果蔬真空冷冻联合干燥技术的研究进展

苏克军，李海峰

（宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏银川 750021）

真空冷冻干燥是干燥工艺中对果蔬品质影响最低的工艺之一，经过真空冷冻干燥后的干制品硬度低，脆度高，干制品中的营养成分含量可保留90%以上[1]，有研究表明经过真空冷冻干燥的果蔬干制品的物理特性均优于其他果蔬干燥工艺，但在耗时长及能耗高方面，是果蔬热风干燥能耗的4～8倍[2]。近年来，针对真空冷冻干燥耗能高、耗时久等不足，国内外学者根据不同果蔬的物理特性相应地研究出不同类型的真空冷冻联合干燥工艺。本文总结了真空冷冻干燥的基本原理及其优势和缺陷，并对真空冷冻联合干燥方法进行了详尽介绍，内容分为微波-真空冷冻干燥、红外线-真空冷冻干燥、高压电场-真空冷冻干燥及变温压差膨化-真空冷冻干燥，阐述了真空冷冻联合干燥方法对果蔬干产品中的营养物质和外形、色彩方面的作用。此外，本文对真空冷冻联合干燥技术的未来发展趋势作出了预测，并为今后的新果蔬真空冷冻联合干燥技术发展提出了理论依据。

1 真空冷冻干燥

1.1 真空冷冻干燥的原理

水以固、液、气（蒸汽）3种相态存在且可相互转换也可共存。图1为水的三相分布图（温度与压力的关系），其中曲线OA表示水在固态与液态转换通道（熔化或凝固）；曲线OB表示水在固态与气态转换通道（升华或凝华）；曲线OC表示水在液态与气态转换通道（气化或液化）。图1中水在O点以液态、蒸汽及冰三相共存（在0.01 ℃和0.612 kPa时），C点为水的临界点（374 ℃和22 060 kPa）[3]。

图1 水的三相图

1.2 真空冷冻干燥过程

真空冷冻干燥过程分为预冻阶段、初级干燥阶段（升华干燥阶段）及二次干燥阶段（解析干燥阶段）。

（1）预冻阶段。根据不同果蔬的共晶点确定其预冷温度，将果蔬中大部分自由水分冻结至共晶点以下。果蔬的预冷速率也会对品质造成影响，快速预冷易形成细小的冰晶颗粒，对果蔬组织结构破坏较小；过慢会使水分形成颗粒较大的冰晶，使得果蔬内部形成直径过大的孔状结构，对果蔬组织结构及营养物质破坏性较严重。

（2）升华干燥阶段。在真空环境中以适当压力处理并进行缓慢升温，保持产品温度较塌陷温度（Collapse Temperature，Tc）低2～3 ℃，也可测定玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature，Tg）维持温度差，将果蔬水分中80%～90%自由水升华为水蒸气排出果蔬[4]。升华干燥过程中可持续利用真空系统中的水汽凝结器将果蔬升华后的水蒸气冷凝。图2描述了真空冷冻干燥过程中不同干燥阶段产品的典型温度曲线，可观察到干燥初级阶段产品温度应低于塌陷温度Tc。

图2 真空冷冻干燥过程中物料的温度曲线

（3）解析干燥阶段。解析干燥阶段持续去除果蔬中剩余10%～20%的结合水。解析阶段过程中需保证较高的真空压力，干燥压力一般在20～30 Pa，使得结合水有充足的动能在解析后从果蔬中逸出[5]。同时，干燥过程中需要提供一定的解析温度，确保果蔬组织中的结合水解析。解析干燥阶段从升华干燥阶段结束起至干燥过程完全结束需要维持约2～3 h，干制品含水量应符合加工产品要求，但解析时间因物料种类、形状、生产设备性能及干制品水分含量的加工要求而存在一定差异。

