第五章 食品凍干保鮮技術(shù)

第五章食品冷凍干燥貯藏5.1國(guó)內(nèi)外冷凍干燥食品概況隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品的要求也隨之發(fā)生了質(zhì)的變化，現(xiàn)代人的食品消費(fèi)除了色，香，味及口感要滿(mǎn)足外，還追求“天然，營(yíng)養(yǎng)，安全，保健，方便”的新時(shí)尚，冷凍干燥食品——凍干食品正是很好地吻合了“綠色食品”,“方便食品”和“保健食品”的三大發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)凍干食品的需求量越來(lái)越大，在我國(guó)加入世貿(mào)組織，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)整的形勢(shì)下，發(fā)展凍干食品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

真空冷凍干燥技術(shù)是將真空技術(shù)和冷凍技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種綜合性技術(shù)，亦稱(chēng)真空冷凍升華干燥技術(shù)。采用該技術(shù)生產(chǎn)的食品稱(chēng)為真空冷凍干燥食品。真空冷凍干燥食品能最大限度地保持新鮮食品原有的品質(zhì)，其色澤，形狀，外觀(guān)只有輕微的變化，營(yíng)養(yǎng)成分損耗極少，結(jié)構(gòu),質(zhì)地,風(fēng)味變化很小，因而受到消費(fèi)者的歡迎。真空冷凍干燥技術(shù)已成為一種新興的食品加工技術(shù),是21世紀(jì)食品加工的發(fā)展方向。

凍干技術(shù)是前蘇聯(lián)科學(xué)家拉巴斯塔羅仁連茨基1921年發(fā)明的，直到1943年美國(guó)首先在制藥工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)采用這項(xiàng)新技術(shù)，60年代起德國(guó),荷蘭等西歐國(guó)家才開(kāi)始將這項(xiàng)技術(shù)用于食品工業(yè)。隨后日，美，英，法和港，臺(tái)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相繼建立起凍干食品加工廠(chǎng)，目前已達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)程度。

我國(guó)凍干食品起步也較早，自50年代就開(kāi)始研究?jī)龈杉夹g(shù)在食品加工中的應(yīng)用，并取得了一定成績(jī)。70年代北京，大連，上海等就建立了試驗(yàn)和生產(chǎn)基地，但由于產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)，這些基地被相繼拆降。

自70年代到80年代后期，在凍干技術(shù)和設(shè)備方面僅僅限于科研試驗(yàn)；到了90年代才有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，河南，寧夏，新疆，河北，山東等地已經(jīng)建成或正在籌建一批凍干食品廠(chǎng)；這標(biāo)志著我國(guó)凍干食品市場(chǎng)正在啟動(dòng)。

目前，寧夏，深圳，天津，河南，河北，遼寧，上海，山東，江蘇等地相繼研究開(kāi)發(fā)出了凍干設(shè)備，并開(kāi)始生產(chǎn)凍干食品。而且在青島，廣東，福建，北京，新疆等地又先后從國(guó)外引進(jìn)了一些生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)調(diào)味品，植物蛋白等凍干食品；產(chǎn)品出口創(chuàng)匯，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。食品冷凍干燥技術(shù)的原理化學(xué)熱力學(xué)中的相平衡理論是食品真空冷凍干燥技術(shù)原理的基礎(chǔ)。在一定的壓力和溫度條件下，水的3種聚集態(tài)(固，液，氣態(tài))之間達(dá)到一定的相平衡。在壓力大于三相點(diǎn)的壓力(610.5Pa)時(shí)，將固態(tài)冰等壓加熱升溫，冰需首先轉(zhuǎn)化成液態(tài)水,然后再轉(zhuǎn)化成氣態(tài)水蒸汽，其過(guò)程為蒸發(fā)過(guò)程。如果在低于三相點(diǎn)的壓力下進(jìn)行加工，存在于食品中的水分就只有固態(tài)和氣態(tài)兩相，此時(shí)若溫度不變，壓力降低，或壓力不變，溫度降低，都會(huì)使食品中的固，氣兩相平衡遭到破壞，食品中的固態(tài)冰可以直接升華轉(zhuǎn)化成為氣態(tài)水蒸汽，達(dá)到脫水干燥的目的。

