四环福瑞分享果蔬真空冷冻干燥工艺与技术

四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司

       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，冻干食品在市场的价格是热风干燥食品4～6倍，是速冻食品7～8倍。它在登山、航海、探险、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。椐有关部门统计，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、国内市场。         
一、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：     
   ①接触传热方式：这是一种简单的加热方法，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*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。     
  ②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。     
  ③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。     
  ④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。     
  ⑤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10～20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，终导致干燥失败。     
  ⑥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。     
        
二、冻干食品的生产设备         
  冻干食品生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。     
  ⑴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。     
  ⑵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。     
  ⑶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。     
  ⑷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：①底置式：放置在辐射板组件的底部；②侧置式：放置在辐射板组件的两侧；③后置式：放置在辐射板组件的后面；④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。     
  ⑸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可编程序控制先进，现在已有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。             
三、简易冻干食品生产线的配置     
  ⑴前处理设备有：     
  ①多用切片机：1台，生产能力200～500kg/h，国产的即可，如有条件，可购买中国台湾、日本、美国产的切片机，以美国厄舍公司的较为先进。     
  ②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，选用离心机。     
 ③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2～3班冻干为宜。冷源应该单独或半单独设置（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。     
  ⑵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，并且此通道应该，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应该隔开，以减少环境对半成品的污染。     
   ⑶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，车间应该无窗户，门尽可能密闭，采用无尘净化室的密封门，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。     
        
四、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。     
        
五、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     
  ⑴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，使所需的冷冻能耗低。     
  ⑵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：   
  ①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。在实际干燥时，被干燥物料均被切成15～30mm的均一厚度。单位面积干燥板所应装载的物料量，应根据加热方式及干燥食品的各类而定。在采用工业化大规模装置进行干燥时，若干燥周期为6～8h，则干燥板物料装载量为5～15kg/m2。     
  ②干燥温度：冷冻干燥时，为能缩短干燥时间，必须有效地供给冰晶升华所需要的热量，因此设计出各种实用的加热方式。干燥温度必须是控制在以不引起被干燥物料中冰晶融解、已干燥部分不会因过热而引起热变性的范围内。因此，在单一加热方式中，干燥板的温度在升华旺盛的干燥初期应控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃。     
   ③干燥终点的判断：干燥终点可用下列指征来判定：物料温度与加热板温度基本趋于一致并保持一段时间；泵组（或冷阱）真空计与干燥室真空计趋于一致，并保持一段时间；干燥室真空计冷阱温度基本上回复到设备空载时的指标并保持一段时间；对有大蝶阀的冻干机，可关闭大蝶阀，真空机基本不下降或下降很少。以上4个判定依据，即可单独使用，亦可组合或联合使用。     
   ⑶后处理：后处理包括卸料，半成品选别，包装等工序。     
   冻干结速后，往干燥室内注入氮气或干燥空气破除真空，然后立即移出物料在一个相对湿度50%以下，温度22～25℃，尘埃少的密闭环境中卸料，并在相同的环境中进行半成品的选别及包装。因为冻干后的物料具有庞大的表面积，吸湿性非常强，因此需要在一个较为干燥的环境下，完成这些工序的操作。     
  ⑷包装与贮存：食品冻干后具有庞大的表面积，食品中的一些成分直接裸露到空气中，易接触到空气中的氧及吸附水分，从而导致冻干食品的逐渐变质。其次，大多数冻干食品均具有天然色泽，这些天然色素易在光照下降解。在氧化作用及色素降解过程中，温度也是一个影响此类化学反应的重要因素。因此，冻干食品的包装主要考虑如何防止或减轻上述4个因素的影响。     
  冻干食品所具有的多孔海绵状结构，既有其有利的一面，也有其不利的一面：一是产品一旦暴露于空气中容易吸湿和氧化降质，所以，冻干食品应抽真空包装，充氮包装；二是冻干食品所占体积相对较大，不利于包装、运输、销售，因此冻干食品常被压缩后包装。此外，多孔疏松状结构使得冻干食品在运输、销售途中极易破碎，因此，对于那些不便压缩包装的冻干食品，应具有一定保护作用的包装材料或包装形式。     
  冻干食品常用的包装材料为PE袋及复合铝铂袋，PE袋常用作大包装用，复合铝铂袋常用作小包装用，外包装通常都选用牛皮瓦楞纸板箱，其大小符合集装箱运输之需要，用PE袋作内包装时，为强化其隔绝氧、水、汽的作用，常用双层，必要时，还可采用铁罐包装，但价格较高，应用不很普遍。不论采用何种包装材料，均需采用抽真空充氮，并添加除氧剂及干燥剂。     
  冻干食品应贮存在阴凉、干燥处，如有条件，放置在低温低湿的环境中，保质期通常为1～2年，采用铁罐包装时可适当延长。          
六、冻干食品的质量标准     
  冻干食品的质量要求较为严格，质量检验时，抽样率占每批总数的10%（客户有特需要求除外）每件随机抽取小样，混匀后作待检样品，由于冻干食品目前尚无国家标准，亦无可参照的标准，下述检验项目均为行业推荐指标，大致如下：     
  ⑴感官指标     
  色泽：应有该品种原料的色泽。     
  香味：应有该品种的香味（或熟制后的香味）。     
  粒度：指规格，依客户要求而定，其中粉末≤2%。     
  ⑵水分    ≤5%     
  ⑶夹杂物    不得检出（指非原料或其裂解物）。     
  ⑷微生物    细菌总数≤500个／g；大肠菌群≤10个／100g；致病菌：不得检出，或依客户要求另定。     
  ⑸重金属    砷（以As计）≤1.0mg／kg；铅（以Pb计）≤2.0mg／kg；铜（以Cu计）≤60mg／kg。     
  ⑹装量    不低于标示量。     
  ⑺包装材料    依客户要求而定。     
    
