食品真空冷凍干燥機的研究現狀和發(fā)展趨勢

干燥脫水技術是一項適用于蔬菜、水 果、肉類、水產、藥品的護色、保鮮、保質、保營養(yǎng)成分 的高新加工技術 ,其原理是在真空狀態(tài)下 ,利用升華 原理 ,使預先凍結的物料中的水分不經過冰的融化 直接以冰態(tài)升華為水蒸氣而除去 ,從而獲得干燥制 品的技術 ,簡稱凍干技術。用此方法生產的食品叫 真空凍干食品。由于真空冷凍干燥是在低溫、高真 空狀態(tài)下進行 ,物料中的水分直接從固態(tài)升華為氣 態(tài) ,因而可以有效地保持被干物料的細胞活性 以及被干物料的色、香、味、形和營養(yǎng)成分 ,而且復水 性能好。凍干食品是采用現代脫水技術與工藝加工 而成的集方便、保健、為一體的高品質綠色食品 ,避免了傳統脫水方法帶來的變色、變質、變味、成 分流失、無法還原等缺陷。 
凍干食品在市場上的產量以每年 30 %的 速度遞增 ,正成為貿易的大宗食品。據統計 ,目 前 ,美國年消費凍干食品 500 萬噸 ,日本 160 萬噸 , 法國 150 萬噸 ,其它國家的消費數量也很可觀[1 ] 。 國內在凍干方面的研究起步較晚 ,近年來一些科研 單位對某些產品進行了工藝研究 ,東北大學成功研 究了人參凍干工藝 ,四川大學研究了牦牛肉的冷凍 干燥工藝。此外 ,上海華裔發(fā)展有限公司將一些名 菜如宮保雞丁等 ,用凍干工藝加工 ,已在國內申請。隨著人們對凍干產品需求量的逐年增大 ,凍干 設備也有了較大的發(fā)展。
1 　真空冷凍干燥設備的原理及組成 真空冷凍干燥設備的工作原理是 :先將物料凍 結到共晶點溫度以下 ,使水分變成固態(tài)的冰 ,然后將 經過前處理的預凍食品裝入干燥倉內 ,在低溫真空 狀態(tài)下 ,由加熱板導熱或輻射方式供給食品熱能 ,使 食品中的水分直接由冰升華成水蒸氣。不斷升華出 的水蒸氣 ,由真空泵組抽至捕水倉內 ,在 - 40～ - 45 ℃的排管外壁上凝結被捕捉 ,直至按凍干曲線 達到規(guī)定的要求而停止供熱和抽真空 ,完成食品凍 干全過程。真空冷凍干燥機(簡稱凍干機) 主要由真 空冷凍干燥箱(簡稱凍干箱) 、真空系統、制冷系統、 加熱系統及自動控制系統等幾部分組成。
1. 1 　干燥箱 干燥箱是一個真空密閉容器 ,是冷凍干燥設備 的重要組成部件之一 ,是干燥過程中傳熱和傳質的 場所 ,它的性能直接影響到冷凍干燥設備的性能。 如果帶有蒸氣消毒滅菌功能 ,凍干箱還應是一個低 壓內壓容器。干燥室的形狀主要有圓形和矩形兩 種 ,圓形干燥室操作容易、強度高、制作費用低 ,但其 內部空間的利用率低 ;矩形干燥室的空間利用率高 , 但制造費用高。 
1. 2 　真空系統 真空系統包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集 冷凝器、真聯式旋片真空泵、聯接管道以及放氣閥 等。系統內空氣水蒸氣的抽除是由真空泵完成的當真空泵工作時 ,打開隔離閥 ,真空干燥室內的空氣 及水蒸氣經過水蒸氣捕集冷凝器捕獲水分后進入真 空泵 ,由真空泵排氣口排出系統。為防止經水蒸氣 捕集冷凝器后抽除的氣體中含有的極少量的水蒸氣 進入泵內 ,系統內配置了氣鎮(zhèn)閥 ,冷凍干燥時 ,打開 氣鎮(zhèn)閥。在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器 ,以防 止排出氣體中的煙霧污染室內環(huán)境。 
1. 3 　加熱系統 為了使凍結后制品中的水蒸氣不斷地從冰晶中 升華 ,就必須提供水蒸氣升華所需的足夠熱量 ,因此 要配置加熱系統。加熱系統除加熱板以外 ,還包括 熱媒加熱罐、換熱器、氣動調節(jié)閥、循環(huán)泵及管路、閥 門、液位計、溫度傳感器等。 
