食品真空冷冻干燥技术应用状况与发展前景分析

在人类可用的天然食品中, 绝大多数食品是由其独特固有物质和水组成的。水是各种微生物生长和酶作用的决定性因素, 新鲜的食品由于水分存在而很快变质。为了延长食品的储存时间, 人们早在三千多年以前就借助阳光、风等自然条件使水分从其内部脱离出来。随着人类社会的进步和科学技术的发展, 人们创造出很多种脱水技术, 如热风干燥、冷风干燥、喷雾干燥、真空冷冻干燥等, 这些脱水技术各有其不同的特点。针对食品保鲜与保质而言, 真空冷冻干燥技术最具应用价值, 因为只有冻干技术才能最大限度、最长时间地保持其色、味、形和营养成分。食品真空冷冻干燥被喻为20世纪食品工业技术进步的主要标志。

1食品真空冷冻干燥技术的优点

真空冷冻干燥是将含水物料冻结后, 保持冰冻状态, 在真空环境下加热, 使冰升华成蒸汽并排出, 从而脱出物料中水分获得冻干制品的过程。由于该过程在低温低压下进行, 而且水分不经过液态直接升华, 冻干制品能保持其天然色泽与气味基本不变、外观形状基本不变、蛋白质与维生素等各种营养成分基本不变、固有物质基本不损失, 因此真空冷冻干燥技术具有其它干燥技术无可比拟的优点。(1) 干燥在高真空度下进行, 氧气极少, 易氧化物质得到保护, 并且因缺氧而灭菌或抑制某些细菌的活力。(2) 干燥在低压下进行, 被干燥的物料不致氧化变质。(3) 干燥在低温下进行, 物料中易发挥的热敏性成分不致变性或失去活力。(4) 冻结时被干燥的物料可形成“骨架”, 干燥后保持原形, 不会出现收缩现象, 且内部呈疏松多孔的海绵结构。(5) 脱水彻底, 干燥时能排除90%～95%左右的水分, 干燥后可在常温下长期保存, 并且因重量轻而便于运输。(6) 复水性极好, 冻干制品能迅速吸水复原, 其色泽、品质与鲜品基本相同。

2食品冻干技术的应用状况

2.1国外的应用状况

食品真空冷冻干燥技术起源于20 世纪30 年代。1930年丹麦的Flosdorf开始了食品冻干实验,1940年英国的Fikidd提出了用冷冻干燥方法进行食品处理的技术。1961 年英国食品部在Aberdeen实验工厂开始了食品冻干技术的研究, 其研究成果证明, 冻干技术用于食品加工是获得优质食品的一种方法。据有关资料记载: 1963年美国有冻干食品厂11家, 荷兰、丹麦、前西德等欧洲国家有25家。1965年全球冻干食品厂已发展到50多家。到1972年, 美国有冻干食品厂41家, 日本有13家,欧洲有49家。冻干食品产量增加亦较快, 仅从美国统计, 1963年冻干食品产量近5 000 t, 1970 年

产量为157 000 t, 1972年产量为175 000 t。20世纪80年代初, 白俄罗斯的斯鲁茨克建成了大型冻干食品生产线, 仅冻干奶酪一种年产量即达150 t。1985年日本有冻干食品厂25家, 欧洲接近百家。1989年, 保加利亚的索非亚建立了低温生物学和冷冻干燥技术研究所( Institute of Cryobiology andLyophilization in Sofia) , 主要研究宇航食品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。当时, 该研究所综合实力在全球同类科研机构中名列前茅。从20世纪80年代中期至90年代末, 是全球冻干技术快速发展阶段, 美国和日本冻干食品产量增加幅度最大。到2005年, 美国冻干食品厂超过百家、日本有冻干食品厂35家, 美、日有近一半的方便食品采用冻干技术生产。冻干食品在欧、美、日等国家已经被人们广泛地接受。

全球第一台食品真空冷冻干燥设备于1943年在丹麦问世。经过半个多世纪的发展, 现在工业发达国家都具备自主研制食品冻干机的能力。食品冻干机按用途不 同划分类型, 有实验用冻干机和生产用冻干机; 按干燥搁板面积大小划分类型, 有小、中、大、特大四种(冻干面积在50m2 以下的为小型、50 ～ 100m2 为中型、100 ～ 500m2 为大型、

500m2 以上为特大型) ; 按冻结方式划分, 有冻干合一型和冻干分离型; 按作业方式划分有间歇式、半连续式和连续式; 按干燥仓形状划分, 有方形、圆型和隧道式; 按自动化程度划分, 有手动型、半自动型和全自动型。丹麦Atlas公司和日本共和真空株式会社, 是全球最具影响力的食品冻干设备生产企业。丹麦是冻干设备出口量最多的国家, 美国是冻干设备拥有量最多的国家。Atlas公司生产的食品冻干机类型齐全, 其中冻干分离型和连续式食品冻干设备结构合理、自动化程度高、能源消耗低, 主要技术指标均居全球领先地位。前者用装料车整体装料、冻干和运输, 可实现半连续生产; 后者适用于大批量冻干食品的生产。共和真空株式会社研制的食品冻干设备一般是间歇式的, 该类型机周期性工作, 物料干燥分批进行。

