浅谈食品真空冷冻干燥技术
本文介绍了真空冷冻干燥技术的基本原理，综述了国内外食品冷冻干燥技术的研究状况和食品冷冻干燥技术的运用情况，探讨了国内食品冷冻干燥存在的问题。
1. 引言
真空冷冻干燥技术在最近的二十年中取得了长足进展。进入二十一世纪后，随着人们环保意识、健康意识的进一步加强，必将对消费品的品质提出更高要求。生活节奏的不断加快，人们对方便快餐食品的需求也将日趋旺盛。所有这些都将有力地推动真空冷冻干燥技术的进一步发展，使其应用规模不断扩大、应用领域不断扩展。因此，真空冷冻干燥必将成为二十一世纪的重要应用技术。
2. 真空冷冻干燥的基本原理
真空冷冻干燥是将含水物料冻结后，在真空环境下加热，使物料中水分直接除去，从而使物料脱水获得冻干制品的过程。真空冷冻干燥属于物理脱水，了解它应该从水的三相图开始。
在低压下水的相变过程和常压下大体相似，但相变时的具体温度不同。例如在103 Pa压力下，固态冰转化为液态水的温度略高于0℃，而液态水转化为蒸汽的温度为6.3℃，可见降低压力后冰点变化不大，而沸点却大大降低了。可以想象，当压力降低到某一值时，沸点即与冰点相重合，固态冰就可以不经液态而直接变为气态，这时的压力称为三相点压力，相应的温度称为三相点温度。
水的相平衡图
水的三种聚集态随温度和压强不同而变化，以压强为纵坐标，温度为横坐标表示水的聚集态，称为水的相平衡图。由图可以看出，OS,OL，OK三条曲线把相图分成三个区域，即气相、液相、固相。OS曲线为气固两相平衡共存的状态，这时的水蒸气压强为水的饱和蒸汽压，OL曲线为液固两相平衡共存的状态，OK曲线为气液两相平衡共存的状态，K为水的临界点，K点温度为374℃，压强为2.11×107Pa，在此点液态水不存在。O点为三条曲线的交点，即三相点，三相点温度为0.01℃，三相点压力为610.5Pa，是水的三相平衡共存的状态。真空冷冻干燥是在三相点以下进行的。
3. 冻干食品的特点
由于真空冷冻干燥在低温低压下进行，而且水分不经过液态直接升华，真空冷冻干燥产品可确保食品中蛋白质、维生素等各种营养成份，特别是那些易挥发的热敏性成份不损失，因而能最大限度地保持原有的营养成份，有效地防止干燥过程中的氧化、营养成份的转化和状态变化。冷冻干燥制品成海绵状、无干缩、复水性极好、食用方便、含水分极少，相应包装后可在常温下长时间保存和运输。因此赋予其产品许多特殊的性能：
1.脱水比较彻底，有利于长时间贮存。
2.物料干燥过程在冻结状态下完成，与其它干燥方法相比，其产品相对于新鲜物料的收缩率要小得多，较好地保存了其原料的组织结构和外观形态。
3.不存在表面硬化问题，且内部呈多孔的海绵状，因而具有优异的复水性。这一性能在即食方便食品中体现出了非常明显的优势。
4.由于干燥过程在很低的温度下进行，而且基本隔绝了空气，有效地抑制了热敏物质的生物的、化学的或物理的变化。充分保存了原料中的营养成份和活性物质，较好地保持了原料的天然色泽和气味。
5.减少了产品的含水量，降低了重量，便于运输。
4. 食品冻干技术的研究状况
4.1 国外的研究状况
食品的冻干技术起源于二十世纪三十年代。1930年Flosdorf开始了食品冻干实验。1940年英国的Fikidd，chvacuum.com提出了用冷冻干燥方法进行食品处理的技术。1961年英国食品部在Aberdeen 实验工厂开始了食品冻干的研究,他们在综合了当时各国和自己研究成果的基础上公布了试验结果，证明冻干法用于食品是获得优质食品的一种方法。几乎在同一时期,美、日、德、荷兰、丹麦等国家相继建立了食品冻干加工厂。据不完全统计,1963年美国有食品冻干厂11家,欧洲各国有25家。1965年全球已有冻干食品厂50多家。到1972年, 美国有冻干食品生产厂41家, 欧洲各国49家,日本有13家，冻干食品产量增加也很快,仅从美国统计,1963年冻干食品产量约为5000吨,1970年产量为157000吨,1972年产量为175000吨。八十年代白俄罗斯的斯鲁茨克市建成了大型生产线,冻干奶酪,年产量为150吨。1985年日本有25家食品冻干公司。1989年10月17日保加利亚的索非亚成立了低温生物学和冷冻干燥技术研究所(ICL)主要研究宇航食品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。该研究所目前在世界上排名第三位,仅次于美国和俄罗斯。本文由真空技术网首发。
美国冻干食品发展最快,在全美方便食品中冻干食品占40%～50% ,在20家生产咖啡和茶的工厂中,就有10家采用冻干法生产。日本目前已有35个冻干食品生产厂家,年产值达13亿日元。美、日冻干蔬菜在市场上已占近10%。冻干食品的普及性在一些发达国家已达到相当高的程度。
冻干理论和工艺的研究正在向着深入和广泛的方向发展。1967年Sandall等提出了冻干冰界面均匀后移的稳态模型(URIF模型),实验证明能较好地计算出升华阶段所需的时间。1968年Dyer等提出了热量由搁板通过冷冻层,冻干室内气体通过已干层以及在辐射条件下的准稳态冻干模型。1979 年Litchield等提出了冻干的吸附—升华模型, 给出了数值解。近年来,研究各种物料在冻干过程中的传热传质特性和冻干工艺方面的文章较多。意大利对冻干苹果、柠檬和糖的均化混合液加牛奶后脱水理化特性进行研究。德国对天然淀粉、改性淀粉、淀粉果胶等进行理化研究。俄国研究冻干牛肉的热物性。日本研究胶状鱼粉的冻干。西班牙研究冻干乳酸干。印度研究冻干香蕉粉。捷克研究薄层物料的冻干工艺等等。
食品冻干设备于1943年出现在丹麦。发展到今天,世界上各个工业发达的国家几乎都生产了食品用冻干机。从冻干面积上分,有小到0.1m2 的实验冻干机和大到愈千平方米的生产用冻干机;从干燥仓形状看有方形、圆形和隧道式;从自动化程度看,可分手动、半自动和全自动;从工作方式看有间歇式、半连续式和连续式;从冷冻方式看, 可分成冻干合一型和冻干分离型两种。食品冻干设备的生产厂家在世界上较有影响的有丹麦Atlas公司和日本共和真空株式会社。Atlas公司生产的冻干分离型冻干设备,用装料车整体装料、冻干和运输, 可实现半连续生产, 结构合理、节省能源。该公司生产的连续性食品冻干设备适合于大批量食品的冻干生产，性能比较先进。日本是拥有冻干设备最多的国家,冻干设备的干燥面积可达2.3×10 4 m2 。日本共和真空株式会社生产的食品冻干机一般是间歇式的,冻干机周期性工作,食品分批干燥。