1. 4 　制冷系統 水蒸氣凝結器又稱為冷阱 ,是制冷系統的主要 部件。在 13. 3 Pa 真空下 ,質量為 1 g 的冰升華可生 成 100 m3 的水蒸氣 ,若這大量的水蒸氣不加以處理 而由真空泵抽出 ,則需要大容量的抽氣機才能維持 所需的真空度。冷阱的作用是將干燥室中的水蒸氣 冷凝吸附變成冰 ,以免進入真空泵 ,一方面可以減少 真空泵的工作負擔 ,另一方面能夠保證干燥室具有 較低的真空度。 
1. 5 　自動控制系統 自動控制系統是凍干機的指揮機構 ,凍干機的 控制包括制冷機、真空泵的起、停 ,加熱溫度的控制 , 物料溫度、冷阱溫度、真空度的測試與控制 ,自動保 護和報警裝置等。自動控制系統的功能是對凍干機 的各個重要參數進行測量、顯示 ,根據預先的設置對 凍干機進行控制 ,使其運行在規(guī)定的狀態(tài) ,并可 對故障狀態(tài)報警并自動應急處理。通過測量和記錄 凍干過程的工藝參數 ,可以完整地了解整個凍干過 程。對這些參數實施有效地控制 ,則可以實現對整 個凍干過程的優(yōu)化。即在保證產品品質的前提下 , 提高生產效率及減少能量消耗。 2 　食品凍干機的研究現狀 食品凍干機的突出特點是產量高 ,脫水量大。 因此 ,要求真空系統排氣量大 ,真空度不高。目前除 采用大型捕水器和羅茨旋轉泵機組之外 ,大多采用 幾級串聯的水蒸氣噴射泵 ,這種泵能直接以氣態(tài)排 除水蒸氣 ,系統中不必設置捕水器。由于裝料量大 , 大多采用裝料車。食品凍干機中 ,丹麥阿*的 RA Y型間歇式和 CONRAD 型連續(xù)式凍干機 ,日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水氣凝結器除 冰再生技術和 TL 型液體食品密閉系統管式凍干機 可代表世界食品凍干機的先進技術。1989 年 10 月 17 日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學和冷凍 干燥 技 術 研 究 所 ( Institute of Cryobiology and Lyophilizatin in Sofia ,簡稱 ICL) ,主要研究宇航食 品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養(yǎng)食品。該 研究所的科研實力目前在世界上*三位 ,僅次 于美國和俄羅斯[2 ] 。 
近年來 ,國內食品凍干機發(fā)展較快 ,生產廠家較 多 ,質量、性能、規(guī)格型號各不相同。早在解放前 ,國 內已開始在實驗室中用簡易凍干裝置來作保存菌 種、毒種的試驗。20 世紀 50 年代初期 ,武漢、北京 等生物制品研究所及部分獸藥廠先后進口了一批凍 干機。20 世紀 60 年代北京、天津、南京、上海、大連 等地相繼建立了一些實驗性凍干食品生產廠家并先 后仿制了一批凍干機 ,特點是整體式 ,擱板溫度不均 勻 ,手動操作 ,能自動記錄。20 世紀 70 年代湖北自行設計了 37. 4 m2 的凍干機 ,采用單機雙級壓縮機 , 可在箱內加蓋瓶塞 ;在上海建立了年產 300 t 的中 等規(guī)模的凍干車間。為加快我國凍干技術的發(fā)展 , 機電部將工業(yè)真空冷凍干燥機列入 1986 年工業(yè)技 術發(fā)展基金項目 ,由華中理工大學承擔并與浙江真 空設備廠協作進行研制[3 ] ,產品于 1989 年通過部級 鑒定 ,該機結構緊湊、功能齊全、擱板間距可調 ,采用 微機程控。此外 ,清華大學核能設計研究院引進俄 羅斯大型食品真空冷凍干燥設備的先進技術 ,直接 與*企業(yè)煙臺冰輪集團合作 ,共同探索出一 條發(fā)展我國冷凍干燥事業(yè)的新路 ,優(yōu)點是 :起點高、 投資少、見效快。在引進、消化、吸收的同時 ,對設備 的改進提出了切實可行的方案 ,特別是控制系統設 計 ,從工藝要求出發(fā) ,在考慮節(jié)能的同時 ,以進一步 提率為目的 ,采用現代化的儀表和先進控制手 段 ,對設備的控制系統重新進行了優(yōu)化設計 ,從根本 上提高了我國大型食品冷凍干燥機的整體設計及控 制水平[4 ]
