真空冷冻干燥技术与产业的发展及趋势

毕金峰 冯舒涵 金 鑫 易建勇 李 旋 吕 健 吴昕烨

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193)

当前，我国人民生活已经从吃饱向吃得好、吃得营养健康转变，消费者开始逐渐追求食物的品质、营养、方便、即食、快乐和享受等特点，食品行业也呈现出绿色、有机、天然、营养、功能、健康、方便和时尚等发展趋势。真空冷冻干燥(freeze-drying，FD)技术在食品行业的应用被喻为20世纪食品工业技术进步的重要标志之一[1]，该技术是国际上公认的可以最大限度保留食物原料组织结构和营养功能的高品质干燥加工手段。FD技术是利用原料中水分升华原理，将含水物料冻结到共晶点温度以下，并在真空条件下升温，以达到水分直接升华形成蒸汽并从物料中排出的效果[2]。由于该过程一直处于低温、真空和低氧环境，极大地抑制了好氧微生物的繁殖和某些生物酶的活性，保留了原料中生物活性成分和热敏性成分，确保FD产品的色泽、风味和外观形状基本不变，最大程度地保留了物料中维生素、矿物质、蛋白质和酚类等营养成分[3]。同时，FD技术可以去除物料中90%～95%的水分，使产品可以实现常温下的长期保存与便捷运输。因此，FD技术能够同时满足绿色天然、营养保持、功能稳定和方便即食等新时期食品发展的诉求，该项加工技术的开发与利用对我国食品产业高质量发展具有重要的推动作用。

1 真空冷冻干燥技术与产品简介

1.1 FD技术原理

水可分别以固态、液态和气态3种状态存在，当大气压降低到一定程度(610.5 Pa)时，水的沸点与冰点重合，此时水分子可以在低温条件下实现由冰到蒸汽的直接转变，这个过程被称为水的升华[4]。FD技术是通过将湿物料冻结至共晶点温度以下，利用水的升华原理，在低压条件下直接去除物料中水分子的干燥技术，并通过真空系统中的水蒸气冷凝器捕获物料中升华出的水蒸气，从而获得贮藏期长、体系稳定且营养功能完整的脱水产品。

冻干过程主要可以分为三个阶段，分别为预冻阶段、升华干燥阶段(第一阶段干燥)与解析干燥阶段(第二阶段干燥)[5]。

预冻阶段：该阶段主要将湿物料中大量的自由水冻结成固态，一般根据不同物料的共融点来确定适宜的预冻温度。由于物料处于冻结状态，物料体系处于稳定状态，预冻速率与冻干物料种类存在显著相关性。速冻形成的冰晶较小，对物料细胞结构的影响较小。相反，缓慢冷冻过程会生成较大冰晶，留下较大的孔状结构，从而有利于水的升华。然而较大冰晶将破坏细胞的原始结构，对物料组织结构和相关生物活性物质具有一定影响[6]。

升华干燥阶段(第一阶段干燥)：该阶段需要对物料进行适当的升温，使物料中处于冻结状态的游离态水发生升华，在这期间约去除物料中全部水分的90%[7]。不同物料由于其自身的物质组成、水分含量、水分分布及水分状态等特性存在差异，导致该阶段水分升华所需要的热量也存在差异。该阶段内需要保证温度既不能超过物料本身的共融点温度，还要超过水的升华温度。若升华温度高于共融点过多，物料将会因体系中水分粘度的减小而发生体积塌陷、变色、出现气泡等现象，故物料升华温度以接近共融点，同时超过水升华点为宜。

解析干燥阶段(第二阶段干燥)：基于前一阶段，本阶段继续将第一阶段未去除的约10%的结合水升华除去。该阶段需要有足够高的真空度，确保解析出的结合水有足够动力从物料中逸出。此外，由于结合水的解析需要较高的能量，所以需要确保此阶段的温度达到一定水平。由于物料的物质组成、形状以及残水含量不同，具体的解析时间需要由具体物料的基本性质来决定。

