張麗文，羅瑞明，李亞蕾，李俊麗，牛佳

（寧夏大學農學院，銀川 750021）

食品真空冷凍聯(lián)合干燥技術研究進展

張麗文，羅瑞明，李亞蕾＊，李俊麗，牛佳

（寧夏大學農學院，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、化學品質，是一種較好的干燥物料方式，但存在能耗高、時間長、生產成本高的不足。因此，將真空冷凍干燥與其他干燥方式聯(lián)合得到品質好、能耗低的產品是未來食品干燥主要研究方向。文章簡述了國內外關于食品各種真空冷凍聯(lián)合干燥技術，并總結了相應研究成果和應用現(xiàn)狀，提出了真空冷凍聯(lián)合干燥技術在食品加工領域應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構，不僅會損失揮發(fā)性風味物質，還會導致營養(yǎng)成分下降，最終降低食品的食用品質。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及揮發(fā)性風味物質，尤其是胡椒、辣椒、生姜、大蒜、蔥等天然香辛料。

目前，國內外食品干燥技術主要有真空冷凍干燥、微波干燥、熱風干燥、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，將物料先進行預凍，使含水物料中的水分凍結成冰，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，常用于調味品、水產品、畜產品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。近年來有學者研究了青胡椒、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，較好地保持物料的色澤、結構，但存在干燥能耗較高、產品附加值增加等缺點［2－8］。為了彌補單一干燥方式的不足，同時獲得品質較好的干燥食品，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。聯(lián)合干燥技術是根據(jù)所要干燥的物料特性，將兩種或多種干燥方式按照優(yōu)勢互補的原則，分階段對物料進行干燥，能夠達到降低生產成本、降低能耗、物料物理化學品質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)合干燥技術研究較多，它可以用來提高食品營養(yǎng)成分，作為調味粉能改善產品色澤和風味。

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-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，闡述了真空冷凍聯(lián)合干燥技術在食品領域中的研究進展及存在的問題。

1 真空冷凍干燥的原理及特點

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條曲線的交點稱為氣、液、固共存的三相點。三相點的溫度為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O的610.5Pa壓力下加熱，水將由固態(tài)冰不經過液態(tài)而直接升華為氣態(tài)。真空冷凍干燥正是根據(jù)這個原理，將物料預凍至冰點以下，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

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。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、風味物質及維生素等營養(yǎng)成分；干燥后的產品可保持原有形狀，不失原有固體框架結構；真空冷凍干燥后的物料復水性好，易于恢復原有的性質和形狀；熱量利用經濟，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備需要較高的能耗，生產產品成本高。

2 食品真空冷凍聯(lián)合干燥

2.1 熱風-真空冷凍聯(lián)合干燥

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

2007年，Phanindra Kumar等用冷凍-熱風聯(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干燥和冷凍干燥進行對比，冷凍-熱風聯(lián)合干燥后的產品總類胡蘿卜素受破壞程度相對較低；在質量比方面，單一干燥方式明顯劣于冷凍-熱風聯(lián)合干燥；而冷凍-熱風聯(lián)合干燥在總能耗和干燥時間方面，單一熱風干燥，比單一冷凍干燥降低50%，研究表明：冷凍-熱風聯(lián)合干燥在生產高質量、低能耗的產品上是具有優(yōu)勢的［13］。2013年，黃嬌麗等以腌制調味高菜為研究對象，研究了腌制調味高菜真空冷凍-熱風聯(lián)合干燥的最優(yōu)工藝，研究結果表明：先真空冷凍干燥20h，后續(xù)熱風干燥1h的產品在品質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，陳君琛等以干燥產品的感官評分、干燥速率、硬度和色度的綜合值為指標，研究了熱風-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-真空冷凍聯(lián)合干燥產品的品質優(yōu)于熱風干燥和真空干燥產品的品質，杏鮑菇可做成杏鮑菇醬成為日常生活中的調味品，該研究對利用杏鮑菇副產物具有指導作用［15］。2015年，林國軒等研究了低溫真空-熱風聯(lián)合干燥綠茶，初步確定了低溫真空-熱風聯(lián)合干燥綠茶最佳水分轉換點是18%～28%［16］，目前，這種聯(lián)合干燥已被應用到工業(yè)化生產中。

2.2 紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥

遠紅外干燥是一種輻射干燥，其具有很強穿透力的遠紅外線，能被水和高分子物質吸收，引起分子共振而達到快速干燥的目的，且遠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副產品的干燥尤為適宜［17］。

2004年，Pyng等對甘薯進行了真空冷凍干燥、空氣干燥和遠紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥，結果表明：采用遠紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥甘薯能夠縮短干燥時間且能提高產品品質［18］。目前，該聯(lián)合干燥技術存在設備生產效率低、生產成本高等問題。2013年，張秦權等綜合兩種干燥方法的優(yōu)點，針對低溫真空干燥與遠紅外聯(lián)合干燥技術，設計一套能夠應用于工業(yè)生產的遠紅外聯(lián)合低溫真空干燥設備，為實現(xiàn)遠紅外聯(lián)合低溫真空干燥工業(yè)化提供了試驗設備基礎［19］。對遠紅外-真空冷凍聯(lián)合干燥工藝及機理還需進一步研究。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在物料脫水方面的可行性和優(yōu)勢性，并以干燥效率、產品品質及單位能耗為指標，比較中短波紅外干燥技術與幾種不同干燥技術聯(lián)合干燥，結果表明：用中短波紅外-真空冷凍干燥聯(lián)合干燥方法，能進一步提高中短波紅外干燥產品品質和降低冷凍干燥的干燥時間及能耗［20］。目前該聯(lián)合技術仍處于研發(fā)階段，還需對其機理及不同物料干燥參數(shù)和加工工藝做進一步研究。

