1、前言（引言）：真空冷凍干燥是將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度下 ，使物料中的水分變成固態(tài)冰 然后在較高真空環(huán)境下，通過(guò)給物料加熱，將冰直接升華成水蒸氣，再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將水蒸氣冷凝，從而獲得干燥制品的技術(shù)。由于干燥過(guò)程是在低溫、真空狀態(tài)下進(jìn)行， 物料中水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，因而可最大限度保持被干物料色、香、味、形狀和營(yíng)養(yǎng)成分，而且干燥后的制品呈多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，極易溶于水（甚至在冰水中），能夠迅速?gòu)?fù)原，密封包裝后保存期長(zhǎng)。目前，真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、材料科 學(xué)、農(nóng)副產(chǎn)品深加工甚至古舊書(shū)畫(huà)修復(fù)和動(dòng)植物標(biāo)本制作等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在食品工業(yè)方面，尤其在高價(jià)值食品和高附

2、加值食品加工中，真空冷凍干燥是干燥技術(shù)領(lǐng)域科技含量高、涉及知識(shí)面廣的一門(mén)技術(shù)，被認(rèn)為是目前最優(yōu)良、最為先進(jìn)的干燥技術(shù)之一。由于干燥過(guò)程是在低溫、真空狀態(tài)下進(jìn)行，物料中的水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，因而可以最大限度地保持被干物料的色、香、味、形狀和營(yíng)養(yǎng)成分，而且復(fù)水性能好。由于該技術(shù)具有其他干燥方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前，正逐漸應(yīng)用于很多行業(yè)，尤其在食品工業(yè)方面。而該技術(shù)下的凍干產(chǎn)品能夠很好地吻合綠色食品”、保健食品”、方便食品”三大發(fā)展趨勢(shì)，因此,凍干食品工業(yè)逐漸被人們所關(guān)注和親睞。1.真空冷凍干燥設(shè)備食品用凍干設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大型化，一般都采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量 和節(jié)能，常采

3、用凍干設(shè)備和其他干燥設(shè)備組合在一起的組合凍干設(shè)備，例如，噴霧凍干設(shè)備等等。1.1真空冷凍干燥機(jī)主要由真空冷凍干燥箱、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾部分組成。干燥箱是一個(gè)真空密閉容器，是干燥過(guò)程中傳熱和傳質(zhì)的場(chǎng)所，他的性能好壞直接影響到冷凍干燥設(shè)備的性能。如果帶有蒸汽消毒滅菌功能，凍干箱還應(yīng)是一個(gè)低壓內(nèi)壓容器。干燥室的形狀主要有圓形和矩形兩種。圓形干燥室操作容易、強(qiáng)度高、制作費(fèi)用低，但其內(nèi)部空間利用率低。真空系統(tǒng)包括機(jī)械泵 （旋片式真空泵）和增壓泵（羅茨真空泵）。真空泵用來(lái)抽除 系統(tǒng)內(nèi)空氣水蒸汽。當(dāng)真空泵工作時(shí)，打開(kāi)隔離閥，真空干燥室內(nèi)的空氣及水蒸汽經(jīng)過(guò)水蒸汽捕集冷凝器捕獲后進(jìn)入

4、真空泵，由真空泵排氣口排出系統(tǒng)外。為了防止經(jīng)水蒸汽捕集冷凝器捕獲后抽除的氣體中仍含有極少量的水蒸汽進(jìn)入泵內(nèi)，系統(tǒng)配氣鎮(zhèn)閥。在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中煙霧污染室內(nèi)環(huán)境。冷阱的作用是將干燥室中的水蒸汽 冷凝吸附變成冰，以免進(jìn)入真空泵，一方面可以減小真空泵的工作負(fù)擔(dān)，另一方面能夠保證干燥室具有較低的真空度。1.2真空凍結(jié)干燥設(shè)備系統(tǒng)組成真空冷凍干燥系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，冷凍干燥室：冷凍干燥室有臥式圓柱形、箱形等類型。干燥室要求能制冷到-40 C或更低溫度，又能加熱到+ 50 C左右。干燥室設(shè)計(jì)有幾層至十幾層干燥擱扳，以放置幾十至數(shù)百只

