真空冷凍干燥技術(shù)在果蔬加工中的應(yīng)用

2013-06-28 Office辦公助手 http://www.officezhushou.com/

1、綜述

　　第二次世界大戰(zhàn)后期，由于軍事戰(zhàn)備食品的需求，真空冷凍干燥用于果蔬高品質(zhì)脫水技術(shù)被迅速發(fā)展起來。70 年代以來，隨著普通消費者對方便食品的要求日益增多，使凍干食品市場日趨擴大，凍干食品在發(fā)達工業(yè)國家已相當(dāng)流行，成為國際貿(mào)易的大宗食品。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)日漸成熟，設(shè)備日趨完善。我國在50 年代引進真空冷凍干燥技術(shù)，最初用于藥物及生物制品的脫水干燥。1953 年衛(wèi)生部所屬北京、武漢兩生物制品研究所先后安裝了大型凍干設(shè)備，邁開了我國生物制品凍干工業(yè)化的第一步。60 年代后期在北京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干設(shè)備，70 年代中期在上海建立了年產(chǎn)3000 噸的食品凍干車間。但是當(dāng)時我國的人民生活水平低，人們有愛吃新鮮食品的習(xí)慣，凍干食品在國內(nèi)市場不大;80 年代后期，一些外商看中了中國豐富的原料市場，開始在大陸投資設(shè)廠。到了90 年代，隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，市場凍干食品的需求越來越大，特別是外商為打開中國市場，紛紛提供設(shè)備貸款以及包銷部分產(chǎn)品，促使一些食品企業(yè)大膽引進國外設(shè)備建廠，而國內(nèi)一些廠家亦爭先恐后推出國產(chǎn)凍干設(shè)備。一時間，凍干食品行業(yè)呈現(xiàn)一派興旺和蓬勃發(fā)展的景象。但真正有經(jīng)濟效益的企業(yè)并不多，相當(dāng)企業(yè)由于未經(jīng)充分論證后即倉促建線生產(chǎn)，在原料供應(yīng)、銷售市場、工藝技術(shù)等均不占優(yōu)勢的情況下，只好暫時停產(chǎn)以觀市場，昂貴的進口設(shè)備閑置或部分閑置，實在令人惋惜。

　　我國的農(nóng)副產(chǎn)品資源極其豐富，品種多、質(zhì)量好、價格低，急需深加工增值。此外，我國的中草藥、珍貴動、植物品種繁多，可生產(chǎn)出具有特色的凍干名貴產(chǎn)品。加入WTO 后，這種高科技含量的行業(yè)市場前景越來越好。凍干食品在一些發(fā)達工業(yè)國家已經(jīng)達到相當(dāng)高的普及水平，美國、日本凍干食品的比重已達到40% 以上。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，目前，美國每年消費凍干食品500 萬t，日本160 萬t，法國150 萬t，其他國家也很可觀。日本每年約需花1000 億日元進口凍干食品，香港、新加坡和南韓每年進口凍干食品達500 億日元。日本、美國及歐洲等每年約需凍干大蒜粉6000t，可見凍干食品的國際市場之大。另一方面，我國勞動力密集，加工凍干食品的成本比其他國家低得多。這種低成本，對外商產(chǎn)生了巨大的吸引力，近年來，外商轉(zhuǎn)向中國求購大量凍干食品，這就為我國發(fā)展凍干食品提供了機遇。隨著我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對食品質(zhì)量的要求越來越高，特別是對高質(zhì)量的嬰幼兒食品和保健食品的需求量急劇增加。另外，我國旅游、探險、航海事業(yè)必將有大的發(fā)展，同時高檔餐飲業(yè)的迅速崛起、人們生活節(jié)奏的加快，都對方便即食食品的需求量越來越大。因此，發(fā)展凍干食品具有廣闊的國際、國內(nèi)市場。據(jù)國家海關(guān)總署、國家商檢局統(tǒng)計，在20 世紀(jì)90 年代，我國脫水蔬菜出口量每年以30 %的速度增加，出口量約占世界總產(chǎn)量的2/3。而凍干蔬菜在國際市場的價格是熱風(fēng)干燥脫水蔬菜的4 ～6 倍，正成為國際貿(mào)易的大宗食品。國際市場凍干食品供不應(yīng)求，但國內(nèi)凍干食品工業(yè)尚處于發(fā)展初期，產(chǎn)量還很低。因此我國應(yīng)加快發(fā)展凍干食品，把豐富的農(nóng)產(chǎn)品進行深加工增值、外銷創(chuàng)匯。國內(nèi)外對凍干食品的巨大需求，為我國發(fā)展凍干食品工業(yè)提供了機遇。

