食品真空冷冻联合干燥技术研究进展

张丽文，罗瑞明，李亚蕾，李俊丽，牛佳

（宁夏大学农学院，银川 750021）

食品真空冷冻联合干燥技术研究进展

张丽文，罗瑞明，李亚蕾＊，李俊丽，牛佳

（宁夏大学农学院，银川 750021）

采用真空冷冻干燥方式干燥物料能最大限度保留原有物料物理、化学品质，是一种较好的干燥物料方式，但存在能耗高、时间长、生产成本高的不足。因此，将真空冷冻干燥与其他干燥方式联合得到品质好、能耗低的产品是未来食品干燥主要研究方向。文章简述了国内外关于食品各种真空冷冻联合干燥技术，并总结了相应研究成果和应用现状，提出了真空冷冻联合干燥技术在食品加工领域应用中存在的问题及对策。

食品；真空冷冻干燥；联合干燥；研究进展

用干燥方式保藏食品的方法历史悠久，但传统干燥方法通常会改变食品原有的色泽和结构，不仅会损失挥发性风味物质，还会导致营养成分下降，最终降低食品的食用品质。因此，有必要选择有效的干燥方法，且干燥后能够保存物料活性物质及挥发性风味物质，尤其是胡椒、辣椒、生姜、大蒜、葱等天然香辛料。

目前，国内外食品干燥技术主要有真空冷冻干燥、微波干燥、热风干燥、热泵干燥、对流干燥、辐射干燥、喷雾干燥、太阳能干燥等。真空冷冻干燥是利用冰晶升华的原理，将物料先进行预冻，使含水物料中的水分冻结成冰，然后在压力较低、真空度较高的条件下，使物料中的冰直接升华为水蒸气而使物料脱水的过程［1］。在食品工业中，常用于调味品、水产品、畜产品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。近年来有学者研究了青胡椒、芫荽、大蒜、洋葱、生姜、黄芪等香辛料和浓缩牦牛骨汤的真空冷冻干燥工艺，该干燥方式能够最大限度保留物料原有挥发性物质，较好地保持物料的色泽、结构，但存在干燥能耗较高、产品附加值增加等缺点［2－8］。为了弥补单一干燥方式的不足，同时获得品质较好的干燥食品，出现了真空冷冻干燥与其他干燥方式联合的干燥技术。联合干燥技术是根据所要干燥的物料特性，将两种或多种干燥方式按照优势互补的原则，分阶段对物料进行干燥，能够达到降低生产成本、降低能耗、物料物理化学品质能得到最大程度保留的目的［9－11］。目前对果蔬粉真空冷冻联合干燥技术研究较多，它可以用来提高食品营养成分，作为调味粉能改善产品色泽和风味。

目前，真空冷冻联合干燥主要包括：红外辐射-真空冷冻联合干燥、热风-真空冷冻联合干燥、变温压差-真空冷冻联合干燥、真空微波-真空冷冻联合干燥、高压电场-真空冷冻联合干燥、渗透-真空冷冻联合干燥等。本文简述了真空冷冻干燥原理及特点，阐述了真空冷冻联合干燥技术在食品领域中的研究进展及存在的问题。

1 真空冷冻干燥的原理及特点

1.1 真空冷冻干燥的原理

真空冷冻干燥原理是基于水的三相变化。水的相平衡图见图1，由3条曲线构成，OS线为升华线，它是冰与水蒸气两相的平衡线；OK线为汽化线，它是水和水蒸气的平衡曲线，即水在不同温度下的蒸汽压曲线；OL线为凝固线，它是水和冰的平衡线。OS，OK，OL 3条曲线的交点称为气、液、固共存的三相点。三相点的温度为0.01℃，压力为610.5Pa，这3条线将纯水的相图分为3个相区：固态、液态和气态。

图1 水的相平衡图Fig.1The phase equilibrium diagram of water

由图1可知，若将固态水在低于三相点O的610.5Pa压力下加热，水将由固态冰不经过液态而直接升华为气态。真空冷冻干燥正是根据这个原理，将物料预冻至冰点以下，使物料中的水分变为固态冰，然后在较高的真空度下，冰会直接升华为蒸汽而被除去，物料即被干燥。