1.2 FD产品介绍

1.2.1 FD产品概述 目前，国外冻干产业发展迅速。FD食品在欧美和日本市场迅速流行，除了应用于宇航、登山、旅游、勘探和采矿等行业外，已广泛进入餐馆和家庭消费领域，属于高端营养健康休闲食品。在日本消费市场，FD食品占50%左右，FD食品品质优良，已被国内外广大消费者公认为高档的脱水食品。我国农产品资源丰富，但精深加工水平低，农产品一直徘徊在出口原料或初级加工阶段。FD食品的技术含量高，目前国内冻干机已实现自主研发，因此国内冻干产业应着重从冻干工艺出发，在考虑节能的同时，应该系统开展冻干过程中品质形成与调控技术研究，对设备的控制系统重新进行优化设计，逐步智能化、无人化，从根本上提高我国大型食品FD设备的整体设计及智能控制水平。

1.2.2 FD产品特点

(1)FD产品中热敏性及易氧化组分得以保存完好，基本可以保持物料的色泽、风味、营养品质和生物活性成分免受损失。

(2)FD产品基本可以保持物料原有的组织结构和基本骨架，具有物料天然的形状和酥脆口感。

(3)FD产品具有冰晶升华留下的多孔结构，这种多孔结构可以使其具有速溶和快速复水等特点。

(4)FD技术作为共性关键技术，可以实现单一物料、复合物料、再造型制品及个性化创制食品等多品类FD产品制造，满足多场景、个性化、方便即食和营养健康等需求。

(5)FD产品的水分一般为2%～5%，具有较低的水分活度，有效地抑制了食品基质中微生物的繁殖，如同时进行惰性气体密封包装，可以有效地抑制其吸湿并防止脂肪氧化变质，有效延长产品的货架期和保质期。

(6)FD产品重量轻，可实现产品大批量的长途运输及销售，大大降低运输成本。

1.3 FD产业优势

1.3.1 产品品质优 FD技术由于具有友好的加工工艺，使其产品实现了降低酶活、抑制微生物生长、物料基质不变质、不氧化、营养因子损失少等优点。研究表明，与热风干燥相比，冻干具有明显的活性组分含量和组成保持的优势[8]。相似地，冻干青稞与热风干燥、微波干燥、热泵干燥青稞相比，黄酮、γ-氨基丁酸、β-葡聚糖、多酚、核黄素等活性成分含量更高，且具有完整的细胞结构和最小的体积收缩率[9]。同时，当使用FD技术处理肉类、蛋类等食品时，冻干技术可以使蛋白质和其他脂溶性维生素(VA、VD)的损失率接近于0[10]。甚至有国外学者宣称，经过未来几年的发展，FD食品的营养水平可以与新鲜食品相互持平[11]。

1.3.2 技术适用广 FD技术不仅在食品加工领域得到了广泛的应用，在中药材处理、生物制药等领域也占据了重要地位。

在食品加工方面，FD技术几乎可以对所有的农产品进行加工，包括果蔬类，如苹果[12-13]、榴莲[14]、桃[15]、草莓[16-17]、菠萝、蓝莓[18-19]、西兰花、黄秋葵[20]等；谷物类，如玉米[21]、豆类、面类[22]、杂粮、油料作物等；肉禽水产类，如畜禽肉、蛋、奶等；调味食品类，如葱、姜、蒜等香料；饮料类，如咖啡、果汁、蔬菜汁等固体饮料；特色农产品类，如野生菌[23]、食用菌[24]、木耳等。

在中药材处理方面，由于目前大部分传统中药的加工方式较为简单，加工工艺标准化不高，整体品质亟待提升。研究表明，冻干处理的鹿茸材料较煮炸干燥法可以更有效地保持鹿茸中的脂溶性成分及色泽[25]。邢颖等[26]发现冻干处理后的生姜叶中的黄酮、多酚及精油含量较阴干、晒干、烘干处理更高。

