果蔬真空冷冻干燥工艺与技术由于冻干食品避免了传统脱水技术方法带来的变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷，具有 保持原食品形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻、可常温贮藏等优点。因此，冻干食品在国际 市场的价格是热风干燥食品46倍，是速冻食品78倍。它在登山、航海、探险、军队野战等特殊场合 中具有不可替代的地位，也是宇航员在太空中的主要食品。冻干食品在一些发达工业国家已经达到相当高的普及水平，美国、日本冻干食品的比重已达到 40%以上。 据有关部门统计，目前，美国每年消费冻干食品500万t,日本160万t,法国150万t,其他国家也很可 观。日本每年约需花1000亿日圆进口冻干食品，香港、新加坡和南韩每年进口冻干食品达500亿日元。 日本、美国及欧洲等每年约需冻干大蒜粉6000t，可见冻干食品的国际市场之大。随着我国经济的可持续发展和人民生活水平的不断提高，人们对食品质量的要求越来越高，特别是 对高质量的婴幼儿食品和保健食品的需求量急剧增加。另外，我国旅游、探险、航海事业必将有大的发展 同时高档餐饮业的迅速崛起、人们生活节奏的加快，都对方便即食食品的需求量越来越大。因此，发展冻 干食品具有广阔的国际、国内市场。5.7.2 冻干食品生产的基本原理与其它干燥方法一样，要维持升华干燥的不断进行，必须满足两个基本条件，即热量的不断供给和生成 蒸汽的不断排除。在开始阶段，如果物料温度相对较高，升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但随 着升华的进行，物料温度很快就降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度，此时，若没有外界供热，升华干燥 便停止进行。在外界供热的情况下，升华所生成的蒸汽如果不及时排除，蒸汽分压就会升高，物料温度也 随之升高，当达到物料的冻结点时，物料中的冰晶就会融化，冷冻干燥也就无法进行了。供给热量的过程是一个传热过程，排除蒸汽的过程是一个传质的过程，因此，升华干燥过程实质上是一 个传热、传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力，升华干燥中的传热驱动力为热源 与升华界面之间的温差，而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集器（或冷阱）之间的蒸汽分压差。温差愈大 传热速率愈快；蒸汽分压差愈大，传质（即蒸汽排除）速率愈快。冻干时，既要保持产品的优良品质，又要取得较快的干燥速率。升华所需要的潜热必须由热源通过外界 传热过程传送到被干燥物料的表面，然后再通过内部传热过程传送到物料内冰升华的实际发生处。所产生 的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面，再通过外部传质过程转移到蒸汽捕集器（冷阱）中。任 何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程的“瓶颈”，它取决于冻干设备的设计、操作条件以及被干 燥物料的特征。只有同时提高传热、传质效率，增加单位体积冻干物料的表面积，才能取得更快的干燥速 率。在冰晶的升华过程中，每升华1g冰晶约需吸收2822.4J的热量，假如没有热量来源，冰晶升华时将 会从制品中吸热，亦即通过降低制品的温度来维持升华所必须的热能，当制品的温度降低后，其冰晶饱和 蒸汽压亦降低，当降低到与环境中绝对压力相等时，升华亦即停止，因此，冻干过程中，必须给制品施加 热能，但是，要在真空环境中传输热能，也不是一件容易的事情，为此，人们设计出下列种种加热方式： 接触传热方式 这是一种最简单的加热方法，在干燥室内设置可加热的多层搁板，上面放置装有 被干燥食品的干燥盘。利用干燥盘与搁板接触传导加热。在这种情况下。