食品冻干保鲜技术课件

第五章食品冷冻干燥贮藏5.1国内外冷冻干燥食品概况随着人民生活水平的不断提高，人们对食品的要求也随之发生了质的变化，现代人的食品消费除了色，香，味及口感要满足外，还追求“天然，营养，安全，保健，方便”的新时尚，冷冻干燥食品——冻干食品正是很好地吻合了“绿色食品”,“方便食品”和“保健食品”的三大发展趋势。目前国际国内市场对冻干食品的需求量越来越大，在我国加入世贸组织，农业经济结构进行战略性调整的形势下，发展冻干食品具有重要的现实意义和长远的战略意义。

真空冷冻干燥技术是将真空技术和冷冻技术结合起来的一种综合性技术，亦称真空冷冻升华干燥技术。采用该技术生产的食品称为真空冷冻干燥食品。真空冷冻干燥食品能最大限度地保持新鲜食品原有的品质，其色泽，形状，外观只有轻微的变化，营养成分损耗极少，结构,质地,风味变化很小，因而受到消费者的欢迎。真空冷冻干燥技术已成为一种新兴的食品加工技术,是21世纪食品加工的发展方向。

冻干技术是前苏联科学家拉巴斯塔罗仁连茨基1921年发明的，直到1943年美国首先在制药工业领域内采用这项新技术，60年代起德国,荷兰等西欧国家才开始将这项技术用于食品工业。随后日，美，英，法和港，台等一些发达国家和地区相继建立起冻干食品加工厂，目前已达到工业化生产程度。

我国冻干食品起步也较早，自50年代就开始研究冻干技术在食品加工中的应用，并取得了一定成绩。70年代北京，大连，上海等就建立了试验和生产基地，但由于产品缺乏市场，这些基地被相继拆降。

自70年代到80年代后期，在冻干技术和设备方面仅仅限于科研试验；到了90年代才有了长足的发展。目前，河南，宁夏，新疆，河北，山东等地已经建成或正在筹建一批冻干食品厂；这标志着我国冻干食品市场正在启动。

目前，宁夏，深圳，天津，河南，河北，辽宁，上海，山东，江苏等地相继研究开发出了冻干设备，并开始生产冻干食品。而且在青岛，广东，福建，北京，新疆等地又先后从国外引进了一些生产线，生产调味品，植物蛋白等冻干食品；产品出口创汇，取得了较好的经济效益。食品冷冻干燥技术的原理化学热力学中的相平衡理论是食品真空冷冻干燥技术原理的基础。在一定的压力和温度条件下，水的3种聚集态(固，液，气态)之间达到一定的相平衡。在压力大于三相点的压力(610.5Pa)时，将固态冰等压加热升温，冰需首先转化成液态水,然后再转化成气态水蒸汽，其过程为蒸发过程。如果在低于三相点的压力下进行加工，存在于食品中的水分就只有固态和气态两相，此时若温度不变，压力降低，或压力不变，温度降低，都会使食品中的固，气两相平衡遭到破坏，食品中的固态冰可以直接升华转化成为气态水蒸汽，达到脱水干燥的目的。

冻结结束的温度常用低于其共晶点5~10K为参照值

冷冻干燥食品的特点真空冷冻干燥食品在升华干燥的加工过程中，其物理结构并不改变，化学结构变化也很小，故食品仍然保持原有的固体骨架结构和形态。在升华干燥过程中，固态冰晶升华成水蒸汽后在食品物料中留下空隙，故真空冷冻干燥食品具有干燥的海绵状多孔性结构，食品因之具有理想的速溶性和快速而近乎完全的复水性。食用时只要加入适量水，即可在几秒至几分钟内回复还原为近乎新鲜的食品。

真空冷冻干燥加工是在极低温度和很高真空度的条件下进行的干燥加工，加工时食品基本上处于无氧和完全避光的环境中，热变性小，有效地保持了新鲜食品的色，香，味，形，并最大限度地保存食品中的各种维生素，碳水化合物，蛋白质等营养成分和叶绿素，生物酶，氨基酸以及风味物质。

由于在升华干燥过程中，食品中的可溶性物质在原位置就地析出，这就避免了一般干燥方法中由于物料内部水分向其表面毛细流动迁移而将可溶性物质和营养物质携带至物料表面所造成的营养损失和物料表面硬化等不良现象。新鲜蔬菜,水果经脱水后，由于香味，糖分被浓缩，吃起来比原来更香甜可口。鲜肉脱水后的味道比原来更鲜美，改善了适口性，复水性极好。