在生物制药方面，冻干技术可以维持药品的稳定性，并更有效地提升药物的生物活性。FD技术可以避免药品在处理过程受到外界因素的影响，使药材的活性与品质得以保留[27]。此外，相较传统的干燥技术中会浮现皱缩破损等缺陷，冻干技术由于采用了水分子直接升华的方式，不会对药物形成产生过大的破坏，同时可以满足对药物生物化学结构的保护[28]。由于脱水过程在真空环境下进行，大大减少了药物被空气污染的可能性，并易于贮藏运输。

1.3.3 产品增值高 冻干技术的研发、应用与推广可以延伸和拓宽农产品精深加工广度和深度，大大提高农产品附加值和出口创汇能力，实现加工增值增效，延长农业产业链，提升农产品价值链。

2 FD发展历程

2.1 FD技术发展历史

自20世纪初真空泵与制冷机问世后，有人将两者结合，并于1909年首次实现了FD技术的应用。1919年，Shackell利用FD技术实现了菌种、病毒以及血清的稳定保存，实现了冻干技术最初的实际应用，并于第二次世界大战期间解决了人体血浆和抗生素的贮存和运输问题，自此FD技术开始在生物制药和生物制品产业中迅速兴起[29]。FD技术在食品领域的应用起源于20世纪30年代，英国的Fikidd提出FD技术在食品加工领域应用的可能性。此后，于20世纪40年代，俄罗斯科学家开始进行FD产品的小型实验并获得成功。随着1958年第一届国际冷冻干燥会议的召开，针对冻干过程的物理生物学基础研究以及工业应用的优化引起了大量学者关注，并促进了FD技术在食品行业的进一步推广[30]。上世纪60年代，美国将FD技术用于加工食品及农副产品，并应用于太空食品的制造。1961年英国Aberdeen食品实验工厂针对食品FD技术展开一系列研究，并证明FD技术的应用为优质食品生产提供了无限可能性[1]。此后，FD食品得到了快速发展，据资料记载，从1965到1970年，全球的FD食品厂从50多家增加到了100多家；自1963年起，9年内美国的FD食品产量从5 000 t增长到175 000 t。从20世纪80年代到90年代，全球的FD食品得到了迅猛发展，发达国家近一半的方便食品采用FD技术研制，并已经普遍被人们所接受。

我国的FD技术起步较晚且仅有50余年的发展历史。20世纪50年代我国开始从前苏联引进FD技术用于生物制药的生产与保存，但由于科技水平有限，FD搁板面积通常不超过20 m2，作业方式皆为间歇式，耗能较高，运行成本高，并存在自动化较低等缺点。20世纪60年代中期，出于军事战略需要，我国逐渐开始推动FD食品的研究，并分别在北京、天津和上海等地建立FD食品基地。1965年原北京人民食品厂与北京食品工业研究所合力发展了针对果蔬以及肉类等物料的FD实验研究，并开发出每日处理量500 kg的FD设备。到80年代后期，跟随着全球FD食品迅猛发展的大趋势，我国的FD食品生产也乘上了快车并取得了长足发展[31]。我国从日本、丹麦等国家引进先进的FD设备，并于90年代实现了FD工艺和控制水平的大幅度进步。同时，自90年代后，FD技术引起了中国科研机构的广泛关注，国内相关的科研单位开始了研发系列FD设备的征程。至今，我国已有20多个厂家具备食品FD设备的制造能力[32]。2015以来，国内迎来了冷冻干燥技术研究的黄金期，截止2019年我国有关冷冻干燥发明专利高达6 000余件。

