真空冷凍干燥技術(shù)在食品方面的應(yīng)用研究

路敏 陳媛媛

摘 要：我國作為一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，糧食、果蔬產(chǎn)量巨大，但現(xiàn)今我國約30%的糧食、果蔬等農(nóng)產(chǎn)品在運輸、加工中受損，這在強調(diào)綠色發(fā)展的今天已成為不可忽視的數(shù)字。真空冷凍干燥技術(shù)能夠在維持食品色、香、味的同時，最大限度保留其維生素、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，使其在常溫環(huán)境下能夠較長時間保存，是避免農(nóng)產(chǎn)品受損的有效方式，經(jīng)濟價值巨大。本文介紹了真空冷凍干燥技術(shù)的原理，并對其在食品方面的應(yīng)用進行了研究，希望能夠提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞：真空冷凍干燥技術(shù)；食品；應(yīng)用

Application of Vacuum Freeze Dried Technology in food

LU Min1， CHEN Yuanyuan2

（1.Tianjin C.Y. Foods Co.， Ltd.， Tianjin 300308， China;

2.Tianjin Huace Testing Certification Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： As a large agricultural production country， China has a huge output of grain， fruits and vegetables. However， about 30% of the grain， fruits and vegetables in China are damaged in transportation and processing， which has become a number that can not be ignored today when green development is emphasized. Vacuum freeze-drying technology can not only maintain the color， aroma and taste of food， but also retain its vitamins， proteins and nutrients to the maximum extent， so that it can be stored at room temperature for a long time. It is an effective way to avoid damage to agriculture products and has great economic value. In this paper， the principle of vacuum freeze-drying technology is described in detail， and its application in food is studied. I hope it can provide reference and help.

Keywords： vacuum freeze drying technology; food; application

受到外界環(huán)境、自身特點等影響，食品在存儲、運輸、加工過程中會不可避免地發(fā)生物理、化學(xué)、生物變化，導(dǎo)致其外觀形狀發(fā)生改變、營養(yǎng)成分降低，損害了其經(jīng)濟價值。干燥是人們在歷史發(fā)展進程中探索出的有效食品加工技術(shù)之一，真空冷凍干燥技術(shù)將真空、低溫與干燥結(jié)合，能夠更加有效地保留食品品質(zhì)，延長食品儲存期限[1]。

1 真空冷凍干燥技術(shù)原理

真空冷凍干燥技術(shù)是基于熱力學(xué)中的相平衡理論實現(xiàn)的。相平衡即為多相系統(tǒng)中各相變化達到的極限狀態(tài)，這一狀態(tài)下，相際物質(zhì)傳遞凈速率為0。對于水來說，其有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3種相態(tài)。當(dāng)外界壓力下降時，水的沸點會逐步降低，在溫度0.009 8 ℃，

壓力609.3 Pa時與冰點重合，達到相平衡。當(dāng)水的壓力繼續(xù)下降，其中的冰會直接轉(zhuǎn)化為水蒸氣，實現(xiàn)冰晶升華。真空冷凍干燥技術(shù)是先對含有大量水分的新鮮食品進行預(yù)冷凍處理，使得其中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w冰結(jié)晶，進一步將其置于真空環(huán)境中，借助相平衡使得冰結(jié)晶轉(zhuǎn)化為水蒸氣，吸附剩余水分后，可將食品中的含水量降低至1%～4%，實現(xiàn)干燥的目的。

2 真空冷凍干燥技術(shù)在食品方面的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 保留食品色、香、味

色、香、味是人們購買食品的主要因素之一。新鮮食品較易氧化，或受到酶、微生物的影響而腐敗變質(zhì)，進而改變色、香、味。真空冷凍干燥將食品置于缺氧、低溫狀態(tài)，有效避免受到氧氣、酶、微生物的影響，使其色、香、味得以留存。此外，食品在常溫儲存過程中，營養(yǎng)物質(zhì)會逐步流失?？茖W(xué)研究表明，真空冷凍干燥對于食品的蛋白質(zhì)和維生素A、維生素D等脂溶性維生素的損害幾乎為0，對于食品的維生素C、β-胡蘿卜素等水溶性維生素的損失僅為5%，最大限度地保留了食品中的營養(yǎng)物質(zhì)[2]。

