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淺談食品真空冷凍干燥技術(shù)（1）
本文介紹了真空冷凍干燥技術(shù)的基本原理,，綜述了國(guó)內(nèi)外食品冷凍干燥技術(shù)的研究狀況和食品冷凍干燥技術(shù)的運(yùn)用情況,，探討了國(guó)內(nèi)食品冷凍干燥存在的問(wèn)題,。
1. 引言
真空冷凍干燥技術(shù)在zui近的二十年中取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,。進(jìn)入二十一世紀(jì)后,，隨著人們環(huán)保意識(shí),、健康意識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng),，必將對(duì)消費(fèi)品的品質(zhì)提出更高要求,。生活節(jié)奏的不斷加快，人們對(duì)方便快餐食品的需求也將日趨旺盛,。所有這些都將有力地推動(dòng)真空冷凍干燥技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,，使其應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大,、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。因此,，真空冷凍干燥必將成為二十一世紀(jì)的重要應(yīng)用技術(shù),。
2. 真空冷凍干燥的基本原理
真空冷凍干燥是將含水物料凍結(jié)后，在真空環(huán)境下加熱,，使物料中水分直接除去,，從而使物料脫水獲得凍干制品的過(guò)程。真空冷凍干燥屬于物理脫水,，了解它應(yīng)該從水的三相圖開(kāi)始,。
在低壓下水的相變過(guò)程和常壓下大體相似，但相變時(shí)的具體溫度不同,。例如在103 Pa壓力下,，固態(tài)冰轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的溫度略高于0℃，而液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽的溫度為6.3℃,，可見(jiàn)降低壓力后冰點(diǎn)變化不大,，而沸點(diǎn)卻大大降低了?？梢韵胂?，當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)，沸點(diǎn)即與冰點(diǎn)相重合,，固態(tài)冰就可以不經(jīng)液態(tài)而直接變?yōu)闅鈶B(tài),，這時(shí)的壓力稱為三相點(diǎn)壓力，相應(yīng)的溫度稱為三相點(diǎn)溫度,。
水的相平衡圖
水的三種聚集態(tài)隨溫度和壓強(qiáng)不同而變化,，以壓強(qiáng)為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)表示水的聚集態(tài),，稱為水的相平衡圖,。由圖可以看出，OS,OL,，OK三條曲線把相圖分成三個(gè)區(qū)域,，即氣相、液相,、固相,。OS曲線為氣固兩相平衡共存的狀態(tài)，這時(shí)的水蒸氣壓強(qiáng)為水的飽和蒸汽壓,，OL曲線為液固兩相平衡共存的狀態(tài),，OK曲線為氣液兩相平衡共存的狀態(tài)，K為水的臨界點(diǎn),，K點(diǎn)溫度為374℃,，壓強(qiáng)為2.11×107Pa,，在此點(diǎn)液態(tài)水不存在。O點(diǎn)為三條曲線的交點(diǎn),，即三相點(diǎn),，三相點(diǎn)溫度為0.01℃，三相點(diǎn)壓力為610.5Pa,，是水的三相平衡共存的狀態(tài),。真空冷凍干燥是在三相點(diǎn)以下進(jìn)行的。
3. 凍干食品的特點(diǎn)
由于真空冷凍干燥在低溫低壓下進(jìn)行,，而且水分不經(jīng)過(guò)液態(tài)直接升華,，真空冷凍干燥產(chǎn)品可確保食品中蛋白質(zhì)、維生素等各種營(yíng)養(yǎng)成份,，特別是那些易揮發(fā)的熱敏性成份不損失,，因而能zui大限度地保持原有的營(yíng)養(yǎng)成份，有效地防止干燥過(guò)程中的氧化,、營(yíng)養(yǎng)成份的轉(zhuǎn)化和狀態(tài)變化,。冷凍干燥制品成海綿狀、無(wú)干縮,、復(fù)水性*,、食用方便、含水分極少,，相應(yīng)包裝后可在常溫下長(zhǎng)時(shí)間保存和運(yùn)輸,。因此賦予其產(chǎn)品許多特殊的性能：
1.脫水比較*，有利于長(zhǎng)時(shí)間貯存,。
2.物料干燥過(guò)程在凍結(jié)狀態(tài)下完成,，與其它干燥方法相比，其產(chǎn)品相對(duì)于新鮮物料的收縮率要小得多,，較好地保存了其原料的組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài),。
3.不存在表面硬化問(wèn)題，且內(nèi)部呈多孔的海綿狀,，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性,。這一性能在即食方便食品中體現(xiàn)出了非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
