真空冷冻干燥技术在食品中的应用.doc

熊露：真空冷冻干燥技术在食品中的应用引言真空冷冻干燥技术是将冷冻技术结合起来的一种综合性技术、亦称真空冷冻升华干燥技术1。食品真空冷冻干燥技术的主要优点是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, 且复水性好，能在常温下保存较长的时间，因而被广泛地用于方便食品、调理食品等方面。它是干燥技术领域中科技含量高、应用广的一种技术，因其产品具有绿色、方便、保健功能，深受大家青睐。1真空冷冻干燥技术简介1.1真空冷冻干燥定义真空冷冻干燥是先将物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的真空度下，使冰直接升华为水蒸气，再用真空系统中的水汽凝结器（捕水器）将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术2。1.2真空冷冻干燥技术的原理水有三种相态，即固态、液态和气态，三种相态之间既可以相互转换又可以共存3（如图1）。真空冷冻干燥是把新鲜的食品如蔬菜、肉类、水产品等预先快速冻结,并在真空状态下，将食品中的水分从固态升华成气态，再由解析干燥除去部分结合水，从而达到低温脱水干燥的目的。冻干食品不仅保持了食品的色、香、味、形，而且最大限度地保存了食品中的维生素、蛋白质等营养成分。冻干食品具有良好的复水性，食用时只要将该食品加水即可在几分钟内复原4。图1水的三相点示意图（1）当压力高于610.5Pa时，从固态冰开始，水等压加热升温的结果是先经过液态再达到气态；（2）当压力低于610.5Pa时，水从固态冰加热升温的结果是直接由固态转化为气态。1.3真空冷冻干燥装置真空冷冻干燥装置由干燥室、加热系统、真空系统、制冷系统和控制系统组成5（如图2）。图2真空冷冻干燥装备1.4真空冷冻干燥技术的应用范围1.4.1医药领域在医药方面，主要用于血清、血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等药品的生产，还用于生物化学、免疫学和细菌学等临床检验药品的干燥6。它可以使药品不变质，可以长期保存，容易实现药剂定量准确，容易进行无菌化操作，可以大批量无菌化生产。1.4.2食品领域在食品方面，主要用于干燥咖啡、果汁等高档食品，特别适于干燥草莓、整虾、鸡丁、蘑菇片以及猪、牛排等大型块片，制造速熟食品等，还有象人参、蜂王浆、蜂雏、鳖粉等一些营养补品。它可以保持食品的色、香、味、营养和形状不变7，便于长期贮存和运输。1.4.3生物领域在生物体的保存方面，主要用于长期保存血液、细菌、动脉、骨骼、皮肤角膜和神经组织及各种器官等。它可以使生物体不被破坏，保存起来还象原来那样具有生命力9。1.4.4新材料研制领域在研制新材料方面，纳米级超细微粉是材料科学研究中的热门课题，其中航天飞机用的超轻绝热陶瓷、耐高温烧结成型发动机的原料、高温超导材料用的超细微粉等，在制备超细微粉的过程中均需真空冷冻干燥8。2真空冷冻干燥的工艺流程及操作要点2.1真空冷冻干燥的工艺流程原料 预处理（原料 品选 清洗 分切） 预冻 速冻 真空冷冻干燥 包装2.2真空冷冻干燥的操作要点（1）预处理：其目的是保证优质原料以及利于冻干与贮藏，对于固态食品，应进行清洗、筛分、漂烫、切分，清洗与筛分是保证冻干原料为合格品；漂烫是钝化酶活性的最有效方法，同时漂烫也能除去部分水，以减少干燥负荷；切分利于包装、食用，同时切分尺寸及切口方位也会影响冻干速率。对于液态食品，应进行灭菌与浓缩，浓缩利用真空或冻结方法进行，浓缩程度合理与否，将直接影响冻干速率及生产效率（2）预冻：物料首先要预冻，再抽真空。这是因为物料内部含有大量的水分，若先抽真空，会使溶解在水中的气体因外界压力降低很快逸出，形成气泡而成“沸腾”状态。水分蒸发时又吸收自身热量而结成冰，冰再汽化，则产品发泡气鼓，内部形成较多气孔。