張麗文，羅瑞明，李亞蕾，李俊麗，牛佳

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

食品真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)研究進(jìn)展

張麗文，羅瑞明，李亞蕾＊，李俊麗，牛佳

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

采用真空冷凍干燥方式干燥物料能最大限度保留原有物料物理、化學(xué)品質(zhì)，是一種較好的干燥物料方式，但存在能耗高、時(shí)間長、生產(chǎn)成本高的不足。因此，將真空冷凍干燥與其他干燥方式聯(lián)合得到品質(zhì)好、能耗低的產(chǎn)品是未來食品干燥主要研究方向。文章簡述了國內(nèi)外關(guān)于食品各種真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)，并總結(jié)了相應(yīng)研究成果和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)在食品加工領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題及對策。

食品；真空冷凍干燥；聯(lián)合干燥；研究進(jìn)展

用干燥方式保藏食品的方法歷史悠久，但傳統(tǒng)干燥方法通常會改變食品原有的色澤和結(jié)構(gòu)，不僅會損失揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，還會導(dǎo)致營養(yǎng)成分下降，最終降低食品的食用品質(zhì)。因此，有必要選擇有效的干燥方法，且干燥后能夠保存物料活性物質(zhì)及揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，尤其是胡椒、辣椒、生姜、大蒜、蔥等天然香辛料。

目前，國內(nèi)外食品干燥技術(shù)主要有真空冷凍干燥、微波干燥、熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、對流干燥、輻射干燥、噴霧干燥、太陽能干燥等。真空冷凍干燥是利用冰晶升華的原理，將物料先進(jìn)行預(yù)凍，使含水物料中的水分凍結(jié)成冰，然后在壓力較低、真空度較高的條件下，使物料中的冰直接升華為水蒸氣而使物料脫水的過程［1］。在食品工業(yè)中，常用于調(diào)味品、水產(chǎn)品、畜產(chǎn)品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。近年來有學(xué)者研究了青胡椒、芫荽、大蒜、洋蔥、生姜、黃芪等香辛料和濃縮牦牛骨湯的真空冷凍干燥工藝，該干燥方式能夠最大限度保留物料原有揮發(fā)性物質(zhì)，較好地保持物料的色澤、結(jié)構(gòu)，但存在干燥能耗較高、產(chǎn)品附加值增加等缺點(diǎn)［2－8］。為了彌補(bǔ)單一干燥方式的不足，同時(shí)獲得品質(zhì)較好的干燥食品，出現(xiàn)了真空冷凍干燥與其他干燥方式聯(lián)合的干燥技術(shù)。聯(lián)合干燥技術(shù)是根據(jù)所要干燥的物料特性，將兩種或多種干燥方式按照優(yōu)勢互補(bǔ)的原則，分階段對物料進(jìn)行干燥，能夠達(dá)到降低生產(chǎn)成本、降低能耗、物料物理化學(xué)品質(zhì)能得到最大程度保留的目的［9－11］。目前對果蔬粉真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)研究較多，它可以用來提高食品營養(yǎng)成分，作為調(diào)味粉能改善產(chǎn)品色澤和風(fēng)味。

目前，真空冷凍聯(lián)合干燥主要包括：紅外輻射-真空冷凍聯(lián)合干燥、熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥、變溫壓差-真空冷凍聯(lián)合干燥、真空微波-真空冷凍聯(lián)合干燥、高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥、滲透-真空冷凍聯(lián)合干燥等。本文簡述了真空冷凍干燥原理及特點(diǎn)，闡述了真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)在食品領(lǐng)域中的研究進(jìn)展及存在的問題。

1 真空冷凍干燥的原理及特點(diǎn)

1.1 真空冷凍干燥的原理

真空冷凍干燥原理是基于水的三相變化。水的相平衡圖見圖1，由3條曲線構(gòu)成，OS線為升華線，它是冰與水蒸氣兩相的平衡線；OK線為汽化線，它是水和水蒸氣的平衡曲線，即水在不同溫度下的蒸汽壓曲線；OL線為凝固線，它是水和冰的平衡線。OS，OK，OL 3條曲線的交點(diǎn)稱為氣、液、固共存的三相點(diǎn)。三相點(diǎn)的溫度為0.01℃，壓力為610.5Pa，這3條線將純水的相圖分為3個(gè)相區(qū)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。

圖1 水的相平衡圖Fig.1The phase equilibrium diagram of water

由圖1可知，若將固態(tài)水在低于三相點(diǎn)O的610.5Pa壓力下加熱，水將由固態(tài)冰不經(jīng)過液態(tài)而直接升華為氣態(tài)。真空冷凍干燥正是根據(jù)這個(gè)原理，將物料預(yù)凍至冰點(diǎn)以下，使物料中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在較高的真空度下，冰會直接升華為蒸汽而被除去，物料即被干燥。