4.由于干燥過(guò)程在很低的溫度下進(jìn)行,，而且基本隔絕了空氣,，有效地抑制了熱敏物質(zhì)的生物的、化學(xué)的或物理的變化,。充分保存了原料中的營(yíng)養(yǎng)成份和活性物質(zhì),，較好地保持了原料的天然色澤和氣味。
5.減少了產(chǎn)品的含水量,，降低了重量,，便于運(yùn)輸,。
4. 食品凍干技術(shù)的研究狀況
4.1 國(guó)外的研究狀況
食品的凍干技術(shù)起源于二十世紀(jì)三十年代,。1930年Flosdorf開(kāi)始了食品凍干實(shí)驗(yàn),。1940年英國(guó)的Fikidd提出了用冷凍干燥方法進(jìn)行食品處理的技術(shù)。1961年英國(guó)食品部在Aberdeen 實(shí)驗(yàn)工廠開(kāi)始了食品凍干的研究,他們?cè)诰C合了當(dāng)時(shí)各國(guó)和自己研究成果的基礎(chǔ)上公布了試驗(yàn)結(jié)果,，證明凍干法用于食品是獲得食品的一種方法,。幾乎在同一時(shí)期,美、日,、德,、荷蘭、丹麥等國(guó)家相繼建立了食品凍干加工廠,。據(jù)不*統(tǒng)計(jì),1963年美國(guó)有食品凍干廠11家,歐洲各國(guó)有25家,。1965年已有凍干食品廠50多家。到1972年, 美國(guó)有凍干食品生產(chǎn)廠41家, 歐洲各國(guó)49家,日本有13家,，凍干食品產(chǎn)量增加也很快,僅從美國(guó)統(tǒng)計(jì),1963年凍干食品產(chǎn)量約為5000噸,1970年產(chǎn)量為157000噸,1972年產(chǎn)量為175000噸,。八十年代白俄羅斯的斯魯茨克市建成了大型生產(chǎn)線,凍干奶酪,年產(chǎn)量為150噸。1985年日本有25家食品凍干公司,。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學(xué)和冷凍干燥技術(shù)研究所(ICL)主要研究宇航食品,、兒童食品、方便食品,、保健食品和營(yíng)養(yǎng)食品,。該研究所目前在世界上*三位,僅次于美國(guó)和俄羅斯。本文由真空技術(shù)網(wǎng)*,。
美國(guó)凍干食品發(fā)展zui快,在全美方便食品中凍干食品占40%～50% ,在20家生產(chǎn)咖啡和茶的工廠中,就有10家采用凍干法生產(chǎn),。日本目前已有35個(gè)凍干食品生產(chǎn)廠家,年產(chǎn)值達(dá)13億日元。美,、日凍干蔬菜在市場(chǎng)上已占近10%,。凍干食品的普及性在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到相當(dāng)高的程度。
凍干理論和工藝的研究正在向著深入和廣泛的方向發(fā)展,。1967年Sandall等提出了凍干冰界面均勻后移的穩(wěn)態(tài)模型(URIF模型),實(shí)驗(yàn)證明能較好地計(jì)算出升華階段所需的時(shí)間,。1968年Dyer等提出了熱量由擱板通過(guò)冷凍層,凍干室內(nèi)氣體通過(guò)已干層以及在輻射條件下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)凍干模型。1979 年Litchield等提出了凍干的吸附—升華模型, 給出了數(shù)值解,。近年來(lái),研究各種物料在凍干過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性和凍干工藝方面的文章較多,。意大利對(duì)凍干蘋果、檸檬和糖的均化混合液加牛奶后脫水理化特性進(jìn)行研究,。德國(guó)對(duì)天然淀粉,、改性淀粉、淀粉果膠等進(jìn)行理化研究,。研究?jī)龈膳Ｈ獾臒嵛镄?。日本研究膠狀魚(yú)粉的凍干,。西班牙研究?jī)龈扇樗岣伞Ｓ《妊芯績(jī)龈上憬斗?。捷克研究薄層物料的凍干工藝等等?/p>
食品凍干設(shè)備于1943年出現(xiàn)在丹麥,。發(fā)展到今天,世界上各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家?guī)缀醵忌a(chǎn)了食品用凍干機(jī)。從凍干面積上分,有小到0.1m2 的實(shí)驗(yàn)凍干機(jī)和大到愈千平方米的生產(chǎn)用凍干機(jī);從干燥倉(cāng)形狀看有方形,、圓形和隧道式;從自動(dòng)化程度看,可分手動(dòng),、半自動(dòng)和全自動(dòng);從工作方式看有間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式;從冷凍方式看, 可分成凍干合一型和凍干分離型兩種,。食品凍干設(shè)備的生產(chǎn)廠家在世界上較有影響的有丹麥Atlas公司和日本共和真空株式會(huì)社,。Atlas公司生產(chǎn)的凍干分離型凍干設(shè)備,用裝料車整體裝料、凍干和運(yùn)輸, 可實(shí)現(xiàn)半連續(xù)生產(chǎn), 結(jié)構(gòu)合理,、節(jié)省能源,。該公司生產(chǎn)的連續(xù)性食品凍干設(shè)備適合于大批量食品的凍干生產(chǎn)，性能比較*,。日本是擁有凍干設(shè)備zui多的國(guó)家,凍干設(shè)備的干燥面積可達(dá)2.3×10 4 m2 ,。日本共和真空株式會(huì)社生產(chǎn)的食品凍干機(jī)一般是間歇式的,凍干機(jī)周期性工作,食品分批干燥。