2.2 保留食品形態(tài)

在長距離物流運輸過程中，食品內(nèi)部結(jié)構(gòu)易受到擠壓，或因為內(nèi)部水分流失而導(dǎo)致其外部形態(tài)改變。真空冷凍干燥技術(shù)能夠有效強化食品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并借助干燥使其內(nèi)部生成多氣孔，實現(xiàn)復(fù)水速溶，迅速恢復(fù)其自然形態(tài)。

2.3 延長食品保存期限

食品中水分含量較多且暴露于空氣中極易受到酶、微生物的影響，導(dǎo)致腐敗變質(zhì)。經(jīng)過真空冷凍干燥的食品，其含水量在1%～4%，且水分分布均勻。同時，大多真空冷凍干燥后的食品采用真空包裝，可徹底隔絕空氣，有效延長了其保存期限，通?？稍诔丨h(huán)境下保存數(shù)年。

3 真空冷凍干燥技術(shù)流程

3.1 預(yù)處理

預(yù)處理是食品在經(jīng)真空、冷凍、干燥前的處理過程。與其他加工方式相比，真空冷凍加工技術(shù)對食品自身品質(zhì)要求較高。因此，應(yīng)依據(jù)食品種類選擇預(yù)處理方式。例如，針對果蔬類食品，為保證其鮮度，應(yīng)當(dāng)在采摘后8 h內(nèi)進行冷藏加工，避免其氧化變色以及營養(yǎng)成分流失。同時，預(yù)處理環(huán)節(jié)也需要對原材料進行切割。通常情況下，真空冷凍干燥加工食品大多采取條狀、片狀、塊狀、丁狀和粉狀加工。不同的加工方式對于后續(xù)冷凍、干燥環(huán)節(jié)的條件、時間有著不同的要求，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合食品自身性質(zhì)和加工特點進行合理選擇。例如，針對纖維素較多的果蔬類食品，應(yīng)當(dāng)選取條狀、片狀、塊狀加工，并垂直于食品纖維走向進行切割，增加內(nèi)部水分暴露的表面積，確保水分在冷凍干燥過程中完全排出，提升冷凍干燥效果和效率。針對肉類食品，應(yīng)當(dāng)選取片狀、塊狀、丁狀，并盡可能降低切割厚度，保障冷凍效果[3]。

3.2 凍結(jié)處理

在較大型的工廠流水生產(chǎn)中，真空冷凍干燥操作通常由凍結(jié)處理和干燥升華兩步驟組成，凍結(jié)處理是其中的核心環(huán)節(jié)。凍結(jié)處理的速度、環(huán)境溫度等要素對于食品內(nèi)部水分的升華效果、成品質(zhì)量、耗費能源等有著直接影響?，F(xiàn)今我國凍結(jié)處理操作大多采用慢速凍結(jié)，雖然食品內(nèi)部水分的升華速度較快，但升華后的冰晶多為少量、大塊、連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)晶，增加了干燥的難度。雖然提升凍結(jié)處理的速率能夠使得食品內(nèi)部冰晶體積縮小、排布更為密集，提升干燥效果，確保食品口感，但密集的小結(jié)晶體阻礙了內(nèi)部深層水分溢出，導(dǎo)致凍結(jié)時間延長，所需能源相應(yīng)增多。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)選取合適的凍結(jié)方式?？茖W(xué)研究表明，在-5 ℃的環(huán)境下，食品內(nèi)部約80%的水分已經(jīng)凍結(jié)[4]。相關(guān)工作人員可以使食品維持該溫度一段時間后再次凍結(jié)，在提升冰晶體的升華效果的同時，有效抑制能源消耗，節(jié)約加工成本。