2.2 FD装备发展历程

2.2.1 FD装备简介 冷冻干燥机主要由冻干箱以及真空、制冷、控制、循环4个主要系统组成，冷冻干燥机可以根据不同衡量指标划分为不同类型。如：根据用途分为实验用冻干机和生产用冻干机；根据干燥搁板面积分为小、中、大 3 种类型(1 m2及以下为小型；1～10 m2为中型；10～50 m2为大型)；根据作业方式分为间歇式、半连续式和连续式；根据冻结方式分为冻干合一型和冻干分离型；根据自动化程度分为全自动型、半自动型和手动型。

通常，真空系统通过真空泵抽出整个冻干系统中的空气及水蒸气，经由蒸汽捕集冷凝器捕获后从真空泵排气口排出[33]。真空泵系统必须同时将干燥室和冷凝器中的空气压力降至必要水平。此外，真空系统需抽出物料中释放的气体和通过泄露孔进入设备的空气，保证设备内的永久气体分压小于水蒸气的压力。真空系统运行时间贯穿于FD全过程以抽出水蒸气和永久性气体。

制冷系统是完成设备中湿物料预冻以及捕获物料中逸出水蒸气的重要冷源，与真空系统一样，也需要在整个冻干过程中保持运行。根据制冷系统的制冷方式以及冷阱温度的不同，可将其分为单机单级、双机双级、双机复叠和液氮制冷系统。由于使用隔热板传递系统和冷凝器的冷却受到压缩机的影响，现在越来越流行使用液氮制冷系统。与传统的制冷系统相比，液氮制冷系统可以在降低电能需求的同时避免使用冷却水，即节约成本也可降低噪声，且占地面积小并由于不需要压缩机而不需要刻意维护。

控制系统是FD设备中提供工艺控制、监测以及记录的系统，旨在使FD设备具有很好的重演性，同时可以获得高品质的FD产品。该系统需要满足以下条件：(1)标准组件与软件，以确保用户及制造商易于维护、操作及监测；(2)实现冻干过程中所有过程可视化以及可控化；(3)具有数据监测、记录以及管理功能，可以随意提供实时及历史数据的批次记录及查询；(4)具有自检及警报功能，以确保如果出现故障，产品与数据能够及时被保护及挽救。

2.2.2 FD装备发展历程 目前，美国Millrock科技公司、丹麦Atlas公司和日本共和株式会社在全球的FD设备生产中占有一席之地。Atlas公司于1873年成立，专注于冻干系统中压缩机、真空解决方案、动力工具和组合系统，且设备类型齐全，包括分离型FD设备和连续型FD设备，具有设计合理、自动化程度高和能耗低等优点，并在全球范围内处于领先位置。日本共和株式会社真空技术于1952年成立，是日本拥有最大规模的冻干装备的企业，提出了干燥过程无隔离水气凝结器除冰再生技术和TL型液态食品密闭系统管式FD技术等世界食品冻干机的先进技术，所研发的食品FD设备一般为间歇式，可以实现湿物料的周期性分批干燥作业。

我国早期的FD设备主要以引进并仿制国外产品为主，通常存在冻干面积小、能耗高和自动化程度低等缺点。我国第一代冻干机的出现可追溯到1965年，该类型设备主要用于各种固态食品冻干，采用托盘/搁板方法，通过接触传热的方式实现升华，但存在冻干耗时长、生产效率低、托盘操作复杂和成本高等缺点。发展到第二代冻干机时，出现了通过辐射提供升华热，并用双冷阱交替冷凝水蒸气和化霜的连续型冻干机，缩短了食品冻干周期，降低了成本，但仍存在搁板温度不均匀、干燥速率低和水汽凝结效率低等缺点。

近十年来，在我国高等院校、科研院所和设备生产厂家的共同努力下, 我国逐步拥有了FD设备的自主设计和生产能力, 并在国产化食品冻干装置方面取得了重大突破。如清华大学核能技术设计研究院研发的TH-FD50型冻干机、中科院兰州物理研究所自主研发的DG系列冻干机、东北大学机械工程学院研发的LG系列冻干机、广东省制冷学会食品保鲜工程开发中心研发的系列大型冻干机等[32]。我国在FD设备大型化方面的研制已接近20世纪90年代国际先进水平，但仍与国外存在差距，还需要不断优化FD设备性能参数，提升设备的自动化、智能化程度，降低能耗。同时，组合冻干技术与设备不断出现，将是未来冻干研发的一个重要方向。