2.2国内的应用状况

我国真空冷冻干燥技术的发展仅有五十余年的历史。20世纪50年代中期从前苏联引进了真空冷冻干燥技术, 当时主要用于生物制品和药品生产。到20世纪60年代, 国家出于战略需要, 相继在北京、上海、天津建立了冻干食品基地, 生产供军事、航海等野外作业用的特殊食品。从此, 食品真空冷冻干燥技术在我国开始应用。20世纪70年代中期上海、广东兴建了冻干食品生产线, 主要生产食品工业原料和调味食品。由于冻干工艺较落后、生产成本高、缺乏市场竞争力, 至1985年已无一家能维持经营。近二十年来, 随着我国经济建设和国际冻干技术的快速发展, 我国食品冻干技术取得了长足进展。青岛第二食品厂率先引进日本共和真空株式会社冻干设备, 其后, 湖南康宝食品公司引进丹麦Atlas公司冻干设备, 厦门佳裕食品公司引进台湾设备, 使我国食品冻干技术的应用规模不断扩大。现在, 上海、广东、山东、福建等地已建成二十余家冻干食品生产企业; 开展食品冻干技术研究工作的高校有清华大学、合肥工业大学、上海交通大学、东北大学、东北农业大学等十余所, 在大蒜粉、汤料、蘑菇、人参、山药及部分水果、蔬菜等冻干食品的研制方面, 取得了一定的成果。

我国食品冻干设备的发展始于20世纪80年代中期, 起步晚、发展迅速。早期的冻干设备以仿制20世纪70年代国外产品为主, 其冻干面积通常不超过20m2、作业方式皆为间歇式、能耗较高、自动化程度较低。近十年来, 经过高校、科研院所及生产厂家的共同努力, 我国探索出一条消化吸收与创新相结合的道路, 逐步形成了自主设计、自主生产的能力, 而且在食品冻干装置国产化方面取得了重大进展, 在大型化方面填补了空白, 研制出接近20世纪90年代国际先进水平的冻干设备。例如:清华大学核能技术设计研究院的TH - FD50型冻干机, 中科院兰州物理研究所的DG系列冻干机, 东北大学机械工程学院的LG系列冻干机, 广东省制冷学会食品保鲜工程开发中心的FD系列大型冻干机。至21世纪初, 已有沈阳新阳航天速冻设备公司、广州长城制冷设备公司、兰州科近真空冻干技术公司、南通冷冻设备公司等二十多个厂家具备食品冻干设备制造能力。

2.3冻干食品的种类

美国有资料统计, 到2005年全球采用冻干技术生产的食品已超过百种, 可分为以下几类。(1) 烹饪原料类: 肉、蛋、鱼、虾、贝、海参、蔬菜。(2) 调味食品类: 葱、姜、蒜、香料、色素、汤料。(3) 水果类: 苹果、香蕉、菠萝、草莓、梨、桃等。( 4) 饮品类: 咖啡、茶叶、果汁、菜汁。( 5) 保健食品类: 人参、山药、蜂蜜、甲鱼、冬虫夏草。(6) ;土特产品类: 蘑菇、黄花菜、香椿等。(7) 食品工业原料类: 蛋料、豆料、干果粉、植物蛋白粉等。( 8) 特殊食品类: 航天、航海、军事、登山、探险等野外作业用食品。

3食品冻干技术的发展趋势

进入21世纪以后, 随着人们环保意识、健康意识的不断增强, 生活节奏的不断加快, 人们对科学加工的食品产生了更高的认识、提出了更多的要求, 这将大大推动食品真空冷冻干燥技术的进一步发展。对此, 可依据目前国外新型食品开发状况,从国际市场对冻干食品需求趋势分析中得到求证。

