食品真空冷冻干燥技术研究

食品真空冷冻干燥研究付西光,董英,马海乐(江苏理工大学生物与环境工程学院,江苏镇江212013)摘要:真空冻干技术是干燥技术领域中科技含量高、涉及知识面广的一种技术,因其产品具有绿色、方便、保健功能,使该技术日受关注．文中阐述了冻干机理与工艺,通过真空冻干与热风干燥产品品质的比较,阐明冻干食品的专门性,并从设备、工艺及特性三个方面指出真空冷冻干燥存在的问题．关键词:食品;真空;冷冻;干燥随着世界经济的进展,国内外食品市场上发生了专门大的变化．其要紧特点是无污染的天然绿色食品、高质量的合成功能食品、花样品种繁多的快速方便食品走俏市场．食品除了具有营养,供给人体活动所需能量的功能外,又附加了两个功能,即保健和防病治病的免疫功能．人们在追求食品的色、香、味及口感外,还追求其易食性[1,2]．冻干技术能专门好地吻合“绿色食品”、“方便食品”和“保健食品”的三大进展趋势,因此,应积极进展冻干食品工业．在一些发达国家,80%～90%的食品属于方便食品或合成功能食品,仅日本市场上销售的保健食品就有2000多种,欧美国家中可达5000余种[2,3]．中国是一个农业大国,专门多农产品的产量在世界上均名列前茅,农业在国民经济中的地位十分重要．然而落后的加工技术大大限制了中国农产品的产后加工技术,阻碍了农产品的商品化的进程,严峻阻碍了中国农业的效益．能够确信,随着世界经济的不断进展,生活节奏的逐步加快,人们对各种合成食品、快速方便食品的需求量也在迅速增加,特不是对这些食品的质量和花色品种的要求也愈来愈高．显然,这为农产品的深加工、精加工提供了宽敞的市场,为提高农产品的效益制造了专门好的条件．真空冷冻干燥技术是干燥技术领域中科技含量高、涉及知识面广的一种技术,同时也是干燥方法中设备最复杂、能耗最大、干燥成本最高的一种方法[4-10],但由于其干燥产品的专门性:冻干食品具有复水性能佳、色泽保持好、营养成分损失少、产品重量轻、便于携带运输、易于长期保存,在品质上远优于其它干制食品的显著优点,使其成为干燥技术研究和进展的前沿[11-13]．1 真空冷冻干燥原理及工艺过程1．1 干燥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,使物料中水分直接升华除去,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,理解其过程应从水的三相平衡图开始．如图1所示,ＡＢ、ＡＣ和ＡＤ线分不称之为升华曲线、溶解曲线和汽化曲线;三线交点Ａ为固、液、气三相共存的状态,称为三相平衡点,其温度为0.0098℃,压力为610Ｐａ,箭头1、2、3分不表示冰升华成水蒸气、冰融化成水和水气化成水蒸气的过程．升华现象是物质从固态不经液态而直接变成气态的过程,由该图可知,当压力低于610Ｐａ时,不论温度如何变化,水的液态都不能存在,这时假如对冰进行加热,冰只能越过液态直接升华成气态,真空冷冻干燥确实是基于此原理．1．2 工艺流程食品真空冷冻干燥工艺流程通常包括:预处理→预冻→干燥→后处理(1)预处理其目的是保证优质原料以及利于冻干与贮藏．关于固态食品,应进行清洗、筛分、漂烫、切分．清洗与筛分是保证冻干原料为合格品;漂烫是钝化酶活性的最有效方法,同时漂烫也能除去部分水,以减少干燥负荷;切分利于包装、食用,同时切分尺寸及切口方位也会阻碍冻干速率．关于液态食品,应进行灭菌与浓缩,浓缩利用真空或冻结方法进行,浓缩程度合理与否,将直接阻碍冻干速率及生产效率．(2)预冻冻结的速率与最终温度阻碍真空冻干食品的质量与冻干速率．目前研究认为[14-16],速冻有利于细胞结构的食品,可保持细胞壁的完整及幸免细胞内有机液外溢．但速冻不利于液态食品,速冻易造成玻璃状冻结体,使冻干极难进行．