真空冷冻干燥技术在食品方面的应用研究

作者: 路敏 陈媛媛

摘 要:我国作为一个农业生产大国,粮食、果蔬产量巨大,但现今我国约30%的粮食、果蔬等农产品在运输、加工中受损,这在强调绿色发展的今天已成为不可忽视的数字。真空冷冻干燥技术能够在维持食品色、香、味的同时,最大限度保留其维生素、蛋白质等营养物质,使其在常温环境下能够较长时间保存,是避免农产品受损的有效方式,经济价值巨大。本文介绍了真空冷冻干燥技术的原理,并对其在食品方面的应用进行了研究,希望能够提供参考与帮助。

关键词:真空冷冻干燥技术;食品;应用

Application of Vacuum Freeze Dried Technology in food

LU Min1, CHEN Yuanyuan2

(1.Tianjin C.Y. Foods Co., Ltd., Tianjin 300308, China;

2.Tianjin Huace Testing Certification Co., Ltd., Tianjin 300300, China)

Abstract: As a large agricultural production country, China has a huge output of grain, fruits and vegetables. However, about 30% of the grain, fruits and vegetables in China are damaged in transportation and processing, which has become a number that can not be ignored today when green development is emphasized. Vacuum freeze-drying technology can not only maintain the color, aroma and taste of food, but also retain its vitamins, proteins and nutrients to the maximum extent, so that it can be stored at room temperature for a long time. It is an effective way to avoid damage to agriculture products and has great economic value. In this paper, the principle of vacuum freeze-drying technology is described in detail, and its application in food is studied. I hope it can provide reference and help.

Keywords: vacuum freeze drying technology; food; application

受到外界环境、自身特点等影响,食品在存储、运输、加工过程中会不可避免地发生物理、化学、生物变化,导致其外观形状发生改变、营养成分降低,损害了其经济价值。干燥是人们在历史发展进程中探索出的有效食品加工技术之一,真空冷冻干燥技术将真空、低温与干燥结合,能够更加有效地保留食品品质,延长食品储存期限[1]。

1 真空冷冻干燥技术原理

真空冷冻干燥技术是基于热力学中的相平衡理论实现的。相平衡即为多相系统中各相变化达到的极限状态,这一状态下,相际物质传递净速率为0。对于水来说,其有固态、液态、气态3种相态。当外界压力下降时,水的沸点会逐步降低,在温度0.009 8 ℃,

压力609.3 Pa时与冰点重合,达到相平衡。当水的压力继续下降,其中的冰会直接转化为水蒸气,实现冰晶升华。真空冷冻干燥技术是先对含有大量水分的新鲜食品进行预冷冻处理,使得其中的水分转变为固体冰结晶,进一步将其置于真空环境中,借助相平衡使得冰结晶转化为水蒸气,吸附剩余水分后,可将食品中的含水量降低至1%~4%,实现干燥的目的。

2 真空冷冻干燥技术在食品方面的应用优势

2.1 保留食品色、香、味

色、香、味是人们购买食品的主要因素之一。新鲜食品较易氧化,或受到酶、微生物的影响而腐败变质,进而改变色、香、味。真空冷冻干燥将食品置于缺氧、低温状态,有效避免受到氧气、酶、微生物的影响,使其色、香、味得以留存。此外,食品在常温储存过程中,营养物质会逐步流失。科学研究表明,真空冷冻干燥对于食品的蛋白质和维生素A、维生素D等脂溶性维生素的损害几乎为0,对于食品的维生素C、β-胡萝卜素等水溶性维生素的损失仅为5%,最大限度地保留了食品中的营养物质[2]。

2.2 保留食品形态

在长距离物流运输过程中,食品内部结构易受到挤压,或因为内部水分流失而导致其外部形态改变。真空冷冻干燥技术能够有效强化食品内部结构,并借助干燥使其内部生成多气孔,实现复水速溶,迅速恢复其自然形态。

2.3 延长食品保存期限

食品中水分含量较多且暴露于空气中极易受到酶、微生物的影响,导致腐败变质。经过真空冷冻干燥的食品,其含水量在1%~4%,且水分分布均匀。同时,大多真空冷冻干燥后的食品采用真空包装,可彻底隔绝空气,有效延长了其保存期限,通常可在常温环境下保存数年。