　　真空冷凍干燥技術(shù)是一項高新加工技術(shù)，被認為是生產(chǎn)高品質(zhì)脫水食品的最好加工方法。其原理是在真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分不經(jīng)過冰的融化直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而使物料在低溫狀態(tài)下被迅速干燥，稱為真空冷凍干燥，簡稱凍干。用此方法生產(chǎn)的食品稱凍干食品�，F(xiàn)在除北京、福建、廣東、青島等地還在生產(chǎn)俏銷的蘑菇、調(diào)料以外，食品凍干幾乎沒有發(fā)展。我國可用于凍干加工的食品資源特別是土特產(chǎn)十分豐富，如豆制品、蘑菇、苔菜、獼猴桃、椰汁、大蒜、茶葉、蜂蜜等產(chǎn)品在世界上都是有名的。隨著對外開放、對內(nèi)搞活政策方針的貫徹和我國人民食品結(jié)構(gòu)的改變，食品凍干業(yè)在我國將會得到迅速發(fā)展。

　　當(dāng)然，凍干技術(shù)還有許多尚待解決的問題。如妨礙凍干技術(shù)更為廣泛應(yīng)用的最大障礙是生產(chǎn)成本高，因此如何縮短凍干周期進行能源的綜合利用、強化裝置的功能，降低裝置的耗能，降低設(shè)備造價都是凍干行業(yè)特別是食品凍干行業(yè)發(fā)展需要解決的重要課題。但是隨著凍干技術(shù)的提高，凍干設(shè)備的日益完善，尤其是凍干設(shè)備的國產(chǎn)化，凍干食品的生產(chǎn)成本必將而且已經(jīng)進一步降低。另外，與罐藏食品、冷凍食品相比，凍干食品的運輸、貯存等經(jīng)常性費用較低，而凍干食品的高質(zhì)量所附加的高價值，可以彌補其成本高的缺點，尤其是對于價格高的食品物料，凍干成本在其產(chǎn)品銷售價格中所占的比例并不大。由于凍干食品避免了傳統(tǒng)脫水技術(shù)方法帶來的變色、變味、營養(yǎng)成分損失大、復(fù)水性差等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、營養(yǎng)不變、復(fù)水性好、重量輕、可常溫貯藏等優(yōu)點。因此，凍干食品在國際市場的價格是熱風(fēng)干燥食品4～6 倍，是速凍食品7～8 倍。

2、凍干生產(chǎn)所用設(shè)備

　　2.1、主要設(shè)備

　　凍干食品生產(chǎn)最主要的設(shè)備為食品用真空冷凍干燥機組，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(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平的高低，食品用凍干機分間歇式和連續(xù)式。連續(xù)式機組在國內(nèi)企業(yè)尚屬少見。間歇式凍干機由干燥箱體、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等5 部分組成。

　　(1)干燥箱體有圓筒形及方形兩種主要的形式，各有優(yōu)點，圓筒形制造容易，但無法利用的空間多;方形則相反，空間利用率高，但制造較困難。

　　(2)加熱系統(tǒng) 大多數(shù)采用輻射傳熱，輻射板由陽極電鍍鋁制成，導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)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。

　　(3)真空系統(tǒng) 采用機械真空泵，有羅茨泵+油封泵及羅茨泵+羅茨泵+大氣噴射+水環(huán)泵兩種，兩者主要區(qū)別是前者不能抽水蒸汽，因此對冷阱效率要求較高，優(yōu)點是能耗小，后者則正好相反，能抽吸少量水蒸汽，缺點是能耗較大。

　　(4)制冷系統(tǒng) 由制冷機組與冷卻排管構(gòu)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(cè)置式：放置在輻射板組件的兩側(cè);③后置式：放置在輻射板組件的后面;④另置式：放置在輻射板組件不在同一容器內(nèi)，另外一個容器放置，兩容器之間有一個短而粗的管件連接。