最终温度通常取其共晶点以下5～10℃,过高或过低将严峻阻碍食品质量与能耗．(3)干燥真空冻干的干燥时期通常分为两段,即升华干燥段与解吸干燥段．升华干燥除去所有的冰晶体(物料中的自由水),约占总含水分的80%～90%,它是冻干过程的主体,这一过程以冰晶不融化为前提．解吸干燥除去物料固形物的物理、化学吸附水,这部分水分约占10%左右,这一过程以物料只是热变质为前提,为了获得理想的最终水分,此过程中冻干室的压强应更低一些,以保证脱除与固体结合较强的吸附水[17-19]．至此,物料中的水分已达到要求,完成物料的冻干．(4)后处理该工艺是将已冻干的物料,进行后期加工处理的过程．冻干食品是多孔疏松状,表面积大,易吸湿与破裂,因此常用真空包装或充入惰性气体进行包装[20]2 冻干食品的品质特点冻干食品与传统的晒干、烘干及真空干燥相比,具有如下特点．(1)冻干食品最好地保存原料的色、香、味和营养成分．食品冻干是在低温、真空条件下进行的,酶和细菌不滋生、食品不变质、不氧化、营养素损失少．据报道,冻干对肉、蛋、豆类、青菜类、甜玉米等食品中蛋白质无损害,ＶＣ、β胡萝卜素和其它水溶性维生素仅损失5%,脂溶性维生素ＶＡ、ＶＤ等完全不损失．表1列出了未加任何爱护剂时,新奇草菇、冻干草菇及真空包装室温贮藏3年的冻干草菇的氨基酸含量分析[21],表中值以100%新奇物料为基准,能够看出,有9种氨基酸在冻干过程中保存了94%,在贮藏过程中约保存了68%．表2列出了传统烘干或晒干与冻干的活性枸杞成分分析,显然活性枸杞营养成分高于传统枸杞．由此可见,冻干法保存食品的营养素是最高的．(2)冻干食品专门好地保持了原物料的体积形态与色泽．冻干是在冻结状态下进行的,冻干过程中的物理形态、化学和生物性质差不多不变,干燥后物料呈海绵状,无干缩现象,因此冻干后能保持原物料的体积和形状,食用时能专门快地吸水还原成冻干前的新奇状态,复水率可达90%以上．表3列出冻干与热风干燥的蔬菜复水时刻和复水后还原情况的比较,表4列出传统枸杞与活性枸杞感观上的一些差异．此可见,冻干的复水时刻短,还原成原状,色泽好,口感风味也好,无任何干缩现象．(3)冻干食品脱水完全,保存期长,可常温下贮藏,运输方便．冻干食品的残余水分仅为2%～5%,且其残余水分均匀．水是细菌生殖生长的必要条件,细菌因无水而不能生长,同时采纳真空或充入惰性气体包装,从而使脂肪不易氧化变质,延长保存期．冻干食品可在常温下贮藏、运输与销售,无需建立冷藏链．因冻干设备价格较高,干燥时刻较长,加之能耗大、技术复杂、涉及知识面广,目前还未广泛推广．但由于其干燥产品的专门性,近几年,该种干燥技术在我国食品加工业上开始应用．3国内外现状及进展趋势真空冻干技术起源于19世纪初,但由于制冷技术与真空技术等限制,直至20世纪初才开始用于干燥生物制品,第二次世界大战中,由于急需人体血浆,真空冻干得以快速进展．战争结束后,在一些发达国家中先后将此技术用于食品加工上,一时刻各类冻干食品厂蜂涌而起,当时有人预言,冻干食品将专门快取代其它干制食品．可由于复杂的设备、巨大的能耗和专门低的生产率,使高价格的冻干产品难以销售．60年代中期,某些真空冻干食品厂出现倒闭和转产．从此,人们开始在冻干理论上、设备上、工艺上及如何选择原材料上进行深入研究．据有关部门统计[22],目前,美国每年消费冻干食品500万吨,日本160万吨,法国150万吨,其它国家数量也专门可观．日本每年需花1000亿日元进口冻干食品,日本、美国及欧洲等地每年约需冻干大蒜粉6000吨,可见冻干食品的国际市场专门大．我国的冻干食品起步较晚,近年来一些科研院所对某些产品进行了冻干工艺的研究,东北大学徐成海教授对人参的冻干工艺进行了深入系统的研究,建立了传热传质理论模型,用此模型预测的冻干时刻与实测结果较好吻合;华中理工大学姚爱如、郭亮等分不利用自制的冻干机分析了冻干参数对冻干速率的阻碍;中国农业大学牛江研究了草菇的冻干工艺;吉林大学对冻干鹿茸进行了化学成分的分析研究．