凍結(jié)結(jié)束的溫度常用低于其共晶點(diǎn)5~10K為參照值

冷凍干燥食品的特點(diǎn)真空冷凍干燥食品在升華干燥的加工過(guò)程中，其物理結(jié)構(gòu)并不改變，化學(xué)結(jié)構(gòu)變化也很小，故食品仍然保持原有的固體骨架結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在升華干燥過(guò)程中，固態(tài)冰晶升華成水蒸汽后在食品物料中留下空隙，故真空冷凍干燥食品具有干燥的海綿狀多孔性結(jié)構(gòu)，食品因之具有理想的速溶性和快速而近乎完全的復(fù)水性。食用時(shí)只要加入適量水，即可在幾秒至幾分鐘內(nèi)回復(fù)還原為近乎新鮮的食品。

真空冷凍干燥加工是在極低溫度和很高真空度的條件下進(jìn)行的干燥加工，加工時(shí)食品基本上處于無(wú)氧和完全避光的環(huán)境中，熱變性小，有效地保持了新鮮食品的色，香，味，形，并最大限度地保存食品中的各種維生素，碳水化合物，蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分和葉綠素，生物酶，氨基酸以及風(fēng)味物質(zhì)。

由于在升華干燥過(guò)程中，食品中的可溶性物質(zhì)在原位置就地析出，這就避免了一般干燥方法中由于物料內(nèi)部水分向其表面毛細(xì)流動(dòng)遷移而將可溶性物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攜帶至物料表面所造成的營(yíng)養(yǎng)損失和物料表面硬化等不良現(xiàn)象。新鮮蔬菜,水果經(jīng)脫水后，由于香味，糖分被濃縮，吃起來(lái)比原來(lái)更香甜可口。鮮肉脫水后的味道比原來(lái)更鮮美，改善了適口性，復(fù)水性極好。

真空冷凍干燥食品均采用真空包裝或充氮包裝，并避光保存，這種密封包裝在常溫下的貯存保質(zhì)期可長(zhǎng)達(dá)3～5年甚至10年。與速凍食品不同，其運(yùn)輸及銷(xiāo)售過(guò)程中不需低溫保藏，節(jié)約了大量費(fèi)用。

真空冷凍干燥食品的脫水徹底，重量輕，尤其適合于長(zhǎng)途運(yùn)輸以及野外作業(yè)，如軍事，航空，航天,勘探等特殊環(huán)境下的食品供給。在快餐以及其它即時(shí)食品業(yè)中也有廣泛應(yīng)用.它也是一種家用的方便食品。

冷凍干燥食品的加工工藝經(jīng)過(guò)前處理的食品物料，須進(jìn)行預(yù)凍結(jié)處理，經(jīng)速凍后再升華干燥.緩慢凍結(jié)對(duì)干制品的復(fù)原性會(huì)產(chǎn)生不利影響，故凍結(jié)速率要快，凍結(jié)溫度要低于物料中溶液的凍結(jié)臨界溫度(一般為-20～-27℃)。凍結(jié)時(shí)間要短，以獲得細(xì)小冰晶，防止蛋白質(zhì)在凝聚與濃縮作用下的變性作用。

預(yù)凍的方法可采用高速冷空氣循環(huán)法，低溫鹽水浸漬法，低溫金屬板接觸法，液氮或氟里昂噴淋法,制冷劑浸漬法等。真空升華干燥時(shí)，應(yīng)保證整個(gè)升華過(guò)程中壓力適當(dāng)，供給的升華熱能適當(dāng)。