2.3 高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥

高壓電場干燥技術是一種于20世紀90年代興起的干燥技術［21，22］。高壓電場干燥技術具有設備成本低，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［23］，但其產品品質不如真空冷凍干燥產品，且在干燥后期干燥速度較慢［24］。

Angersbach與Knonr對馬鈴薯進行高壓電場預處理，節(jié)約了將近1/3干燥時間；對椰子進行高壓電場預處理，縮短了將近22%干燥時間［25］。Ade-Omowaye等的研究表明高壓電場預處理能夠提高干燥速率的原因是預處理使細胞通透性提高［26］。2014年，白亞鄉(xiāng)等對海參進行2種不同時段高壓電場-真空冷凍聯(lián)合干燥，先進行3h和5h的高壓電場干燥，再進行真空冷凍干燥，并以干燥后產品的質構、復水率、收縮率、蛋白質和酸性粘多糖含量等品質指標和總能耗、干燥時間與單一干燥產品進行對比，研究結果表明：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，蛋白質含量和復水率更高。

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。微波干燥技術是以物料中的水作電介質，在交變電磁場的作用下使物料中的水分子高速運動，水分子摩擦生熱，使物料從內到外同時加熱。

Duan等對甘藍進行微波-真空冷凍聯(lián)合干燥過程，對微生物控制特性進行了研究，結果表明：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底載料盤干燥時間較長的問題，設計研究微波真空干燥機干燥設備，并以銀耳為原料，研究微波真空干燥動力學和最優(yōu)工藝，結果表明：此工藝可分為加速干燥、恒速干燥及降速干燥3個階段，較佳工藝參數(shù)為前期熱風溫度70℃，轉換水分含量30%，后期微波強度5W/g［28］。2013年，單心心對大蒜粒微波-真空冷凍聯(lián)合干燥傳質模型進行了研究，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℃，凍干最佳水分轉換點為凍干時間4.5h［30］。該冷凍聯(lián)合干燥技術研究起步較晚，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，水分和溶質透過細胞膜進行傳遞，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用。

2006年，陳儀男對綠豆芽復合滲透液預處理-真空冷凍干燥工藝進行研究，結果表明：綠豆芽凍干工藝的預處理復合滲透液最優(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%，試驗驗證顯示綠豆芽經優(yōu)選的復合滲透液預處理后能明顯地改善凍干效果，同未經處理的相比，產量與質量的綜合指標提高18.3%，維生素C保存率提高25.9%，凍干時間縮短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胞結構未受破壞［32］。2012年，張曉敏以燕山板栗為研究對象，以板栗粉品質和加工能耗為指標，將滲透-真空冷凍干燥與滲透-熱風聯(lián)合干燥、熱風干燥、真空冷凍干燥進行對比，結果表明：滲透-真空冷凍干燥、滲透-熱風聯(lián)合干燥制得物料復水性好，干燥時間縮短，干燥能耗降低，有利于提高產品的經濟效益［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-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥、真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥工藝進行了優(yōu)化，在單因素試驗結果的基礎上，選取膨化溫度、抽空溫度、抽空時間這3個影響最為顯著的因素作為變量，選擇硬度、含水率、色澤b值、脆度作為響應值進行響應面優(yōu)化試驗設計，對干燥工藝參數(shù)進行優(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℃，抽空時間145.8～186.2min［35］。李兆路優(yōu)化了熱風-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的影響。在優(yōu)化聯(lián)合干燥技術的基礎上，研究了超微粉碎技術對桑椹粉物理性質和營養(yǎng)成分的影響，為桑椹干燥及制粉實際生產提供了技術參考［36］。變溫壓差膨化干燥微觀細胞結構空隙最大，賦予產品疏松多孔結構。綜合考量營養(yǎng)成分、感官評分、風味物質、微觀結構、生產周期5類評價指標，變溫壓差膨化干燥加工技術適宜于香蕉干制品的生產加工［37］。

3 存在的問題及對策

真空冷凍聯(lián)合干燥技術具有優(yōu)勢互補的原則，達到干燥產品品質好、生產耗能低的目的。但目前真空冷凍聯(lián)合干燥技術仍處于工藝優(yōu)化階段，機理研究不足，而且缺乏相應的真空冷凍聯(lián)合干燥設備，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產。針對這些問題，應該加大對真空冷凍聯(lián)合干燥技術機理研究，為設計研究真空冷凍聯(lián)合干燥設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)合干燥技術主要用于調味品、水產品、畜產品、咖啡、果蔬和茶等的干燥。干燥后仍能保存物料活性物質及揮發(fā)性風味物質，尤其是天然調味品。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，但相應真空冷凍聯(lián)合干燥較少，仍有許多研究工作需要進行。真空冷凍聯(lián)合干燥技術能在降低干燥能耗的同時得到最大程度保留揮發(fā)性風味物質的調味品，具有較高的利用價值，是未來天然香辛料等調味品干燥的發(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

國家自然科學基金地區(qū)基金項目（31160328）

張麗文（1991－），女，碩士，研究方向：畜產品加工。