1.2 真空冷冻干燥的特点

真空冷冻干燥的相平衡温度低，且处于真空状态，故具有其他干燥方法无可比拟的优点。适用于热敏性及易氧化食品的干燥，能最大程度地保留物料的色泽、风味物质及维生素等营养成分；干燥后的产品可保持原有形状，不失原有固体框架结构；真空冷冻干燥后的物料复水性好，易于恢复原有的性质和形状；热量利用经济，可用常温或温度稍高的流体作为加热剂；但是真空及低温的设备需要较高的能耗，生产产品成本高。

2 食品真空冷冻联合干燥

2.1 热风-真空冷冻联合干燥

热风干燥是通过热空气将热量传递给需要干燥的物料，同时将物料中的水分带走。食品用热风干燥方法干燥的历史悠久，这种干燥方法具有生产成本低、产量高、易实现自动化生产、操作简单等优点，但其脱水速度慢、干燥时间长、干燥产品品质差［12］。

2007年，Phanindra Kumar等用冷冻-热风联合干燥胡萝卜和南瓜，并分别将干燥速率、物料物化特性和总能耗与单一的热风干燥和冷冻干燥进行对比，冷冻-热风联合干燥后的产品总类胡萝卜素受破坏程度相对较低；在质量比方面，单一干燥方式明显劣于冷冻-热风联合干燥；而冷冻-热风联合干燥在总能耗和干燥时间方面，单一热风干燥，比单一冷冻干燥降低50%，研究表明：冷冻-热风联合干燥在生产高质量、低能耗的产品上是具有优势的［13］。2013年，黄娇丽等以腌制调味高菜为研究对象，研究了腌制调味高菜真空冷冻-热风联合干燥的最优工艺，研究结果表明：先真空冷冻干燥20h，后续热风干燥1h的产品在品质方面与单一真空冷冻干燥无显著差异，且比单一真空冷冻干燥节能33%［14］。2014年，陈君琛等以干燥产品的感官评分、干燥速率、硬度和色度的综合值为指标，研究了热风-真空冷冻联合干燥即食杏鲍菇工艺，研究发现：在能耗比真空冷冻干燥减少57%的情况下，热风-真空冷冻联合干燥产品的品质优于热风干燥和真空干燥产品的品质，杏鲍菇可做成杏鲍菇酱成为日常生活中的调味品，该研究对利用杏鲍菇副产物具有指导作用［15］。2015年，林国轩等研究了低温真空-热风联合干燥绿茶，初步确定了低温真空-热风联合干燥绿茶最佳水分转换点是18%～28%［16］，目前，这种联合干燥已被应用到工业化生产中。

2.2 红外-真空冷冻联合干燥

远红外干燥是一种辐射干燥，其具有很强穿透力的远红外线，能被水和高分子物质吸收，引起分子共振而达到快速干燥的目的，且远红外干燥加热温度稳定，物料受热均匀，对含水量高的食品及果蔬等农副产品的干燥尤为适宜［17］。

2004年，Pyng等对甘薯进行了真空冷冻干燥、空气干燥和远红外-真空冷冻联合干燥，结果表明：采用远红外-真空冷冻联合干燥甘薯能够缩短干燥时间且能提高产品品质［18］。目前，该联合干燥技术存在设备生产效率低、生产成本高等问题。2013年，张秦权等综合两种干燥方法的优点，针对低温真空干燥与远红外联合干燥技术，设计一套能够应用于工业生产的远红外联合低温真空干燥设备，为实现远红外联合低温真空干燥工业化提供了试验设备基础［19］。对远红外-真空冷冻联合干燥工艺及机理还需进一步研究。2014年，王洪彩以香菇为研究对象，研究了波长为2.4～3μm的中短波红外干燥技术在物料脱水方面的可行性和优势性，并以干燥效率、产品品质及单位能耗为指标，比较中短波红外干燥技术与几种不同干燥技术联合干燥，结果表明：用中短波红外-真空冷冻干燥联合干燥方法，能进一步提高中短波红外干燥产品品质和降低冷冻干燥的干燥时间及能耗［20］。目前该联合技术仍处于研发阶段，还需对其机理及不同物料干燥参数和加工工艺做进一步研究。

2.3 高压电场-真空冷冻联合干燥

高压电场干燥技术是一种于20世纪90年代兴起的干燥技术［21，22］。高压电场干燥技术具有设备成本低，干燥过程中物料不升温，能够很好地保留物料营养成分等优点［23］，但其产品品质不如真空冷冻干燥产品，且在干燥后期干燥速度较慢［24］。

