真空冷冻干燥技术在食品方面的应用研究

路 敏，陈媛媛

（1.天津赛誉食品有限公司，天津 300308；2.天津华测检测认证有限公司，天津 300300）

受到外界环境、自身特点等影响，食品在存储、运输、加工过程中会不可避免地发生物理、化学、生物变化，导致其外观形状发生改变、营养成分降低，损害了其经济价值。干燥是人们在历史发展进程中探索出的有效食品加工技术之一，真空冷冻干燥技术将真空、低温与干燥结合，能够更加有效地保留食品品质，延长食品储存期限[1]。

1 真空冷冻干燥技术原理

真空冷冻干燥技术是基于热力学中的相平衡理论实现的。相平衡即为多相系统中各相变化达到的极限状态，这一状态下，相际物质传递净速率为0。对于水来说，其有固态、液态、气态3种相态。当外界压力下降时，水的沸点会逐步降低，在温度0.009 8 ℃，压力609.3 Pa时与冰点重合，达到相平衡。当水的压力继续下降，其中的冰会直接转化为水蒸气，实现冰晶升华。真空冷冻干燥技术是先对含有大量水分的新鲜食品进行预冷冻处理，使得其中的水分转变为固体冰结晶，进一步将其置于真空环境中，借助相平衡使得冰结晶转化为水蒸气，吸附剩余水分后，可将食品中的含水量降低至1%～4%，实现干燥的目的。

2 真空冷冻干燥技术在食品方面的应用优势

2.1 保留食品色、香、味

色、香、味是人们购买食品的主要因素之一。新鲜食品较易氧化，或受到酶、微生物的影响而腐败变质，进而改变色、香、味。真空冷冻干燥将食品置于缺氧、低温状态，有效避免受到氧气、酶、微生物的影响，使其色、香、味得以留存。此外，食品在常温储存过程中，营养物质会逐步流失。科学研究表明，真空冷冻干燥对于食品的蛋白质和维生素A、维生素D等脂溶性维生素的损害几乎为0，对于食品的维生素C、β-胡萝卜素等水溶性维生素的损失仅为5%，最大限度地保留了食品中的营养物质[2]。

2.2 保留食品形态

在长距离物流运输过程中，食品内部结构易受到挤压，或因为内部水分流失而导致其外部形态改变。真空冷冻干燥技术能够有效强化食品内部结构，并借助干燥使其内部生成多气孔，实现复水速溶，迅速恢复其自然形态。

2.3 延长食品保存期限

食品中水分含量较多且暴露于空气中极易受到酶、微生物的影响，导致腐败变质。经过真空冷冻干燥的食品，其含水量在1%～4%，且水分分布均匀。同时，大多真空冷冻干燥后的食品采用真空包装，可彻底隔绝空气，有效延长了其保存期限，通常可在常温环境下保存数年。

3 真空冷冻干燥技术流程

3.1 预处理

预处理是食品在经真空、冷冻、干燥前的处理过程。与其他加工方式相比，真空冷冻加工技术对食品自身品质要求较高。因此，应依据食品种类选择预处理方式。例如，针对果蔬类食品，为保证其鲜度，应当在采摘后8 h内进行冷藏加工，避免其氧化变色以及营养成分流失。同时，预处理环节也需要对原材料进行切割。通常情况下，真空冷冻干燥加工食品大多采取条状、片状、块状、丁状和粉状加工。不同的加工方式对于后续冷冻、干燥环节的条件、时间有着不同的要求，相关工作人员应当结合食品自身性质和加工特点进行合理选择。例如，针对纤维素较多的果蔬类食品，应当选取条状、片状、块状加工，并垂直于食品纤维走向进行切割，增加内部水分暴露的表面积，确保水分在冷冻干燥过程中完全排出，提升冷冻干燥效果和效率。针对肉类食品，应当选取片状、块状、丁状，并尽可能降低切割厚度，保障冷冻效果[3]。

3.2 冻结处理

在较大型的工厂流水生产中，真空冷冻干燥操作通常由冻结处理和干燥升华两步骤组成，冻结处理是其中的核心环节。冻结处理的速度、环境温度等要素对于食品内部水分的升华效果、成品质量、耗费能源等有着直接影响。现今我国冻结处理操作大多采用慢速冻结，虽然食品内部水分的升华速度较快，但升华后的冰晶多为少量、大块、连续的网状结晶，增加了干燥的难度。虽然提升冻结处理的速率能够使得食品内部冰晶体积缩小、排布更为密集，提升干燥效果，确保食品口感，但密集的小结晶体阻碍了内部深层水分溢出，导致冻结时间延长，所需能源相应增多。因此，相关人员应当选取合适的冻结方式。科学研究表明，在-5 ℃的环境下，食品内部约80%的水分已经冻结[4]。相关工作人员可以使食品维持该温度一段时间后再次冻结，在提升冰晶体的升华效果的同时，有效抑制能源消耗，节约加工成本。

3.3 冻干处理

3.3.1 加热

加热是冻干处理的第一步。经过冷冻后，食品内部可能存在的微生物处于低活性状态，在储存运输过程中有恢复活性的风险。在进行冻干处理前对食品进行加热，能够进一步消除食品含有的微生物，保证食品安全。此外，水的升华过程伴随着吸热，较低的热量进一步抑制了水升华速度。为确保食品内部水分完全升华，需要借助加热提升食品内部水分的饱和蒸汽压，促进升华速率上升。应当注意的是，为避免食品解冻，全过程中的食品温度均应维持在-30～-10 ℃。