2.3 FD产品发展历史

2.3.1 一代FD产品——天然FD产品 一代FD产品主要指天然物料经简单前处理后直接冻干所获得的天然单一FD产品。此类产品保留着原料的原汁原味，同时保持其纯天然特性和大部分生物活性成分，不添加任何“配料”，实现了“零”添加，是目前国内市场上FD食品的主力军。此类产品主要包括水果、蔬菜、香料以及药食同源植物，原料可接食用，且风味浓郁，干燥处理后仍然可以保持良好的原味口感和较强的功能活性。一代FD产品的食用方法丰富多样，包括即食、制粉等，产品面向大众，老少皆宜。虽然这类冻干产品零添加少处理，保证了产品的天然属性，但是产品相对单一，营养不均衡全面，无法满足目前市场多元化需求。一代FD产品的工艺技术还主要停留在初处理工艺流程，包括对天然果蔬原料的择选、整理、清洗、切分等。由于原料的种类多样，差异较大，使其加工条件、时间和处理方式等均不同。通常，新鲜果蔬需在采摘后2～12 h内处理完成，并及时进行冷冻，否则会影响原料的新鲜度、营养价值等。一般情况下，一代FD冻干产品主要被切分为条状、块状、片状、粉状和丁状等形态，不同的形态将会影响冻干的时间和效率。

2.3.2 二代FD产品——调理FD产品 二代FD产品主要指在一代FD产品的基础上经过调味处理获得的FD产品，即调味FD产品。各种天然或合成食品风味物质赋予FD食品特殊风味。此类产品中肉禽、蔬菜冻干产品较多，弥补了原材料本身风味的缺陷，使其冻干产品具有馥郁浓厚的风味，同时不影响原料本身的营养价值。相较一代FD产品，调味FD产品实现了产品口味的多样性，丰富了产品呈现形式的多样性，带来了更多可能性。然而，二代FD产品仍然停留在天然原料，未突破物料本身的限制，且营养成分局限于原料本身，缺乏更多的可能性。与一代FD产品相比，二代FD产品包括多种展现形式，且受众群体较广。二代FD产品在一代FD产品加工工艺的基础上，进一步通过渗糖、调味、涂膜等加工工艺实现改善原料风味的目的。例如，有研究发现渗糖处理后的果蔬具有更好的口感、风味、质地[20-21]。

3 FD技术与产业存在的主要问题

3.1 理论与技术亟待突破

当前，我国FD技术的基础理论研究与国外存在较大差距，缺乏对冻干基础理论及相关学科的系统研究。传统冻干理论对于指导生产仍有一定距离，在温度、真空度、三相点、传热传质等理论模型构建、精准变化与调控机制方面还存在一些问题亟需解决。按照传统冻干理论，根据共晶点和共熔点确定预冻温度是目前普遍观点，然而实际上还存在其他因素影响干燥效率和产品品质。从目前实际生产来看，一方面不同预冻速率得到的物料在干燥速率和品质上均有差异；另一方面对于果浆、酸奶等混合物的物料在块状模具中冻结时冰晶生长模式通常为竖状，并且物料表层密度增大，影响冻干过程初期塌陷温度、干燥速率和产品最终形态。冻干过程传热方式是热辐射，由于物料的热导率和物料在冻干机内位置的不同，物料的塌陷温度有差异，当物料所在位置热流大，物料已干层热导率高时，物料塌陷温度较低；当物料温度超过塌陷温度时，物料内部冻结层发生融化，超过共熔点温度，产品可能会发生起泡、鼓包、塌缩等现象。

