食品冷冻干燥技术国内外发展研究现状
食品冷冻干燥技术国内外发展研究现状
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摘要：本文阐述了冻干食品的有关知识，回顾了国内外食品冷冻干燥设备的发展历史，介绍了国内外食品冷冻干燥设备的研究现状，探讨了国
内食品冷冻干燥设备今后的研究方向。
关键词：冻干食品；研究现状；研究方向
真空冷冻干燥(以下简称冻干)技术是一门跨学科的复杂技术，它需要真空、制冷、流体、生物工程、传热传质和自动控制等方面知识，它是交叉学科发展的产物,它的发展推动着交叉学科的进步。同时它还是一项高新应用技术，在食品、医药、化工等领域都有着广泛的应用，冻干是先将含水物质冻结，并在冻结状态下于真空中使冰结晶升华而将物料干燥的方法，即使食品在低温低压下干燥[1]。
1冻干食品的特点
1.1 冻干食品的概念
冻干食品是指用人工制冷方法视食品种类的不同将其冻结到－15℃—－30℃或更低温度后，在低温、低压下进行冷冻于燥，使食品中的冰升华为水蒸气，形成脱水食品而获得的干制品[2]。
1.2 冻干食品的优点[3，4]
1.冻干食品由于脱水较彻底，包装适当，不加任何防腐剂，对贮存时的环境温度没有特别的要求，即在常温下可安全地贮存较长的时间。因此，其贮存、销售等经常性费用远远低于冷冻食品。
2.食品冻结后水变成冰形成了一个稳定的固体骨架，当冷冻干燥后冰晶升华，使固体骨架基本维持不变。因此，冻干食品的收缩率远远低于其他干制品，能够保持新鲜食品的形态。
3.冻干食品冰晶升华后，溶于水中的无机盐等溶解物就地析出，避免了用一般干燥法时由于食品内部水分向表面迁移，使之携带的无机盐等成分在表面析出的问题。因此冻干食品无表面硬化问题。
4.由于食品冻结后进行冷冻干燥，食品内细小冰晶在升华后留下大量空穴，呈多孔海绵状，在复水时能迅速渗入并与干物料充分接触，可使冻干食品在几分钟甚至数十秒
钟内完全复水，因而最大限度地保留了新鲜食品的色、香、味。所以，冻干食品具有优异的复水性能，是高质量的速食方便食品。
5.由于食品的冷冻干燥在低温及高真空度下进行，避免了食品中热敏性成分的破坏和易氧化成分的氧化。所以，冻干食品的营养成分和生理活性成分损失率最低，这是某些功能性食品采用冻干食品为基料的主要原因。
6.食品在冷冻干燥时，由于低温使各种化学反应速率较低，故食品的各种色素分解造成退色、酶及氨基酸引起的褐变几乎不发生。所以，冻干食品不需添加任何色素，最大限度地保留了食品的原有色泽。
7.食品在冷冻干燥时，由于低温使成分挥发性低，且无氧化反应，故无异味产生。冷冻干燥后产品中的芳香成分浓度相对增加。所以，冻干食品风味不变，香气更加浓郁。
1.3 冻干食品的缺点[3，4]
1.冻干食品一暴露于空气中容易吸湿吸潮，故包装材料要绝对隔湿防潮。
2.冻干食品表面积与其体积之比的比表面积较大，在贮存期间食品中的脂肪容易氧化造成脂肪酸败。所以，冻干食品要真空包装，最好充氮包装。
3.冻干食品一般所占体积相对较大，不利于包装、运输和销售，所以冻干食品常被压缩之后再包装。
4.冻干食品因具有多孔海绵状疏松结构，在运输、销售中易破碎及粉末化。所以，对不便压缩包装的冻干食品，应采用有保护作用的包装材料或形式。
5.冻干食品的生产需要低温快速冻结制冷设备和高真空设备等，且冷冻干燥时间一般较长，所以，导致冻干食品投资费用较大，生产成本较高。但随着冻干技术的提高，冻干设备的国产化，冻干食品的生产成本将会降低。
2食品冻干机国内外发展研究概况