3 真空冷冻干燥技术流程

3.1 预处理

预处理是食品在经真空、冷冻、干燥前的处理过程。与其他加工方式相比,真空冷冻加工技术对食品自身品质要求较高。因此,应依据食品种类选择预处理方式。例如,针对果蔬类食品,为保证其鲜度,应当在采摘后8 h内进行冷藏加工,避免其氧化变色以及营养成分流失。同时,预处理环节也需要对原材料进行切割。通常情况下,真空冷冻干燥加工食品大多采取条状、片状、块状、丁状和粉状加工。不同的加工方式对于后续冷冻、干燥环节的条件、时间有着不同的要求,相关工作人员应当结合食品自身性质和加工特点进行合理选择。例如,针对纤维素较多的果蔬类食品,应当选取条状、片状、块状加工,并垂直于食品纤维走向进行切割,增加内部水分暴露的表面积,确保水分在冷冻干燥过程中完全排出,提升冷冻干燥效果和效率。针对肉类食品,应当选取片状、块状、丁状,并尽可能降低切割厚度,保障冷冻效果[3]。

3.2 冻结处理

在较大型的工厂流水生产中,真空冷冻干燥操作通常由冻结处理和干燥升华两步骤组成,冻结处理是其中的核心环节。冻结处理的速度、环境温度等要素对于食品内部水分的升华效果、成品质量、耗费能源等有着直接影响。现今我国冻结处理操作大多采用慢速冻结,虽然食品内部水分的升华速度较快,但升华后的冰晶多为少量、大块、连续的网状结晶,增加了干燥的难度。虽然提升冻结处理的速率能够使得食品内部冰晶体积缩小、排布更为密集,提升干燥效果,确保食品口感,但密集的小结晶体阻碍了内部深层水分溢出,导致冻结时间延长,所需能源相应增多。因此,相关人员应当选取合适的冻结方式。科学研究表明,在-5 ℃的环境下,食品内部约80%的水分已经冻结[4]。相关工作人员可以使食品维持该温度一段时间后再次冻结,在提升冰晶体的升华效果的同时,有效抑制能源消耗,节约加工成本。

3.3 冻干处理

3.3.1 加热

加热是冻干处理的第一步。经过冷冻后,食品内部可能存在的微生物处于低活性状态,在储存运输过程中有恢复活性的风险。在进行冻干处理前对食品进行加热,能够进一步消除食品含有的微生物,保证食品安全。此外,水的升华过程伴随着吸热,较低的热量进一步抑制了水升华速度。为确保食品内部水分完全升华,需要借助加热提升食品内部水分的饱和蒸汽压,促进升华速率上升。应当注意的是,为避免食品解冻,全过程中的食品温度均应维持在-30~-10 ℃。

3.3.2 真空

真空加工需将加热结束后的食品放入真空箱,抽取其中空气,使食品处于真空状态,进一步提升和食品干燥层的导热系数,加快冰晶的升华速度,进而进行食品干燥。由于食品自身含水量及内部结构的影响,在真空加工过程中,相关工作人员应当精准计划压力,确保食品真空冷冻干燥效果的同时避免能源的过度使用。

3.3.3 干燥

待食品内部冰晶全部经升华排出后,即可进入干燥环节。相关人员可借助真空泵进一步抽出冻干仓内的水蒸气,确保食品彻底干燥。

3.3.4 包装

包装是食品抵御外界侵袭的第一层防护。真空冷冻干燥食品水分含量低,遇水速溶,且易受到光照、空气等影响。因此,必须选取防水、遮光、隔绝空气的材料进行食品包装。通常情况下,真空冷冻干燥食品大多选取铝薄膜复合材料进行真空包装。同时,在包装操作前,也可借助辐射、紫外线照射等方式消除食品表面的残留细菌,抵御储存运输风险。

4 真空冷冻干燥技术现状

4.1 冷冻恒温难以保证

冷冻操作的温度对于食品的质量有着直接影响。现今我国食品真空冷冻干燥加工过程中,缺乏针对冷冻时间、温度的精细化管理,导致食品冻结状况难以达到预期,影响了成品的质量[5]。此外,近年来我国食品物流运输距离不断增长,但冷链物流仍未完全普及,加工成品在物流运输中难以保证恒温,增大了食品腐败、变质的概率,在提升经济成本的同时威胁着消费者的食品安全。

