冻干技术在食品领域应用的研究进展

王鹏飞，陈佳宇，朱佳怡

（上海理工大学，健康科学与工程学院，上海 200093）

随着现代科技的进步和互联技术的发展，物联网的覆盖范围愈发广泛，人们可以享受到全国各地的美食。如何保障人们入口美食的营养、安全与质量成为了人们愈发关注的热点问题，除了食品原料和物流两大因素外，最重要的影响因素就是食品加工技术。干燥是一种日常生活中最常接触也最熟悉的加工方法，其又分为自然干燥和人工干燥两种。干燥的方法多种多样，主要有真空干燥、冷冻干燥、微波干燥与红外线干燥等，但多数干燥方法都会导致干燥后的食品出现复水性不佳、营养成分损失、热敏性物质被破坏等问题。真空冷冻干燥技术可以很好地解决上述 问题。

真空冷冻干燥技术又称为冻干技术，所得产物简称冻干。该技术是在低温条件下将被干燥的物质快速冻结，然后在适合的真空条件下，利用升华的原理使水蒸气逸出，该技术可有效防止被干燥物质的理化性质和生物性质发生改变，有利于保存食品中营养成分和热敏性物质，因此在现代食品加工的冻干工艺中被广泛应用[1]。本文将从真空冷冻干燥技术的发展出发，介绍该技术的原理和优势，综述其在食品机械和食品加工领域中的应用。

1 冻干技术概述

1.1 冻干技术的发展

对冷冻干燥技术的应用最早出现在20世纪，Shackell利用该技术实现了菌种、病毒和血清的稳定保存，解决了二战期间人体血浆和抗生素的贮存和运输难的问题。此后，真空冷冻干燥技术在生物和医药领域迅速兴起[2]。该技术在食品领域中的应用是由英国学者Fikidd于20世纪30年代提出的。10年不到的时间里，俄罗斯科学家成功应用该技术对食品样品进行了实验。1958年，针对冻干过程的物理生物学基础研究和工业应用的优化，召开了第一届国际冷冻干燥会议，引起了众多学者的广泛关注，进一步推动了冻干技术在食品行业的发展。到了60年代，美国将该技术技术正式用于食品加工、农副产品及太空食品的制造。几年后，英国食品实验工厂奠定了冻干技术在优质食品的生产中的地位[3]。此后，冻干食品得到了快速 发展。

我国冻干技术在食品中的应用始于20世纪60年代中期，国家投资该类产品主要用作战略储备。1965年，原北京人民食品厂和北京食品工业研究所合作开展了冷冻干燥食品的实验研究工作，设计出每日脱水l0.5 t的冻干设备。1978年，食品年产量高达300 t的冷冻升华干燥车间问世，此车间由蒸汽喷射泵抽真空系统构成，是我国最大的冻干装置。20世纪80年代后，我国冷冻干燥食品生产发展迅速，引进了日本冻干设备，生产冻干香葱及姜片等食品。此后，食品真空冷冻干燥技术在我国蓬勃发展，在工艺、设计水平及控制水平方面都有着很大的进步[4]。

1.2 冻干技术的基本原理

冷冻干燥技术的基本原理是应用水的三相变化而实现的。当水在三相点（610.5 Pa），水蒸气、水和冰3者可共存且相互平衡。当压力高于610.5 Pa时，水一开始以冰的状态存在，在进行等压升温时，冰会首先转化为液态水，再从液态水转化为水蒸气；而当压力低于610.5 Pa时，对冰进行等压升温，此时冰就会直接升华为水蒸气。冷冻干燥的过程可分为两个阶段：①对于需要干燥的物料先进行冻结处理，使液态水转变为冰，然后在真空的条件下进行低温加热，此时的冰就会直接升华为水蒸气；②进行再次升温，物料中的“束缚水”就会解吸变成“自由”的液态水，进一步吸热蒸发成水蒸气，最终达到冷冻干燥的目的[5]。

1.3 冻干技术的优势

1.3.1 产品品质、性能较优

经过冷冻干燥技术处理过的产品具有挥发性成分损失较小、抑制微生物的生长和酶活、保持原来的性状和体积、不发生浓缩现象、避免热敏反应和氧化作用[6]、可长期保存而不变质以及热能利用较为经济等优点。

1.3.2 应用范围广

冷冻干燥技术不仅可以应用于食品加工，还可以应用于生物工程、医药及材料工程。①在食品加工方面，冻干技术可用于各类农副产品。果蔬类，如桑果[7]、黄秋葵[8]等；特色农产品，如木耳、野生菌[9]等；谷物类，如面类、豆类、玉米等；肉禽水产类，如畜禽肉、蛋、奶等。经研究表明，冻干技术处理后的产品，营养成分得以更大程度的保存，体积和重量也大幅降低，便于运输，适合长期保存，且复水性良好[10]。②在生物工程方面，冷冻干燥技术可以应用于血浆冻干[11]、冻干显微镜[12]、狂犬病冻干灭活疫苗[13]及水痘减毒灭活疫苗[14]等。经过该技术处理后的产品有着更长的保质期，且可以保留原有的性状。③在医药方面，冷冻干燥技术可以应用于生物化学、免疫学、细菌学的药品及中草药检查，能较好地保存原料中的活性物质。冷冻干燥技术可以维持药物的稳定性，避免其化学结构遭到破坏[15]。④在材料工程方面，邢赟[16]发现冷冻干燥技术可以作为一种简单、高效、环保及可控的材料结构调控方法，可使有序多孔复合材料具有多种优良的性能。