Angersbach与Knonr对马铃薯进行高压电场预处理，节约了将近1/3干燥时间；对椰子进行高压电场预处理，缩短了将近22%干燥时间［25］。Ade-Omowaye等的研究表明高压电场预处理能够提高干燥速率的原因是预处理使细胞通透性提高［26］。2014年，白亚乡等对海参进行2种不同时段高压电场-真空冷冻联合干燥，先进行3h和5h的高压电场干燥，再进行真空冷冻干燥，并以干燥后产品的质构、复水率、收缩率、蛋白质和酸性粘多糖含量等品质指标和总能耗、干燥时间与单一干燥产品进行对比，研究结果表明：3h和5h高压电场-真空冷冻联合干燥分别节能19.5%和32.6%。联合干燥的海参质量得到了显著提高，干燥后的海参硬度及收缩率更小，蛋白质含量和复水率更高。

2.4 微波-真空冷冻联合干燥

微波是一种高频电磁波，频率为300～300GHz，波长为1mm～1m。微波干燥技术是以物料中的水作电介质，在交变电磁场的作用下使物料中的水分子高速运动，水分子摩擦生热，使物料从内到外同时加热。

Duan等对甘蓝进行微波-真空冷冻联合干燥过程，对微生物控制特性进行了研究，结果表明：微波-真空冷冻联合干燥比单一真空冷冻干燥干燥时间短，且有明显的杀菌效果［27］。2010年，黄建立针对微波真空干燥不均匀以及采用实底载料盘干燥时间较长的问题，设计研究微波真空干燥机干燥设备，并以银耳为原料，研究微波真空干燥动力学和最优工艺，结果表明：此工艺可分为加速干燥、恒速干燥及降速干燥3个阶段，较佳工艺参数为前期热风温度70℃，转换水分含量30%，后期微波强度5W/g［28］。2013年，单心心对大蒜粒微波-真空冷冻联合干燥传质模型进行了研究，对比了Lewis，Henderson and Pabis，Page 3种模型在联合干燥中对物料中水分含量的拟合，结果表明：Page模型拟合效果最优，并选取该模型对物料微波-真空冷冻联合干燥曲线进行拟合［29］。2014年，叶晓梦用微波-真空冷冻联合干燥铁棍山药，对其进行了工艺研究，最佳工艺条件为真空度0.032MPa，加热板温度20℃，解吸温度50℃，冻干最佳水分转换点为冻干时间4.5h［30］。该冷冻联合干燥技术研究起步较晚，但优势明显。

2.5 渗透-真空冷冻联合干燥

渗透脱水是指将果蔬浸入高渗透压溶液后，水分和溶质透过细胞膜进行传递，脱去物料中部分水分的方法［31］。通常作为一种前/后处理方式与其他干燥方法组合应用。

2006年，陈仪男对绿豆芽复合渗透液预处理-真空冷冻干燥工艺进行研究，结果表明：绿豆芽冻干工艺的预处理复合渗透液最优配方为麦芽糊精、羧甲基纤维素钠（CMC）、淀粉的含量分别是21.2%，0.16%，2.5%，试验验证显示绿豆芽经优选的复合渗透液预处理后能明显地改善冻干效果，同未经处理的相比，产量与质量的综合指标提高18.3%，维生素C保存率提高25.9%，冻干时间缩短36.9%，耗电节省19.9%；冻干品的安全水分可提高至10.0%，显微观察显示表皮细胞结构未受破坏［32］。2012年，张晓敏以燕山板栗为研究对象，以板栗粉品质和加工能耗为指标，将渗透-真空冷冻干燥与渗透-热风联合干燥、热风干燥、真空冷冻干燥进行对比，结果表明：渗透-真空冷冻干燥、渗透-热风联合干燥制得物料复水性好，干燥时间缩短，干燥能耗降低，有利于提高产品的经济效益［33］。