3.3.2 真空

真空加工需将加热结束后的食品放入真空箱，抽取其中空气，使食品处于真空状态，进一步提升和食品干燥层的导热系数，加快冰晶的升华速度，进而进行食品干燥。由于食品自身含水量及内部结构的影响，在真空加工过程中，相关工作人员应当精准计划压力，确保食品真空冷冻干燥效果的同时避免能源的过度使用。

3.3.3 干燥

待食品内部冰晶全部经升华排出后，即可进入干燥环节。相关人员可借助真空泵进一步抽出冻干仓内的水蒸气，确保食品彻底干燥。

3.3.4 包装

包装是食品抵御外界侵袭的第一层防护。真空冷冻干燥食品水分含量低，遇水速溶，且易受到光照、空气等影响。因此，必须选取防水、遮光、隔绝空气的材料进行食品包装。通常情况下，真空冷冻干燥食品大多选取铝薄膜复合材料进行真空包装。同时，在包装操作前，也可借助辐射、紫外线照射等方式消除食品表面的残留细菌，抵御储存运输风险。

4 真空冷冻干燥技术现状

4.1 冷冻恒温难以保证

冷冻操作的温度对于食品的质量有着直接影响。现今我国食品真空冷冻干燥加工过程中，缺乏针对冷冻时间、温度的精细化管理，导致食品冻结状况难以达到预期，影响了成品的质量[5]。此外，近年来我国食品物流运输距离不断增长，但冷链物流仍未完全普及，加工成品在物流运输中难以保证恒温，增大了食品腐败、变质的概率，在提升经济成本的同时威胁着消费者的食品安全。

4.2 干燥效果一般

食品营养物质的保留是真空冷冻干燥技术的主要目的之一。传统的慢速冷冻方式使得食品细胞内外冻结速率不一，细胞内部水分外溢，产生冰晶，使得营养物质外流。虽然现今快速冷冻技术的出现能够有效提升冰状结晶速度，使得食品细胞形成保护层，避免其营养物质流失，但因设备投资高、能耗较大等原因，快速冷冻技术仍未在我国全面普及，导致食品干燥效果平平，影响了干燥食品的质量。

4.3 加工方式不完善

不同类型、体积、形状的食品冷冻、干燥速率不同，应当有针对性地进行真空冷冻干燥设定。现今我国食品真空冷冻干燥加工仍然较为粗放，以单一式的冷冻干燥方式进行全部食品的处理。同时，为确保冻结效果，在食品冷冻结束后需要进行至少1 h的保温处理，但一部分食品加工企业缺乏对时间的把控，甚至将其省去，影响了成品的质量。

5 新型真空冷冻干燥技术

5.1 微波真空冷冻干燥

真空冷冻干燥技术需要借助干燥有效排出水分，耗能大，时间长。微波真空冷冻干燥技术很好地弥补了这一不足。微波真空冷冻干燥借助微波辐射，将微波电磁能转化为热能进行干燥，能够有效提升干燥速率，彻底排出食品水分。但微波真空冷冻干燥技术投资较高，至今仍集中于高附加值食品加工中，有待大规模普及应用。

5.2 喷雾真空冷冻干燥

实现冷冻速度的提升，进一步降低冰晶体积是真空冷冻干燥技术的发展方向。在奶粉、药品等粉末状食品加工较多的欧洲，将粉末食品借助喷雾喷洒，并进行液氮冷冻的喷雾真空冷冻干燥技术有效解决了这一课题。喷雾真空冷冻干燥使得食品接触面积增加，迅速形成冰粉，加以真空冷冻，能够显著缩短冷冻干燥的时长。

5.3 真空冷冻干燥联合热风干燥

传统真空冷冻干燥加工借助加热进行干燥，能耗较高。将热风干燥引入真空冷冻干燥加工是近年来的发展趋势。据研究表明，相比传统真空冷冻干燥技术，真空冷冻干燥联合热风干燥加工能够节约40%左右的能源。但应注意的是，如先进行热风干燥，容易损伤食品内部骨架结构，影响其速溶复水效果。因此，需将真空冷冻与热风干燥联合操作。在对腌制菜干燥过程中，真空冷冻加工加以热风干燥实现了约20%的能耗降低，同时其速溶复水效果优异[6]。

5.4 冷冻干燥联合真空微波干燥

微波冷冻干燥虽然实现了干燥速度的提升和能耗的降低，但针对果蔬等食品加工时，食品内部骨架结构会因微波造成损伤，导致食品变形，降低了食品品质。将冷冻干燥与真空微波干燥结合，在真空状态下利用微波进行干燥，不仅能够节约近40%的能耗，同时避免了果蔬食品的内部骨架损伤，保留了其内部营养。

6 结语

综上所述，真空冷冻干燥技术能够在保存食品色、香、味，维持食品营养物质的同时显著延长食品保存期限，降低物流运输损失，是新时代食品加工的有效方法。但我国的真空冷冻干燥技术起步时间较晚，现今仍存在一些不成熟的地方。在实际操作时，相关人员应当全面把握真空冷冻干燥的工艺流程，依据食品自身特性进行针对性地调整和精细化地管理，确保食品品质，减少成本，为我国食品行业的发展作出贡献。