真空冷冻干燥设备的工作原理是：先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后将经过前处理的预冻食品装入干燥仓内，在低温真空状态下，由加热板导热或辐射方式供给食品热能，使食品中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出的水蒸气，由真空泵组抽至捕水仓内，在－40—－45℃的排管外壁上凝结被捕捉,直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空，完成食品冻干全过程。真空冷冻干燥机主要由真空冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成[2, 3]。食品冷冻干燥的基本工艺流程为：前处理→预冻结→真空干燥→真空包装→成品[6]。
2.1国外食品冻干机发展研究概况
真空冻干技术起源于19世纪初，但由于制冷技术与真空技术等限制，直至20世纪初人们才开始用于干燥生物制品，第二次世界大战中，由于急需人体血浆，真空冻干技术得以快速发展。二战结束后，在一些发达国家中先后将此技术用于食品加工上。一时
间各种真空冻干食品厂蜂拥出现，有人当时预言，真空冻干食品将很快取代其它干制食品。可由于复杂的设备、巨大的能耗和很低的生产率，使其产品难以销售。60年代中期，某些真空冻干食品厂出现倒闭和转产。70年代人们对食品真空冻干重新认识，这个时期食品冻干研究报道与专利技术最多。真空冻干理论也很深入，如循环压力法，均匀退却理论模型，交替工作冷凝装置，微波热源作为强化换热性能的试验探讨等。80年代至今，食品真空冻干设备已经商品化、系列化、标准化。冻干面积从几平方米至上千平方米。作业方式有间歇式和连续式。自动控制程度高，有些大型真空冻干机实现微电脑管理，使真空冻干工艺更趋合理化[5,11]。
目前欧洲有近百家真空冻干食品厂，美国有80多家，日本有40多家。1988年的统计数字表明，美国年产真空冻干食品500万吨，法国产150万吨、日本产160万吨、罗马尼亚出口150吨、埃及出口130吨，1992年统计数字为日本年产700万吨。食品种类繁多，有咖啡、茶叶、果汁饮料，果蔬产品、海鲜产品、蘑菇等。其中真空冻干速溶咖啡在日本及欧美占全部速溶咖啡40%以上，是真空冻干食品种类中最成功的物料[11]。丹麦阿特拉斯的RAY型间歇式和CONRAD型连续式冻干机，日本共和真空株式会社的无隔离干燥过程水气凝结器除冰再生技术和TL型液体食品密闭系统管式冻干机可代表世界食品冻干机的先进技术。1989年10月17日保加利亚的索非亚成立了低温生物学和冷冻干燥技术研究所(ICL)，主要研究宇航食品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。该研究所的科研实力目前在世界上排名第三位，仅次于美国和俄罗斯[12]。
2.2我国食品冻干机发展研究概况
1965年原北京人民食品厂、轻工部食品研究所和北京食品工业研究所合作对果蔬、肉类、对虾、鸡蛋粉等冻干食品进行试验研究，并设计制造了每日脱水5OOkg的冻干设备，搁板面积为43.5㎡，于1969年在原北京人民食品厂试车并投产。1974年上海梅林罐头食品厂对冻干食品进行开发，于1978年建成了年产300吨的食品冷冻升华干燥车间，这是当时我国最大的食品冻干装置。该装置采用蒸汽喷射泵抽真空系统，加热方式采用平板式加热板，以水为载热体，加热板表面涂以黑色涂料，以增加辐射强度。在国产食品冻于机中是首次采用辐射加热型式的机型。1977年广东省江门冷冻厂建成冷冻干燥车间，最大日处理鲜蘑菇可达600kg，当时的冻干食品因加工费用高且未打入国际市场效益不佳而导致工厂停产[5]。
