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1、果蔬真空冷冻干燥1.概述真空冷冻干燥技术是一项高新加工技术，被认为是生产高品质脱水食品的最好加工方 法。其原理是在真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化直 接以冰态升华为水蒸汽被除去，从而使物料干燥，称为真空冷冻干燥，简称冻干。用此方法 生产的食品称冻干食品。冻干食品的优点 主要有：保持食品组织结构、营养成分和风味物质基本不变，特 别是生理活性成分保留率最高，这是某些功能性食品采用冻干食品为基料的主要原因。外 观不干裂，不收缩，维持食品原有的外形和色泽；产品无表面硬化，组织呈多孔海绵状， 因此复水性能好，食用方便，浸泡即可复原，从而决定了它在即食方便食品中的地位；重
2、量轻，耐保藏，对环境温度没有特别的要求，在避光和抽真空充氮包装时，常温条件下可保 持 2 年左右，其贮存、销售等经常性费用远远低于冷冻食品。冻干食品的缺点 冻干食品的生产需要一整套高真空设备和低温制冷设备，因此，设 备的投资费用较大。此外，为了防止物料中冰晶的融化，升华温度不宜太高。更主要的是， 真空状态下多孔性物料的导热系数低，传热速率低，致使本来温度就不高的冰晶升华速率变 得更低，所以，冷冻干燥的时间一般较长。在如此长的时间内，设备一方面要不停地制冷， 另一方面要不停地供热，还要不停地抽真空，致使设备的操作费用较高。所有这些，导致了 冻干食品的生产成本较高，大大地限制了冻干食品的发展。这也
3、一直是科学工作者致力于研 究的课题。国内外冻干食品发展概况 真空冷冻干燥技术早期用于生物体的脱水，第二次世界大 战后才用于食品工业。经过几十年的发展，技术日渐成熟，设备日趋完善。70 年代以来， 随着人们对方便食品的要求日益增多，使冻干食品市场日趋扩大，冻干食品在发达工业国家 已相当流行，成为国际贸易的大宗食品。以日本为例,97年日本国内冻干食品的产量为7000t, 同年日本还向美国、台湾进口此类食品5000多t,目前欧州有冻干食品生产企业近100家， 美国有80多家，日本有40多家，年产量达几万t,品种近100种，包括蔬菜、水果、速溶 固体饮料、肉类、水产品等。主要用途是方便食品配菜、婴儿食
4、品、方便主食品，特种场合 需要等，中国则以汤料配伍为主。我国在50年代引进真空冷冻干燥技术，引用于医药及生物制品。60年代末到70年代 中期，广东、北京、上海、大连等地相继建起了冻干食品生产基地。但后来由于形势的原因 以及当时的冻干产品成本高缺乏市场而相继停产或拆除。到了80年代后期，一些外商看中 了中国丰富的原料市场，开始在大陆投资设厂。到了90年代，随着商品经济的发展和人民 生活水平的提高，市场冻干食品的需求越来越大，特别是外商为打开中国市场，纷纷提供设 备贷款以及包销部分产品，促使一些食品企业大胆引进国外设备建厂，而国内一些厂家亦争 先恐后推出国产冻干设备，一时间，冻干食品行业呈现一派兴
5、旺和蓬勃发展的景象。但真正 有经济效益的企业并不多，相当企业由于未经充分论证后即仓促建线生产，在原料供应、销 售市场、工艺技术等均不占优势的情况下，只好暂时停产以观市场，昂贵的进口设备闲置或 部分闲置，实在令人惋惜。更有个别企业花巨资购买（国产）或引进的是低劣冻干设备，产 量低、品质差，根本不能进行商业化生产。目前，江苏、浙江、湖南、湖北、河南、陕西、新疆、福建等地又相继建成了一批冻干 食品生产基地。截止97年 12月止，中国大陆地区共有300台（套）食品用冻干机在运转， 年产成品约几千t,主要品种有蘑菇、香菇、豌豆、芦笋、小香葱、胡萝卜、生姜、虾仁、 牛肉丁、猪肉丁、苹果、梨、香蕉、方便汤料
6、、方便粥等。产品除一小部分供高档方便食品 配伍外,大部分销往国际市场。我国冻干食品的发展前景 我国的农副产品资源极其丰富,品种多、质量好、价格低, 急需深加工增值。此外,我国的中草药、珍贵动、植物品种繁多,可生产出具有特色的冻干 名贵产品。另一方面,我国劳动力密集,加工冻干食品的成本比其他国家低得多。这种低成 本,对外商产生了巨大的吸引力,近年来,外商转向中国求购大量冻干食品,这就为我国发 展冻干食品提供了机遇。加入WTO后，象这种高科技含量的行业市场前景越来越好。生产成本高是冻干食品的最大缺点,但是随着冻干技术的提高,冻干设备的日益完善, 尤其是冻干设备的国产化，冻干食品的生产成本必将而且已