1.2 真空冷凍干燥的特點(diǎn)

真空冷凍干燥的相平衡溫度低，且處于真空狀態(tài)，故具有其他干燥方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。適用于熱敏性及易氧化食品的干燥，能最大程度地保留物料的色澤、風(fēng)味物質(zhì)及維生素等營養(yǎng)成分；干燥后的產(chǎn)品可保持原有形狀，不失原有固體框架結(jié)構(gòu)；真空冷凍干燥后的物料復(fù)水性好，易于恢復(fù)原有的性質(zhì)和形狀；熱量利用經(jīng)濟(jì)，可用常溫或溫度稍高的流體作為加熱劑；但是真空及低溫的設(shè)備需要較高的能耗，生產(chǎn)產(chǎn)品成本高。

2 食品真空冷凍聯(lián)合干燥

2.1 熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥

熱風(fēng)干燥是通過熱空氣將熱量傳遞給需要干燥的物料，同時(shí)將物料中的水分帶走。食品用熱風(fēng)干燥方法干燥的歷史悠久，這種干燥方法具有生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其脫水速度慢、干燥時(shí)間長、干燥產(chǎn)品品質(zhì)差［12］。

2007年，Phanindra Kumar等用冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥胡蘿卜和南瓜，并分別將干燥速率、物料物化特性和總能耗與單一的熱風(fēng)干燥和冷凍干燥進(jìn)行對比，冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥后的產(chǎn)品總類胡蘿卜素受破壞程度相對較低；在質(zhì)量比方面，單一干燥方式明顯劣于冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥；而冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥在總能耗和干燥時(shí)間方面，單一熱風(fēng)干燥，比單一冷凍干燥降低50%，研究表明：冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥在生產(chǎn)高質(zhì)量、低能耗的產(chǎn)品上是具有優(yōu)勢的［13］。2013年，黃嬌麗等以腌制調(diào)味高菜為研究對象，研究了腌制調(diào)味高菜真空冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的最優(yōu)工藝，研究結(jié)果表明：先真空冷凍干燥20h，后續(xù)熱風(fēng)干燥1h的產(chǎn)品在品質(zhì)方面與單一真空冷凍干燥無顯著差異，且比單一真空冷凍干燥節(jié)能33%［14］。2014年，陳君琛等以干燥產(chǎn)品的感官評分、干燥速率、硬度和色度的綜合值為指標(biāo)，研究了熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥即食杏鮑菇工藝，研究發(fā)現(xiàn)：在能耗比真空冷凍干燥減少57%的情況下，熱風(fēng)-真空冷凍聯(lián)合干燥產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥和真空干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，杏鮑菇可做成杏鮑菇醬成為日常生活中的調(diào)味品，該研究對利用杏鮑菇副產(chǎn)物具有指導(dǎo)作用［15］。2015年，林國軒等研究了低溫真空-熱風(fēng)聯(lián)合干燥綠茶，初步確定了低溫真空-熱風(fēng)聯(lián)合干燥綠茶最佳水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)是18%～28%［16］，目前，這種聯(lián)合干燥已被應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。

2.2 紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥

遠(yuǎn)紅外干燥是一種輻射干燥，其具有很強(qiáng)穿透力的遠(yuǎn)紅外線，能被水和高分子物質(zhì)吸收，引起分子共振而達(dá)到快速干燥的目的，且遠(yuǎn)紅外干燥加熱溫度穩(wěn)定，物料受熱均勻，對含水量高的食品及果蔬等農(nóng)副產(chǎn)品的干燥尤為適宜［17］。

2004年，Pyng等對甘薯進(jìn)行了真空冷凍干燥、空氣干燥和遠(yuǎn)紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥，結(jié)果表明：采用遠(yuǎn)紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥甘薯能夠縮短干燥時(shí)間且能提高產(chǎn)品品質(zhì)［18］。目前，該聯(lián)合干燥技術(shù)存在設(shè)備生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等問題。2013年，張秦權(quán)等綜合兩種干燥方法的優(yōu)點(diǎn)，針對低溫真空干燥與遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，設(shè)計(jì)一套能夠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥工業(yè)化提供了試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)［19］。對遠(yuǎn)紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥工藝及機(jī)理還需進(jìn)一步研究。2014年，王洪彩以香菇為研究對象，研究了波長為2.4～3μm的中短波紅外干燥技術(shù)在物料脫水方面的可行性和優(yōu)勢性，并以干燥效率、產(chǎn)品品質(zhì)及單位能耗為指標(biāo)，比較中短波紅外干燥技術(shù)與幾種不同干燥技術(shù)聯(lián)合干燥，結(jié)果表明：用中短波紅外-真空冷凍干燥聯(lián)合干燥方法，能進(jìn)一步提高中短波紅外干燥產(chǎn)品品質(zhì)和降低冷凍干燥的干燥時(shí)間及能耗［20］。目前該聯(lián)合技術(shù)仍處于研發(fā)階段，還需對其機(jī)理及不同物料干燥參數(shù)和加工工藝做進(jìn)一步研究。