80年代后，冻干食品的生产在我国又有了较大的发展。经济效益比较好的是青岛市第二食品厂(青岛大洋食品股份有限公司)，引进了日本冻干设备生产冻干香葱、姜片等，主要用于出口。1990年东北大学研制了ZLC一1型人参真空冷冻干燥机，并于1993年获辽宁省政府科技进步三等奖。万保馄真空技术(深圳)有限公司亦于1992年利用日本进口的制冷机、真空泵、控制系统，在深圳制造了干燥箱、水汽凝结器，研制了一台24㎡的食品冻干机，安装在广东汕头市。1994年广州长城制冷设备厂与华中科技大学协作，研制开发SZGD型大型食品冷冻干燥设备，适合于加工蔬菜、肉类、水产品、调料及保健品，
这些产品的开发，开辟了农副产品，开辟了农副产品加工出口的国际市场。1997年，上海浦东冷冻干燥设备厂与日本共和真空株式会社进行技术协作，研制了2台100㎡大型食品冷冻干燥机，安装在浙江宁波永进冷冻食品有限公司，至今运行良好。1998年，烟台冰轮集团有限公司引进俄罗斯技术成功地研制了40㎡的食品冷冻干燥机。1996一2001年，兰州科近真空冻干技术有限公司发展很快，共生产了32套JDC型食品冻千机。烟台冰轮集团公司的ZDG冻干机被列入《一九九八年度国家火炬项目计划》，2000年获山东省科技进步二等奖；兰州科近真空冻干技术有限公司的JDC型系列食品冻干机及生产线已编入《国家科技成果重点推广计划指南项目(2001)》和《2001年国家级火炬计划项目》[5]。
此外，清华大学核能设计研究院引进俄罗斯大型食品真空冷冻干燥设备的先进技术，直接与国家一级企业烟台冰轮集团合作，共同探索出一条发展我国冷冻干燥事业的新路，优点是:起点高、投资少、见效快。在引进、消化、吸收的同时，对设备的改进提出了切实可行的方案，特别是控制系统设计，从工艺要求出发,在考虑节能的同时,以进一步提高效率为目的，采用现代化的仪表和先进控制手段,对设备的控制系统重新进行了优化设计，从根本上提高了我国大型食品冷冻干燥机的整体设计及控制水平[7]。我国第一台大型大型连续式食品冷冻干燥装置在辽宁沈阳研制成功并通过了投产及技术鉴定，该装置达到国内领先、国际先进水平，为中国制冷史增添了新的一页[8]。
但是，目前我国食品冻干机还都是非标准化产品。大部分生产厂家走的是仿制道路，有些厂家在采用国外先进技术的同时，进行了较大的改进。如:加热板内采用了特殊导流装置，使板内流体的流量均匀，保证了加热的均匀和稳定；捕水器在工作中可实现交替捕水和融冰，捕水器盘管内氨液制冷方式由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷，使捕水器盘管内温度均匀，结霜性能良好。除仿制之外，国内自己的研制能力也在提高，有些单位已经脱离了仿制国外机型，抽气系统采用低架式水蒸气喷射泵抽水蒸气，省去了捕水器和制冷系统，降低了设备价格。但国产冻干设备还有许多不足，例如：主要控制元件和可靠的功能元件靠进口；连续式冻干备太少；实验用冻干设备功能、精度不能满足要求；互相重复的东西太多，创新性成果太少[9]。
为提高我国食品冻干设备的整体技术水平，保设备质量,由中国机械工业联合会组织,烟台冰轮集团有限公司起草了我国食品冻干设备方面的第一份行业标准JB/T10285—2001《食品真空冷冻干燥设备》并已于2001年发布实施。该标准根据俄罗斯全境禽类加工工业科学研究院转让的ZDG系列食品冻干设备技术而制定，参数指标参照了丹麦ATLAS 工业公司相同设备的性能指标，且达到了该公司及俄罗斯全境禽类加工工业科学研究院的指标水平。该标准的发布实施无疑将对我国食品冻干设备行业的发展起较大的促进作用[5,10]。