1.3 真空冷冻干燥的特点

（1）可保持果蔬原有色、香、味及营养物质。真空冷冻干燥是在高压低温和高度缺氧的环境中对果蔬进行干燥处理，果蔬中微生物和酶的生物活性极低，不会引起酶促褐变反应，可最大程度地保留果蔬原有色泽、香气及营养成分，不会降低果蔬干制品品质，适合用于干燥热敏感和易发生氧化的果蔬。

（2）可保持果蔬原有组织结构及基本骨架。果蔬在排除水分前经过低温预冷，使得果蔬内部形成冰晶颗粒建立稳定的固体骨架。干燥过程中固体骨架基本保持不变，使得干燥后的果蔬保持天然形状和酥脆口感，并且冰晶升华后无干缩，能形成多孔结构，该结构可使果蔬产品具有良好的速溶性和快速复水性。

（3）可有效延长果蔬产品货架期及保质期。真空冷冻干燥后果蔬中残余水分含量一般为10%～15%，分布均匀且水分活度较低，可有效抑制果蔬表面微生物繁殖，如采用惰性气调包装或真空包装可抑制果蔬吸湿延长货架期。

（4）预冷阶段，溶解于果蔬水分中的无机盐类等溶质会被冻结固定。因此，在升华干燥阶段与解析干燥阶段，果蔬内部不会发生溶质迁移现象，从而避免了果蔬产品出现表面硬化现象[6]。

2 真空冷冻联合干燥

2.1 微波-真空冷冻干燥

微波干燥是通过频率0.3～300 GHz微波以每秒数亿次速率进行周期性的变化从而穿透果蔬表面进入内部，与果蔬内部极性分子相互作用，使极性分子吸收电磁波从而改变极性分子的极性[7]。宏观表现为水分因果蔬温度升高而蒸发，达到果蔬产品干燥目的。有报道表明，对功能性秋葵零食经微波与真空冷冻干燥相结合干燥处理后的抗氧化特性、感官及能耗进行研究，发现秋葵中的各种抗氧化成分含量，如表没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯等与单一真空冷冻干燥相近，色泽也无明显差异，并且联合干燥的秋葵产品具有中等硬度与脆性，干燥时间缩短了约75.36%，能耗降低了约71.92%。同时，微波-真空冷冻联合干燥也可杀灭果蔬中的有害微生物。朱蕴兰等[8]采用不同干燥方式处理芦笋并对芦笋营养成分及品质特性变化进行测定分析，发现微波-真空冷冻联合干燥后芦笋中细菌及霉菌杀菌率分别达到96.8%与97.8%。微波-真空冷冻干燥不仅可提高果蔬营养成分保留率，维持原有色泽及气味，大大提高果蔬干制品品质，也可大幅度缩短干燥耗时，降低生产能耗及成本。因此，微波-真空冷冻联合干燥可作为脱水蔬菜干燥发展的方向之一。

2.2 红外-真空冷冻干燥

红外干燥是利用红外辐射元件（红外灯管）发射出红外线辐射到果蔬表面，使得果蔬吸收红外辐射能转换为热能，果蔬表面及内部水分子获得内能，使得果蔬内部水分向表面转移从而达到果蔬干燥目的。具有干燥速率快、产品质量高、能量利用效率高等优点。有关研究对红外干燥与热风、冷冻及微波干燥分段对红枣片干燥，发现红枣片冷冻干燥品质最佳，结合红外辐射辅助可缩短干燥耗时，较单一真空冷冻干燥缩短了57.6%。红外-真空冷冻分段干燥后的红枣片在色泽、质构及微观结构方面均优于热风干燥与微波干燥，红枣片中维生素C保留率相比单一红外干燥提高了34.6%。国外学者利用催化红外线分别联合热风干燥与真空冷冻干燥对韭菜进行处理，并对韭菜产品干燥特性及产品质量变化进行测定分析。结果表明，红外-真空冷冻联合干燥可除去韭菜中80%~85%水分，并使干燥耗时节省约1.1~3.8 h。综合国内外学者的研究发现，红外-真空冷冻干燥分段干燥不仅缩短了果蔬干燥时间，同时保证了干燥后果蔬产品质量不发生较多改变，在果蔬干燥技术方面具有可观的应用前景。