3.2 装备自动化、智能化程度低

我国FD设备的类型较为单一，整体性能落后，开发制造存在混乱现象。此外，我国自主研发的FD设备较进口设备，在连续式FD技术方面仍然有待攻克：我国当前生产的大部分冻干作业方式仍然是间歇式，需要停机卸料、冷却、制冷以及再次抽真空等操作，不仅增加了能源损失也降低了生产效率。在工艺研究方面，目前冻干工艺还主要集中于小型冻干试验机上的应用，利用多变量因素分析对食品冻干工艺参数进行优化，往往忽视了不同参数之间的关联性，其研究结果难以在实际生产中广泛应用。

3.3 精准化、个性化产品少

与其他普通消费食品相比，国内市场中FD产品仍然存在价格高、市场占比不理想的问题。此外，国内FD产品主要以原料直接生产为主，缺少精准化、个性化、功能化产品研发，需要考虑营养均衡、色香味俱佳、食药同源、多食品多组分设计复合再造等，解决目前市场上FD产品口味单一、品类单调和创新性缺乏等问题。

3.4 产品易吸潮、易破碎、易褪色、风味淡

FD产品在脱水之后呈现海绵状疏松多孔结构，比表面积大，具有蓬松的外观结构， 导致FD产品易吸潮、易破碎，与其他干燥方式相比，FD产品颜色较浅且易发生褪色，不利于维持产品的外观品质。此外，FD产品的挥发性风味成分损失，产品风味相比传统加工方式较淡。由于某些小分子化合物的沸点较低，在水分升华过程中从物料中一同逸出。

3.5 能耗高、时间长、效率低

FD技术应用于食品加工方面仍存在成本高的问题。FD食品高成本主要来源于三个方面，一是FD设备本身投资成本较高；二是冻干生产能耗高；三是干燥时间较长、产能低。在FD设备中，核心部件、能源消耗及决定干燥时长的关键环节主要来自于制冷系统和升华系统，升华干燥过程的能耗占冻干总能耗的48%。因此，如何创新冻干装备、精准控制干燥工艺、缩短冻干时间、提高干燥效率、降低用工成本已经成为FD技术亟待继续突破的“卡脖子”问题。

4 FD技术与产业发展趋势

4.1 FD技术装备发展趋势

4.1.1 冻干产品加工适宜性研究 不同品种的果蔬、肉品、粮油等由于具有不同的色泽、质构、风味以及营养功能，使得不同品种的原料冻干产品品质各异，并不是所有的原料都适合冻干。就冻干产品而言，具有不同物质基础的原料，将显著影响其冻干过程中的加工适宜性。以苹果为例，含糖量较高且风味纯正的苹果品种，如富士、国光以及黄元帅等较适合用于冻干加工。然而，目前国内苹果冻干脆片品种混杂，品质差异较大。此外，同一品种不同成熟度的原料所加工出的产品品质也具有较大的差异性。以水果为例，未成熟或贮藏期的水果中含有大量未转化为小分子糖的淀粉，果皮中存在大量未转变为水溶性果胶的原果胶，使得未成熟果实的冻干产品与成熟果实的冻干品质存在显著性差异。同时，物料本身的物质组成和组织结构对冻干产品品质的影响也较大。由于冻干后物料丧失了绝大部分水分，故原料本身的物质组成决定了冻干产品最终的色泽、风味、质构以及营养功能等。