3.1国外正在或拟开发的冻干食品

(1) 新型方便食品。在日本, 新型方便食品均添加采用冻干技术生产的维生素、全蛋粉或蛋黄粉、大豆粉或花生粉, 以确保其营养成分。在欧洲大多数国家, 将人们日常消费的胚芽玉米粉和椰子油、食糖、维生素、矿物质混合制成的方便食品定为第一代方便食品; 第二代方便食品是用冻干的海带粉、天然水果粉、海藻胶、麦芽糊精加适量的柠檬酸与玉米胚芽、燕麦胚芽、鱼粉、免肉粉、牛肉粉等制成的。欧、美国家还有一种营养丰富、香甜可口的水果型方便食品, 是用冻干的草莓粉、葡萄粉、橙桔粉、菠萝粉、香蕉粉和猕猴桃粉等混合制成的。捷克正在对用于加工新型方便食品的薄层物料的冻干工艺进行研究, 意大利正在对冻干苹果、柠檬和食糖的均化混合液加牛奶后脱水的理化特性进行研究, 西班牙正在研究冻干乳酸干, 日本正在研究冻干胶状鱼粉等。美国宾夕法尼亚大学的J·H·MacNeil博士预测, 本世纪的鸡蛋将是以冻干技术浓缩成固体含量为18% ～25%或30% ～40%的蛋品。

(2) 颗粒蔬菜。蔬菜是人类生活中的一大营养宝库。日本东洋FD食品株式会社于20世纪90年代找到一种不同寻常的吃菜方法。该方法是将油菜、菠菜、芹菜、萝卜叶、豌豆、胡萝卜、南瓜、雪里红等8种蔬菜混合, 冻干后制成颗粒蔬菜。这种含丰富的叶绿素、胡萝卜素、维生素和矿物质等天然营养成分的蔬菜, 不但营养丰富、味道鲜美,而且非常适合于断奶伊始的婴儿、不喜欢吃蔬菜的儿童、牙口不好的老年人、吃流食或半流食的病人以及食量受限的运动员等特殊人群。现在, 颗粒蔬菜已成为日本大众的日常消费品。

(3) 粉末蔬菜。在欧、美、日市场上, 日渐流行一种新的蔬菜加工方法, 即用冻干技术加工圆葱、白菜、菠菜、胡萝卜、南瓜等许多种粉末蔬菜。将粉末蔬菜加入面粉或食糖中, 制成蔬菜面条、饼干、糕点和糖果、饮料等, 能保持蔬菜中的营养成分、纤维质及其色泽、风味。

3.2国际市场对冻干食品需求趋势

近些年来, 欧、美、日对冻干食品的需求量迅速增加。在欧洲, 冻干食品占全部脱水食品的50%～70%; 全美方便食品中, 冻干食品占50%以上; 日本市场上的脱水食品中, 冻干食品接近60%。尽管如此, 英、德、美、日等国家每年都需

进口大量的冻干食品, 其品种有圆葱、芦笋、白菜、胡萝卜、蘑菇、马铃薯, 以及牛肉、鸡蛋和鱼虾。瑞典、挪威、丹麦等北欧国家冻干蔬菜、冻干水果的进口量仍然逐年增加。冻干食品在国际市场上的价格是热风干燥食品的4～6倍, 正逐渐成为国际贸易的大宗食品。据国家海关总署统计, 自20世纪90年代中期以来, 我国大陆脱水蔬菜年出口量以平均30%的速度递增; 我国大陆脱水蔬菜出口量超过全球总产量的1 /2, 加上台湾地区出口量则约占全球总产量的2 /3。

我国是农业大国, 有丰富的蔬菜(包括土特产品) 、肉食及水产资源, 应用冻干技术(国产冻干设备价格仅为进口设备的1 /3～1 /2) , 开发冻干蔬菜、冻干牛肉、冻干鲜蛋等大宗食品, 销往国际市场, 是一个前景看好、利润大、风险小的出口创汇项目。目前, 我国生产的冻干食品基本是 外需型, 主要包括烹饪原料、食品工业原料、调味食品和保健食品, 年产量不足20 000 t。据业内人士预测, 未来十年我国的外需型和内需型冻干食品都将进入大幅度增长阶段; 到2015年, 仅方便面辅料一种, 约需冻干食品50 000～60 000 t, 加上快餐配料、汤料、饮品等, 冻干食品的消费量将超过150 000 t。国内外市场对冻干食品的巨大需求, 为发展我国的食品冻干技术和冻干食品产业提供了大好的机遇。

4结论

食品真空冷冻干燥技术是一门跨学科的综合技术, 涉及多学科、多领域。食品冻干技术的进步依赖于交叉学科的发展。从食品冻干技术发展现状来看, 工业发达国家已经日臻成熟、完善, 冻干食品的普及性已经达到相当高的程度; 我国处于借鉴、消化吸收与自主创新相结合阶段, 与当今国际先进水平相比存在一定的差距, 冻干食品尚未被人们广泛地接受、在国内市场尚不具备竞争力。

俗话说: 民以食为天。食品工业与国计民生息息相关, 只能越发展越进步, 越发展越讲科学。功能食品、营养食品、保健食品、方便食品以及儿童食品等, 能够满足人们不断增长的物质生活需要的新型食品的发展都离不开冻干技术。因此, 食品真空冷冻干燥技术必将成为21世纪的重要应用技术。