 七、冻干食品生产质量控制     
   冻干食品作为食品，绝大部分均出口往发达国家或地区，由于这些国家或地区都普遍实行了食品“GMP”标准，因此，外商对其质量要求极为严格，不仅对产品质量有严格的要求，而且要对厂家进行实地考察，往往要求至少关键工序要达到标准。     
  GMP的指导思想：产品质量是在生产过程中制造出来的，而不是在检验中检测出来的，因此，在实施过程中它要求要以合格、称职的技术人员，对员工进行反复不断的培训，使他们始终明白GMP对他的工作岗位的具体要求，此外，它对工厂的硬件也有具体的要求，笔者结合自己的工作经验，把冻干食品生产质量控制措施归纳如下：     
   ⑴厂房     
   ①冻干食品生产企业必须有整洁的生产环境，生产区周围应无污染源，空气场地、水质应符合食品卫生要求，生产区内及周围应无露土地面，并增加绿化面积。     
   ②厂区应接行政、生活、生产、辅助系统划分布局。行政、生活与生产区应相距一定距离、生产厂房按产品工艺特点要求会理布局，间距适当，无交叉污染，在同一厂房及领近厂房进行的各项操作，不得相互妨碍。     
   ③厂房内必须足够的空间和场所，能整齐，合理地安置设备和物料，按照工艺要求，工序衔接合理，人流，物流分开，防止不同品种相互混淆，交叉污染和遗漏生产，检验步骤。     
   ④厂房内应具备适当的照明，取暖及通风设备，必要时需要空调设备，使室内保持适当的温度和湿度。照明、采暖设备及各种管通与生产车间的空间隔离。     
   ⑤厂房应能防止动物和昆虫进去，其内部表面应光滑少缝隙，不得脱荡或吸附颗粒性粉尘。     
   ⑥厂房必须按生产工艺和质量要求，划分等级，一般生产区（指无菌落数要求的生产车间、房间等），控制区（指对菌落数有一定要求的生产车间及辅助房间），并应采取相应的保证措施。     
   ⑦控制区车间内墙、平顶和地坪要材质坚硬，平整光滑少缝隙，无颗粒性物质脱落，易清洗，易消毒，有外窗的房间，其窗应密封，门要求光滑，造型简单，关闭严密，开启方向应朝向卫生程度高的房间。进入控制区内的空气须经初效、中效过滤，还须经过滤，室内温度、湿度应符合工艺要求，一般应保持1～2Pa的正压，并在合适的地方装设紫外灯。     
   ⑧操作人员应须经更衣后，经缓冲室方能进入生产控制区，生产控制区的服装至少须采用无扣白大褂，选用无尘工作服。     
   ⑨进入生产控制区的物料和工具，应通过缓冲室清洁，消毒后才能进入。     
  ⑵设备     
  ①生产设备须与所生产食品相适应，并按工艺流程合理布局，便于操作，拆卸清洗、消毒及灭菌。     
  ②设备及管道的材质应与物料不起化学反应，凡食品直接接触的设备表面均需光洁、平整、易清洗、耐腐蚀、不吸附，不污染所加工的物料。     
  ③设备的转动及管道系统要密封良好，防止润滑油、冷却剂等对食品的污染。     
  ④所有设备均要造册登记，主要设备（仪器）应建立档案资料，其主要内容有：原始技术资料（包括设备使用维修说明书原件）、设备装配总图、施工图、零件、易损件、备件清单，检修、维护保养和事故记录等。     
  ⑤用于生产和检验的仪器、衡器、量具等应经计量检定，并作定期检查，凡精度不能保证产品质量的仪表、仪器、衡器、量具不得用于生产和检验。     
  ⑥设备使用、检修人员应了解设备的原理、结构、材质、性能与用途、切实做到会使用、维修、保养，会排除故障。     
⑶生产过程中产品质量的关键控制点（以小香葱生产为例）     
   ①原料的新鲜程度要有专人检查，并作相应的记录，如有异常情况应及时处理。     
