真空冷凍乾燥

近年來，隨著科學技術革新化和食品加工工業化，人們的生活節奏不斷加快，投入在烹飪上的時間越來越少。同時，隨著生活水平的提高、消費觀念的改變，人們對食品的追求更趨向於綠色、方便、營養。日前，方便食品存在一些問題，包括方便食品的品種結構不全面;肉類主食多為油炸類、膨化類，而中式菜肴類的方便食品市場佔有量小、生產技術不完善等。而凍干技術的興起能夠很好地滿足人們對於綠色、方便、營養的需求。

真空冷凍乾燥技術是將含水物料冷凍成固體，在低溫低壓條件下利用水的升華性能，使物料低溫脫水而達到乾燥的新型乾燥手段。由於真空冷凍乾燥技術在低溫、低氧環境下進行，大多數生物反應停滯，且處理過程無液態水存在，水分以固體狀態直接升華，使物料原有結構和形狀得到最大程度保護，最終獲得外觀和內在品質兼備的優質乾燥製品。目前，真空冷凍乾燥技術已在許多領域得到了廣泛的應用，尤其是將該技術用於食品加工可獲得高質量的脫水食品。

真空冷凍乾燥，也稱升華乾燥。其原理是將材料冷凍，使其含有的水份變成冰塊，然後在真空下使冰升華而達到乾燥目的。

與其它乾燥方法一樣，要維持升華乾燥的不斷進行，必須滿足兩個基本條件，即熱量的不斷供給和生成蒸汽的不斷排除。在開始階段，如果物料溫度相對較高，升華所需要的潛熱可取自物料本身的顯熱。但隨著升華的進行，物料溫度很快就降到與乾燥室蒸汽分壓相平衡的溫度，此時，若沒有外界供熱，升華乾燥便停止進行。在外界供熱的情況下，升華所生成的蒸汽如果不及時排除，蒸汽分壓就會升高，物料溫度也隨之升高，當達到物料的凍結點時，物料中的冰晶就會融化，冷凍乾燥也就無法進行了。

供給熱量的過程是一個傳熱過程，排除蒸汽的過程是一個傳質的過程，因此，升華乾燥過程實質上是一個傳熱、傳質同時進行的過程。自然界中所發生的任何過程都有驅動力，升華乾燥中的傳熱驅動力為熱源與升華界面之間的溫差，而傳質驅動力為升華界面與蒸汽捕集器（或冷阱）之間的蒸汽分壓差。溫差愈大，傳熱速率愈快；蒸汽分壓差愈大，傳質（即蒸汽排除）速率愈快。

凍干時，既要保持產品的優良品質，又要取得較快的乾燥速率。升華所需要的潛熱必須由熱源通過外界傳熱過程傳送到被乾燥物料的表面，然後再通過內部傳熱過程傳送到物料內冰升華的實際發生處。所產生的水蒸氣必須通過內部傳質過程到達物料的表面，再通過外部傳質過程轉移到蒸汽捕集器（冷阱）中。任何一個過程或幾個過程一起都可能成為乾燥過程的“瓶頸”，它取決於凍干設備的設計、操作條件以及被乾燥物料的特徵。只有同時提高傳熱、傳質效率，增加單位體積凍干物料的表面積，才能取得更快的乾燥速率。

水有固態、液態、氣態三中態相。根據熱力學中的相平衡理論，隨壓力的降低，水的冰點變化不大，而沸點卻越來越低，向冰點靠近。當壓力降到一定的真空度時，水的沸點和冰點重合，冰就可以不經液態而直接汽化為氣體，這一過程稱為升華。食品的真空冷凍乾燥，就是在水的三相點以下，即在低溫低壓條件下，使食品中凍結的水分升華而脫去.

①接觸傳熱方式 這是一種最簡單的加熱方法，在乾燥室內設置可加熱的多層擱板，上面放置裝有被乾燥食品的乾燥盤。利用乾燥盤與擱板接觸傳導加熱。在這種情況下。加熱擱板與乾燥盤，乾燥盤與乾燥食品間不能完全良好地接觸，因此利用這中方法進行加熱時，乾燥時間多少較其它方法長些，但其優點是乾燥是構造簡單，並可充分利用空間。

②複式加熱方式 接觸傳導僅加熱食品的一面，而在本法中被乾燥的食品兩面都與加熱板接觸，因此傳熱良好而可縮短乾燥時間，所採用的方式將被乾燥食品在與加熱板接觸前，先以金屬網狀鋁板夾住，以打開升華時水蒸汽的通道並減少其阻力，然後用液壓加上擱板，使之與網狀鋁板接觸，此法優點是可縮短乾燥時間，但為能與上擱板接觸，擱板必須是活動的，因此必須使用液壓裝置，而導致構造複雜，並降低乾燥室的利用率，故設備費用高昂，此外，對非平面而不定形被乾燥食品，則有不能充分發揮效果的缺點。