7、经进一步降低。另外，与罐藏食 品、冷冻食品相比，冻干食品的运输、贮存等经常性费用较低，而冻干食品的高质量所附加 的高价值，可以弥补其成本高的缺点，尤其是对于价格高的食品物料，冻干成本在其产品销 售价格中所占的比例并不大。由于冻干食品避免了传统脱水技术方法带来的变色、变味、营养成分损失大、复水性差 等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻、可常温贮藏等优 点。因此，冻干食品在国际市场的价格是热风干燥食品46倍，是速冻食品78倍。它在 登山、航海、探险、军队野战等特殊场合中具有不可替代的地位，也是宇航员在太空中的主 要食品。冻干食品在一些发达工业国家已经达到相当高的普及水平
8、，美国、日本冻干食品的比重 已达到40%以上。据有关部门统计，目前，美国每年消费冻干食品500万t,日本160万t, 法国150万t，其他国家也很可观。日本每年约需花1000亿日圆进口冻干食品，香港、新加 坡和南韩每年进口冻干食品达500亿日元。日本、美国及欧洲等每年约需冻干大蒜粉6000t， 可见冻干食品的国际市场之大。随着我国经济的可持续发展和人民生活水平的不断提高，人们对食品质量的要求越来越 高，特别是对高质量的婴幼儿食品和保健食品的需求量急剧增加。另外，我国旅游、探险、 航海事业必将有大的发展，同时高档餐饮业的迅速崛起、人们生活节奏的加快，都对方便即 食食品的需求量越来越大。因此，发展
9、冻干食品具有广阔的国际、国内市场。2. 冻干食品生产的基本原理与其它干燥方法一样，要维持升华干燥的不断进行，必须满足两个基本条件，即 热量的不断供给和生成蒸汽的不断排除。在开始阶段，如果物料温度相对较高， 升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但随着升华的进行，物料温度很快就 降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度，此时，若没有外界供热，升华干燥便停止 进行。在外界供热的情况下，升华所生成的蒸汽如果不及时排除，蒸汽分压就会 升高，物料温度也随之升高，当达到物料的冻结点时，物料中的冰晶就会融化， 冷冻干燥也就无法进行了。供给热量的过程是一个传热过程，排除蒸汽的过程是一个传质的过程，因此，升华干燥 过程
10、实质上是一个传热、传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力，升 华干燥中的传热驱动力为热源与升华界面之间的温差，而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集 器（或冷阱）之间的蒸汽分压差。温差愈大，传热速率愈快；蒸汽分压差愈大，传质（即蒸 汽排除）速率愈快。冻干时，既要保持产品的优良品质，又要取得较快的干燥速率。升华所需要的潜热必须 由热源通过外界传热过程传送到被干燥物料的表面，然后再通过内部传热过程传送到物料内 冰升华的实际发生处。所产生的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面，再通过外部 传质过程转移到蒸汽捕集器（冷阱）中。任何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程 的“瓶颈”，它取
11、决于冻干设备的设计、操作条件以及被干燥物料的特征。只有同时提高传 热、传质效率，增加单位体积冻干物料的表面积，才能取得更快的干燥速率。在冰晶的升华过程中，每升华1g冰晶约需吸收2822.4J的热量，假如没有热量来源， 冰晶升华时将会从制品中吸热，亦即通过降低制品的温度来维持升华所必须的热能，当制品 的温度降低后，其冰晶饱和蒸汽压亦降低，当降低到与环境中绝对压力相等时，升华亦即停 止，因此，冻干过程中，必须给制品施加热能，但是，要在真空环境中传输热能，也不是一 件容易的事情，为此，人们设计出下列种种加热方式： 接触传热方式 这是一种最简单的加热方法，在干燥室内设置可加热的多层搁板，上 面放置装有