4.2 干燥效果一般

食品营养物质的保留是真空冷冻干燥技术的主要目的之一。传统的慢速冷冻方式使得食品细胞内外冻结速率不一,细胞内部水分外溢,产生冰晶,使得营养物质外流。虽然现今快速冷冻技术的出现能够有效提升冰状结晶速度,使得食品细胞形成保护层,避免其营养物质流失,但因设备投资高、能耗较大等原因,快速冷冻技术仍未在我国全面普及,导致食品干燥效果平平,影响了干燥食品的质量。

4.3 加工方式不完善

不同类型、体积、形状的食品冷冻、干燥速率不同,应当有针对性地进行真空冷冻干燥设定。现今我国食品真空冷冻干燥加工仍然较为粗放,以单一式的冷冻干燥方式进行全部食品的处理。同时,为确保冻结效果,在食品冷冻结束后需要进行至少

1 h的保温处理,但一部分食品加工企业缺乏对时间的把控,甚至将其省去,影响了成品的质量。

5 新型真空冷冻干燥技术

5.1 微波真空冷冻干燥

真空冷冻干燥技术需要借助干燥有效排出水分,耗能大,时间长。微波真空冷冻干燥技术很好地弥补了这一不足。微波真空冷冻干燥借助微波辐射,将微波电磁能转化为热能进行干燥,能够有效提升干燥速率,彻底排出食品水分。但微波真空冷冻干燥技术投资较高,至今仍集中于高附加值食品加工中,有待大规模普及应用。

5.2 喷雾真空冷冻干燥

实现冷冻速度的提升,进一步降低冰晶体积是真空冷冻干燥技术的发展方向。在奶粉、药品等粉末状食品加工较多的欧洲,将粉末食品借助喷雾喷洒,并进行液氮冷冻的喷雾真空冷冻干燥技术有效解决了这一课题。喷雾真空冷冻干燥使得食品接触面积增加,迅速形成冰粉,加以真空冷冻,能够显著缩短冷冻干燥的时长。

5.3 真空冷冻干燥联合热风干燥

传统真空冷冻干燥加工借助加热进行干燥,能耗较高。将热风干燥引入真空冷冻干燥加工是近年来的发展趋势。据研究表明,相比传统真空冷冻干燥技术,真空冷冻干燥联合热风干燥加工能够节约40%左右的能源。但应注意的是,如先进行热风干燥,容易损伤食品内部骨架结构,影响其速溶复水效果。因此,需将真空冷冻与热风干燥联合操作。在对腌制菜干燥过程中,真空冷冻加工加以热风干燥实现了约20%的能耗降低,同时其速溶复水效果优异[6]。

5.4 冷冻干燥联合真空微波干燥

微波冷冻干燥虽然实现了干燥速度的提升和能耗的降低,但针对果蔬等食品加工时,食品内部骨架结构会因微波造成损伤,导致食品变形,降低了食品品质。将冷冻干燥与真空微波干燥结合,在真空状态下利用微波进行干燥,不仅能够节约近40%的能耗,同时避免了果蔬食品的内部骨架损伤,保留了其内部营养。

6 结语

综上所述,真空冷冻干燥技术能够在保存食品色、香、味,维持食品营养物质的同时显著延长食品保存期限,降低物流运输损失,是新时代食品加工的有效方法。但我国的真空冷冻干燥技术起步时间较晚,现今仍存在一些不成熟的地方。在实际操作时,相关人员应当全面把握真空冷冻干燥的工艺流程,依据食品自身特性进行针对性地调整和精细化地管理,确保食品品质,减少成本,为我国食品行业的发展作出贡献。

参考文献

[1]聂莹华,陈佳慧,许嘉敏,等.真空冷冻干燥对罗非鱼皮性能及提取明胶性能的影响研究[C]//中国食品科学技术学会第十八届年会摘要集.北京:中国食品科学技术学会,2022:381-382.

[2]马有川.预处理对苹果脆片真空冷冻干燥特性和品质的影响研究[D].北京:中国农业科学院,2021.

[3]吴晶,徐天一.食品真空冷冻干燥工艺及其强化研究[J].食品界,2021(2):116-117.

[4]朱洪梅,王禹心,刘喻心,等.胡萝卜脆片冻干过程中水分、微观结构及品质变化[J].食品研究与开发,2022,43(11):42-48.

[5]周旭.猕猴桃切片的射频真空及热风联合干燥研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2019.

[6]鲍王璐.整粒小麦制备全麦脆片及其营养成分变化研究[D].无锡:江南大学,2019.

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