2.3 高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥

高壓電場干燥技術(shù)是一種于20世紀(jì)90年代興起的干燥技術(shù)［21，22］。高壓電場干燥技術(shù)具有設(shè)備成本低，干燥過程中物料不升溫，能夠很好地保留物料營養(yǎng)成分等優(yōu)點(diǎn)［23］，但其產(chǎn)品品質(zhì)不如真空冷凍干燥產(chǎn)品，且在干燥后期干燥速度較慢［24］。

Angersbach與Knonr對馬鈴薯進(jìn)行高壓電場預(yù)處理，節(jié)約了將近1/3干燥時(shí)間；對椰子進(jìn)行高壓電場預(yù)處理，縮短了將近22%干燥時(shí)間［25］。Ade-Omowaye等的研究表明高壓電場預(yù)處理能夠提高干燥速率的原因是預(yù)處理使細(xì)胞通透性提高［26］。2014年，白亞鄉(xiāng)等對海參進(jìn)行2種不同時(shí)段高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥，先進(jìn)行3h和5h的高壓電場干燥，再進(jìn)行真空冷凍干燥，并以干燥后產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、復(fù)水率、收縮率、蛋白質(zhì)和酸性粘多糖含量等品質(zhì)指標(biāo)和總能耗、干燥時(shí)間與單一干燥產(chǎn)品進(jìn)行對比，研究結(jié)果表明：3h和5h高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥分別節(jié)能19.5%和32.6%。聯(lián)合干燥的海參質(zhì)量得到了顯著提高，干燥后的海參硬度及收縮率更小，蛋白質(zhì)含量和復(fù)水率更高。

2.4 微波-真空冷凍聯(lián)合干燥

微波是一種高頻電磁波，頻率為300～300GHz，波長為1mm～1m。微波干燥技術(shù)是以物料中的水作電介質(zhì)，在交變電磁場的作用下使物料中的水分子高速運(yùn)動(dòng)，水分子摩擦生熱，使物料從內(nèi)到外同時(shí)加熱。

Duan等對甘藍(lán)進(jìn)行微波-真空冷凍聯(lián)合干燥過程，對微生物控制特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：微波-真空冷凍聯(lián)合干燥比單一真空冷凍干燥干燥時(shí)間短，且有明顯的殺菌效果［27］。2010年，黃建立針對微波真空干燥不均勻以及采用實(shí)底載料盤干燥時(shí)間較長的問題，設(shè)計(jì)研究微波真空干燥機(jī)干燥設(shè)備，并以銀耳為原料，研究微波真空干燥動(dòng)力學(xué)和最優(yōu)工藝，結(jié)果表明：此工藝可分為加速干燥、恒速干燥及降速干燥3個(gè)階段，較佳工藝參數(shù)為前期熱風(fēng)溫度70℃，轉(zhuǎn)換水分含量30%，后期微波強(qiáng)度5W/g［28］。2013年，單心心對大蒜粒微波-真空冷凍聯(lián)合干燥傳質(zhì)模型進(jìn)行了研究，對比了Lewis，Henderson and Pabis，Page 3種模型在聯(lián)合干燥中對物料中水分含量的擬合，結(jié)果表明：Page模型擬合效果最優(yōu)，并選取該模型對物料微波-真空冷凍聯(lián)合干燥曲線進(jìn)行擬合［29］。2014年，葉曉夢用微波-真空冷凍聯(lián)合干燥鐵棍山藥，對其進(jìn)行了工藝研究，最佳工藝條件為真空度0.032MPa，加熱板溫度20℃，解吸溫度50℃，凍干最佳水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)為凍干時(shí)間4.5h［30］。該冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)研究起步較晚，但優(yōu)勢明顯。

2.5 滲透-真空冷凍聯(lián)合干燥

滲透脫水是指將果蔬浸入高滲透壓溶液后，水分和溶質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)行傳遞，脫去物料中部分水分的方法［31］。通常作為一種前/后處理方式與其他干燥方法組合應(yīng)用。