2.6 真空冷冻-变温压差膨化干燥

变温压差膨化干燥是一种利用物料中的天然水分汽化生成水蒸气带动物料膨化的一种新型、低碳以及绿色的干燥方式［34］。2015年，王萍以菠萝蜜为原料，对其热风-变温压差膨化联合干燥、真空冷冻-变温压差膨化联合干燥工艺进行了优化，在单因素试验结果的基础上，选取膨化温度、抽空温度、抽空时间这3个影响最为显著的因素作为变量，选择硬度、含水率、色泽b值、脆度作为响应值进行响应面优化试验设计，对干燥工艺参数进行优化，最终确定菠萝蜜真空冷冻-变温压差膨化干燥最优工艺参数为：膨化温度87.73～91.24℃，抽空温度58.12～61.31℃，抽空时间145.8～186.2min［35］。李兆路优化了热风-变温压差膨化联合干燥桑椹和真空冷冻-变温压差膨化联合干燥桑椹工艺，对比了不同干燥方式对桑椹干制品理化品质的影响。在优化联合干燥技术的基础上，研究了超微粉碎技术对桑椹粉物理性质和营养成分的影响，为桑椹干燥及制粉实际生产提供了技术参考［36］。变温压差膨化干燥微观细胞结构空隙最大，赋予产品疏松多孔结构。综合考量营养成分、感官评分、风味物质、微观结构、生产周期5类评价指标，变温压差膨化干燥加工技术适宜于香蕉干制品的生产加工［37］。

3 存在的问题及对策

真空冷冻联合干燥技术具有优势互补的原则，达到干燥产品品质好、生产耗能低的目的。但目前真空冷冻联合干燥技术仍处于工艺优化阶段，机理研究不足，而且缺乏相应的真空冷冻联合干燥设备，难以实现工业化生产。针对这些问题，应该加大对真空冷冻联合干燥技术机理研究，为设计研究真空冷冻联合干燥设备提供充分的理论支持。

4 展望

目前，在食品工业中真空冷冻联合干燥技术主要用于调味品、水产品、畜产品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。干燥后仍能保存物料活性物质及挥发性风味物质，尤其是天然调味品。目前胡椒、芫荽、生姜、大蒜、葱等香辛料和浓缩牦牛骨汤已有真空冷冻干燥的工艺研究，但相应真空冷冻联合干燥较少，仍有许多研究工作需要进行。真空冷冻联合干燥技术能在降低干燥能耗的同时得到最大程度保留挥发性风味物质的调味品，具有较高的利用价值，是未来天然香辛料等调味品干燥的发展方向。

［1］李冬生，曾凡坤.食品高新技术［M］.北京：中国计量出版社，2007.

［2］朱红英，初众，吴桂苹，等.青胡椒真空冷冻干燥工艺研究［J］.食品与机械，2012（4）：213-216.

［3］刘达玉，吕开斌.芫荽真空冷冻干燥的研究［J］.食品科学，2004（1）：182-185.

［4］李瑜，许时婴.不同干燥方法对干燥大蒜品质的影响［J］.食品与发酵工业，2006（7）：32-36.

［5］谭宇涛，陆宁.真空冷冻干燥和热风干燥对洋葱挥发性成分的影响［J］.包装与食品机械，2010（4）：20-25.

［6］张光杰，袁超，李丰.真空冷冻干燥生姜粉工艺研究［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2011（3）：31-34.

［7］魏庆霞.黄芪真空冷冻干燥试验研究［D］.晋中：山西农业大学，2015.

［8］张玉斌，余群力，聂志刚，等.浓缩牦牛骨汤真空冷冻干燥工艺实验研究［J］.食品工业科技，2014（1）：259-263，362.

［9］Fatouh M，Metwally M N，Helali A B，et al.Herbs drying using a heat pump dryer［J］.Energy Conversion and Management，2006，47：2629-2643.

［10］Wojdylo A，Figiel A，Oszmianski J.Effect of drying methods with the application of vacuum microwaves on the bioactive compounds，color and antioxidant activity of strawberry fruits［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2009，57：1337-1343.

［11］蓝浩，周国燕.果蔬冷冻联合干燥技术研究进展［J］.江苏农业科学，2013，41（2）：214-217.

［12］Shyil S，Lucy S H.Effect of processing conditions on the quality of vacuum fried apple chips［J］.Food Research Internaional，2001，34（2/3）：133-142.

［13］Phanindra Kumar H S，Radhakrishna K，Nagaragu P K，et al.Effect of combination drying on the physico-chemical characteristics of carrot and pumpkin［J］.Journal of Food Processing and Preservation，2007，25（6）：447-460.

［14］黄娇丽，黄丽，韦保耀，等.高菜真空冷冻与热风联合干燥工艺研究［J］.食品工业科技，2013（11）：227-231.

［15］陈君琛，杨艺龙，翁敏劼，等.即食杏鲍菇热风-真空联合干燥工艺优化［J］.农业工程学报，2014（14）：331-338.

［16］林国轩，罗小梅，刘玉芳，等.低温真空-热风联合干燥绿茶最佳水分转换点确定试验研究报告［J］.广西农学报，2015（5）：31-34.