真空冷冻干燥食品均采用真空包装或充氮包装，并避光保存，这种密封包装在常温下的贮存保质期可长达3～5年甚至10年。与速冻食品不同，其运输及销售过程中不需低温保藏，节约了大量费用。

真空冷冻干燥食品的脱水彻底，重量轻，尤其适合于长途运输以及野外作业，如军事，航空，航天,勘探等特殊环境下的食品供给。在快餐以及其它即时食品业中也有广泛应用.它也是一种家用的方便食品。

冷冻干燥食品的加工工艺经过前处理的食品物料，须进行预冻结处理，经速冻后再升华干燥.缓慢冻结对干制品的复原性会产生不利影响，故冻结速率要快，冻结温度要低于物料中溶液的冻结临界温度(一般为-20～-27℃)。冻结时间要短，以获得细小冰晶，防止蛋白质在凝聚与浓缩作用下的变性作用。

预冻的方法可采用高速冷空气循环法，低温盐水浸渍法，低温金属板接触法，液氮或氟里昂喷淋法,制冷剂浸渍法等。真空升华干燥时，应保证整个升华过程中压力适当，供给的升华热能适当。

真空冷冻干燥制品因其多孔的组织结构使之表面积猛增到原来的100～150倍，应在氮气环境中恢复常压，使其多孔结构空隙中充满氮气，防止与氧接触而氧化变质.在适当的相对湿度(30%～40%)和温度(≤25℃)下，以不透水，不透气，强度高的包装材料进行包装，以免氧化回潮。视具体情况可采用低温冻藏，恒温冷藏，常温冷藏等方法。

冷冻干燥食品的发展应用蔬菜类：菠菜，番茄，胡萝卜，葱，大蒜，洋葱，姜，青椒，青刀豆，菜豆，豌豆，芹菜，黄花菜，芦笋，蘑菇等。

瓜果类：草莓，苹果，梨，香蕉，哈密瓜等。

禽肉类：牛肉，猪肉，羊肉，鸡肉，兔肉等。

水产类：鱿鱼，甲鱼，虾，海参，干贝，海蜇，海菜等。饮料，汤料类：速溶茶，速溶咖啡，固体饮料，奶制品，可溶性固型物含量大的汤料，色素，香料等。

医药类：西药，中草药，血清，菌种，生物制品等。保健品类：人参，鳖粉，蜂皇浆等。

冷冻干燥设备是一个集真空、制冷、加热干燥、控制、清洗消毒等多功能于一体的复杂装置。§5-2食品冷冻干燥设备冷冻干燥系统组成示意图

一、食品冷冻干燥机型式1按冷冻干燥的对象分：医药冷冻干燥机食品冷冻干燥机2按运行方式分：间歇式冷冻干燥机连续式冷冻干燥机3按加工容量分：工业用冷冻干燥机实验用冷冻干燥机最早用于生物医药行业中，并且得到了迅速的发展。如干燥人体血浆、疫苗等各种生物活性材料和药品。

冷冻干燥设备用于食品工业上略晚，而且发展相对较慢。目前，主要用于干燥某些特殊用途的食品或某些风味食品。如宇航食品、高价值保健食品等。间歇式优点a)适用于多品种、小产量的生产，特别是适合于季节性强的食品生产；b)单机操作，如一台设备发生了故障，不会影响其他设备的正常运行；c)便于设备的加工制造和维修保养；d)便于控制物料干燥时不同阶段对加热温度和真空度的要求。缺点：a)由于装料、卸料和启动等预备性操作，使设备的利用率低，能量浪费大；b)若满足一定量的生产要求，往往需要多台单机，且各单机均需配以整套的附属系统，使设备投资费用和操作费用增加。

接触导热式 辐射传热式连续式特点：连续式冷冻干燥机适用于品种单一、产量大、原料充足的产品生产，尤其适用于浆状或颗粒状食品的生产。优点:设备利用率高，便于实现自动化生产。缺点:设备复杂，难于加工制造，尤其是装卸料口的真空密封问题需要更高的加工工艺。

a水平隧道式

b垂直螺旋式接触导热间歇式冷冻干燥机简图1－干燥箱2－冷阱3－真空系统4－制冷系统5－加热系统应用：医药生物制剂和液体食品(果汁、咖啡等)特点:多层搁板搁置被干燥的食品，预冻结，提供升华热量和解吸热量工作过程：食品移入箱之前，必需对冷阱和干燥箱空箱降温，以保证冻结食品移入干燥箱后能迅速启动真空系统，避免已冻结食品发生融化。预冻结，当食品温度达到共晶点温度以下，冷阱温度达到约－40℃时，开启真空泵使干燥箱真空度达到工艺要求值。随着食品表面升华，搁板开始对食品加热，直至冷冻干燥结束