预冻的温度选择应低于物料的共熔点5左右。因隔板的温度有所不同，需要有充分的预冻时间，从低于共熔点温度算起，预冻时间约2h左右。预冻的速度控制在每分钟下降1-4为宜，过高过低都会影响产品质量，不同的物料的预冻速度应由试验确定。（3）速冻：物料在进入干燥室前应预冻至共晶点温度以下。所谓共晶点，是指物料中水分完全冻结成冰晶时的温度。在升华过程中，物料温度应维持在低于而又接近共融点的温度。所谓共融点是指完全冻结的物料在加热过程中冰晶开始融化的温度。物料的共晶点和共融点用DSC测定9。物料中加入溶剂会使共晶点和共融点降低，所以一般的预冻温度要比共晶点低510。冻结速度是指物料冻结时单位时间内温度下降的程度。冻结速度对冻干制品的质量和升华速率均有影响。冻结速度不同，物料内形成的冰晶大小也不同。冻结速度越快，形成的冰晶越小，升华时水汽逸出的通道就越小，升华干燥的速度就越慢，冻干周期就越长，降低了设备效率；但如果冻结速度太慢，形成的冰晶过大，则会造成物料中细胞壁受损，使有机物外溢，造成产品质量下降。因此必须选择适当的冻结速度10,11。（4）真空干燥：真空冻干的干燥阶段通常分为两段，即升华干燥段与解吸干燥段。升华干燥除去所有的冰晶体(物料中的自由水)，约占总含水分的80%90%，它是冻干过程的主体，这一过程以冰晶不融化为前提。解吸干燥除去物料固形物的物理、化学吸附水，这部分水分约占10%左右，这一过程以物料不过热变质为前提，为了获得理想的最终水分，此过程中冻干室的压强应更低一些，以保证脱除与固体结合较强的吸附水。至此，物料中的水分已达到要求，完成物料的冻干。（5）包装：冻干食品的包装很关键。由于冻干食品是在低温低压下加工，所得到的冻干食品组织呈多孔状,总表面积比原来扩大了100150倍，与水分和氧气的接触机会大大增加了，所以要在真空条件下或在充满干燥惰性气体的密封包装袋中保存；当需要粉碎与分包装时，也应在充溢氮气的环境中、相对湿度低于40%、温度低于25的条件下进行。为保持干燥食品含水量在5%以下，包装袋内应放入干燥剂以吸附微量水分。包装材料以透气性差、强度高、颜色深的为好。包装完毕后抽真空封口，以利于长期贮存12。3真空冷冻干燥技术在食品中的应用3.1真空冷冻干燥在各领域中的应用（1）方便食品行业高档次的方便碗面、方便米饭、方便米粉等的调味包中,由于添加了色、香、味俱全,复水性极佳的冻干产品(为真空冷冻脱水肉类、海鲜、蔬菜等)已使其身价倍增,销路看好。（2）汤料加工业在日益快节奏的都市生活中,由于冻干汤料包的出现,随时品偿一杯美味可口、营养卫生、赏心悦目的靓汤,已不再是梦想。（3）速溶饮品业真空冷冻干燥速溶咖啡,速溶茶等以其高质量的品位已在速溶饮品行业独领风骚。（4）营养保健食品行业在保健食品家族中,真空冷冻干燥甲鱼粉、蛇胆粉、蜂皇浆粉等高档营养保健食品已逐渐推出。（5）特殊行业对于沙漠、高原、极地、太空、潜艇、军舰、远洋货轮等特种地域生活人群以及军需供给、战略储备来源,真空冷冻干燥脱水食品无疑是最佳选择。3.2常见的真空冷冻干燥食品种类（1）脱水蔬菜类FD蘑菇、葱、蒜、青豆、玉米、菠菜、荷兰豆（2）脱水肉禽蛋类FD牛肉、猪肉、鸡肉、蛇肉、蛋黄（3）脱水海鲜类FD虾仁、鱿鱼、扇贝、蟹肉等（4）脱水菜包以冻干脱水菜为主,经配方而成的牛肉包、鸡肉包、海鲜包、蔬菜包等,并可配置酱料包（5）脱水速食营养块FD蛋花汤、速食粥块、婴儿营养肉菜糊、滋补汤料块等3.3真空冷冻干燥在果蔬加工中的应用果蔬的结构形态和成分决定其冷冻干燥加工的难易度。一般是物料尺寸越小、结构越均一，处置越容易。因为这样的物料外表积大，受热和冷却均匀，冷冻干燥时间短且易控制。果蔬真空冷冻干燥加工工艺过程基本相同：清洗 预处理 漂烫 冷冻干燥 充气包装。随着食品科研工作者的不时努力，相继确定了一些果蔬的真空冷冻干燥工艺参数。