引言

真空冷凍干燥技術(shù)在最近的二十年中取得了長(cháng)足進(jìn)展。進(jìn)入二十一世紀后，隨著(zhù)人們環(huán)保意識、健康意識的進(jìn)一步加強，必將對消費品的品質(zhì)提出更高要求。生活節奏的不斷加快，人們對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，使其應用規模不斷擴大、應用領(lǐng)域不斷擴展。因此，真空冷凍干燥必將成為二十一世紀的重要應用技術(shù)。

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103Pa壓力下，固態(tài)冰轉化為液態(tài)水的溫度略高于0℃，而液態(tài)水轉化為蒸汽的溫度為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(chēng)為三相點(diǎn)壓力，相應的溫度稱(chēng)為三相點(diǎn)溫度。

水的三種聚集態(tài)隨溫度和壓強不同而變化，以壓強為縱坐標，溫度為橫坐標表示水的聚集態(tài)，稱(chēng)為水的相平衡圖。由圖可以看出，OS,OL，OK三條曲線(xiàn)把相圖分成三個(gè)區域，即氣相、液相、固相。OS曲線(xiàn)為氣固兩相平衡共存的狀態(tài)，這時(shí)的水蒸氣壓強為水的飽和蒸汽壓，OL曲線(xiàn)為液固兩相平衡共存的狀態(tài)，OK曲線(xiàn)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℃，壓強為2.11×107Pa，在此點(diǎn)液態(tài)水不存在。O點(diǎn)為三條曲線(xiàn)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。

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)養成份，特別是那些易揮發(fā)的熱敏性成份不損失，因而能最大限度地保持原有的營(yíng)養成份，有效地防止干燥過(guò)程中的氧化、營(yíng)養成份的轉化和狀態(tài)變化。冷凍干燥制品成海綿狀、無(wú)干縮、復水性極好、食用方便、含水分極少，相應包裝后可在常溫下長(cháng)時(shí)間保存和運輸。因此賦予其產(chǎn)品許多特殊的性能：

1.脫水比較徹底，有利于長(cháng)時(shí)間貯存；

2.物料干燥過(guò)程在凍結狀態(tài)下完成，與其它干燥方法相比，其產(chǎn)品相對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構和外觀(guān)形態(tài)；

3.不存在表面硬化問(wèn)題，且內部呈多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復水性。這一性能在即食方便食品中體現出了非常明顯的優(yōu)勢；

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，便于運輸。

國外食品凍干技術(shù)的研究狀況

食品的凍干技術(shù)起源于二十世紀三十年代。1930年Flosdorf開(kāi)始了食品凍干實(shí)驗。1940年英國的Fikidd提出了用冷凍干燥方法進(jìn)行食品處理的技術(shù)。1961年英國食品部在A(yíng)berdeen實(shí)驗工廠(chǎng)開(kāi)始了食品凍干的研究,他們在綜合了當時(shí)各國和自己研究成果的基礎上公布了試驗結果，證明凍干法用于食品是獲得優(yōu)質(zhì)食品的一種方法。幾乎在同一時(shí)期,美、日、德、荷蘭、丹麥等國家相繼建立了食品凍干加工廠(chǎng)。據不完全統計,1963年美國有食品凍干廠(chǎng)11家,歐洲各國有25家。1965年全球已有凍干食品廠(chǎng)50多家。到1972年,美國有凍干食品生產(chǎn)廠(chǎng)41家,歐洲各國49家,日本有13家，凍干食品產(chǎn)量增加也很快,僅從美國統計,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(xiàn),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)養食品。該研究所目前在世界上排名第三位,僅次于美國和俄羅斯。

美國凍干食品發(fā)展最快,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(chǎng)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(chǎng)家,年產(chǎn)值達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)達國家已達到相當高的程度。

凍干理論和工藝的研究正在向著(zhù)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態(tài)模型(URIF模型),實(shí)驗證明能較好地計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,凍干室內氣體通過(guò)已干層以及在輻射條件下的準穩態(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。意大利對凍干蘋(píng)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。德國對天然淀粉、改性淀粉、淀粉果膠等進(jìn)行理化研究。俄國研究?jì)龈膳Ｈ獾臒嵛镄�。日本研究膠狀魚(yú)粉的凍干。西班牙研究?jì)龈扇樗岣�。印度研究�(jì)龈上憬斗�。捷克研究薄層物料的凍干工藝等等�?/p>

食品凍干設備于1943年出現在丹麥。發(fā)展到今天,世界上各個(gè)工業(yè)發(fā)達的國家幾乎都生產(chǎn)了食品用凍干機。從凍干面積上分,有小到0.1m2的實(shí)驗凍干機和大到愈千平方米的生產(chǎn)用凍干機；從干燥倉形狀看有方形、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、半連續式和連續式；從冷凍方式看,可分成凍干合一型和凍干分離型兩種。食品凍干設備的生產(chǎn)廠(chǎng)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備,用裝料車(chē)整體裝料、凍干和運輸,可實(shí)現半連續生產(chǎn),結構合理、節省能源。該公司生產(chǎn)的連續性食品凍干設備適合于大批量食品的凍干生產(chǎn)，性能比較先進(jìn)。日本是擁有凍干設備最多的國家,凍干設備的干燥面積可達2.3×104m2。日本共和真空株式會(huì )社生產(chǎn)的食品凍干機一般是間歇式的,凍干機周期性工作,食品分批干燥。