李兢思，李俊欣，付佳佳
（福州理工学院 应用科学与工程学院，福建福州 350506）
冷冻干燥技术是一种以冰升华为脱水原理的干燥方法，最早兴起于医药生产领域，主要是为了解决配方生化成分不稳定、不耐热等问题。随着人们日益增长的对美好生活的需求，冷冻干燥技术在食品加工、生物工程、医药工业以及美容护肤等行业发展迅速，已成为不可或缺的技术之一。我国是农业生产和食品出口量最大的国家之一。经过冷冻干燥加工处理后，食品具有体积小、重量轻、保质期长、复水性强以及保持原有生化活性的特点。因此，冷冻干燥技术被广泛用于食品加工行业[1]。
冷冻干燥（Freeze-Drying）技术简称冻干技术，主要是利用冰升华对食品进行脱水干燥。当满足一定的真空度时，水的两相点重合，即沸点与冰点重合，直接将食品中的水分从固态升华为气态，使产品得到干燥。在冻干过程中，超过90%的水分流失。从食品的外观、微观结构、色泽以及口感等方面来说，冷干是获得理想干燥效果的最佳技术。该技术是在低温和真空下进行的，可以长期保存热敏性和易氧化的食品。
2.1 预处理
在进行冻干之前，需要对食品进行预处理。原材料的品质决定了食品冻干后的品质，因此通常选择品质优良、新鲜度高的食品进行预处理[2]。预处理主要包括筛选、切分、清洁和归类等过程。
2.2 冷冻
在冷冻环节，需要结合不同食品的特性，严格把控冷冻的温度和持续时间。预冻时间一定要足够充足，温度下降的梯度要适中。如果是进行速冻处理，速冻时间一定要短，放样前应将速冻室温保持在-50～-40 ℃。这个温度可以快速锁定食品中的水分，避免蛋白质变质，保持食品的营养成分不流失。
2.3 升华干燥
冻结完成后，需要提供升华进行干燥。冻干过程中的水分有自由水和结合水两种，前者指物料内可以自由流动的水分，其在低温下可被冻结成冰；
后者是与各种生物大分子结合，在低温下不可被冻结的水分，这部分的水可以看作是被“束缚”的，又称“束缚水”。升华干燥又称一次干燥，通常指对冷冻后的物料升温，使已被冻结成冰晶的自由水不经过液态，直接升华成气态水。要使这一步骤顺利进行，需要符合两个基本要求：①升温后形成的气态水从物料析出；
②连续不断地为物料提供热能。如果没有控制好这两个条件，就会出现食品融化、隆起、塌陷等问题，升华干燥工艺流程实际是费时、高能消耗的过程[3]，此过程通常长达8～9 h。
2.4 解析干燥
解吸干燥又称二次干燥，是指将一期干燥完成后，物料表面、孔隙中所存在的局部“束缚水”解吸，变成液态的“自由水”，随后再吸热蒸发成水蒸气。此过程通常需要较高的温度和充足的热量才能满足结合水解吸所需的能量。然而，为避免温度过高导致物料变性，解析干燥温度不宜过高。
2.5 封装与储存
总体而言，应重点关注冻干食品密封效果。封存过程仍必须在真空条件下，或者充惰性气体（如氮气）条件下进行。通常选择密封性高、颜色较深的原材料对冻干食品进行包装。此外，包装的原材料需要具备较好的机械性能，以维持物料本身特有的形态。
在运输和贮藏中，冻干食品的包装应满足以下条件：①为了防止冻干食品因受潮而变质，包装原材料应密封、防水；
②为了防止冻干食品因暴露在空气中而氧化变质，包装原材料应隔绝氧气；
③为了防止冻干食品因较长时间的光照而使营养成分分解变质，包装原材料应遮光。结合冻干食品本身所存在的特性以及外部条件导致变质的因素，选用的冷冻干燥食品包装原材料应防水、密封、遮光。所以，大多数食品加工厂家选用聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、镀铝膜以及聚丙烯等复合性材料并填充惰性气体或抽真空等方式对物料进行包装。另外，食品残留的细菌等微生物也会降低食品质量、缩短食品保存时间。因此，在包装前，需要对冻干食品及外包装进行杀菌或消毒，常见的方式有紫外杀菌和微波消毒等。
食品干燥加工的方法包括热风干燥法、真空干燥法和喷雾干燥法等。相比之下，真空冷冻干燥技术处理的食品具有可保持食品原有的生化特性及营养价值，提高活性成分的吸收率，较好的速溶性和快速复水性以及易于长期保存等优点，因此特别适合对热敏感、易氧化食品的加工。因此，目前冷冻干燥技术在食品加工行业得到推广，为人们的生活提供了极大的便利。
3.1 保持食品原有的生化特性及营养价值