真空冷凍干燥制品因其多孔的組織結(jié)構(gòu)使之表面積猛增到原來(lái)的100～150倍，應(yīng)在氮?dú)猸h(huán)境中恢復(fù)常壓，使其多孔結(jié)構(gòu)空隙中充滿(mǎn)氮?dú)?，防止與氧接觸而氧化變質(zhì).在適當(dāng)?shù)南鄬?duì)濕度(30%～40%)和溫度(≤25℃)下，以不透水，不透氣，強(qiáng)度高的包裝材料進(jìn)行包裝，以免氧化回潮。視具體情況可采用低溫凍藏，恒溫冷藏，常溫冷藏等方法。

冷凍干燥食品的發(fā)展應(yīng)用蔬菜類(lèi)：菠菜，番茄，胡蘿卜，蔥，大蒜，洋蔥，姜，青椒，青刀豆，菜豆，豌豆，芹菜，黃花菜，蘆筍，蘑菇等。

瓜果類(lèi)：草莓，蘋(píng)果，梨，香蕉，哈密瓜等。

禽肉類(lèi)：牛肉，豬肉，羊肉，雞肉，兔肉等。

水產(chǎn)類(lèi)：魷魚(yú)，甲魚(yú)，蝦，海參，干貝，海蜇，海菜等。飲料，湯料類(lèi)：速溶茶，速溶咖啡，固體飲料，奶制品，可溶性固型物含量大的湯料，色素，香料等。

醫(yī)藥類(lèi)：西藥，中草藥，血清，菌種，生物制品等。保健品類(lèi)：人參，鱉粉，蜂皇漿等。

冷凍干燥設(shè)備是一個(gè)集真空、制冷、加熱干燥、控制、清洗消毒等多功能于一體的復(fù)雜裝置?！?-2食品冷凍干燥設(shè)備冷凍干燥系統(tǒng)組成示意圖

一、食品冷凍干燥機(jī)型式1按冷凍干燥的對(duì)象分：醫(yī)藥冷凍干燥機(jī)食品冷凍干燥機(jī)2按運(yùn)行方式分：間歇式冷凍干燥機(jī)連續(xù)式冷凍干燥機(jī)3按加工容量分：工業(yè)用冷凍干燥機(jī)實(shí)驗(yàn)用冷凍干燥機(jī)最早用于生物醫(yī)藥行業(yè)中，并且得到了迅速的發(fā)展。如干燥人體血漿、疫苗等各種生物活性材料和藥品。

冷凍干燥設(shè)備用于食品工業(yè)上略晚，而且發(fā)展相對(duì)較慢。目前，主要用于干燥某些特殊用途的食品或某些風(fēng)味食品。如宇航食品、高價(jià)值保健食品等。間歇式優(yōu)點(diǎn)a)適用于多品種、小產(chǎn)量的生產(chǎn)，特別是適合于季節(jié)性強(qiáng)的食品生產(chǎn)；b)單機(jī)操作，如一臺(tái)設(shè)備發(fā)生了故障，不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行；c)便于設(shè)備的加工制造和維修保養(yǎng)；d)便于控制物料干燥時(shí)不同階段對(duì)加熱溫度和真空度的要求。缺點(diǎn)：a)由于裝料、卸料和啟動(dòng)等預(yù)備性操作，使設(shè)備的利用率低，能量浪費(fèi)大；b)若滿(mǎn)足一定量的生產(chǎn)要求，往往需要多臺(tái)單機(jī)，且各單機(jī)均需配以整套的附屬系統(tǒng)，使設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用增加。

