冷凍濃縮

冷凍濃縮是在常壓下，利用稀溶液與冰在冰點以下固液相平衡關係來實現的，就是將溶液中的水分子凝固成冰晶體，用機械手段將冰去除，從而減少了溶液中的溶劑水，提高溶液濃度，使溶液得到濃縮。

冷凍濃縮是在溶液冰點以下的低溫進行操作，沒有經過加熱處理，避免了物料中成分的熱分解，以及芳香物質的揮發，食品原有品質和風味得到充分保存。此外，整個加工操作均在低溫下實現，低溫也抑制微生物的增殖，降低微生物帶來的污染風險。含有多種溶質的溶液冷凍濃縮時，去除的僅是水分，不會引起其他組成成分的變化。對於能耗，從理論上分析可知，冷凍濃縮遠低於蒸發濃縮，具有廣闊的工業應用前景。

自上世紀50年代末學者們開始關注冷凍濃縮這一工藝以來，人類對冷凍濃縮技術的研究已有 較長的歷史。荷蘭Eind-hoven大學Thijssen等人在70年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應設置了再結晶過程造大冰晶，並建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數學模型，從此冷凍濃縮技術被應用於工業化生產。依此製造的Grenco冷凍濃縮設備在食品工業中用於果汁、葡萄酒、乳製品等的濃縮，得到了高質量的產品。隨著眾多學者的深入研究及實驗設備的不斷改進，近年來有關冷凍濃縮技術的研究成果時常見諸報道。

懸浮結晶冷凍濃縮法

懸浮結晶冷凍濃縮法是一種不斷排除在母液中懸浮的自由小冰晶，使母液濃度增加而實現濃縮的方法。現已在生產中運用，其優點是能夠迅速形成結晶的冰晶且濃縮終點比較大，但由於種晶生成、結晶成長、固液分離三個過程要在不同裝置中完成，系統複雜，設備投資大、操作成本高。且迄今為止的報道顯示，懸浮結晶法所能形成的最大冰晶直徑僅為毫米級，小冰晶給分離造成的困難未能從根本上得到解決。

漸進冷凍濃縮法

漸進冷凍濃縮法是一種隨著冰層在冷卻面的生成和成長，固液界面附近的溶質被排除到液相側，導致液相中溶質質量濃度逐漸升高的濃縮方法。最大的特點是形成一個整體的冰結晶，固液界面小，使母液與冰晶的分離非常容易。同時，由於冰結晶的生成、成長，與母液的分離及脫冰操作均在同一個裝置中完成，具有良好的濃縮效果且裝置簡單，可以大幅度降低操作成本與初期投資。目前在很多行業都是研究熱點，有廣闊的發展前景。

冷凍濃縮在果汁行業的應用最廣，國內外都有相當多該方面的報道。我國是生產甘蔗的大國，將糖蔗改種果蔗並加工成甘蔗汁既解決了甘蔗的銷路，又滿足了人們對果汁日益增長的需要。甘蔗汁的熱敏性很強，對其進行普通的蒸發濃縮極容易使甘蔗汁焦糖化，喪失其特有的風味。而冷凍濃縮后的甘蔗汁品質穩定，除了在顏色、氣味、甜味方面感覺更加濃重外，其它基本保持了冷凍濃縮前甘蔗汁的原有風味。另外，應用漸進冷凍濃縮原理對蘋果汁冷凍濃縮特性進行研究，發現漸進濃縮法對蘋果汁濃縮效果良好，很好地保留了果汁中揮發性物質的香氣成分，蘋果汁中酸度和維生素C含量無影響，濃縮產品感官質量均勻一致，保持了果汁的原有風味，濃縮效果比冷凍乾燥包括在內的任何其他濃縮技術都要好。

冷凍濃縮的優勢尤其可用於釀酒產業，該技術可在除去冰晶的同時除去形成混濁的多酚、丹寧酸等物質，從而減少啤酒的貯存容積，特別是對冷凍濃縮后的啤酒採用混合水技術可以完全恢復到原來的啤酒。另外，通過對葡萄酒進行冷凍分離實驗，發現酒精和還原糖比較易於利用冷凍法在液相中進行濃縮分離，通過冷凍濃縮技術改善了干白葡萄酒的品質，並且可以較好地保持葡萄汁的品質、香氣和營養成分，提高葡萄汁含糖量，使滴定酸含量增加接近1倍，但果汁的pH值變化不明顯。

美國乳品研究基金會（DRF）、美國電力研究院（EPRI）、美國能源部（USDE）和荷蘭 GRENCO 公司聯合進行了牛乳製品冷凍濃縮的研究，使用去水量約360kg/h的二級結晶冷凍濃縮中試裝置，濃縮包括全牛乳、去脂牛乳、甜乳清、酸乳清、乳清蛋白濃縮物和乳清透過物在內的 6種牛乳製品，取得了良好的效果。該研究還發現，冷凍濃縮的同時，乳糖也能結晶分離出來，由此可生產低乳糖產品。

冷凍濃縮在茶飲料的濃縮方面具有很大的應用價值，可以使茶飲料中含有的營養成分與風味 物質等得到最大限度的保護。目前，冷凍濃縮在茶葉方面的研究應用，國內還比較少。目前研究發現發現冷凍濃縮引起的茶多酚損失與冷凍溫度及結冰速率有關，冷凍溫度高於-8℃及結冰速率小於213kg/ h·m，則茶多酚損失小於7%。

冷凍濃縮已發展應用到製藥工業，因此它為開發新產品和改良品種大開方便之門，並且通過其高效的加工節省了能源。冷凍濃縮工藝代替真空蒸發濃縮可免去某些口服液製造過程中的醇沉工序，從而改善口服液的口感。此外，由木聚糖酶解所得到的低聚木糖溶液常常需要脫水濃縮，如採用真空蒸發濃縮，可能導致低聚木糖在加熱管表面結焦變性，降低產品的質量。而通過研究低聚木糖溶液冷凍濃縮時的冰晶生長動力學以及懸浮結晶法冷凍濃縮低聚木糖溶液過程中各因素對低聚木糖在固液兩相中分配的影響，可以為低聚木糖冷凍濃縮過程的開發利用提供了理論依據。

冷凍濃縮法可以使海水脫鹽，利用海水製備純水，還能處理污水和廢水，整體的冰結晶又是 很好的蓄冷、降溫用冷源，對於保護環境、促進資源的再利用都有重大的意義。對比反滲透法和冷凍濃縮法在從廢水中去除戊酸中的應用，結果表明冷凍濃縮法的能耗雖是反滲透的5 倍，但卻正好折中了反滲透中所用膜的代價。另外，用冷凍濃縮處理大豆乳清廢水，可以較大程度地降低其COD值，又可以使乳清廢水中乳清蛋白、大豆低聚糖 及大豆異黃酮的最高濃縮倍數分別達到乳清原液濃度的數倍。