　　目前 ,國產食品凍干機還都是非標準化產品。 大部分生產廠家走的是仿制道路 ,有些廠家在采用 *技術的同時 ,進行了較大的改進[6 ] 。如 : 加熱板內采用了特殊導流裝置 ,使板內流體的流量 均勻 ,保證了加熱的均勻和穩(wěn)定 ;捕水器在工作中可 實現交替捕水和融冰 ,捕水器盤管內氨液制冷方式 由傳統的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷 ,使捕 水器盤管內溫度均勻 ,結霜性能良好。除仿制之外 , 國內自己的研制能力也在提高 ,有些單位已經脫離 了仿制國外機型 ,抽氣系統采用低架式水蒸氣噴射 泵抽水蒸氣 ,省去了捕水器和制冷系統 ,降低了設備 價格。 3 　食品凍干機的發(fā)展趨勢 無論是國產設備還是引進的凍干設備 ,其共同 的缺點是價格昂貴 ,耗能高 ,收回投資慢。降低成本 ,減少能耗是凍干機今后的主攻方向。因此 ,食品 凍干機的研究方向和發(fā)展趨勢有以下 4 點。 
3. 1 　改進結構、優(yōu)化設計、降低成本、減少能耗 國外有些凍干機不采用不銹鋼制造 ,而采用低 碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂 ,涂層厚度為 0. 12～ 0. 20 mm ,在室溫下就會發(fā)出紅外線。擱板表面涂 高性能遠紅外發(fā)射材料 ,增強其輻射能力 ;料盤表面 處理 ,增強其吸熱能力。捕水器的結構、尺寸、結霜 特性的優(yōu)化更有實際意義 ,因為目前它的造價相當 于凍干箱的造價 ,運轉功耗較大。對于凍干機而言 , 加熱系統只是補充升華熱 ,功率消耗本不應太高 ,但 現有設備不盡人意 ,應該優(yōu)化結構 ,降低能耗。 
3. 2 　保證質量 ,提高性能 有些廠家的凍干機安裝后 ,一直不能投入正常 生產 ;有些凍干機雖然能生產 ,但能耗太高 ,生產的 產品越多 ,賠錢越多 ;還有些元器件不斷出現故障 , 影響正常生產。因此 ,必須保證凍干機質量。提高性能是指除加熱速率、抽氣速率、溫度均勻性、真空 度穩(wěn)定性之外 ,增強設備新的功能 ,例如增加凍干結 束時的判斷功能 ,簡單的辦法是稱重法。目前已 有人試驗 ,但不成功 ,原因是沒有離開天平和地秤的 模式 ,致使小設備安裝困難 ,大設備笨重而不穩(wěn)定。 應該發(fā)展質量傳感器 ,用較小的一次元件給出質量 隨時間的變化。 
3. 3 　開發(fā)連續(xù)式凍干設備 當前生產的凍干機都是間歇式產品 ,隨著工業(yè) 技術的發(fā)展 ,人民生活水平的提高 ,消費量會增大 , 因此發(fā)展連續(xù)式凍干設備 ,增加凍干產品的產量是 必然趨勢。 
3. 4 　提高衛(wèi)生標準 近年來 ,西方國家在食品生產企業(yè)開始推行 HACCP 系 統 ( Hazard Analysis Critical Control Point) ,對食品加工設備的消毒殺菌、衛(wèi)生管理等提 出了更加嚴格的要求。以此為契機 ,日本許多廠家 紛紛將原有鍍鋅鋼板的真空干燥室改為不銹鋼真空 室 ,因為在向真空室通蒸氣進行滅菌的過程中 ,鍍鋅 層會與 60～80 ℃的濕熱蒸氣發(fā)生反應生成微粉 ,污 染食品。凍干設備的使用年限一般為 20～25 年 ,考 慮到 HACCP 系統遲早將進入中國 ,國內凍干產業(yè) 廠家應未雨綢繆及早做好準備。
4 　結 論 目前 ,國內科技工作者已經成功研制出系列真空冷凍干燥設備 ,杭州聚同FD系列的產品研制為發(fā)展我國真空冷凍干燥技術奠 定了良好的基礎。隨著市場對凍干食品需求量 的不斷增加和我國加入世貿組織以及人民生活水平 的逐漸提高 ,凍干食品在國內將具有美好的發(fā)展前 景 ,凍干設備也將會有長足的發(fā)展。