5、干燥盤(pán)。干燥室裝有管道和真空閥門(mén)與低溫冷凝器相連，以排除室內(nèi)的水蒸汽，同時(shí)還有管道與交換器、制冷機(jī)相連，以獲得物料冰晶升華所需要的熱量和低溫環(huán)境。低溫冷凝器：低溫冷凝器是一個(gè)密封的容器，用管路與制冷機(jī)、真空泵、熱交換器相連，以獲取低溫真空環(huán)境和冷凝器內(nèi)除霜的熱量供給。冷凝器內(nèi)的溫度必須保持低于干燥室內(nèi)物料的溫度，一般冷凝器內(nèi)的溫度應(yīng)保持在-40 C至-50 C左右，使大量的水蒸汽在冷凝器室中凝結(jié)低溫冷凝器還設(shè)有除霜 裝置、排出閥、熱空氣吹入裝置等，用來(lái)融化凝結(jié)的冰霜和排出內(nèi)部水分，并將室內(nèi)吹干。1.3真空系統(tǒng) 由冷凍干燥室、低溫冷凝器、真空閥門(mén)和管道、真空泵和真空儀表等構(gòu)成冷凍干燥設(shè)備的真，也

6、可采多級(jí)蒸汽噴射，所需要的凍干工藝也，其凍干工藝也是有差空系統(tǒng)，系統(tǒng)要求密封性能好。真空泵采用旋片式或滑閥式油封機(jī)械泵 泵的真空系統(tǒng)和采用羅茨泵中間增壓-水環(huán)泵機(jī)組真空系統(tǒng)。2. 真空冷凍干燥工藝不同產(chǎn)品，由于其品種、成分、含水量、共晶點(diǎn)和崩解溫度等的差異 不同。同一種樣品，使用不同的凍干機(jī)或同一凍干機(jī)不同的裝機(jī)容量 別的。因此，研究各種物料的凍干工藝是真空冷凍干燥技術(shù)的關(guān)鍵。真空冷凍干燥一般分為三個(gè)階段：預(yù)凍階段、升華階段和解析階段。凍干工藝必須分段制定， 然后再連成整體，形成溫度、壓力和時(shí)間關(guān)系曲線 ，即凍干曲線。每處理一種新產(chǎn)品 ，必須制 定一次凍干曲線。 2.1預(yù)凍階段預(yù)凍溫度必須低于

7、物料的共晶點(diǎn)溫度，最好低5 C 10 C。物料的凍結(jié)過(guò)程是放熱過(guò)程，需要一定時(shí)間。為使全部產(chǎn)品凍結(jié)，一般在產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的預(yù)凍溫度后，保持2h左右的時(shí)間。凍結(jié)過(guò)程的關(guān)鍵在于控制食品的凍結(jié)速率。凍結(jié)速率直接影響干燥速率和產(chǎn)品質(zhì)量。慢速凍結(jié)時(shí)，形成的冰晶晶格較大，冰晶呈六角對(duì)稱型，有利于物料中冰晶的升華 ，但產(chǎn)品品 質(zhì)差；而速凍形成的冰晶呈不規(guī)則樹(shù)枝型或球型，間隙小，升華時(shí)阻力大，不利于凍干。所以，需要摸索出一個(gè)合適的凍結(jié)速率，以得到較好的物理性狀和溶解度，并且利于干燥過(guò)程中的 升華。2.2升華階段升華，即第一階段干燥。升華階段物料的溫度應(yīng)低于共融點(diǎn)溫度。低得太多，升華時(shí)間加長(zhǎng)，這時(shí)升華速率低。高于