加热搁板与干燥盘，干燥盘与干 燥食品间不能完全良好地接触，因此利用这中方法进行加热时，干燥时间多少较其它方法长些，但其优点 是干燥是构造简单，并可充分利用空间。 复式加热方式 接触传导仅加热食品的一面，而在本法中被干燥的食品两面都与加热板接触，因 此传热良好而可缩短干燥时间，所采用的方式将被干燥食品在与加热板接触前，先以金属网状铝板夹住， 以打开升华时水蒸汽的通道并减少其阻力，然后用液压加上搁板，使之与网状铝板接触，此法优点是可缩 短干燥时间，但为能与上搁板接触，搁板必须是活动的，因此必须使用液压装置，而导致构造复杂，并降 低干燥室的利用率，故设备费用高昂，此外，对非平面而不定形被干燥食品，则有不能充分发挥效果的缺 点。 有钉板加热方式 这是上述复式加热方式的变形，此法是利用装有多枚钉子的2 片加热板将被干 燥食品夹在中间以进行加热，这种方式的加热接触面积扩大到被干燥食品的内部，因而能有效地进行热供 给，利用此方式，干燥时间可大幅度缩短，这正是被希望的方式，但相反的是，大量处理被干燥食品时， 干燥前与干燥后的操作繁杂，需要人力与时间，另外还涉及卫生的问题，因此在实用规模装置上几乎都不 采用。 辐射加热方式 此种方式是将被加热干燥的食品置于干燥盘或干燥网上，然后插入两片加热板之 间，使之不与加热板接触，而由加热板辐射来供给热量，因此加热板可加热到容许温度以上的高温，而被 干燥食品的温度则保持在容许温度之内，这样可以缩短干燥时间，且被干燥食品的形状若不是定型时也不 会有所防碍。干燥前后的操作也很容易，特别是在大型连续干燥装置中更加有效，已经设计出适当的控制 方式，并提高加热板的辐射能转换效率，其干燥时间已缩短至可以与复式加热相匹敌的程度，因此，该加 热方式已演变成冻干食品设备的基本形式。 微波加热方式 微波照射能使不同形状的食品内外都得到加热，大大缩短干燥时间（约10%20%）。 此外，干燥室的利用率也较高。尽管微波加热具有明显的优点，但是到目前为止还没有在工业上成功的例 子。这是因为产生微波形式的能量是昂贵的，其费用为蒸汽费用的1020倍。另外，微波加热过程很难 控制。如果供热量有余，会导致升华界面有少量冰融化，而水的介电常数比冰的介电常数大得多，水将吸 收更多的热量使温度升高而使更多的冰融化，最终导致干燥失败。 红外线加热 在干燥室安装红外线发生器产生红外线辐射。但由于其维持费用相当高，故很少应用于 冷冻干燥食品方面。综上所述，各种加热方法各有其特点。人们在不断认识冻干过程本质的基础上，探索出了多种加热、辐 射的组合，如传导-辐射加热法、传导-微波加热法、辐射-微波加热法等。其目的都是期望能在保证产品质 量的前提下，提高干燥速率，降低能耗。5.7.3 冻干食品的生产设备5.7.3.1 主要设备冻干食品生产最主要的设备为食品用真空冷冻干燥机组，该机组的性能，能耗和操作自动化程度的 高低决定了冻干食品生产企业的技术水平的高低，食品用冻干机分间歇式和连续式。连续式机组在国内企 业尚属少见。间歇式冻干机由干燥箱体、加热系统、真空系统、制冷系统、控制系统等 5 部分组成。干燥箱体 有圆筒形及方形两种主要的形式，各有优点，圆筒形制造容易，但无法利用的空间多；方 形则相反，空间利用率高，但制造较困难。加热系统 大多数采用辐射传热，辐射板由阳极电镀铝制成，导热介质有导热油，饱和水、二次 蒸汽，有机溶剂如丙二醇、甘油等，热源均系用高压水蒸汽。真空系统 采用机械真空泵，有罗茨泵油封泵及罗茨泵罗茨泵大气喷射水环泵两种，两 者主要区别是前者不能抽水蒸汽，因此对冷阱效率要求较高，优点是能耗小，后者则正好相反，能抽吸少 量水蒸汽，缺点是能耗较大。制冷系统 由制冷机组与冷却排管构成，作水蒸汽捕集器（亦称冷阱）依其与辐射板组件的相对 位置，有如下几种形式：底置式：放置在辐射板组件的底部；侧置式：放置在辐射板组件的两侧； 后置式：放置在辐射板组件的后面；另置式：放置在辐射板组件不在同一容器内，另外一个容器放置， 两容器之间有一个短而粗的管件连接。控制系统 有手动控制及自动控制两大类，自动控制又分仪表自动控制与PLC可编程序控制两类。 