4.1.2 冻干品质形成机理与调控技术 首先是色泽、风味和质地等品质形成机理与调控技术。热风干燥的色泽变化，通常与产品褐变(酶促或非酶促反应)或色素降解有关，不同于传统的热风干燥，冻干过程中的颜色变化可能是由于冻干样品中存在孔隙结构，这些结构散射了反射光，使得颜色发生改变。香气的保留是冷冻干燥提取物的主要优势之一，因此冻干技术被广泛应用于某些市场价值较高的咖啡粉或其他液体食品的生产加工。在加工过程中，增加液体食品中可溶性固形物含量，可降低系统内芳香化合物的扩散性，从而限制香气成分在基质中的传输，在一定程度上减少冷冻干燥过程中的香气损失。由于水分被去除，冷冻食品的收缩或塌陷是升华阶段存在的主要问题。较低的升华压力(较高的真空度)通常可以减小食品的皱缩率，生产出具有较低堆积密度和更多孔结构的冻干产品。此外，在预冻阶段，冰晶的形成可能会破坏样品的细胞结构，从而导致产品质地更软。较慢的冷冻速度会导致更大的冰晶形成，从而导致冷冻过程中更多的细胞破坏，并形成更软的质地特征，而这种对各种水果组织完整性的破坏将导致水果样品硬度降低。

其次是营养功能品质形成机理与调控技术。由于冷冻干燥脱水过程是在没有液态水的情况下于低温条件下进行的，因此与传统干燥方法相比，冷冻干燥技术大大降低或消除了微生物活性和化学反应。研究发现，冷冻干燥样品中生物活性化合物(如总黄酮、黄酮醇、儿茶素和酚类)的损失微不足道[34]。Agudelo等[35]发现冷冻干燥的葡萄柚样品中酚类物质的保留率超过90%。同时，冷冻干燥可以有效地保持酚类物质的贮藏时间，Cheng等[36]发现PD杨梅粉贮藏50 d后其总多酚含量也很高，说明冷冻干燥技术有利于保持粉末中多酚的稳定性。

4.1.3 预处理节能低碳技术 物料预处理可以有效提高干燥效率，达到优化产品品质、降低能耗、减少碳排放的目的。例如，在冻干前，采用超声波预处理，通过超声波与介质之间相互作用所产生的热能和超声波空化效应，在物料中形成微孔道，快速去除物料中部分水分，缩短干燥时间，达到降低能耗的效果[37]。此外，结合高压脉冲电场处理，可以在物料组织结构不被破坏的基础上提高细胞膜的通透性，从而有效缩短冻干时间，降低运行成本[38]。同时，也有研究发现对冻干物料进行真空冷却预处理，可以于物料表层形成微孔通道，从而降低物料内部冰晶升华阻力，提高升华速度，缩短干燥时间。

4.1.4 真空冷冻联合干燥技术 FD技术与其他干燥技术联合，可以弥补单一冻干技术能耗高的缺点，同时也可以获得高品质干燥食品。FD联合干燥技术是根据物料的基本特性，将两种或两种以上的干燥技术以优势互补为原则，分阶段对物料进行脱水，以降低物料干燥的运行成本，提高干燥产品的品质并在最大程度上保留物料的理化性质。如：真空冷冻-热风组合干燥[39-40]、真空冷冻-微波组合干燥[41]、真空冷冻-压差闪蒸组合干燥、热泵-真空冷冻组合干燥[42-43]等。真空冷冻-热风联合干燥与单一冻干技术相比，具有较低的总能耗量，同时产品的细胞特征与单一冻干产品中的细胞特征相一致。热风-真空冷冻联合干燥对脆性龙眼果干品质影响的研究表明，热风-真空冷冻联合干燥较冻干节约干燥时间12.16%，节约单位能耗25.40%[44]。研究发现，微波-真空冷冻联合干燥也可以有效弥补冻干的高耗能的缺点，微波-真空冷冻联合干燥处理甘蓝比单一冻干时间短，且对产品有明显的杀菌效果[45]。