食品

特点：盛有食品的料盘悬于上下两块加热板之间，料盘与加热板不直接接触吊车或小推车托盘滑移式干燥箱壳体移动交替开启的进料口，交替开启的出料口，交替融霜冷阱1．制冷系统

食品冷冻干燥机中的冷负荷主要有两部分。一部分是冷冻干燥前食品预冻结的冷耗；另一部分是冷冻干燥过程中捕捉水蒸气的冷阱的冷耗。(1)食品预冻结方式在干燥箱内完成（接触导热和箱内空气的自然对流）：在干燥箱外专用的冷冻间或冷冻设备上完成。大中型食品冻干厂，增设一个专用的冷冻间或冷冻设备。优点：

a)

采用强制对流换热冻结食品，提高了食品的冷却与冻结速度；b)提高了冷冻干燥机的利用率；c)避免干燥箱内预冻结与随后加热干燥而发生的冷热无为消耗。d)快速冻结可使食品材料细胞破坏最小，生产出来的产品质量高。问题：要求短时间内将冻结食品从冷冻间或冻结设备装入干燥箱中，并能快速达到工艺所要求的真空度，防止融化，解决：合理布置冷冻场所与干燥箱的位置，在冷冻场所至干燥箱间采用吊车或升降叉车等动力设施以缩短移动时间，增大真空系统的抽除能力。(2)冷阱(coldtrap或condenser)冷冻干燥机中的冷阱既是制冷系统中的蒸发器。应该保持足够低的温度，以保证升华出来的水蒸气有足够的扩散动力，同时避免水蒸气进入真空泵。表面温度在－40℃~－50℃之间冷阱应该有足够的捕水面积。冷阱表面结霜厚度4~6mm为设计标准冷阱结构有螺旋盘管式和平板式。

2．真空系统真空系统应保证能在一定的时间内抽除水蒸气和干空气，维持干燥箱内食品水分升华和解吸（吸附水，毛细管中水）所需的真空度。因此，真空系统的主要性能指标应该是，a)具有水蒸气抽除能力；b)干燥箱空载极限真空度足够低；c)干燥箱出口处有效抽速满足要求。冷阱去除水蒸汽，真空泵用来抽除系统中初始大气，食品中释放的不凝气体和少量水蒸汽以及系统外渗入的气体。(1)带有冷阱的油封式机械真空系统(2)不带冷阱的真空系统主要指水蒸气喷射泵。食品冻干中，大量的水蒸气从食品中升华。如，在温度－20℃和压力103Pa条件下，1克冰升华将变为1m3水蒸气，如果每秒钟有10~100克冰升华，将有10~100m3水蒸气。抽除这样大量的水蒸气无论是对油封式真空泵还是常用的罗茨泵都很难胜任，在真空泵进口前增设一个冷阱，将1m3的水蒸气重新变成1克的冰，不但保护了真空泵，而且可大大减少所需的真空泵台数。

工作原理:利用高压蒸汽通过喷嘴时所形成的低压高速气流，将食品材料中的水蒸气和空气等不可凝性气体吸走。当高压蒸汽不断从喷嘴喷出时，干燥箱内的空气和水蒸气就不断地被低压高速气流吸走，使干燥箱形成真空。吸走后的蒸汽流经升压后在冷凝器中冷凝成水，而不可凝结气体经过以下多级抽除，最终达到生产工艺要求。水蒸气喷射泵一般在5级以上

能将不凝结气体和水蒸气一并抽除。特点:结构简单，无相对运动部件，成本低，但必需配备蒸汽锅炉和有充分的水源。3．加热干燥系统提供一次干燥和二次干燥的热量

加热干燥系统主要包括干燥箱体和加热元件。

(1)干燥箱体(dryingchamber)干燥箱体有圆筒形(大中型）和矩形（有效空间大，受力性差，加工难）两种。

(2)加热方式(heatingtypes)加热方式主要有直接加热和间接加热两种,及辐射加热和微波高频电磁场加热

(3)物料容器物料容器影响食品冷冻干燥中的传热与传质性能和液体食品干制后的形状。直接加热一般均采用外包绝缘矿物材料和金属保护套的电热丝

间接加热即利用各种热源在干燥箱外部将载热介质首先加热，然后再泵送至干燥箱内搁板中。加热热源有电、煤、气等。载热介质有水蒸气、水、矿物油、乙二醇和水的混合液等。在上下薄板间设置栅格，形成大通道的中空结构。载热介质在这种结构中流动阻力小，搁板(shelf)温度比较均匀，但其耐压性较差。