8、共融點(diǎn)溫度，則產(chǎn)品融化，出現(xiàn)干縮現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn) 中應(yīng)嚴(yán)格控制產(chǎn)品溫度低于并接近共融點(diǎn)溫度。升華所需的熱量一般來(lái)源于擱板，在升華過(guò)程中，凍結(jié)溫度不能超過(guò)物料的共晶點(diǎn)溫度，已干燥層的溫度不能超過(guò)物料的崩解溫度。凍干過(guò)程的主干燥階段一直保持低溫狀態(tài)，二期干燥階段由于真空度降低，可升高擱板溫度使產(chǎn)品溫度升高，但必須低于其崩解溫度 ，這樣有利于減低殘留的少量水分。在干燥過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)品溫度與加熱擱板溫度接近，干燥箱內(nèi)壓力與捕水器壓力接近且兩者差值維持不變時(shí)，可以判斷干燥結(jié)束。2.3解析階段解析，即第二階段干燥。在解析階段物料內(nèi)不存在凍結(jié)區(qū)，物料溫度可迅速上升到最高許可溫度，并在該溫度下一直維持到凍干結(jié)

9、束。板層溫度（凍干曲線的溫度）一般略高于產(chǎn)品溫度，具體值與凍干機(jī)有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)獲得。解析階段的壓力一般在20 Pa 30 Pa。凍干的最后階段真空度可以高些。解析時(shí)間由產(chǎn)品的品種和形狀、殘水含量的要求、凍干機(jī)的性能決定。 解析階段水汽凝結(jié)器的溫度會(huì)因水蒸氣量小而下降，當(dāng)凍干室壓力下降到 20Pa附近，有利于水蒸氣從產(chǎn)品中逸出，但此時(shí)產(chǎn)品需迅速升溫，所需熱量多，壓力太低不利于傳熱，此時(shí) 也可采用調(diào)壓升華法加速解析。3. 包裝凍干食品的包裝很關(guān)鍵。由于凍干食品是在低溫低壓下加工，所得到的凍干食品組織呈多孔 狀，總表面積比原來(lái)擴(kuò)大了100150倍，與水分和氧氣的接觸機(jī)會(huì)大大增加了，所以要在真空條件下或

10、在充滿干燥惰性氣體的密封包裝袋中保存；當(dāng)需要粉碎與分包裝時(shí)，也應(yīng)在充溢氮?dú)獾沫h(huán)境中、相對(duì)濕度低于40%、溫度低于25C的條件下進(jìn)行。為保持干燥食品含水量在5%以下，包裝袋內(nèi)應(yīng)放入干燥劑以吸附微量水分。包裝材料以透氣性差、強(qiáng)度高、顏色 深的為好。包裝完畢后抽真空封口，以利于長(zhǎng)期貯存。4.真空干燥應(yīng)注意的問(wèn)題4. 1凍結(jié)溫度應(yīng)保證在三相點(diǎn)以下。否則在真空環(huán)境中，液體沸騰會(huì)使產(chǎn)品表面凹凸不平。4. 2升華干燥過(guò)程中，保持足夠的真空度。真空度不夠或供熱不足可能導(dǎo)致成品水分升華不 完全,含水量偏高。4. 3供熱太快，受熱不均勻或預(yù)凍不完全，則會(huì)在升華過(guò)程中，使產(chǎn)品部分液化，在減壓條件下 產(chǎn)生噴瓶現(xiàn)象，使

11、制品表面不平整。4. 4保持升華溫度不變。4. 5速凍過(guò)程要快，越快，生成的冰晶越小，對(duì)物品結(jié)構(gòu)影響越小。3.2.6復(fù)水和使用復(fù)水方法影響到某些食品的最終感官質(zhì)量。生肉類制品在復(fù)水時(shí)，要求加入肉類軟化劑。5.凍干食品的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題食品冷凍干燥技術(shù)在 20世紀(jì)50年代，已從實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展到小規(guī)模生產(chǎn)。而后隨著術(shù)突破，研究成果及專利的不斷涌現(xiàn)，又向工業(yè)化、實(shí)用化發(fā)展，很多國(guó)家都建立了大型的凍干食品加工企業(yè)。由于消費(fèi)觀念和消費(fèi)水平的局限，食品凍干一度陷入低潮。近20年來(lái)，人們對(duì)加工食品的消費(fèi)理念向方便、營(yíng)養(yǎng)保健、高品質(zhì)等方向發(fā)展，對(duì)凍干食品的需求就不斷增加。 上世紀(jì)70年代，全球凍干食品的產(chǎn)量?jī)H為2