　　(5)控制系統(tǒng) 有手動控制及自動控制兩大類，自動控制又分儀表自動控制與PLC 可編程序控制兩類。以PLC 可編程序控制最先進，現(xiàn)在已有專用的凍干程序控制儀問世，是在PLC基礎(chǔ)上按凍干要求而設(shè)計的，能自動完成凍干過程中復(fù)雜的控制操作，并且有貯存數(shù)據(jù)的功能。

　　2.2、凍干食品生產(chǎn)線的配置

　　(1)清洗機及容器：用來清洗果蔬的泥土及表面殘留物。

　　(2)多用切片機：用來將原料切成一定厚度的薄片，便于統(tǒng)一完成凍干時間及加快凍干速度，國產(chǎn)的即可。我國臺灣、日本、美國產(chǎn)的切片機價格高于國產(chǎn)的約30-50%。

　　(3)冷卻槽：殺青后的冷卻槽可用清洗槽代替，簡易生產(chǎn)線通常因自來水冷卻瀝水可選用振蕩瀝水機，一般選用離心機脫水。

　　(4)速凍庫：速凍庫的配置與凍干機的處理能力相適應(yīng)，以日班生產(chǎn)配料，滿足2 ～3 班凍干為宜。冷源最好單獨或半單獨設(shè)置(低壓循環(huán)部分獨立)以防止在速凍庫熱負荷較大時，影響到正在凍干過程中的冷卻溫度。

　　(5)凍干車間:凍干車間是凍干食品生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，它的設(shè)置同時要考慮到產(chǎn)品質(zhì)量受影響的程度，一般速凍庫與凍干箱門之間的距離越短越好，并且此通道最好專用，僅作為物流通道，而不兼作人流通道，凍干箱門端與凍干機其它部分及設(shè)備最好隔開，以減少環(huán)境對半成品的污染。

　　(6)卸料與包裝間:卸料與包裝間應(yīng)密閉，地面至少要用水磨石加打蠟，墻體要用白瓷磚貼至1.5m 高，以上部分要刷白色防水涂料，此車間須裝設(shè)空調(diào)除濕設(shè)備，空調(diào)制冷可與冷庫系統(tǒng)合用，除濕設(shè)備宜選用轉(zhuǎn)輪式除濕機，以利降低除濕成本，車間最好無窗戶，門盡可能密閉，最好采用無塵凈化室專用的密封門，并要有換氣、消毒、滅菌等設(shè)施。包裝時一般要有不銹鋼工作臺，抽真空充氮封口機，抽真空設(shè)備宜選用水環(huán)式真空泵，抽速約20L/s，充氮氣源為工業(yè)用氮氣，經(jīng)減壓過濾充入即可。

3、凍干果蔬的生產(chǎn)工藝

　　3.1、工藝流程原料選擇→整理→預(yù)凍結(jié)→升華干燥→后處理→包裝、貯藏。

　　3.2 操作要點 (1)預(yù)處理一般預(yù)處理是指升華干燥前的所有處理，所以干燥前凍結(jié)也屬于預(yù)處理。原料預(yù)處理和常規(guī)的果蔬干燥及果蔬速凍制品相同，如需進行挑選、清洗、去皮、切分、燙漂、冷卻等處理，具體操作參見有關(guān)內(nèi)容，在此不作詳述。在進行果汁或蔬菜汁凍干時，則先用較低廉的加工方法預(yù)先將其濃縮，后在預(yù)凍結(jié)時將產(chǎn)品變成粒狀。

　　預(yù)凍結(jié)是把經(jīng)前處理后的原料進行冷凍處理，它是凍干的重要工序。由于果蔬在冷凍過程中會發(fā)生一系列復(fù)雜的生物化學(xué)及物理化學(xué)變

　　化，因此預(yù)凍的好壞將直接影響到凍干果蔬質(zhì)量。冷凍過程中重點考慮的是被凍結(jié)物料的凍結(jié)速率對其質(zhì)量和干燥時間的影響。速凍與慢凍有以下差別：速凍產(chǎn)生的冰晶較小，慢凍產(chǎn)生的冰晶較大;大的冰晶有利于升華，小的冰晶不利于升華;小的冰晶對細胞的影響較小，冰晶越小，干燥后越能反映出產(chǎn)品原來的組織結(jié)構(gòu)和性能。但凍結(jié)速率高，所需的能耗也高。應(yīng)綜合考慮，選擇一個最優(yōu)的凍結(jié)速率，在保證凍干食品質(zhì)量的同時，使所需的冷凍能耗最低。