悬臂式搁板(cantilevershelves)。各搁板的加热是靠其中水蒸气的冷凝放热，冷凝后的水蒸气自动返回热交换式蒸发器(heat-exchangertypeboiler)，吸热蒸发后重新工作。

物料容器影响食品冷冻干燥中的传热与传质性能和液体食品干制后的形状。因此，它应该满足如下条件：1)有较好的传热性能，同时利于食品材料的传热与传质；2)有足够的强度和刚度，保证在装卸料过程中和冷热条件下不变形；3)清洗消毒容易，避免存在死角；4)装卸料容易，通用性好，能满足多种形状食品材料的生产要求。常见的容器有不锈钢盘、铝盘和塑料盘。为了提高容器的传热与传质性能，盘的深浅、盘内栅格数量和型式、涂料以及塑料中的填充剂等均不同。有的容器外另加金属膨胀网以提高导热接触面积。

§5-3冷冻干燥工艺冻结和干燥过程中物料的温度和含水量变化的示意图

冷冻干燥技术(简称冻干技术Freezedrying或Lyophilization)。其基本方法是先将物料低温冻结,然后用真空技术将物料中的水分抽干,使之干燥。实质性的发展1942,R.I.W.Greaves成功地冻干保存血清和血浆，

食品材料无活力的生物材料(血桨、血清、)有活力的生物材料的冻干保存微生物制造超细微粒(10-9m)。真空技术真空是指压力低于大气压力的气体状态。真空是靠真空泵(vacuumpump)抽走气体而形成的1标准大气压(atm)=1.01×105帕(Pa)=760毫米汞柱(torr)。低真空1atm(1×105Pa)1×102Pa中真空1×102Pa1×10－1Pa高真空1×10－1Pa1×10－6Pa超高真空 <1×10－6Pa对于食品材料冷冻干燥，常用的真空范围是1~100Pa，属于中真空的范围。冷冻干燥发展冬天洗洁的衣服冻结后变干，冬天将冻肉晾在室外干燥的在早期（简单粗放）发展中，有三件事具有里程碑的意义：美国宾州大学的E.W.Flosdorf和S.Mudd,在1933年用玻璃器皿系统，首次实现血清（serum）的冷冻干燥[1]

；1928年A.Fleming发现了青霉素（Penicillin）；1938年牛津大学的E.B.Chain实现了青霉素的冷冻干燥；并和L.H.W.Florey一起,使冻干的青霉素在二战期间的临床医学上得到了重要的应用。他们三人于1945年获生理学-医学诺贝尔奖

[2]

。为解决巴西咖啡过剩的问题，1938年雀巢公司（NestleCompany）发明了咖啡的冷冻干燥。

1930年起以氟里昂为制冷工质的机械式制冷装置的兴起，为冷冻干燥技术的推广应用提供了条件。从1940-1960年代是冷冻技术发展较快的时期，主要用于微生物和咖啡等。在此后一段很长的时期，由于没有新的更高的技术要求，冷冻干燥技术并没有很大的发展。直到20世纪90年代，由于生物药品的出现和发展，对冷冻干燥技术提出了许多新的近乎“苛刻”的要求，迫使其向“精致”的深入的方向发展。同时，80年代开始发展起来的“溶液玻璃化理论”和“食品聚合物科学”（foodpolymerscience）等也为冷冻干燥技术的发展提供了一些理论基础。

一次干燥就是利用升华(sublimation)办法去掉食品材料中的自由水。(加热和抽空,加热一般通过提高冻干机中隔板温度来实现

)

二次干燥的目的是去除部分因吸附等机理存在于食品材料中的结构水。所以，二次干燥又被称为解吸附干燥(Desorptiondrying)。预处理冷冻干燥包装贮藏复水由于食品种类、品种、预处理方式、冻结快慢以及冷冻干燥机性能等多因素影响，目前没有一个通用的工艺技术能适用于多种食品的生产。常用的工艺研究方法是在小型实验用冷冻干燥机上摸索工艺参数，随后在工业用冷冻干燥机上试用并做适当修改。

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火龙果

FD黄桃

Detail:

口味：纯正，

其他特性：复水性好，营养价值丰富

FD苹果

Detail:

清洗--速冻--切形--速冻-32度--干燥--分选--过金探--包装

FD苹果复水后可以用在苹果酱、麦片和水果馅饼里。

它们可以用来做苹果布丁、苹果煎饼或是与火腿、鸡蛋一起煎来吃。

FD苹果是非常美味的零食。

干豆腐豌豆家常老鸭汤等冻干食品生津靓汤，开胃消食。以猪排骨、猪瘦肉为主，辅以薏苡仁、胡萝卜、扁豆、淮山、鸡内金、山楂、生姜等配料，具有生津健脾、开胃消食之作用海南易德实业股份有限公司

大蒜一、预处理(preparationandpretreatment)

指冻结前对食品进行必要的物理和化学处理。主要内容有：清洗、分级、切分、漂烫、杀菌、添加抗氧化等反应制剂、浓缩等。食品材料不同，预处理内容也不同。

1．果蔬类食品的预处理:漂烫

,切分成型

目的是尽量减少其营养成分和色、香、味在加工、贮运中的损失，同时利于传热与传质。漂烫是钝化蔬菜中酶活性的常用方法(表8-3)。通常将其在沸水中(95~100℃)浸泡数分钟，或用蒸汽熏蒸数分钟均可达到很好效果。水果预处理可用漂烫或用硫磺熏蒸

切分成型也是预处理工艺中的主要内容，尺寸大小和切分形状应该根据是否有利于冷冻干燥中的传热与传质，是否符合食用习惯，是否有利于包装贮运等因素而定

2．肉类、鱼类食品预处理:剔除肥膘、切分、蒸煮和添加必要的抗氧化剂等

3．液体食品的预处理:

主要指果汁、咖啡、蔬菜汁、茶叶和调味品提取汁、蛋汤等食品。杀菌、浓缩、制粒、添加各种抗氧化、抗结块等制剂。蔬菜漂烫时间／min蔬菜漂烫时间／min龙须菜热水2～4白菜热水1～1.5蚕豆热水2～4葱热水1～1.5青豆5%食盐热水5～10芋头热水8～12菜豆热水2～4辣椒热水2～4菠菜热水1～2菜花蒸汽4～5

表冷冻干燥前部分蔬菜漂烫条件表冷冻干燥前部分液体食品合理浓缩浓度材料浓度／(%)材料浓度／(%)材料浓度／(%)葡萄汁45~50苹果汁40~50咖啡30~35柠檬汁40~45西红柿25~35全乳40~50密柑汁50~55绿茶30油25~30菠萝汁50~60红茶30~35味素30~53

二、冷冻干燥(freeze-drying)

主要包括冷却固化、升华干燥和解吸干燥。

1．冷却固化（freezing,solidification）：是将物料充分冷却，不仅要使物料中的自由水完全结成冰；还要使物料中其他部分也完全固化，形成固态的非晶体（玻璃态）。

冻结方式可分为预冻结和蒸发自冻结两种。预冻结：冻结装置中的冷源，液体食品，避免飞溅；蒸发自冻结：真空中蒸发吸热，固体食品（对干制品外观要求不严）降温速率、冻结温度和热历史（降温过程随时间变化情况）对食品质量及冷冻干燥速率的影响非常大。

2．干燥（一次（升华）干燥，二次（解吸）干燥）一次干燥，又称升华干燥，是指在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸汽。一次干燥的物料温度，必须低于最高允许温度；为物料的玻璃化转变温度,或共晶温度。如物料温度过高，会出现软化、塌陷等现象。所需要的热量：为冰的升华热，它是融化热与蒸发热之和。加热的方式可以是搁板导热加热；或辐射加热。升华干燥过程实际上是传热、传质同时进行的过程。要维持升华干燥的顺利进行，必须满足两个基本条件：一是升华产生的水蒸汽必须不断地从升华表面被移走；二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。如控制不好，会出现软化、融化、隆起、塌陷等现象。因此，只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽所需的热量时，升华干燥才能顺利进行。由于物料中的传热、传质过程受到多方面的限制，所以升华干燥是很费时的过程。解吸干燥（二次干燥）过程（desorption,secondarydrying）解吸干燥，又称二次干燥，是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分“束缚水”解吸，变成“自由”的液态水，再吸热蒸发成水蒸汽。在解吸干燥过程中，物料的温度，必须低于最高允许温度；为物料的性质所决定，如对蛋白质药物，最高允许温度一般应低于40；对果蔬等食品，最高允许温度可以到60-70。在第一阶段干燥结束后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附有未被冻结的结合水。由于吸附的能量很大，因此必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸过程。但温度又不能过高，否则会造成药品过热而变性。所需要的热量：为解吸附热与蒸发热之和，一般简称之为