12、0萬(wàn)t左右，而如今產(chǎn)量已超 1000萬(wàn)t,且呈上升的勢(shì)頭。在日本和美國(guó)的脫水食品市場(chǎng)上，凍干食品所占份額已超過(guò)50%，在歐洲市場(chǎng)的消費(fèi)也很可觀。我國(guó)凍干食品生產(chǎn)起步較晚，到上世紀(jì)90年代才有較大規(guī)模的生產(chǎn)，主要面向一些特殊部門(mén)和出口，家庭消費(fèi)尚處于空白。我國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品資源豐富，勞動(dòng)力成本低廉，有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，吸引著國(guó)外商家前來(lái)采購(gòu)。近年來(lái)，為滿足國(guó)內(nèi)食品凍干的發(fā)展需要，科技工作者研制出國(guó)產(chǎn)的凍干設(shè)備，開(kāi)發(fā)新的凍干工藝，提高我國(guó)食品出口的檔次，獲得較高的附加值， 形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。食品凍干的種類很多，并且不斷推廣到食品加工的各個(gè)領(lǐng)域中，其中包括： 方便食品領(lǐng)域。高檔次的方便面和方便米飯，以及方

13、便調(diào)料； 即食湯料領(lǐng)域。各種凍干蔬菜、凍干肉類、水產(chǎn)品、凍干調(diào)味品以及經(jīng)過(guò)合理調(diào)配而制 成的各種湯料（可即沖即飲）； 顆料蔬菜領(lǐng)域。多種蔬菜粉碎混合，凍干后成顆料，營(yíng)養(yǎng)豐富，味道好，食用方便，適 合老人小孩食用； 粉末蔬菜領(lǐng)域。將凍干技術(shù)與超微粉碎技術(shù)相結(jié)合，將蔬菜水果制成易消化的粉末，制 成保健品； 速溶飲品領(lǐng)域。有凍干咖啡、速溶茶等； 營(yíng)養(yǎng)保健品領(lǐng)域。凍干人參、凍干鹿茸、凍干蜂蜜、凍干蜂王漿粉、凍干花粉、牛初乳、 蘆薈粉等。我國(guó)食品凍干系統(tǒng)工程起步較晚，在凍干技術(shù)和凍干設(shè)備制造等方面與先進(jìn)國(guó)家有一定的差 距，例如能耗相對(duì)較高，凍干周期較長(zhǎng)，凍干食品質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題。不過(guò)，值得欣慰的 是，

14、在我國(guó)技術(shù)人員的努力下，這種差距在不斷縮小，而且在某些領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先，如在脫水蔬菜方面。另外，我們已建立了相應(yīng)的檢測(cè)方法和食品標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把好產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。6.發(fā)展新方向雖然微波加熱方式目前并未廣泛應(yīng)用于食品凍干，但與傳統(tǒng)冷凍干燥相比有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以微波真空冷凍干燥是真空凍干技術(shù)的發(fā)展方向。它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 能更有效地保護(hù)原料色香味等有效成分。傳統(tǒng)凍干能保留70%以上，而微波凍干可達(dá)97%以上，稱為不變性干燥，其產(chǎn)品品質(zhì)與傳統(tǒng)凍干相似，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)凍干。 干燥速度快，不受形狀、厚度影響。微波加熱有著穿透性加熱和選擇性加熱的特點(diǎn)，物料厚度越厚越能體現(xiàn)其加熱性能上的優(yōu)點(diǎn)。 節(jié)能降耗，熱效率咼，理論