3国内今后的研究方向
目前国产冻干机与国际上生产的冻干机性能正逐步缩小,主要差距在能耗、质量和生产率上。因此，国产冷冻干燥设备的研究方向和发展趋势还得注重以下几点：
3.1 优化设计，降低成本，减少能耗
国外有些冻干机不采用不锈钢制造，而采用低碳钢涂覆食品用可烘干树脂，涂层厚度为0.12-0.20mm，在室温下就会发出红外线。搁板表面涂高性能远红外发射材料，增强其辐射能力；料盘表面处理，增强其吸热能力。料盘在两块辐射搁板之间有一最佳位置，而不是取中间位置，因此应优化设计。捕水器的结构、尺寸、结霜特性的优化更有实际意义，因为它的造价目前几乎相当于冻干箱的造价，且其运转功耗也较大[13]。
3.2保证质量，提高性能
质量主要包括外观、元器件的寿命和可靠性等；另外，国产冻干设备大都是非标准化产品，而标准化是提高质量，降低成本，增强互换性的有力保证，因此，必须实现标准化[10]。有的厂家生产的冻干机从安装好之后，一直不能投入正常生产;有的冻干机虽然能生产，但能耗太高，生产的产品越多，赔钱越多；还有的元器件不断出现故障，影响正常生产。因此，冻干机的质量必须保证，可靠性要提高。要提高冻干机的性能，除了保证加热速率、抽气速率、温度均匀性还应增强设备新的功能。例如增加冻干结束的判断功能，最简单的办法是称重法[13]。
3.3 开发连续式冷冻干燥设备
当前国内生产的冻干设备基本上都是间歇式的，随着消费观念的进步，冻干产品的需求量加大，这就要求设备的生产率进一步提高，能耗进一步降低，开发连续式冻干设备成为必然发展趋势[14]。
3.4 开发适合食品冷冻加工的真空冷冻干燥装置
从生产工艺流程看，真空冷冻干燥设备所需的原料预处理、冻结装置、制冷系统、加热系统，一般的食品加工企业都有。增加真空冷冻干燥设备，只须增加干燥箱、冷阱、真空泵组及控制系统，对原有制冷设备及水、电、汽、动力资源进行稍加改造即可。目前国内食品冷冻加工厂都存在工艺设备齐全、生产任务不足、设备闲置的情况，增加真空冷冻干燥设备，对食品进一步深加工，可提高产品附加值，扩大企业的经营领域。充分利用原有设备，节省投资，提高企业的技术水平和产品技术含量，提高经济效益[14，15]。
3.5 进一步提高卫生标准
从发展的眼光看，随着人民生活水平的提高，人们对冻干产品的卫生要求将进一步提高，再加上国际上冻干设备的走势，这就要求国内厂家对冻干设备的消毒杀菌、卫生管理等提出更严格的要求。近年来西方国家在食品生产企业开始推行HACCP系统，对食品加工设备的消毒杀菌、卫生管理等提出了更加严格的要求。以此为契机，日本许多厂家纷纷将原有镀锌钢板的真空干燥室改为不锈钢真空室，因为在向真空室通蒸汽进行灭
菌的过程中，镀锌层会与60-80℃的湿热蒸汽发生反应生成微粉，污染食品。冻干设备的服役期一般为20—25年，考虑到HACCP系统迟早将进入中国，因此我国冻干机产业的厂家应未雨绸缪，尽早做好准备[13]。
4 结语
综上所述，随着冻干技术和冻干设备的不断完善，冻干食品已经成为21世纪食品工业的发展方向。冻干食品所具有的各项优越性，适应了社会的需求，势必会受到消费者更多好评和欢迎[16]。但由于食品冷冻干燥设备技术复杂，科技含量高，我国在这方面起步比较晚，加以这方面的基础研究也十分薄弱，严格说，完全独立自行研制性能优良的食品冷冻干燥设备的条件还不太成熟，借鉴国际成熟的技术是一条捷径[14]。
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