2.3 高压电场-真空冷冻干燥

高压电场处理属于非热食品加工技术，食品加工过程中温度不发生明显变化。其分为高静电场（High-voltage Electrostatic Field，HEF）、高压脉冲电场（Pulsed Electric Fields，PEF）和高压放电（High Voltage Electrostatic Field，HVED），通过利用升压器改变外接电源电压，将高压电流通入干燥室的上下两极板，极板之间形成一个非均匀高压电场，果蔬置于两极板之间受到非均匀高压电场作用，果蔬中水分子变得活跃而相互碰撞产生热能，水分迅速蒸发从而达到干燥目的[9]。高压电场处理果蔬不仅改善了果蔬干制品品质，提高了果蔬产品复水性及营养成分保留率，并且能有效降低干燥能耗，缩短干燥耗时。有研究利用高压电场联合真空冷冻干燥处理海参并对干燥海参的效用进行测定分析，发现两种方法联合干燥后海参的皱缩率和硬度与真空冷冻干燥相比更低，复水性和蛋白质含量明显提高，干燥耗时3 h、5 h后节能分别约为19.5%、32.6%。因此，高压电场处理结合果蔬真空冷冻干燥技术在果蔬工业化生产中具有可观的应用前景。

2.4 变温压差膨化-真空冷冻干燥

果蔬变温压差膨化干燥，又称压差膨化干燥、空气膨化干燥或爆炸膨化干燥，是将真空干燥和高温高压膨化处理相结合的新型果蔬干燥工艺。变温是指果蔬在热膨化过程和真空干燥过程中温度不相同，果蔬在干燥过程中温度不断改变，温度范围在75～135 ℃；压差是果蔬在膨化阶段会经历从高压瞬时降至低压的过程，压力范围在0.1～0.5 MPa；膨化是指果蔬内部的水分瞬间升温汽化，低压水蒸气开始膨胀，引起果蔬组织大分子物质结构变形，形成稳定的多孔状物质的过程。高鹤等[10]采用真空冷冻联合变温压差膨化干燥番木瓜并对联合干燥工艺优化得到番木瓜最佳干燥条件：膨化温度87.46～100.00 ℃、抽空温度72.42～80.00 ℃、抽空时间3.64～4.00 h。与单一真空冷冻干燥相比，真空冷冻-压差膨化联合干燥缩短了干燥耗时，且干燥后果蔬产品理化特性与真空冷冻干燥类似。因此，真空冷冻-压差膨化联合干燥也可作为未来果蔬联合干燥的技术之一，并且真空冷冻-压差膨化联合干燥可用于生产果蔬脆片类零食，相比油炸膨化生产果蔬，真空冷冻-压差膨化联合干燥后的果蔬脆零食更健康，食用人群更加广泛。

3 结论与展望

真空冷冻干燥技术对果蔬破坏率最低，相比其他干燥技术，干燥后果蔬产品色泽、风味及品质均接近于新鲜果蔬，但存在干燥耗时长、耗能高等不足，限制了真空冷冻干燥广泛应用于工业化生产中。目前，国内外学者逐渐倾向于用真空冷冻干燥联合其他干燥技术及处理手段对物料进行加工，已有利用热风干燥、微波干燥、红外干燥及高压电场处理联合真空冷冻干燥技术对各种新鲜果蔬进行干燥的相关研究。真空冷冻联合干燥不仅可以保证果蔬产品质量，也可缩短干燥时间和降低干燥耗能，节省果蔬工业化生产成本。因此，随着各种新型干燥技术及干燥设备的研发，真空冷冻联合干燥会发展成一种新的干燥趋势。