3.3 凍干處理

3.3.1 加熱

加熱是凍干處理的第一步。經(jīng)過冷凍后，食品內(nèi)部可能存在的微生物處于低活性狀態(tài)，在儲存運輸過程中有恢復(fù)活性的風(fēng)險。在進行凍干處理前對食品進行加熱，能夠進一步消除食品含有的微生物，保證食品安全。此外，水的升華過程伴隨著吸熱，較低的熱量進一步抑制了水升華速度。為確保食品內(nèi)部水分完全升華，需要借助加熱提升食品內(nèi)部水分的飽和蒸汽壓，促進升華速率上升。應(yīng)當(dāng)注意的是，為避免食品解凍，全過程中的食品溫度均應(yīng)維持在-30～-10 ℃。

3.3.2 真空

真空加工需將加熱結(jié)束后的食品放入真空箱，抽取其中空氣，使食品處于真空狀態(tài)，進一步提升和食品干燥層的導(dǎo)熱系數(shù)，加快冰晶的升華速度，進而進行食品干燥。由于食品自身含水量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，在真空加工過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)計劃壓力，確保食品真空冷凍干燥效果的同時避免能源的過度使用。

3.3.3 干燥

待食品內(nèi)部冰晶全部經(jīng)升華排出后，即可進入干燥環(huán)節(jié)。相關(guān)人員可借助真空泵進一步抽出凍干倉內(nèi)的水蒸氣，確保食品徹底干燥。

3.3.4 包裝

包裝是食品抵御外界侵襲的第一層防護。真空冷凍干燥食品水分含量低，遇水速溶，且易受到光照、空氣等影響。因此，必須選取防水、遮光、隔絕空氣的材料進行食品包裝。通常情況下，真空冷凍干燥食品大多選取鋁薄膜復(fù)合材料進行真空包裝。同時，在包裝操作前，也可借助輻射、紫外線照射等方式消除食品表面的殘留細菌，抵御儲存運輸風(fēng)險。

4 真空冷凍干燥技術(shù)現(xiàn)狀

4.1 冷凍恒溫難以保證

冷凍操作的溫度對于食品的質(zhì)量有著直接影響。現(xiàn)今我國食品真空冷凍干燥加工過程中，缺乏針對冷凍時間、溫度的精細化管理，導(dǎo)致食品凍結(jié)狀況難以達到預(yù)期，影響了成品的質(zhì)量[5]。此外，近年來我國食品物流運輸距離不斷增長，但冷鏈物流仍未完全普及，加工成品在物流運輸中難以保證恒溫，增大了食品腐敗、變質(zhì)的概率，在提升經(jīng)濟成本的同時威脅著消費者的食品安全。

4.2 干燥效果一般

食品營養(yǎng)物質(zhì)的保留是真空冷凍干燥技術(shù)的主要目的之一。傳統(tǒng)的慢速冷凍方式使得食品細胞內(nèi)外凍結(jié)速率不一，細胞內(nèi)部水分外溢，產(chǎn)生冰晶，使得營養(yǎng)物質(zhì)外流。雖然現(xiàn)今快速冷凍技術(shù)的出現(xiàn)能夠有效提升冰狀結(jié)晶速度，使得食品細胞形成保護層，避免其營養(yǎng)物質(zhì)流失，但因設(shè)備投資高、能耗較大等原因，快速冷凍技術(shù)仍未在我國全面普及，導(dǎo)致食品干燥效果平平，影響了干燥食品的質(zhì)量。

4.3 加工方式不完善

不同類型、體積、形狀的食品冷凍、干燥速率不同，應(yīng)當(dāng)有針對性地進行真空冷凍干燥設(shè)定。現(xiàn)今我國食品真空冷凍干燥加工仍然較為粗放，以單一式的冷凍干燥方式進行全部食品的處理。同時，為確保凍結(jié)效果，在食品冷凍結(jié)束后需要進行至少

1 h的保溫處理，但一部分食品加工企業(yè)缺乏對時間的把控，甚至將其省去，影響了成品的質(zhì)量。

5 新型真空冷凍干燥技術(shù)