2006年，陳儀男對綠豆芽復(fù)合滲透液預(yù)處理-真空冷凍干燥工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明：綠豆芽凍干工藝的預(yù)處理復(fù)合滲透液最優(yōu)配方為麥芽糊精、羧甲基纖維素鈉（CMC）、淀粉的含量分別是21.2%，0.16%，2.5%，試驗(yàn)驗(yàn)證顯示綠豆芽經(jīng)優(yōu)選的復(fù)合滲透液預(yù)處理后能明顯地改善凍干效果，同未經(jīng)處理的相比，產(chǎn)量與質(zhì)量的綜合指標(biāo)提高18.3%，維生素C保存率提高25.9%，凍干時(shí)間縮短36.9%，耗電節(jié)省19.9%；凍干品的安全水分可提高至10.0%，顯微觀察顯示表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)未受破壞［32］。2012年，張曉敏以燕山板栗為研究對象，以板栗粉品質(zhì)和加工能耗為指標(biāo)，將滲透-真空冷凍干燥與滲透-熱風(fēng)聯(lián)合干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥進(jìn)行對比，結(jié)果表明：滲透-真空冷凍干燥、滲透-熱風(fēng)聯(lián)合干燥制得物料復(fù)水性好，干燥時(shí)間縮短，干燥能耗降低，有利于提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益［33］。

2.6 真空冷凍-變溫壓差膨化干燥

變溫壓差膨化干燥是一種利用物料中的天然水分汽化生成水蒸氣帶動(dòng)物料膨化的一種新型、低碳以及綠色的干燥方式［34］。2015年，王萍以菠蘿蜜為原料，對其熱風(fēng)-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥、真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取膨化溫度、抽空溫度、抽空時(shí)間這3個(gè)影響最為顯著的因素作為變量，選擇硬度、含水率、色澤b值、脆度作為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對干燥工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定菠蘿蜜真空冷凍-變溫壓差膨化干燥最優(yōu)工藝參數(shù)為：膨化溫度87.73～91.24℃，抽空溫度58.12～61.31℃，抽空時(shí)間145.8～186.2min［35］。李兆路優(yōu)化了熱風(fēng)-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥桑椹和真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥桑椹工藝，對比了不同干燥方式對桑椹干制品理化品質(zhì)的影響。在優(yōu)化聯(lián)合干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了超微粉碎技術(shù)對桑椹粉物理性質(zhì)和營養(yǎng)成分的影響，為桑椹干燥及制粉實(shí)際生產(chǎn)提供了技術(shù)參考［36］。變溫壓差膨化干燥微觀細(xì)胞結(jié)構(gòu)空隙最大，賦予產(chǎn)品疏松多孔結(jié)構(gòu)。綜合考量營養(yǎng)成分、感官評分、風(fēng)味物質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)周期5類評價(jià)指標(biāo)，變溫壓差膨化干燥加工技術(shù)適宜于香蕉干制品的生產(chǎn)加工［37］。

3 存在的問題及對策

真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)具有優(yōu)勢互補(bǔ)的原則，達(dá)到干燥產(chǎn)品品質(zhì)好、生產(chǎn)耗能低的目的。但目前真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)仍處于工藝優(yōu)化階段，機(jī)理研究不足，而且缺乏相應(yīng)的真空冷凍聯(lián)合干燥設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。針對這些問題，應(yīng)該加大對真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)機(jī)理研究，為設(shè)計(jì)研究真空冷凍聯(lián)合干燥設(shè)備提供充分的理論支持。

4 展望

目前，在食品工業(yè)中真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)主要用于調(diào)味品、水產(chǎn)品、畜產(chǎn)品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。干燥后仍能保存物料活性物質(zhì)及揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，尤其是天然調(diào)味品。目前胡椒、芫荽、生姜、大蒜、蔥等香辛料和濃縮牦牛骨湯已有真空冷凍干燥的工藝研究，但相應(yīng)真空冷凍聯(lián)合干燥較少，仍有許多研究工作需要進(jìn)行。真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)能在降低干燥能耗的同時(shí)得到最大程度保留揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的調(diào)味品，具有較高的利用價(jià)值，是未來天然香辛料等調(diào)味品干燥的發(fā)展方向。

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Research Progress of Food Vacuum Freeze Combined Drying Technology

ZHANG Li-wen，LUO Rui-ming，LI Ya-lei＊，LI Jun-li，NIU Jia
（School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The vacuum freeze drying materials can maximize the retention of physical and chemical quality of original materials.It is a good way of drying materials，but there are defects of high energy consumption，long time and high production cost.Therefore，combine vacuum freeze drying and other drying methods to get the products with good quality and low energy consumption is the main research direction of future food drying.Introduce domestic and foreign food vacuum freeze combined drying technology，and summarize the relative research and application status，put forward the problems and countermeasures of vacuum freeze combined drying technology applied in the field of food processing.

food；vacuum freeze drying；combined drying；research progress

TS205.7

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.03.036

1000-9973（2017）03-0152-05

2016－09－15 ＊通訊作者

國家自然科學(xué)基金地區(qū)基金項(xiàng)目（31160328）

張麗文（1991－），女，碩士，研究方向：畜產(chǎn)品加工。