   ②分检工序是控制夹杂物的关键工序，应严格把关，任何夹杂物均不得流入下一道工序，同时须将不合格的原料剔除。     
  ③清洗工序的重点是洗去泥沙，但不能泡水太久，因为葱的吸水能力是较大的，吸水太多时要用离心机甩去过多的水分。     
  ④切段时应注意葱段的尺寸应在允许的误差范围内。     
  ⑤铺盘工序在控制区内进行，以使微生物含量不至于超标，且铺盘时计量必须准确，表面须刮平整，否则易造成欠干。     
  ⑥预冻结要尽快降温冻结，当多个物料中心温度达－18℃以下后，维持0.5h即可，以减少能耗，也不必将物料温度降得太底。     
  ⑦冻干工序应遵照冻干曲线进行，当冻干机出现异常情况时要尽可能保住产品不至于溶化，关键是想办法维持升华条件，切去热源。     
  ⑧卸料及半成品分检、包装工序，要方止微生物污染、吸潮、要特别注意操作人员着装，环境的湿度、温度及室内卫生。       
八、冻干果蔬生产实例     
  小香葱     
  ⑴工艺流程     
  原料→分检→清洗→切段→铺盘→预冻结→冻干→卸料→半成品分检→包装→入库。     
  ⑵操作要点     
  原料 要求新鲜，无病害、无枯黄叶、无损伤，色泽青绿。     
  分检 按原料验收方法将合格的原料挑选出来，注意剔除夹杂物，     
  清洗 用流动水漂洗，洗去表面泥沙。     
  切段 用切片机切成4～5mm的小葱段。     
  铺盘 把截切好的葱段均匀铺入冻干盘中，装载量为8～9kg/m2。     
  速冻 铺好盘后的小香葱连同冻干盘一起放置在吊车上，推入急冻库中速冻，注意放置好测温探头，当温度达到－18℃以下，维持0.5h即可。     
  冻干 把预冻结好的物料迅速推入准备好的冻干机中，动作越快越好，迅速关上干燥箱门，并立即开始抽真空，完成上述部骤的时间一般在10～15min左右，太长则有可能引起物料表面的熔化。到工作压力后，开始按设定的加热曲线加热，冻干小香葱加热曲线一般分成6段：①在30mim内，均匀升温至120℃，性能优良的设备可在15min内达到；②在120℃维持恒温3h；③在1h内，均匀降温至80℃；④在80℃维持恒温2h；⑤在1.5h内，均匀降温至60℃；⑥在60℃维持恒温2h。整个冻干周期约10h，由于各台动干设备的性能有所不同，上述参数仅供参考，能否采用，应先试验后确定。     
  卸料 卸料应在密闭、少尘埃的洁净区域内进行，室内相对湿度50%以下，温度22～25℃，卸料后如来不及进行半成品分检，则应先密闭口在容器中。     
  半成品分检 主要挑去夹杂物，分切不良及其它不合格品，其环境要求与卸料同。     
  包装 按与客户签订合同时的规格包装，通常有5kg/箱、8kg/箱、10kg/箱可供选择，为防止堆叠时外包装箱变形，外箱常设计成高箱式（四方底，高为底边长的两倍半左右），且装料时只装至离顶2～62.5px为宜。     
    
  荔枝     
  ⑴工艺流程     
  原料选择→挑选→洗果→去壳、去核→清洗→切分→预冻结→冻干→包装。     
  ⑵操作要点     
  荔枝选择、前处理和预冻结参考本书荔枝速冻（9.7.1）。把切分好的荔枝肉预冻结至－30℃。冻干时首先将冷阱温度预冷至－35℃，打开干燥仓门，装入冻透的荔枝，关上仓门，启动真空机组进行抽空，当真空度达到60Pa时，开始加热，加热过程中需要保证稳定的工作真空度，而且保证物品温度不超过50℃。冻干后抽真空充氮包装。     
  蘑菇、大蒜、胡萝卜     
  蘑菇、大蒜、胡萝卜都是采用冷冻干燥主要品种。这3种蔬菜的前处理参见前面的热风干燥；预冻结参考本书的“9.果蔬速冻保藏”部分；冻干及后处理参考前面的内容。