例如段江莲等测定梨枣的共晶点为3；搁板温度每提高10，冻干时间缩短2.0h，厚度每增加2.0mm,真空冷冻干燥时间延长2.3h用0.2%维生素C护色，搁板温度为70，以枣片厚度3.0mm工艺条件生产冻干梨枣 , 能最大限度地保持原果的风味、形态、色泽，且真空冷冻干燥时间短，生产利息低 , 为梨枣真空冷冻干燥加工的工业化生产提供了依据。3.4真空冷冻干燥在水产品加工中的应用水产品加工是提高水产品综合效益和附加值的重要途径。深加工可提高优质水产品的品位，增加低质水产品的营养源、综合利用率和附加值。云霞等实验比拟了冷冻温度25 ，冷阱温度2931，真空度1020Pa真空冷冻干燥最终温度60的条件下，冻干海参与盐泽海参的感官指标、理化指标，结果标明无显著差异。3.5真空冷冻干燥在食用菌加工中的应用食用菌是无公害的天然绿色食品，有很高的食用价值和保健价值，被誉为21世纪的健康食品。陈合等用电阻丈量装置测定香菇和金针菇的共晶点分别为29和32，共熔点均为18；分析了切片厚度、压力、干燥温度及冻结速度对干燥速率的影响。结果表明，未经漂烫的香菇切片厚度6mm，35冻结90min，冻结速度1.0/min；18升华7h，40解析6h解析升温速度0.5/min；经漂烫的金针菇39冻结90min，冻结速度 1.0 /min；20升华10h，45解析6h解析升温速度0.5/min此优化条件下冷冻干燥，能较好地保持食用菌的营养且复水性好。3.6真空冷冻干燥在新型利便食物中的应用在日本，新型利便食物均添加采用冻干技术出产的维生素、全蛋粉或蛋黄粉、大豆粉或花生，,以确保其营养成分。在欧洲大多数国家，将人们日常消费的胚芽玉米粉和椰子油、食糖、维生素、矿物质混合制成的利便食物定为第一代利便食物；第二代利便食物是用冻干的海带粉、自然生果粉、海藻胶、麦芽糊精加适量的柠檬酸与玉米胚芽、燕麦胚芽、鱼粉、免肉粉、牛肉粉等制成的。欧、美国家还有一种营养丰硕、香甜可口的生果型利便食物，是用冻干的草莓粉、葡萄粉、橙桔粉、菠萝粉、香蕉粉和猕猴桃粉等混合制成的。捷克正在对用于加工新型利便食物的薄层物料的冷冻干燥工艺进行研究,意大利正在对冻干苹果、柠檬和食糖的均化混合液加牛奶后脱水的理化特性进行研究，西班牙正在研究冻干乳酸干，日本正在研究冻干胶状鱼粉等。美国宾夕法尼亚大学的博士猜测，本世纪的鸡蛋将是以真空冷冻干燥技术浓缩成固体含量为18%25%或30%40%的蛋品。 3.7真空冷冻干燥在颗粒蔬菜中的应用蔬菜是人类糊口中的一大营养宝库。日本东洋FD食物株式会社于20世纪90年代找到一种不同平常的吃菜方法。该方法是将油菜、菠菜、芹菜、萝卜叶、豌豆、胡萝卜、南瓜、雪里红等8种蔬菜混合，真空冷冻干燥后制成颗粒蔬菜。这种含丰硕的叶绿素、胡萝卜素、维生素和矿物质等自然营养成分的蔬菜，不但营养丰硕、味道鲜美，而且非常适合于断奶伊始的婴儿、不喜欢吃蔬菜的儿童、牙口不好的老年人、吃流食或半流食的病人以及食量受限的运动员等特殊人群。现在，颗粒蔬菜已成为日本大众的日常消费品。3.8真空冷冻干燥在粉末蔬菜中的应用在欧、美、日市场上，日渐流行一种新的蔬菜加工方法，即用真空冷冻干燥技术加工圆葱、白菜、菠菜、胡萝卜、南瓜等很多种粉末蔬菜。将粉末蔬菜加入面粉或食糖中，制成蔬菜面条、饼干、糕点和糖果、饮料等，能保持蔬菜中的营养成分、纤维质及其光彩、风味。 几乎所有的食品原料，果蔬、肉禽、蛋、水产品等都可进行真空冷冻干燥加工，但真空冷冻干燥设备比较昂贵，加工中耗能也大，一般生产成本较高，但从产品流通的总成本、销售价格高以及冷冻干燥法所独有的优点来看，冻干食品在实际生产中具有很高的应用价值13。4真空冷冻干燥技术的特点4.1营养成分基本保持不变由于食品处于低温、低氧、避光等环境中加工，因此，无论是碳水化合物、脂肪、蛋白质或者维生素，其损耗都小，特别是对那些热敏性物质更为突出。4.2保持原有新鲜食品的形态食品中的水分是由冰转变为水蒸汽， 根据平衡原理，供给冰结晶升华的热量，只能使冰升华，不会导致物料温度升高，所以，食品不会发生干缩和干裂现象。