［17］朱香燕，张珺，何义雁，等.热风与远红外干燥温度对苦瓜全粉品质的影响［J］.现代食品科技，2015（7）：265-269，325.

［18］Pyng L Y，Tsen J H，King A E.Effects of far-infrared radiation on the freeze-drying of sweet potato［J］.Journal of Engineering，2004，68：249-255.

［19］张秦权，文怀兴，袁越锦.远红外联合低温真空干燥设备研究与设计［J］.食品与机械，2013（1）：157-160.

［20］王洪彩.香菇中短波红外干燥及其联合干燥研究［D］.无锡：江南大学，2014.

［21］Asakawa Y.Promotion and retardation of heat transfer by electric fields［J］.Nature，1976，261（5）：220-221.

［22］Bai Y X，Li X J，Sun Y，et al.Thin layer electrohydrodynamic（EHD）drying and mathematical modeling of fish［J］.International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2011， 36（3）：217-228.

［23］Ashutosh S，Valerie O，Vijaya R.A comprehensive review on electrohydrodynamic drying and high-voltage electric field in the con-text of food and bioprocessing［J］.Drying Technology，2012，30（13）：1812-1820.

［24］白亚乡，胡玉才.高压电场与真空冷冻联合干燥海参方法及其效用分析［J］.高电压技术，2014（7）：2191-2196.

［25］Ade-Omowaye B I O，Angersbach A，Eshtiaghi N M，et al.Impact of high intensity electric field pulses on cell permeabilisation and as preprocessing step in coconut processing［J］.Innovative Food Science ＆Emerging Technologies，2000（3）：203-209.

［26］Ade-Omowaye B I O，Rastogi N K，Angersbach A，et a1.Osmoticde hydration of bell peppers：influence of high intensity elecrtic field pulses and elevated tempearturer teatment［J］.Joumal of Food Engineering，2002，54：35-43.

［27］Duan X，Zhang M，Mujumdar A S.Studies on the microwave freeze drying technique and sterilization characteristics of cabbage［J］.Drying Technology，2007，25：1725-1730.

［28］黄建立.银耳微波真空干燥机理及品质特性的研究［D］.福州：福建农林大学，2010.

［29］单心心.真空冷冻和微波真空联合干燥大蒜粒工艺及其动力学模型［D］.南京：南京农业大学，2013.

［30］叶晓梦.铁棍山药冻干-微波真空联合干燥工艺研究［D］.石河子：石河子大学，2014.

［31］Tonon R，Baroni A，Hubinger M.Osmotic dehydration of tomato in ternary solutions：influence of process variables on mass transfer kinetics and an evaluation of the retention of carotenoids［J］.Journal of Food Engineering，2007，82（4）：509-517.

［32］陈仪男.复合渗透液配方优化及其处理对绿豆芽真空冷冻干燥的效果［J］.农业工程学报，2006（12）：195-199.

［33］张晓敏.板栗渗透脱水及联合干燥技术研究［D］.武汉：华中农业大学，2012.

［34］Sullivan J F，Craig J C.The development of explosion puffing［J］.Food Technology，1984，38（2）：52-55.

［35］王萍.菠萝蜜联合干燥及制粉关键技术研究［D］.上海：上海海洋大学，2015.

［36］李兆路.桑椹联合干燥及制粉关键技术研究［D］.北京：中国农业科学院，2015.

［37］李宝玉.不同干燥方式对香蕉产品品质的影响［J］.食品科学，2016（15）：100-106.

Research Progress of Food Vacuum Freeze Combined Drying Technology

ZHANG Li-wen，LUO Rui-ming，LI Ya-lei＊，LI Jun-li，NIU Jia
（School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The vacuum freeze drying materials can maximize the retention of physical and chemical quality of original materials.It is a good way of drying materials，but there are defects of high energy consumption，long time and high production cost.Therefore，combine vacuum freeze drying and other drying methods to get the products with good quality and low energy consumption is the main research direction of future food drying.Introduce domestic and foreign food vacuum freeze combined drying technology，and summarize the relative research and application status，put forward the problems and countermeasures of vacuum freeze combined drying technology applied in the field of food processing.

food；vacuum freeze drying；combined drying；research progress

TS205.7

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.03.036

1000-9973（2017）03-0152-05

2016－09－15 ＊通讯作者

国家自然科学基金地区基金项目（31160328）

张丽文（1991－），女，硕士，研究方向：畜产品加工。