi)氣體通過已干層以及在輻射條件下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)凍干模型。1979 年Litchield等提出了凍干的吸附—升華模型, 給出了數(shù)值解。近年來,研究各種物料在凍干過程中的傳熱傳質(zhì)特性和凍干工藝方面的文章較多。意大利對凍干蘋果、檸檬和糖的均化混合液加牛奶后脫水理化特性進(jìn)行研究。德國對天然淀粉、改性淀粉、淀粉果膠等進(jìn)行理化研究。俄國研究凍干牛肉的熱物性。日本研究膠狀魚粉的凍干。西班牙研究凍干乳酸干。印度研究凍干香蕉粉。捷克研究薄層物料的凍干工藝等等。

　　食品凍干設(shè)備于1943年出現(xiàn)在丹麥。發(fā)展到今天,世界上各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國家?guī)缀醵忌�產(chǎn)了食品用凍干機(jī)。從凍干面積上分,有小到0.1m2 的實(shí)驗(yàn)凍干機(jī)和大到愈千平方米的生產(chǎn)用凍干機(jī);從干燥倉形狀看有方形、圓形和隧道式;從自動(dòng)化程度看,可分手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng);從工作方式看有間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式;從冷凍方式看, 可分成凍干合一型和凍干分離型兩種。食品凍干設(shè)備的生產(chǎn)廠家在世界上較有影響的有丹麥Atlas公司和日本共和真空株式會(huì)社。Atlas公司生產(chǎn)的凍干分離型凍干設(shè)備,用裝料車整體裝料、凍干和運(yùn)輸, 可實(shí)現(xiàn)半連續(xù)生產(chǎn), 結(jié)構(gòu)合理、節(jié)省能源。該公司生產(chǎn)的連續(xù)性食品凍干設(shè)備適合于大批量食品的凍干生產(chǎn)，性能比較先進(jìn)。日本是擁有凍干設(shè)備最多的國家,凍干設(shè)備的干燥面積可達(dá)2.3×10 4 m2 。日本共和真空株式會(huì)社生產(chǎn)的食品凍干機(jī)一般是間歇式的,凍干機(jī)周期性工作,食品分批干燥。