另外，食品中的水分在干燥之前，已冻结成冰晶，溶于水中的无机盐被均匀地分配在食品中。当冰晶升华时，无机盐不会随水蒸汽而带到食品表面，所以，冷冻干燥不会产生“表面硬化”现象。4.3糖单因素变量实验在冻结过程中，食品的温度非常低，酶的活性很小，并且，又在高真空状态下干燥，即氧气的含量极低。冻结干燥的产品，产生酶褐变和非酶褐变的程度都很低。所以，冻结干燥的食品，几乎保持了原来的色泽。4.4风味基本保持不变每一种食品都有其独特的风味， 良好的风味又是构成质量的重要因素之一。冷冻干燥，因干燥温度很低，风味物质损失少，基本保持了原产品的风味。如冷冻干燥的韭菜、香菜，复水后具有韭菜、香菜的风味，而热力干燥的韭菜、香菜，复水后风味很淡。4.5复水性极佳冷冻干燥食品的多孔性是由于在干燥时，食品的形态固定不变，冰升华后留下的孔隙造成的。这样结构是海绵状多孔结构，孔多、且分布均匀，并无堵塞，复水性好，可以在几秒钟之内恢复到冻干前状态。4.6保存方便便于运输冻干食品应进行真空包装或真空充惰气包装，冻干食品可以在常温下长期贮藏，不需要复杂的冷链，且重量轻，便于运输14。5真空冷冻干燥食品的发展5.1国外发展情况食品真空冷冻干燥技术起源于20世纪30年代，1930年，丹麦开始了食品的冷冻干燥实验；1940年英国提出了用冷冻干燥方法进行食品处理的技术；1961年英国食品部开始了食品冷冻干燥技术的研究，其研究成果证明，冷冻干燥技术用于食品加工是获得优质食品的一种方法。从20世纪80年代中期至90年代末，是全球冷冻干燥食品快速发展阶段，其中美国和日本的冷冻干燥食品产量增加幅度最大。全球第一台食品真空冷冻干燥设备于1943年在丹麦问世。经过半个多世纪的发展，现在工业发达国家都具备自主研制食品冻干机的能力15。5.2国内发展情况与发达国家相比，我国真空冷冻干燥技术的发展历史较短。20世纪50年代中期从前苏联引进了真空冷冻干燥技术，当时主要用于生物制品和药品生产。到20世纪60年代，国家出于战略需要，相继在北京、上海天津建立了冻干食品基地，生产供军事、航海等野外作业用的特殊食品。从此，食品真空冷冻干燥技术在我国开始应用。我国冷冻干燥食品工业刚刚起步，冷冻干燥食品的综合开发及应用还处于初级阶段。市场上冷冻干燥食品的花色品种很少，冷冻干燥食品在方便食品、汤料加工、速溶饮品、营养保健食品等行业，以及登山、军需、野外作业等特殊行业都未得到广泛的应用，不能满足人民日益增长的物质要求。随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，生活节奏的加快，人们对食品的需求从温饱型向营养型、方便型转化，越来越需要各种营养丰富，卫生方便的功能食品。而冷冻干燥食品以其独特的优点已逐步被人们认识和接受14。6结论冷冻干燥起源于上世纪初，由前苏联科学家拉巴斯塔罗仁茨基于1921年发明。该技术早期用于生物的脱及制药工业，直到二次大战后始用于食品工业。随着社会的发展，人们的饮食结构也在发生变化。当前世界食品工业的发展呈现三大趋势：第一，绿色食品受欢迎；第二，方便食品备受欢迎；第三，有助于保健的食品更受欢迎。而冻干食品是方便的、绿色的、也是有利于保健的，它正符合了食品发展的三大趋势。在目前提倡绿色生产、健康消费的环境下，重点研究食品真空冷冻干燥技术具有重要战略意义。参考文献1 倪静安，张默英.食品真空冷冻干燥技术进展J.冷饮与速冻食品工业.1994（4）35-372 魏雪琴.真空冷冻干燥对食品品质的影响J.科技传播.2010.203 达道安.真空冷冻升华干燥真空设计手册M.北京国防工业出版社.19954 陈孟林，梅慈云.冻干方法的优选和草菇与菠萝的冻干研究J.广西师范大学学报.1995(13)59-655 孔凡真.真空冷冻干燥食品的技术与设备J.食品研究与开发.2004(4)94-956 徐成海主编.真空低温技术与设备M.北京冶金工业出版社.1995.7 罗建国，林长和.红薯叶保鲜加工技术及设备配置的探讨J.农业装备技术.2004（