真空冷冻干燥技术被国内外认为是生产高品质脱水食品的最好的加工方法．因此,冻干食品在国际市场的价格是热风干燥食品的4～6倍,且其产量以每年30%的速度递增,正成为国际贸易的大宗食品．冻干技术可加工任何食品、药品,大致分类如下:蔬菜类:如蘑菇、芦笋、芹菜、辣椒、白葱、蒜片、姜、胡萝卜、菜花、荷兰豆、卷心菜等．水果类:荔枝、龙眼、香蕉、桔子、草莓、水蜜桃、樱桃、苹果、梨等．鱼肉类:虾仁、蛇肉、甲鱼、牛肉、猪肉、火腿等．方便面食品:碗仔面、盒装便餐、婴儿食品、旅游食品、老年食品、军用食品、宇航食品等．调味品类:汤料、果酱、调理料、香料等．其他类:茶叶、速溶咖啡、中药材、动物胶原蛋白、人参、酶素、血清、菌种、生物制品等[21,23-26]．4食品真空冻干存在的问题真空冻干的食品若作为一般消费食品仍然存在成本高的问题,尤其在我国食品市场上专门难见到真空冻干食品．目前我国真空冻干食品要紧依旧作为专门用途的食品,如守岛部队、登山探险、旅游、礼品和保健品等,因其价格昂贵,一般消费者无法承受．若使冻干食品为人们广泛同意,必须从两个方面考虑:一是从消费者方面考虑,人们必须具有较高的生活水平才肯花钞票买方便与享受;另一方面是冻干食品厂,必须使其技术不断完善,生产成本不断降低,使冻干食品在市场上具有竞争力．技术的完善应从两个途径入手:一是改善冻干设备及工艺,使其节能降耗;二是选择合理的冻干原料,使其具有高附加值．目前我国真空冻干专门不完善,具体表现如下:(1)冻干设备方面．冻干设备类型单一,性能落后,工作可靠性差,开发制造混乱．目前我国生产的真空冻干机绝大部分仍是仿制七、八十年代国外产品,其作业方式为间歇式,冻干室由冷热间隔的多层搁板组成．该种冻干机在生物领域及医药领域确实发挥专门大作用,但用来冻干性质差异专门大的食品物料专门不合理．国外食品冻干搁板面积均为几十平方米,有的逾千平方米,作业方式有连续式和间歇式．而国内生产的冻干机搁板面积差不多在十平方米以下,因此,许多单位不得不并用几台设备进行生产,造成冻干食品成本增加．真空冻干涉及干燥、真空、食品、生物等技术,国外在冻干机生产上差不多形成专业化生产厂家,技术力量全面、雄厚,如Ａｔａｌａｓ、Ｅｄｗａｒｄｓ、Ｌｅｙｂｏｌｄ等．国内生产的冻干机泄漏比较突出,工艺水平低,达不到技术要求．(2)冻干工艺方面．目前对冻干工艺的研究多集中在小型冻干实验机上冻干某些具体物料的样品,而多数研究又都集中在工艺参数对冻干速率阻碍上,将其作为多变量因素进行研究,而这些研究工作脱离了食品冻干工艺过程的特点,对冻干工艺参数及其之间的关系缺乏系统的分析．其研究结果无法为食品冻干厂制定食品冻干工艺,更不能为冻干机生产厂家在冻干设备工程设计过程作参考．(3)冻干特性方面．在制定冻干工艺时应注意冻干原料的特点:一是具有细胞结构的食品,该类食品在冻干时应注意冻干速率及冻结温度,试验表明,冻结速率慢易使细胞壁破裂,汁液外溢,使冻干产品质量下降,绝大多数果蔬食品差不多上细胞结构食品;二是具有芳香气味的食品,如何保留其风味不被破坏,目前研究认为,慢冻有利于风味物质的保留;三是无细胞结构也无芳香风味的食品,应以其中活性生物存活率为指标,特不注意解吸干燥段的温度[25]．5结论冻干食品虽尚未普及,但各研究工作者均从不同角度提高冻干工艺及设备的研究水平,随着我国经济步伐的不断加快,相信目前仅作为保健和专门用途的冻干食品必将成为大宗食品．因此,食品冻干仍存在许多有待研究的问题,如何解决产品价值与加工成本的比例关系是该技术进展的关键,仍需今后多学科配合进行系统地解决．参考文献[1] 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