接觸導(dǎo)熱式

輻射傳熱式連續(xù)式特點(diǎn)：連續(xù)式冷凍干燥機(jī)適用于品種單一、產(chǎn)量大、原料充足的產(chǎn)品生產(chǎn)，尤其適用于漿狀或顆粒狀食品的生產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn):設(shè)備利用率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。缺點(diǎn):設(shè)備復(fù)雜，難于加工制造，尤其是裝卸料口的真空密封問(wèn)題需要更高的加工工藝。

a水平隧道式

b垂直螺旋式接觸導(dǎo)熱間歇式冷凍干燥機(jī)簡(jiǎn)圖1－干燥箱2－冷阱3－真空系統(tǒng)4－制冷系統(tǒng)5－加熱系統(tǒng)應(yīng)用：醫(yī)藥生物制劑和液體食品(果汁、咖啡等)特點(diǎn):多層擱板擱置被干燥的食品，預(yù)凍結(jié)，提供升華熱量和解吸熱量工作過(guò)程：食品移入箱之前，必需對(duì)冷阱和干燥箱空箱降溫，以保證凍結(jié)食品移入干燥箱后能迅速啟動(dòng)真空系統(tǒng)，避免已凍結(jié)食品發(fā)生融化。預(yù)凍結(jié)，當(dāng)食品溫度達(dá)到共晶點(diǎn)溫度以下，冷阱溫度達(dá)到約－40℃時(shí)，開(kāi)啟真空泵使干燥箱真空度達(dá)到工藝要求值。隨著食品表面升華，擱板開(kāi)始對(duì)食品加熱，直至冷凍干燥結(jié)束

食品

特點(diǎn)：盛有食品的料盤(pán)懸于上下兩塊加熱板之間，料盤(pán)與加熱板不直接接觸吊車(chē)或小推車(chē)托盤(pán)滑移式干燥箱殼體移動(dòng)交替開(kāi)啟的進(jìn)料口，交替開(kāi)啟的出料口，交替融霜冷阱1．制冷系統(tǒng)

食品冷凍干燥機(jī)中的冷負(fù)荷主要有兩部分。一部分是冷凍干燥前食品預(yù)凍結(jié)的冷耗；另一部分是冷凍干燥過(guò)程中捕捉水蒸氣的冷阱的冷耗。(1)食品預(yù)凍結(jié)方式在干燥箱內(nèi)完成（接觸導(dǎo)熱和箱內(nèi)空氣的自然對(duì)流）：在干燥箱外專(zhuān)用的冷凍間或冷凍設(shè)備上完成。大中型食品凍干廠(chǎng)，增設(shè)一個(gè)專(zhuān)用的冷凍間或冷凍設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)：

a)

采用強(qiáng)制對(duì)流換熱凍結(jié)食品，提高了食品的冷卻與凍結(jié)速度；b)提高了冷凍干燥機(jī)的利用率；c)避免干燥箱內(nèi)預(yù)凍結(jié)與隨后加熱干燥而發(fā)生的冷熱無(wú)為消耗。d)快速凍結(jié)可使食品材料細(xì)胞破壞最小，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量高。問(wèn)題：要求短時(shí)間內(nèi)將凍結(jié)食品從冷凍間或凍結(jié)設(shè)備裝入干燥箱中，并能快速達(dá)到工藝所要求的真空度，防止融化，解決：合理布置冷凍場(chǎng)所與干燥箱的位置，在冷凍場(chǎng)所至干燥箱間采用吊車(chē)或升降叉車(chē)等動(dòng)力設(shè)施以縮短移動(dòng)時(shí)間，增大真空系統(tǒng)的抽除能力。(2)冷阱(coldtrap或condenser)冷凍干燥機(jī)中的冷阱既是制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器。應(yīng)該保持足夠低的溫度，以保證升華出來(lái)的水蒸氣有足夠的擴(kuò)散動(dòng)力，同時(shí)避免水蒸氣進(jìn)入真空泵。表面溫度在－40℃~－50℃之間冷阱應(yīng)該有足夠的捕水面積。冷阱表面結(jié)霜厚度4~6mm為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)冷阱結(jié)構(gòu)有螺旋盤(pán)管式和平板式。