③有釘板加熱方式 這是上述複式加熱方式的變形，此法是利用裝有多枚釘子的2片加熱板將被乾燥食品夾在中間以進行加熱，這種方式的加熱接觸面積擴大到被乾燥食品的內部，因而能有效地進行熱供給，利用此方式，乾燥時間可大幅度縮短，這正是被希望的方式，但相反的是，大量處理被乾燥食品時，乾燥前與乾燥后的操作繁雜，需要人力與時間，另外還涉及衛生的問題，因此在實用規模裝置上幾乎都不採用。

④輻射加熱方式 此種方式是將被加熱乾燥的食品置於乾燥盤或乾燥網上，然後插入兩片加熱板之間，使之不與加熱板接觸，而由加熱板輻射來供給熱量，因此加熱板可加熱到容許溫度以上的高溫，而被乾燥食品的溫度則保持在容許溫度之內，這樣可以縮短乾燥時間，且被乾燥食品的形狀若不是定型時也不會有所妨礙。乾燥前後的操作也很容易，特別是在大型連續乾燥裝置中更加有效，已經設計出適當的控制方式，並提高加熱板的輻射能轉換效率，其乾燥時間已縮短至可以與複式加熱相匹敵的程度，因此，該加熱方式已演變成凍干食品設備的基本形式。

⑤微波加熱方式 微波照射能使不同形狀的食品內外都得到加熱，大大縮短乾燥時間（約10%～20%）。此外，乾燥室的利用率也較高。儘管微波加熱具有明顯的優點，但是到目前為止還沒有在工業上成功的例子。這是因為產生微波形式的能量是昂貴的，其費用為蒸汽費用的10～20倍。另外，微波加熱過程很難控制。如果供熱量有餘，會導致升華界面有少量冰融化，而水的介電常數比冰的介電常數大得多，水將吸收更多的熱量使溫度升高而使更多的冰融化，最終導致乾燥失敗。

⑥紅外線加熱 在乾燥室安裝紅外線發生器產生紅外線輻射。但由於其維持費用相當高，故很少應用於冷凍乾燥食品方面。

綜上所述，各種加熱方法各有其特點。人們在不斷認識凍干過程本質的基礎上，探索出了多種加熱、輻射的組合，如傳導-輻射加熱法、傳導-微波加熱法、輻射-微波加熱法等。其目的都是期望能在保證產品質量的前提下，提高幹燥速率，降低能耗。

凍干食品生產最主要的設備為食品用真空冷凍乾燥機組，該機組的性能，能耗和操作自動化程度的高低決定了凍干食品生產企業的技術水平的高低，食品用凍干機分間歇式和連續式。連續式機組在國內企業尚屬少見。間歇式凍干機由乾燥箱體、加熱系統、真空系統、製冷系統、控制系統等5部分組成。

⑴乾燥箱體 有圓筒形及方形兩種主要的形式，各有優點，圓筒形製造容易，但無法利用的空間多；方形則相反，空間利用率高，但製造較困難。

⑵加熱系統 大多數採用輻射傳熱，輻射板由陽極電鍍鋁製成，導熱介質有導熱油，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。

⑶真空系統 採用機械真空泵，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，優點是能耗小，後者則正好相反，能抽吸少量水蒸汽，缺點是能耗較大。

⑷製冷系統 由製冷機組與冷卻排管構成，作水蒸汽捕集器（亦稱冷阱）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後置式：放置在輻射板組件的後面；④另置式：放置在輻射板組件不在同一容器內，另外一個容器放置，兩容器之間有一個短而粗的管件連接。

⑸控制系統 有手動控制及自動控制兩大類，自動控制又分儀錶自動控制與PLC可編程序控制兩類。以PLC可編程序控制最先進，現在已有專用的凍干程序控制儀問世，是在PLC基礎上按凍干要求而設計的，能自動完成凍干過程中複雜的控制操作，並且有貯存數據的功能。

原料的來源和應用的不同，其前處理方式也不盡相同。如水果的預處理為挑選、清洗和切塊，蔬菜還需進行漂燙，而速食粥類還需進行蒸煮、裝盤等。

原料預處理后一般要先進行預凍。這是由於物料內部水分較多時，若直接進行抽真空處理，會使溶解在水中的氣體因外界壓力減小而逸出，形成氣泡，導致原料內部和表面均出現空洞，影響感官品質。

為了使物料內部的水分固化，通常還需要進行速凍。凍結的時間越短，物料凍結越快，其內部結晶越小，對物料細胞機械損壞越小。因而需要根據實際生產選擇合適的凍結速度。

真空乾燥通常分為升華乾燥和解析乾燥2個階段。升華乾燥主要針對物料中的自由水;解析乾燥主要是去除與固體結合較強的吸附水。乾燥過程中的真空度、溫度和裝盤厚度等直接影響著乾燥的進程和產品的品質。