5.1 微波真空冷凍干燥

真空冷凍干燥技術(shù)需要借助干燥有效排出水分，耗能大，時間長。微波真空冷凍干燥技術(shù)很好地彌補了這一不足。微波真空冷凍干燥借助微波輻射，將微波電磁能轉(zhuǎn)化為熱能進行干燥，能夠有效提升干燥速率，徹底排出食品水分。但微波真空冷凍干燥技術(shù)投資較高，至今仍集中于高附加值食品加工中，有待大規(guī)模普及應(yīng)用。

5.2 噴霧真空冷凍干燥

實現(xiàn)冷凍速度的提升，進一步降低冰晶體積是真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展方向。在奶粉、藥品等粉末狀食品加工較多的歐洲，將粉末食品借助噴霧噴灑，并進行液氮冷凍的噴霧真空冷凍干燥技術(shù)有效解決了這一課題。噴霧真空冷凍干燥使得食品接觸面積增加，迅速形成冰粉，加以真空冷凍，能夠顯著縮短冷凍干燥的時長。

5.3 真空冷凍干燥聯(lián)合熱風(fēng)干燥

傳統(tǒng)真空冷凍干燥加工借助加熱進行干燥，能耗較高。將熱風(fēng)干燥引入真空冷凍干燥加工是近年來的發(fā)展趨勢。據(jù)研究表明，相比傳統(tǒng)真空冷凍干燥技術(shù)，真空冷凍干燥聯(lián)合熱風(fēng)干燥加工能夠節(jié)約40%左右的能源。但應(yīng)注意的是，如先進行熱風(fēng)干燥，容易損傷食品內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，影響其速溶復(fù)水效果。因此，需將真空冷凍與熱風(fēng)干燥聯(lián)合操作。在對腌制菜干燥過程中，真空冷凍加工加以熱風(fēng)干燥實現(xiàn)了約20%的能耗降低，同時其速溶復(fù)水效果優(yōu)異[6]。

5.4 冷凍干燥聯(lián)合真空微波干燥

微波冷凍干燥雖然實現(xiàn)了干燥速度的提升和能耗的降低，但針對果蔬等食品加工時，食品內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)會因微波造成損傷，導(dǎo)致食品變形，降低了食品品質(zhì)。將冷凍干燥與真空微波干燥結(jié)合，在真空狀態(tài)下利用微波進行干燥，不僅能夠節(jié)約近40%的能耗，同時避免了果蔬食品的內(nèi)部骨架損傷，保留了其內(nèi)部營養(yǎng)。

6 結(jié)語

綜上所述，真空冷凍干燥技術(shù)能夠在保存食品色、香、味，維持食品營養(yǎng)物質(zhì)的同時顯著延長食品保存期限，降低物流運輸損失，是新時代食品加工的有效方法。但我國的真空冷凍干燥技術(shù)起步時間較晚，現(xiàn)今仍存在一些不成熟的地方。在實際操作時，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)全面把握真空冷凍干燥的工藝流程，依據(jù)食品自身特性進行針對性地調(diào)整和精細化地管理，確保食品品質(zhì)，減少成本，為我國食品行業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

參考文獻

[1]聶瑩華，陳佳慧，許嘉敏，等.真空冷凍干燥對羅非魚皮性能及提取明膠性能的影響研究[C]//中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會第十八屆年會摘要集.北京：中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會，2022：381-382.

[2]馬有川.預(yù)處理對蘋果脆片真空冷凍干燥特性和品質(zhì)的影響研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2021.

[3]吳晶，徐天一.食品真空冷凍干燥工藝及其強化研究[J].食品界，2021（2）：116-117.

[4]朱洪梅，王禹心，劉喻心，等.胡蘿卜脆片凍干過程中水分、微觀結(jié)構(gòu)及品質(zhì)變化[J].食品研究與開發(fā)，2022，43（11）：42-48.

[5]周旭.獼猴桃切片的射頻真空及熱風(fēng)聯(lián)合干燥研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2019.

[6]鮑王璐.整粒小麥制備全麥脆片及其營養(yǎng)成分變化研究[D].無錫：江南大學(xué)，2019.