2．真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)應(yīng)保證能在一定的時(shí)間內(nèi)抽除水蒸氣和干空氣，維持干燥箱內(nèi)食品水分升華和解吸（吸附水，毛細(xì)管中水）所需的真空度。因此，真空系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)應(yīng)該是，a)具有水蒸氣抽除能力；b)干燥箱空載極限真空度足夠低；c)干燥箱出口處有效抽速滿(mǎn)足要求。冷阱去除水蒸汽，真空泵用來(lái)抽除系統(tǒng)中初始大氣，食品中釋放的不凝氣體和少量水蒸汽以及系統(tǒng)外滲入的氣體。(1)帶有冷阱的油封式機(jī)械真空系統(tǒng)(2)不帶冷阱的真空系統(tǒng)主要指水蒸氣噴射泵。食品凍干中，大量的水蒸氣從食品中升華。如，在溫度－20℃和壓力103Pa條件下，1克冰升華將變?yōu)?m3水蒸氣，如果每秒鐘有10~100克冰升華，將有10~100m3水蒸氣。抽除這樣大量的水蒸氣無(wú)論是對(duì)油封式真空泵還是常用的羅茨泵都很難勝任，在真空泵進(jìn)口前增設(shè)一個(gè)冷阱，將1m3的水蒸氣重新變成1克的冰，不但保護(hù)了真空泵，而且可大大減少所需的真空泵臺(tái)數(shù)。

工作原理:利用高壓蒸汽通過(guò)噴嘴時(shí)所形成的低壓高速氣流，將食品材料中的水蒸氣和空氣等不可凝性氣體吸走。當(dāng)高壓蒸汽不斷從噴嘴噴出時(shí)，干燥箱內(nèi)的空氣和水蒸氣就不斷地被低壓高速氣流吸走，使干燥箱形成真空。吸走后的蒸汽流經(jīng)升壓后在冷凝器中冷凝成水，而不可凝結(jié)氣體經(jīng)過(guò)以下多級(jí)抽除，最終達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。水蒸氣噴射泵一般在5級(jí)以上

能將不凝結(jié)氣體和水蒸氣一并抽除。特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，成本低，但必需配備蒸汽鍋爐和有充分的水源。3．加熱干燥系統(tǒng)提供一次干燥和二次干燥的熱量

加熱干燥系統(tǒng)主要包括干燥箱體和加熱元件。(1)干燥箱體(dryingchamber)干燥箱體有圓筒形(大中型）和矩形（有效空間大，受力性差，加工難）兩種。(2)加熱方式(heatingtypes)加熱方式主要有直接加熱和間接加熱兩種,及輻射加熱和微波高頻電磁場(chǎng)加熱

(3)物料容器物料容器影響食品冷凍干燥中的傳熱與傳質(zhì)性能和液體食品干制后的形狀。直接加熱一般均采用外包絕緣礦物材料和金屬保護(hù)套的電熱絲

間接加熱即利用各種熱源在干燥箱外部將載熱介質(zhì)首先加熱，然后再泵送至干燥箱內(nèi)擱板中。加熱熱源有電、煤、氣等。載熱介質(zhì)有水蒸氣、水、礦物油、乙二醇和水的混合液等。在上下薄板間設(shè)置柵格，形成大通道的中空結(jié)構(gòu)。載熱介質(zhì)在這種結(jié)構(gòu)中流動(dòng)阻力小，擱板(shelf)溫度比較均勻，但其耐壓性較差。

懸臂式擱板(cantilevershelves)。各擱板的加熱是靠其中水蒸氣的冷凝放熱，冷凝后的水蒸氣自動(dòng)返回?zé)峤粨Q式蒸發(fā)器(heat-exchangertypeboiler)，吸熱蒸發(fā)后重新工作。