冻干食品的热敏性和容易氧化组分都能够被完整的保留下来，因此冻干食品基本能够维持原物料自身的组成及其稳定性，它的生化活性和功能都可以得到保证，可保持原物料天然的状态，更有一种独特的酥脆口感[4]。冻干食品在真空条件下快速脱水，保存了食品本身的微观结构、生化特性和原始特征，最大限度地保留了膳食中含有的蛋白质、维生素、矿物质和其他活性营养成分。例如，植物代谢产生的具有多种有益作用的酚类化合物、食品中的天然酶等，真正做到“原生态、零添加”，是理想的天然卫生食品。
3.2 提高活性成分的吸收率
冻干技术的另外一个应用就是可以提高活性成分的吸收率。普通食品通过吞服的方式不可避免地会受到胃酸和各种酶类的分解作用的影响，食品中的蛋白质和一些多肽的生理活性就会丧失，进而降低产品的营养价值。口腔黏膜是人体中最薄的皮肤，在黏膜下有很丰富的毛细管床。冻干产品可以很迅速地被口腔唾液所溶解。因此，它可以通过口腔黏膜被完整的吸收。
3.3 具有较好的速溶性和快速复水性
在各种干燥技术中，冻干干燥技术被认为是最温和的一种，它对物料微观结构的破坏基本可以忽略不计。冰晶升华产生的多孔结构可以使冻干食品具有速溶、快速复水等特点。冻干食品在吸收水分后，能恢复到食品冻干前的状态，很好地保证了食品的新鲜程度。
3.4 易于长期保存
冻干食品的脱水率可高达97%[5]，其较低的含水量有效地控制了细菌等微生物的繁殖。另外，真空包装、填充惰性气体、避光保存能够有效抑制食品氧化变质，延长其保质期。一般来说，在常温环境下，冻干食品的储存期限可长达数年[6]。冻干食品的体积小、重量轻、保质期长等优势有利于产品大批量运输及销售，扩宽了冻干产品的市场。
冷冻干燥技术给人们的生活带来便利的同时，也存在一些缺点。因此，改良冻干技术的方法还有待发掘。
4.1 冷冻过程中的恒温效果不佳
进行真空冷冻干燥时，为了使制备的食品充分干燥，需要冷冻后保持恒温。但是，目前冷冻后还无法维持相对恒定的温度，这会影响到冷冻食品的冻干效果、品质、外观，增加了运输过程中食品变质的风险[7]。
4.2 干燥效果不够理想
食品在冷冻过程中，表层会形成大量细微的冰晶。然而，这种冰晶粒若不能及时去除，在后期加热的过程中会对食品的干燥速度产生极大影响[8]。现阶段，由于很多真空冷冻干燥食品加工处理工艺不够成熟，导致食品的干燥效果不够理想。
4.3 产品易受潮、易破碎
冻干食品含水量低且呈蓬松多孔的海绵结构，具有较好的复水性，这也造成了其容易受潮。受潮对产品的稳定性和保质期都有非常大的影响，所以冻干食品的包装必须要密封、隔绝空气。冻干食品特有的多孔疏松结构也造成了其极易破碎，因而需要根据实际情况设计合适的外包装形状及材料。
近年来，我国食品行业呈现出多元化的发展趋势。随着行业竞争的急剧增加，世界格局的不断变化，食品行业也迎来了多重挑战。
我国的冷冻干燥技术起步迟滞，发展历史只有五十余年。20世纪60年代中期，我国很多地区向国外引进冻干设备，逐步开启了冻干食品的研发工作[5]。到了80年代后期，随着世界冻干食品行业的迅猛发展，我国的冻干食品工艺也实现了长足发展。
一代冻干食品，主要指将天然食品经过简单的处理，再经冷冻干燥得到原汁原味的产品。二代冻干食品，是在一代产品的基础上进行调味加工而得到的滋味冻干食品。此类产品中肉类、蔬菜等食品较多，增添食品滋味的同时，又不影响食品的营养价值。二代冻干食品实现了产品口味的多样性，但受原料本身的局限，缺乏更多可能。三代冻干食品，主要指利用食品行业一系列的加工手段，将富含多种营养素的原料经过特定处理后，制备的具有多种营养功能的产品，可同时满足人体对不同营养素的需求。此类产品存在不同的食用方式，满足了广大消费者多样化的需求。四代冻干食品，是在三代冻干食品的基础上，营养均衡，突出功能，为特定的人群提供营养。五代冻干食品，将针对市场、面向个体，实现精准服务，是未来冻干食品市场的主要发展方向。
真空冷冻干燥工艺作为一种对食品进行保质、保鲜的新技术手段，它所特有的一系列优点是其他干燥技术所无法取代的[9]。但该项技术在我国起步迟滞，该领域的技术人才可从改进冷冻干燥设备、优化工艺流程、参考食材本身的特质进行精准化调控等方面进行研究，以提高冷冻干燥效率，降低企业运营成本，使其更好的应用于食品、医药、化妆品等行业。
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