真空冷凍干燥技術(shù)在果蔬加工中的應用
1、綜述
第二次世界大戰后期，由于軍事戰備食品的需求，真空冷凍干燥用于果蔬高品質(zhì)脫水技術(shù)被迅速發(fā)展起來(lái)。70 年代以來(lái)，隨著(zhù)普通消費者對方便食品的要求日益增多，使凍干食品市場(chǎng)日趨擴大，凍干食品在發(fā)達工業(yè)國家已相當流行，成為國際貿易的大宗食品。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，技術(shù)日漸成熟，設備日趨完善。我國在50 年代引進(jìn)真空冷凍干燥技術(shù)，最初用于藥物及生物制品的脫水干燥。1953 年衛生部所屬北京、武漢兩生物制品研究所先后安裝了大型凍干設備，邁開(kāi)了我國生物制品凍干工業(yè)化的第一步。60 年代后期在北京、上海、大連等地相繼建立了一些實(shí)驗性?xún)龈稍O備，70 年代中期在上海建立了年產(chǎn)3000 噸的食品凍干車(chē)間。但是當時(shí)我國的人民生活水平低，人們有愛(ài)吃新鮮食品的習慣，凍干食品在國內市場(chǎng)不大;80 年代后期，一些外商看中了中國豐富的原料市場(chǎng)，開(kāi)始在大陸投資設廠(chǎng)。到了90 年代，隨著(zhù)商品經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，市場(chǎng)凍干食品的需求越來(lái)越大，特別是外商為打開(kāi)中國市場(chǎng)，紛紛提供設備貸款以及包銷(xiāo)部分產(chǎn)品，促使一些食品企業(yè)大膽引進(jìn)國外設備建廠(chǎng)，而國內一些廠(chǎng)家亦爭先恐后推出國產(chǎn)凍干設備。一時(shí)間，凍干食品行業(yè)呈現一派興旺和蓬勃發(fā)展的景象。但真正有經(jīng)濟效益的企業(yè)并不多，相當企業(yè)由于未經(jīng)充分論證后即倉促建線(xiàn)生產(chǎn)，在原料供應、銷(xiāo)售市場(chǎng)、工藝技術(shù)等均不占優(yōu)勢的情況下，只好暫時(shí)停產(chǎn)以觀(guān)市場(chǎng)，昂貴的進(jìn)口設備閑置或部分閑置，實(shí)在令人惋惜。
我國的農副產(chǎn)品資源極其豐富，品種多、質(zhì)量好、價(jià)格低，急需深加工增值。此外，我國的中草藥、珍貴動(dòng)、植物品種繁多，可生產(chǎn)出具有特色的凍干名貴產(chǎn)品。加入WTO 后，這種高科技含量的行業(yè)市場(chǎng)前景越來(lái)越好。凍干食品在一些發(fā)達工業(yè)國家已經(jīng)達到相當高的普及水平，美國、日本凍干食品的比重已達到40% 以上。據有關(guān)部門(mén)統計，目前，美國每年消費凍干食品500 萬(wàn)t，日本160 萬(wàn)t，法國150 萬(wàn)t，其他國家也很可觀(guān)。日本每年約需花1000 億日元進(jìn)口凍干食品，香港、新加坡和南韓每年進(jìn)口凍干食品達500 億日元。日本、美國及歐洲等每年約需凍干大蒜粉6000t，可見(jiàn)凍干食品的國際市場(chǎng)之大。另一方面，我國勞動(dòng)力密集，加工凍干食品的成本比其他國家低得多。這種低成本，對外商產(chǎn)生了巨大的吸引力，近年來(lái)，外商轉向中國求購大量?jì)龈墒称�，這就為我國發(fā)展凍干食品提供了機遇。