　　(2)升華干燥升華干燥是凍干食品生產(chǎn)過程中的核心工藝，要控制好工藝條件。①裝載量干燥時，凍干機的濕重裝載量即單位面積干燥板上被干燥的質(zhì)量，是決定干燥時間的重要因素。被干燥食品的厚度也是影響干燥時間的因素。冷凍干燥時，物料的干燥是由外層向內(nèi)層推進，因此，被干燥物料較厚時，需要較長的干燥時間。在實際干燥時，被干燥物料均被切成15～30mm 的均勻厚度。單位面積干燥板所應(yīng)裝載的物料量，應(yīng)根據(jù)加熱方式及干燥食品的各類而定。在采用工業(yè)化大規(guī)模裝置進行干燥時，若干燥周期為6～8h，則干燥板物料裝載量為5～15kg/m2。②干燥溫度冷凍干燥時，為能縮短干燥時間，必須有效地供給冰晶升華所需要的熱量，因此設(shè)計出各種實用的加熱方式。干燥溫度必須是控制在以不引起被干燥物料中冰晶融解、已干燥部分不會因過熱而引起熱變性的范圍內(nèi)。因此，在單一加熱方式中，干燥板的溫度在升華旺盛的干燥初期應(yīng)控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃。③干燥終點的判斷干燥終點可用下列指征來判定：物料溫度與加熱板溫度基本趨于一致并保持一段時間;泵組(或冷阱)真空計與干燥室真空計趨于一致，并保持一段時間;干燥室真空計冷阱溫度基本上回復(fù)到設(shè)備空載時的指標(biāo)并保持一段時間;對有大蝶閥的凍干機，可關(guān)閉大蝶閥，真空機基本不下降或下降很少。以上4 個判定依據(jù)，即可單獨使用，亦可組合或聯(lián)合使用。

　　(3)后處理后處理包括卸料，半成品選別，包裝等工序。凍干結(jié)速后，往干燥室內(nèi)注入氮氣或干燥空氣破除真空，然后立即移出物料在一個相對濕度50% 以下，溫度22～25℃，塵埃少的密閉環(huán)境中卸料，并在相同的環(huán)境中進行半成品的選別及包裝。因為凍干后的物料具有龐大的表面積，吸濕性非常強，因此需要在一個較為干燥的環(huán)境下，完成這些工序的操作。

　　(4)包裝與貯存食品凍干后具有龐大的表面積，食品中的一些成分直接裸露到空氣中，易接觸到空氣中的氧及吸附水分，從而導(dǎo)致凍干

　　食品的逐漸變質(zhì)。其次，大多數(shù)凍干食品均具有天然色澤，這些天然色素易在光照下降解。在氧化作用及色素降解過程中，溫度也是一個影響此類化學(xué)反應(yīng)的重要因素。因此，凍干食品的包裝主要考慮如何防止或減輕上述4 個因素的影響。

　　凍干食品所具有的多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，既有其有利的一面，也有其不利的一面：一是產(chǎn)品一旦暴露于空氣中容易吸濕和氧化降質(zhì)，所以，凍干食品應(yīng)抽真空包裝，最好充氮包裝;二是凍干食品所占體積相對較大，不利于包裝、運輸、銷售，因此凍干食品常被壓縮后包裝。此外，多孔疏松狀結(jié)構(gòu)使得凍干食品在運輸、銷售途中極易破碎，因此，對于那些不便壓縮包裝的凍干食品，應(yīng)具有一定保護作用的包裝材料或包裝形式。凍干食品常用的包裝材料為PE 袋及復(fù)合鋁鉑袋，PE 袋常用作大包裝用，復(fù)合鋁鉑袋常用作小包裝用，外包裝通常都選用牛皮瓦楞紙板箱，其大小符合集裝箱運輸之需要，用PE 袋作內(nèi)包裝時，為強化其隔絕氧、水、汽的作用，常用雙層，必要時，還可采用鐵罐包裝，但價格較高，應(yīng)用不很普遍。不論采用何種包裝材料，均需采用抽真空充氮，并添加除氧劑及干燥劑。凍干食品應(yīng)貯存在陰涼、干燥處，如有條件，最好放置在低溫低濕的環(huán)境中，保質(zhì)期通常為1 ～2年，采用鐵罐包裝時可適當(dāng)延長。