12、被干燥食品的干燥盘。利用干燥盘与搁板接触传导加热。在这种情况下。加热搁 板与干燥盘，干燥盘与干燥食品间不能完全良好地接触，因此利用这中方法进行加热时，干 燥时间多少较其它方法长些，但其优点是干燥是构造简单，并可充分利用空间。 复式加热方式 接触传导仅加热食品的一面，而在本法中被干燥的食品两面都与加热 板接触，因此传热良好而可缩短干燥时间，所采用的方式将被干燥食品在与加热板接触前， 先以金属网状铝板夹住，以打开升华时水蒸汽的通道并减少其阻力，然后用液压加上搁板， 使之与网状铝板接触，此法优点是可缩短干燥时间，但为能与上搁板接触，搁板必须是活动 的，因此必须使用液压装置，而导致构造复杂，并降低干燥
13、室的利用率，故设备费用高昂， 此外，对非平面而不定形被干燥食品，则有不能充分发挥效果的缺点。 有钉板加热方式 这是上述复式加热方式的变形，此法是利用装有多枚钉子的2片加 热板将被干燥食品夹在中间以进行加热，这种方式的加热接触面积扩大到被干燥食品的内 部，因而能有效地进行热供给，利用此方式，干燥时间可大幅度缩短，这正是被希望的方式， 但相反的是，大量处理被干燥食品时，干燥前与干燥后的操作繁杂，需要人力与时间，另外 还涉及卫生的问题，因此在实用规模装置上几乎都不采用。 辐射加热方式 此种方式是将被加热干燥的食品置于干燥盘或干燥网上，然后插入两 片加热板之间，使之不与加热板接触，而由加热板辐射来供给
14、热量，因此加热板可加热到容 许温度以上的高温，而被干燥食品的温度则保持在容许温度之内，这样可以缩短干燥时间， 且被干燥食品的形状若不是定型时也不会有所防碍。干燥前后的操作也很容易，特别是在大 型连续干燥装置中更加有效，已经设计出适当的控制方式，并提高加热板的辐射能转换效率，其干燥时间已缩短至可以与复式加热相匹敌的程度，因此，该加热方式已演变成冻干食品设 备的基本形式。 微波加热方式 微波照射能使不同形状的食品内外都得到加热，大大缩短干燥时间（约10%20%）。此外，干燥室的利用率也较高。尽管微波加热具有明显的优点，但是到 目前为止还没有在工业上成功的例子。这是因为产生微波形式的能量是昂贵的，其
15、费用为蒸 汽费用的1020倍。另外，微波加热过程很难控制。如果供热量有余，会导致升华界面有 少量冰融化，而水的介电常数比冰的介电常数大得多，水将吸收更多的热量使温度升高而使 更多的冰融化，最终导致干燥失败。 红外线加热 在干燥室安装红外线发生器产生红外线辐射。但由于其维持费用相当 高，故很少应用于冷冻干燥食品方面。综上所述，各种加热方法各有其特点。人们在不断认识冻干过程本质的基础上，探索出 了多种加热、辐射的组合，如传导-辐射加热法、传导-微波加热法、辐射-微波加热法等。其 目的都是期望能在保证产品质量的前提下，提高干燥速率，降低能耗。3. 冻干食品的生产设备3.1 主要设备冻干食品生产最主要
16、的设备为食品用真空冷冻干燥机组，该机组的性能，能耗和操作自 动化程度的高低决定了冻干食品生产企业的技术水平的高低，食品用冻干机分间歇式和连续 式。连续式机组在国内企业尚属少见。间歇式冻干机由干燥箱体、加热系统、真空系统、制 冷系统、控制系统等5 部分组成。干燥箱体 有圆筒形及方形两种主要的形式，各有优点，圆筒形制造容易，但无法利 用的空间多；方形则相反，空间利用率高，但制造较困难。加热系统 大多数采用辐射传热，辐射板由阳极电镀铝制成，导热介质有导热油，饱 和水、二次蒸汽，有机溶剂如丙二醇、甘油等，热源均系用高压水蒸汽。真空系统 采用机械真空泵，有罗茨泵油封泵及罗茨泵罗茨泵大气喷射水环 泵两种，两者主要区别是前者不能抽水蒸汽，因此对冷阱效率要求较高，优点是能耗小，后 者则正好相反，能抽吸少量水蒸汽，缺点是能耗较大。制冷系统 由制冷机组与冷却排管构成，作水蒸汽捕集器（亦称冷阱）依其与辐射板 组件的相对位置，有