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的可持續發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對食品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，特別是對高質(zhì)量的嬰幼兒食品和保健食品的需求量急劇增加。另外，我國旅游、探險、航海事業(yè)必將有大的發(fā)展，同時(shí)高檔餐飲業(yè)的迅速崛起、人們生活節奏的加快，都對方便即食食品的需求量越來(lái)越大。因此，發(fā)展凍干食品具有廣闊的國際、國內市場(chǎng)。據國家海關(guān)總署、國家商檢局統計，在20 世紀90 年代，我國脫水蔬菜出口量每年以30 %的速度增加，出口量約占世界總產(chǎn)量的2/3。而凍干蔬菜在國際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥脫水蔬菜的4 ～6 倍，正成為國際貿易的大宗食品。國際市場(chǎng)凍干食品供不應求，但國內凍干食品工業(yè)尚處于發(fā)展初期，產(chǎn)量還很低。因此我國應加快發(fā)展凍干食品，把豐富的農產(chǎn)品進(jìn)行深加工增值、外銷(xiāo)創(chuàng )匯。國內外對凍干食品的巨大需求，為我國發(fā)展凍干食品工業(yè)提供了機遇。
真空冷凍干燥技術(shù)是一項高新加工技術(shù)，被認為是生產(chǎn)高品質(zhì)脫水食品的最好加工方法。其原理是在真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分不經(jīng)過(guò)冰的融化直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而使物料在低溫狀態(tài)下被迅速干燥，稱(chēng)為真空冷凍干燥，簡(jiǎn)稱(chēng)凍干。用此方法生產(chǎn)的食品稱(chēng)凍干食品�，F在除北京、福建、廣東、青島等地還在生產(chǎn)俏銷(xiāo)的蘑菇、調料以外，食品凍干幾乎沒(méi)有發(fā)展。我國可用于凍干加工的食品資源特別是土特產(chǎn)十分豐富，如豆制品、蘑菇、苔菜、獼猴桃、椰汁、大蒜、茶葉、蜂蜜等產(chǎn)品在世界上都是有名的。隨著(zhù)對外開(kāi)放、對內搞活政策方針的貫徹和我國人民食品結構的改變，食品凍干業(yè)在我國將會(huì )得到迅速發(fā)展。
當然，凍干技術(shù)還有許多尚待解決的問(wèn)題。如妨礙凍干技術(shù)更為廣泛應用的最大障礙是生產(chǎn)成本高，因此如何縮短凍干周期進(jìn)行能源的綜合利用、強化裝置的功能，降低裝置的耗能，降低設備造價(jià)都是凍干行業(yè)特別是食品凍干行業(yè)發(fā)展需要解決的重要課題。但是隨著(zhù)凍干技術(shù)的提高，凍干設備的日益完善，尤其是凍干設備的國產(chǎn)化，凍干食品的生產(chǎn)成本必將而且已經(jīng)進(jìn)一步降低。另外，與罐藏食品、冷凍食品相比，凍干食品的運輸、貯存等經(jīng)常性費用較低，而凍干食品的高質(zhì)量所附加的高價(jià)值，可以彌補其成本高的缺點(diǎn)，尤其是對于價(jià)格高的食品物料，凍干成本在其產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格中所占的比例并不大。由于凍干食品避免了傳統脫水技術(shù)方法帶來(lái)的變色、變味、營(yíng)養成分損失大、復水性差等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、營(yíng)養不變、復水性好、重量輕、可常溫貯藏等優(yōu)點(diǎn)。因此，凍干食品在國際市場(chǎng)的價(jià)格是熱風(fēng)干燥食品4～6 倍，是速凍食品7～8 倍。