以PLC可编程序控制最先进，现在已有专用的冻干程序控制仪问世，是在PLC基础上按冻干要求而设计 的，能自动完成冻干过程中复杂的控制操作，并且有贮存数据的功能。国外著名的冻干设备生产厂家有丹麦阿特拉斯工业公司（ATLAS）、日本真空技术株式会社（ULVAC）、 美国奥特公司（Virtis）、英国爱德华公司（Edwards）、日本共和真空技术株式会社（KYOWAC）等设备 制造商；台湾也有多家冻干设备生产厂，但良秀不齐，有些是低劣产品。国内有名的冻干设备生产厂家有中国科学院兰州物理研究所研制的 ZDG 型、清华大学核能技术设计研究 所研制的 DHFD 型、深圳万宝真空保鲜设备公司生产的 DF 型、广州长城制冷工业设备厂生产的 SZDG 型、中国航天工业总公司沈阳新阳速冻设备制造公司生产的LG型等食品冻干设备。5.7.3.2 简易冻干食品生产线的配置前处理设备有： 多用切片机 1台，生产能力200500kg/h，国产的即可，如有条件，可购买台湾、日本、美 国产的切片机，以美国厄舍公司的最为先进。 冷却槽 杀青后的冷却槽可用清洗槽代替，简易生产线通常因自来水冷却沥水可选用振荡沥水机，如 有条件，最好选用离心机。 速冻库 速冻库的配置与冻干机的处理能力相适应，以日班生产配料，满足 23 班冻干为宜。 冷源最好单独或半单独设置（低压循环部分独立）以防止在速冻库热负荷较大时，影响到正在冻干过程中 的冷阱温度。冻干车间 冻干车间是冻干食品生产的关键工序，它的设置同时要考虑到产品质量受影响的程 度，一般速冻库与冻干箱门之间的距离越短越好，并且此通道最好专用，仅作为物流通道，而不兼作人流 通道，冻干箱门端与冻干机其它部分及设备最好隔开，以减少环境对半成品的污染。卸料与包装间 卸料与包装间应密闭，地面至少要用水磨石加打蜡，墙体要用白瓷砖贴至1.5m 高，以上部分要刷白色防水涂料，此车间须装设空调除湿设备，空调制冷可与冷库系统合用，除湿设备宜 选用转轮式除湿机，以利降低除湿成本，车间最好无窗户，门尽可能密闭，最好采用无尘净化室专用的密 封门，并要有换气、消毒、灭菌等设施。包装时一般要有不锈钢工作台，抽真空充氮封口机，抽真空设备宜选用水环式真空泵，抽速约 20L/s，充氮气源为工业用氮气，经减压过滤充入即可。5.7.3.3 现代化流水生产线配置 现代化流水生产线与简易生产线相比，仅在前处理增加了清洗、去皮、杀毒、冷却、输送等自动化 机械设备，以减少前处理中手工作业量，因清洗、去皮等操作中没有标准化通用设备，在此不作详述，其 它与简易生产线相同。5.7.4 冻干果蔬的生产工艺工艺流程原料选择-整理-预冻结-升华干燥-后处理-包装、贮藏。操作要点预处理 一般预处理是指升华干燥前的所有处理，所以干燥前冻结也属于预处理。原料预处理和 常规的果蔬干燥及果蔬速冻制品相同，如需进行挑选、清洗、去皮、切分、烫漂、冷却等处理，具体操作 参见本书有关内容，在此不作详述。在进行果汁或蔬菜汁冻干时，则先用较低廉的加工方法预先将其浓缩， 后在预冻结时将产品变成粒状。预冻结是把经前处理后的原料进行冷冻处理（有关冷冻工艺及设备参见本书“9.果蔬速冻”），它是冻 干的重要工序。由于果蔬在冷冻过程中会发生一系列复杂的生物化学及物理化学变化，因此预冻的好坏将 直接影响到冻干果蔬质量。冷冻过程中重点考虑的是被冻结物料的冻结速率对其质量和干燥时间的影响。 速冻与慢冻有以下差别：速冻产生的冰晶较小，慢冻产生的冰晶较大；大的冰晶有利于升华，小的冰晶不 利于升华；小的冰晶对细胞的影响较小，冰晶越小，干燥后越能反映出产品原来的组织结构和性能。但冻 结速率高，所需的能耗也高。应综合考虑，选择一个最优的冻结速率，在保证冻干食品质量的同时，使所 需的冷冻能耗最低。升华干燥 是冻干食品生产过程中的核心工艺。要控制好工艺条件： 装载量 干燥时，冻干机的湿重装载量即单位面积干燥板上被干燥的质量，是决定干燥时间的重 要因素。被干燥食品的厚度也是影响干燥时间的因素。冷冻干燥时，物料的干燥是由外层向内层推进，因此，被干燥物料较厚时，需要较长的干燥时间