物料容器影響食品冷凍干燥中的傳熱與傳質(zhì)性能和液體食品干制后的形狀。因此，它應(yīng)該滿(mǎn)足如下條件：1)有較好的傳熱性能，同時(shí)利于食品材料的傳熱與傳質(zhì)；2)有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證在裝卸料過(guò)程中和冷熱條件下不變形；3)清洗消毒容易，避免存在死角；4)裝卸料容易，通用性好，能滿(mǎn)足多種形狀食品材料的生產(chǎn)要求。常見(jiàn)的容器有不銹鋼盤(pán)、鋁盤(pán)和塑料盤(pán)。為了提高容器的傳熱與傳質(zhì)性能，盤(pán)的深淺、盤(pán)內(nèi)柵格數(shù)量和型式、涂料以及塑料中的填充劑等均不同。有的容器外另加金屬膨脹網(wǎng)以提高導(dǎo)熱接觸面積。

§5-3冷凍干燥工藝凍結(jié)和干燥過(guò)程中物料的溫度和含水量變化的示意圖冷凍干燥技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)凍干技術(shù)Freezedrying或Lyophilization)。其基本方法是先將物料低溫凍結(jié),然后用真空技術(shù)將物料中的水分抽干,使之干燥。實(shí)質(zhì)性的發(fā)展1942,R.I.W.Greaves成功地凍干保存血清和血漿，

食品材料無(wú)活力的生物材料(血槳、血清、)有活力的生物材料的凍干保存微生物制造超細(xì)微粒(10-9m)。真空技術(shù)真空是指壓力低于大氣壓力的氣體狀態(tài)。真空是靠真空泵(vacuumpump)抽走氣體而形成的1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=1.01×105帕(Pa)=760毫米汞柱(torr)。低真空1atm(1×105Pa)1×102Pa中真空1×102Pa1×10－1Pa高真空1×10－1Pa1×10－6Pa超高真空 <1×10－6Pa對(duì)于食品材料冷凍干燥，常用的真空范圍是1~100Pa，屬于中真空的范圍。冷凍干燥發(fā)展冬天洗潔的衣服凍結(jié)后變干，冬天將凍肉晾在室外干燥的在早期（簡(jiǎn)單粗放）發(fā)展中，有三件事具有里程碑的意義：美國(guó)賓州大學(xué)的E.W.Flosdorf和S.Mudd,在1933年用玻璃器皿系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)血清（serum）的冷凍干燥[1]；1928年A.Fleming發(fā)現(xiàn)了青霉素（Penicillin）；1938年牛津大學(xué)的E.B.Chain實(shí)現(xiàn)了青霉素的冷凍干燥；并和L.H.W.Florey一起,使凍干的青霉素在二戰(zhàn)期間的臨床醫(yī)學(xué)上得到了重要的應(yīng)用。他們?nèi)擞?945年獲生理學(xué)-醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)[2]。為解決巴西咖啡過(guò)剩的問(wèn)題，1938年雀巢公司（NestleCompany）發(fā)明了咖啡的冷凍干燥。

1930年起以氟里昂為制冷工質(zhì)的機(jī)械式制冷裝置的興起，為冷凍干燥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了條件。從1940-1960年代是冷凍技術(shù)發(fā)展較快的時(shí)期，主要用于微生物和咖啡等。在此后一段很長(zhǎng)的時(shí)期，由于沒(méi)有新的更高的技術(shù)要求，冷凍干燥技術(shù)并沒(méi)有很大的發(fā)展。直到20世紀(jì)90年代，由于生物藥品的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)冷凍干燥技術(shù)提出了許多新的近乎“苛刻”的要求，迫使其向“精致”的深入的方向發(fā)展。同時(shí)，80年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的“溶液玻璃化理論”和“食品聚合物科學(xué)”（foodpolymerscience）等也為冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展提供了一些理論基礎(chǔ)。一次干燥就是利用升華(sublimation)辦法去掉食品材料中的自由水。(加熱和抽空,加熱一般通過(guò)提高凍干機(jī)中隔板溫度來(lái)實(shí)現(xiàn))二次干燥的目的是去除部分因吸附等機(jī)理存在于食品材料中的結(jié)構(gòu)水。所以，二次干燥又被稱(chēng)為解吸附干燥(Desorptiondrying)。預(yù)處理冷凍干燥包裝貯藏復(fù)水由