2、凍干生產(chǎn)所用設備
2.1、主要設備
凍干食品生產(chǎn)最主要的設備為食品用真空冷凍干燥機組，該機組的性能，能耗和操作自動(dòng)化程度的高低決定了凍干食品生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平的高低，食品用凍干機分間歇式和連續式。連續式機組在國內企業(yè)尚屬少見(jiàn)。間歇式凍干機由干燥箱體、加熱系統、真空系統、制冷系統、控制系統等5 部分組成。
(1)干燥箱體 有圓筒形及方形兩種主要的形式，各有優(yōu)點(diǎn)，圓筒形制造容易，但無(wú)法利用的空間多;方形則相反，空間利用率高，但制造較困難。
(2)加熱系統 大多數采用輻射傳熱，輻射板由陽(yáng)極電鍍鋁制成，導熱介質(zhì)有導熱油，飽和水、二次蒸汽，有機溶劑如丙二醇、甘油等，熱源均系用高壓水蒸汽。
(3)真空系統 采用機械真空泵，有羅茨泵+油封泵及羅茨泵+羅茨泵+大氣噴射+水環(huán)泵兩種，兩者主要區別是前者不能抽水蒸汽，因此對冷阱效率要求較高，優(yōu)點(diǎn)是能耗小，后者則正好相反，能抽吸少量水蒸汽，缺點(diǎn)是能耗較大。
(4)制冷系統 由制冷機組與冷卻排管構成，作水蒸汽捕集器(亦稱(chēng)冷阱)依其與輻射板組件的相對位置，有如下幾種形式：①底置式：放置在輻射板組件的底部;②側置式：放置在輻射板組件的兩側;③后置式：放置在輻射板組件的后面;④另置式：放置在輻射板組件不在同一容器內，另外一個(gè)容器放置，兩容器之間有一個(gè)短而粗的管件連接。
(5)控制系統 有手動(dòng)控制及自動(dòng)控制兩大類(lèi)，自動(dòng)控制又分儀表自動(dòng)控制與PLC 可編程序控制兩類(lèi)。以PLC 可編程序控制最先進(jìn)，現在已有專(zhuān)用的凍干程序控制儀問(wèn)世，是在PLC基礎上按凍干要求而設計的，能自動(dòng)完成凍干過(guò)程中復雜的控制操作，并且有貯存數據的功能。
2.2、凍干食品生產(chǎn)線(xiàn)的配置
(1)清洗機及容器：用來(lái)清洗果蔬的泥土及表面殘留物。
(2)多用切片機：用來(lái)將原料切成一定厚度的薄片，便于統一完成凍干時(shí)間及加快凍干速度，國產(chǎn)的即可。我國臺灣、日本、美國產(chǎn)的切片機價(jià)格高于國產(chǎn)的約30-50%。
(3)冷卻槽：殺青后的冷卻槽可用清洗槽代替，簡(jiǎn)易生產(chǎn)線(xiàn)通常因自來(lái)水冷卻瀝水可選用振蕩瀝水機，一般選用離心機脫水。
(4)速凍庫：速凍庫的配置與凍干機的處理能力相適應，以日班生產(chǎn)配料，滿(mǎn)足2 ～3 班凍干為宜。冷源最好單獨或半單獨設置(低壓循環(huán)部分獨立)以防止在速凍庫熱負荷較大時(shí)，影響到正在凍干過(guò)程中的冷卻溫度。