15、計(jì)算可咼達(dá)94%。然而，目前微波凍干存在著一些技術(shù)問(wèn)題，制約了該技術(shù)的應(yīng)用，如微波加熱在1-50Pa范圍內(nèi)有微波放電的趨勢(shì)， 凍結(jié)層的過(guò)熱融化， 非均勻加熱，還有成本高。這些問(wèn)題有待于進(jìn) 一步的解決。常壓流化床吸附冷凍干燥是在低溫下利用吸附劑的強(qiáng)吸濕作用，使環(huán)境蒸汽壓遠(yuǎn)小于升華界面的飽和蒸汽壓，達(dá)到脫水干燥效果；與流態(tài)化技術(shù)的結(jié)果，促進(jìn)了干燥過(guò)程的進(jìn)行。 該技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索，其可行性已經(jīng)被證實(shí)。該方法保留了冷凍干燥的 優(yōu)點(diǎn)，改變了捕集水汽的方法，因而比真空冷凍干燥節(jié)能，設(shè)備簡(jiǎn)單，投入成本低。Wolf和Gibert在對(duì)土豆片的研究得出，用這種方法加工的產(chǎn)品的品質(zhì)與真空冷凍

16、干燥方法的相 似，且節(jié)約能量約1/3,但干燥周期較長(zhǎng)。近來(lái)研究表明，這種干燥方法使產(chǎn)品融化、坍塌 的可能性增大。因此，該技術(shù)還在研究階段，其理論研究、數(shù)學(xué)模型還不完善，如何縮短干燥時(shí)間都有待解 決。7.真空凍干技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用及發(fā)展前景因?yàn)槔鋬龈稍锏谋举|(zhì)就是去水，所以該過(guò)程不適合高脂肪含量食品的處理，否則會(huì)使食品腐敗。冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)不耐熱的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其活力的破壞和損失最小；形成一層有孔 的脆性結(jié)構(gòu)；快速并完全復(fù)水；具有無(wú)菌過(guò)濾液體的能凍干產(chǎn)品的種類（按品種分）蔬菜類：蘑菇、辣椒、姜蒜、胡蘿卜等；水果類：香蕉、蘋(píng)果、草莓、桔子、水蜜桃等； 魚(yú)、肉類：豬肉、牛肉、蝦仁、海蝦、海帶、海參、

17、貝類等； 方便食品類：碗仔面、盒裝便餐、嬰兒食品、旅游食品、軍用食品等； 調(diào)味品類：湯料、果醬、香料等； 飲料類：速溶咖啡、速溶茶等。 中草藥類：人參、冬蟲(chóng)夏草、山藥、生物制品等；營(yíng)養(yǎng)品類：蜂蜜、蜂王漿、甲魚(yú)、龜類等。凍干食品具有方便、 營(yíng)養(yǎng)和綠色的優(yōu)異品質(zhì)。在國(guó)外凍干的方便、 休閑、風(fēng)味食品受到廣大消費(fèi)者的喜歡。凍干食品在國(guó)際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥食品的46倍，是速凍食品的78倍，且其產(chǎn)量正以每年 30 %的速度遞增。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，目前，美國(guó)每年消費(fèi)凍干食品 500 t , 日本160萬(wàn)t，法國(guó)150萬(wàn)t。日本每年需花 1 000億日元進(jìn)口凍干食品，日本、美國(guó)及歐洲 等地每年均需凍干大蒜粉 6 000 t，可見(jiàn)凍干食品的國(guó)際市場(chǎng)很大 ，且正成為國(guó)際食品貿(mào)易的 大宗貿(mào)易。全球的凍干食品產(chǎn)量從70年代的20多萬(wàn)t上升到現(xiàn)在的數(shù)千萬(wàn) t。隨著人們生活水平的提高和環(huán)境污染的惡化，對(duì)凍干食品的需求會(huì)逐年上升，生產(chǎn)真空冷凍食品會(huì)成為 食品加工的一個(gè)新熱點(diǎn)，高真空凍結(jié)干燥裝置的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