4.1.5 高效节能低碳FD设备创制 如上所述，能耗是冻干中一个长期存在的问题，由于电加热系统主要为湿物料的固态水升华提供能量，仅由数个电加热器组成，故节能改造空间相对较小。而目前国内FD设备的制冷系统一般采用双级压缩机制冷系统以及重叠压缩低温制冷系统，前者主要适用于大型中式FD设备，以水冷形式工作；后者主要适用于小型FD试验型设备，以风冷形式作业，两种作业方式均需要配置风机以及水泵。目前，为了达到节能低碳的目的，新型的制冷系统可以利用变频水泵和变频风机来代替传统的定频水泵和定频风机。此外，鉴于小型冻干机以及中大型冻干机的容量差异，可以采用变容量压缩机，如在小型试验FD设备采用涡旋式压缩机来代替活塞式压缩机，而在中大型中式设备利用螺杆式压缩机替换活塞式压缩机，从而使压缩机与FD机的能量匹配，达到降低能耗的作用等。未来FD设备将不断实现自动化、数字化、连续化和智能化，从而更加高效、节能、低碳。

4.2 FD产品发展趋势

4.2.1 三代FD产品——重组FD产品 三代FD产品主要指通过破碎打浆、均质、复配以及再造型等手段，以不同原料的天然营养配比为指导，将含有多种营养素水果、蔬菜、谷物等原料通过一定处理，并以一定方式混合重组所获得的具有多维度营养功能的FD产品，实现1个FD产品能同时满足人体日常膳食所需摄取的多种营养素，包括糖类、脂肪、蛋白质、维生素、水、矿物元素和膳食纤维等，即重组FD产品。三代FD产品突破了单一原料天然营养的限制，实现了多种原料、多种营养、不同形状、多维感官的创新。重组FD产品可以通过分析食材天然营养素的含量与比例，对感官品质和营养功能成分互补的不同原料进行搭配组合，实现FD产品的全面均衡营养，为未来实现营养健康设计FD产品奠定基础。目前，三代FD产品在市场上得到高度重视和推广，产品形式主要以重组脆片、脆块、脆条、脆棒、溶豆、速冻粉等为主，可以通过即食、咀嚼、冲饮、吞咽等方式食用，具有广泛的受众群众。由于三代FD产品已经打破了原料的天然形态，所以根据不同的原材料需求，需要选择不同程度的破碎度以及粒径。目前，市场上已经出现了冻干蓝莓酸奶块、冻干芒果酸奶块等新型冻干产品，并逐渐成为主流冻干产品。

4.2.2 四代FD产品——营养健康设计制造FD产品 四代FD产品是在三代FD产品的基础上，突出营养均衡、功能突出、色香味俱全、聚焦特需人群等特点，实现更多食品品类的融合，以实现FD产品营养健康精准设计制造为目标。目前，市场上此类产品逐年增加。相较于第三代产品，四代FD产品将实现水果、蔬菜、谷物、肉类、食药同源等精准配伍组装，同时，通过居民膳食指南来平衡FD产品的营养素比例和成分，提供科学的人体营养素结构，科学避免营养过剩或不足的现象。此类产品主要针对婴童、青少年、中老年人、肥胖、糖尿病、高血压、高血脂、美容养颜、视力减弱等特需人群。四代FD产品将以方便即食、冲调粉、功能片剂、胶囊内容物等产品形成出现，通过咀嚼、冲调、吞咽等方式被摄入。此类FD食品的表现形式将为特定人群、特殊用途、特殊环境等提供更多的可能性，具有广阔的发展前景。

4.2.3 五代FD产品——精准个性化定制FD产品 五代FD产品是在四代FD产品的基础上，进一步向精准营养功能调控和个性化定制方向发展，针对不同个体营养健康状况的精准分析，采用大数据分析和精准营养素复配等手段，以改善个体消化系统状况和身体健康为目标，精准设计制造针对个体目标的FD产品，达到精准、个性化营养健康调控的目的。五代FD产品相较于其他FD产品更加强调针对特需人群的专一性、个体性和精准设计制造，并更加注重产品的功效、嗜好、场景、精神、文化、享受、品味等属性，将主要以休闲食品、功能片剂、冲调粉、胶囊内容物或3D打印制造食品等形式呈现，通过咀嚼、冲调、吞咽等方式摄入，面向个体精准服务，将成为未来FD市场的发展方向。