(5)凍干車(chē)間:凍干車(chē)間是凍干食品生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，它的設置同時(shí)要考慮到產(chǎn)品質(zhì)量受影響的程度，一般速凍庫與凍干箱門(mén)之間的距離越短越好，并且此通道最好專(zhuān)用，僅作為物流通道，而不兼作人流通道，凍干箱門(mén)端與凍干機其它部分及設備最好隔開(kāi)，以減少環(huán)境對半成品的污染。
(6)卸料與包裝間:卸料與包裝間應密閉，地面至少要用水磨石加打蠟，墻體要用白瓷磚貼至1.5m 高，以上部分要刷白色防水涂料，此車(chē)間須裝設空調除濕設備，空調制冷可與冷庫系統合用，除濕設備宜選用轉輪式除濕機，以利降低除濕成本，車(chē)間最好無(wú)窗戶(hù)，門(mén)盡可能密閉，最好采用無(wú)塵凈化室專(zhuān)用的密封門(mén)，并要有換氣、消毒、滅菌等設施。包裝時(shí)一般要有不銹鋼工作臺，抽真空充氮封口機，抽真空設備宜選用水環(huán)式真空泵，抽速約20L/s，充氮氣源為工業(yè)用氮氣，經(jīng)減壓過(guò)濾充入即可。
3、凍干果蔬的生產(chǎn)工藝
3.1、工藝流程 原料選擇→整理→預凍結→升華干燥→后處理→包裝、貯藏。
3.2 操作要點(diǎn) (1)預處理 一般預處理是指升華干燥前的所有處理，所以干燥前凍結也屬于預處理。原料預處理和常規的果蔬干燥及果蔬速凍制品相同，如需進(jìn)行挑選、清洗、去皮、切分、燙漂、冷卻等處理，具體操作參見(jiàn)有關(guān)內容，在此不作詳述。在進(jìn)行果汁或蔬菜汁凍干時(shí)，則先用較低廉的加工方法預先將其濃縮，后在預凍結時(shí)將產(chǎn)品變成粒狀。
預凍結是把經(jīng)前處理后的原料進(jìn)行冷凍處理，它是凍干的重要工序。由于果蔬在冷凍過(guò)程中會(huì )發(fā)生一系列復雜的生物化學(xué)及物理化學(xué)變
化，因此預凍的好壞將直接影響到凍干果蔬質(zhì)量。冷凍過(guò)程中重點(diǎn)考慮的是被凍結物料的凍結速率對其質(zhì)量和干燥時(shí)間的影響。速凍與慢凍有以下差別：速凍產(chǎn)生的冰晶較小，慢凍產(chǎn)生的冰晶較大;大的冰晶有利于升華，小的冰晶不利于升華;小的冰晶對細胞的影響較小，冰晶越小，干燥后越能反映出產(chǎn)品原來(lái)的組織結構和性能。但凍結速率高，所需的能耗也高。應綜合考慮，選擇一個(gè)最優(yōu)的凍結速率，在保證凍干食品質(zhì)量的同時(shí)，使所需的冷凍能耗最低。
(2)升華干燥 升華干燥是凍干食品生產(chǎn)過(guò)程中的核心工藝，要控制好工藝條件。①裝載量 干燥時(shí)，凍干機的濕重裝載量即單位面積干燥板上被干燥的質(zhì)量，是決定干燥時(shí)間的重要因素。被干燥食品的厚度也是影響干燥時(shí)間的因素。冷凍干燥時(shí)，物料的干燥是由外層向內層推進(jìn)，因此，被干燥物料較厚時(shí)，需要較長(cháng)的干燥時(shí)間。在實(shí)際干燥時(shí)，被干燥物料均被切成15～30mm 的均勻厚度。單位面積干燥板所應裝載的物料量，應根據加熱方式及干燥食品的各類(lèi)而定。在采用工業(yè)化大規模裝置進(jìn)行干燥時(shí)，若干燥周期為6～8h，則干燥板物料裝載量為5～15kg/m2。②干燥溫度 冷凍干燥時(shí)，為能縮短干燥時(shí)間，必須有效地供給冰晶升華所需要的熱量，因此設計出各種實(shí)用的加熱方式。干燥溫度必須是控制在以不引起被干燥物料中冰晶融解、已干燥部分不會(huì )因過(guò)熱而引起熱變性的范圍內。