2 冻干技术的应用

2.1 冻干技术在食品机械中的应用

在食品机械领域，冻干机是冻干技术的直接体现。真空冷冻干燥设备通常由干燥室、制冷系统、真空系统、加热系统和电气控制系统设备组成[17]。其中，干燥室既能加热又能制冷，可直接影响冻干机的性能；制冷系统主要是为冷冻干燥室内物料预冻和冷阱供给充足的冷量，制冷系统主要包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀等[18]；真空系统由真空泵、真空压力计、真空度调节阀和真空压力开关等构成；加热系统主要由热源、加热板、温度传感器和压力传感器等组成[19]；电气控制系统具有设定冻干曲线、测试与控制真空泵、控制加热板和各类阀门等功能[20]。

真空冷冻干燥技术最关键的应用在于冻干机，冻干机可以根据需求划分为不同类型。根据作业方式可分为间歇式、半连续式和连续式；根据自动化程度分为全自动型、半自动型和手动型；根据用途可分为实验用冻干机和生产用冻干机；根据冻结方式分为冻干合一型和冻干分离型；根据干燥搁板面积分为小、中、大3种类型[20-21]。

2.2 冻干技术在食品加工中的应用

在食品加工中，冻干技术可保留食品中热敏性物质，使冻干食品仍保有新鲜食品的色、香、味及营养物质，同时还具有较好的复水性，保质期长、便于运输，因此在食品加工中得到广泛应用。

张桂芝等[22]将火龙果进行真空冷冻干燥处理，发现采用冻干技术对火龙果的果肉、果皮、花及茎进行加工后，其颜色、味道及所含的营养物质可以得到有效地保存，同时制成冻干粒或冻干粉末形态更便于运输和应用于产品开发。郭建业等[23]以隋珠草莓为原料，通过单因素实验和正交实验研究了真空冷冻干燥技术对草莓片品质产生影响的因素，结果表明真空冷冻干燥技术的最佳工艺参数组合为预冻条件-35 ℃、 2 h，在该参数下加工得到的草莓片含水量为3.8%，复水率为264.5%，维生素C含量为531 mg/100 g，产品色泽天然饱满，有光泽，有浓郁的草莓香气，结构保存良好，口感松软有一定硬度。采用真空冷冻干燥技术对草莓进行加工，不仅可以拓展草莓类产品的市场，还能有效改善草莓在运输和储存中存在的问题。

易丽等[24]通过正交实验，研究了番木瓜片的厚度、升华温度、预冻温度对产品的复水比和色泽的影响。结果表明，番木瓜片的最佳真空冷冻干燥工艺参数为物料厚度3 mm，升华温度35 ℃，预冻温度-40 ℃，在该工艺参数下实验得出样品的复水比及总色差值均有较高的可信度。可见真空冷冻干燥技术在番木瓜片的实际加工生产中有较高的实用价值。

李新建等[25]以糯米为原料，对比热风、真空和真空冷冻干燥技术加工的速食方便粥产品，比较干燥后糯米粥的失水率、复水率及微观结构。结果表明，在糯米粥厚度为5 mm、快速冷冻至-40 ℃，在绝对压力30 Pa、40 ℃条件下干燥12 h得到的糯米粥复水后呈纯白色，具有香气，米粒有韧性，结构均匀完整。

3 结语与展望

真空冷冻干燥技术能够有效减少食品营养成分的流失、热敏性物质的损失，且具有冻干前后物质结构改变小、保存时间长等优势。但该技术存在以下几方面问题。①冻干工艺复杂，需要真空和低温条件，工艺流程包括前处理、预冻、速冻、升华、解析和后处理6个阶段，每个阶段都需要严格的控制条件。②冻干设备复杂，使用冻干设备投资费用较高，因而冻干制品生产成本也较高。针对以上问题，笔者对冻干技术在食品领域未来的发展提出展望：①随着现代化技术的发展，冷冻干燥技术的应用已经越来越广泛，科研技术人员应当继续研究改进工艺中的不足，充分了解并引进国际上的先进技术及设备；②优化繁杂的工艺流程、参数、条件，促进冻干技术的发展，生产更高质量、更经济的冻干制品。期待未来的冻干技术能够在食品领域被更广泛的利用，从而为人们提供营养价值丰富、风味更好且普及度广的食品。