因此，在單一加熱方式中，干燥板的溫度在升華旺盛的干燥初期應控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃。③干燥終點(diǎn)的判斷 干燥終點(diǎn)可用下列指征來(lái)判定：物料溫度與加熱板溫度基本趨于一致并保持一段時(shí)間;泵組(或冷阱)真空計與干燥室真空計趨于一致，并保持一段時(shí)間;干燥室真空計冷阱溫度基本上回復到設備空載時(shí)的指標并保持一段時(shí)間;對有大蝶閥的凍干機，可關(guān)閉大蝶閥，真空機基本不下降或下降很少。以上4 個(gè)判定依據，即可單獨使用，亦可組合或聯(lián)合使用。
(3)后處理 后處理包括卸料，半成品選別，包裝等工序。凍干結速后，往干燥室內注入氮氣或干燥空氣破除真空，然后立即移出物料在一個(gè)相對濕度50% 以下，溫度22～25℃，塵埃少的密閉環(huán)境中卸料，并在相同的環(huán)境中進(jìn)行半成品的選別及包裝。因為凍干后的物料具有龐大的表面積，吸濕性非常強，因此需要在一個(gè)較為干燥的環(huán)境下，完成這些工序的操作。
(4)包裝與貯存 食品凍干后具有龐大的表面積，食品中的一些成分直接裸露到空氣中，易接觸到空氣中的氧及吸附水分，從而導致凍干
食品的逐漸變質(zhì)。其次，大多數凍干食品均具有天然色澤，這些天然色素易在光照下降解。在氧化作用及色素降解過(guò)程中，溫度也是一個(gè)影響此類(lèi)化學(xué)反應的重要因素。因此，凍干食品的包裝主要考慮如何防止或減輕上述4 個(gè)因素的影響。
凍干食品所具有的多孔海綿狀結構，既有其有利的一面，也有其不利的一面：一是產(chǎn)品一旦暴露于空氣中容易吸濕和氧化降質(zhì)，所以，凍干食品應抽真空包裝，最好充氮包裝;二是凍干食品所占體積相對較大，不利于包裝、運輸、銷(xiāo)售，因此凍干食品常被壓縮后包裝。此外，多孔疏松狀結構使得凍干食品在運輸、銷(xiāo)售途中極易破碎，因此，對于那些不便壓縮包裝的凍干食品，應具有一定保護作用的包裝材料或包裝形式。凍干食品常用的包裝材料為PE 袋及復合鋁鉑袋，PE 袋常用作大包裝用，復合鋁鉑袋常用作小包裝用，外包裝通常都選用牛皮瓦楞紙板箱，其大小符合集裝箱運輸之需要，用PE 袋作內包裝時(shí)，為強化其隔絕氧、水、汽的作用，常用雙層，必要時(shí)，還可采用鐵罐包裝，但價(jià)格較高，應用不很普遍。不論采用何種包裝材料，均需采用抽真空充氮，并添加除氧劑及干燥劑。凍干食品應貯存在陰涼、干燥處，如有條件，最好放置在低溫低濕的環(huán)境中，保質(zhì)期通常為1 ～2年，采用鐵罐包裝時(shí)可適當延長(cháng)。
4、凍干質(zhì)量標準
凍干果蔬的質(zhì)量要求較為嚴格，質(zhì)量檢驗時(shí)，抽樣率占每批總數的10%(客戶(hù)有特需要求除外)每件隨機抽取小樣，混勻后作待檢樣品，下述檢驗項目均為行業(yè)推薦指標，大致如下：
(1)感官指標：色澤：應有該品種原料的色澤。香味：應有該品種的香味(或熟制后的香味)。粒度：指規格，依客戶(hù)要求而定，其中粉末≤ 2%。
(2)水分 ≤ 5%
(3)夾雜物 不得檢出(指非原料或其裂解物)。
(4)微生物 細菌總數≤ 500 個(gè)/ g;大腸菌群≤ 10 個(gè)/ 100g;致病菌：不得檢出，或依客戶(hù)要求另定。
(5)重金屬 砷(以As 計)≤ 1.0mg / kg;鉛(以Pb 計)≤ 2.0mg / kg;銅(以Cu 計)≤ 60mg / kg。
(6)裝量 不低于標示量。
(7)包裝材料 依客戶(hù)要求而定。
