吴阳阳，李敏，关志强，张珂

（1.广东海洋大学食品科技学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，水产品深加工广东普通高等学校重点实验室，广东湛江524088，2.广东海洋大学工程学院，广东湛江524088）

预处理方法在食品冷冻干燥中的应用分析

吴阳阳1，李敏2，*，关志强2，张珂1

（1.广东海洋大学食品科技学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，水产品深加工广东普通高等学校重点实验室，广东湛江524088，2.广东海洋大学工程学院，广东湛江524088）

真空冷冻干燥在干制品品质方面优于其他干燥，但由于其能耗较大，应用范围和规模受到一定的限制，干燥前的预处理可以有效改善传热传质，降低能耗。本文综述了预处理方法在食品冷冻干燥中的应用，综合分析了渗透、微波、超声波、真空冷却、高压脉冲电场和冻融等预处理的原理和研究现状，为不同食品物料冷冻干燥预处理方法的选择提供理论依据，并为改善冻干工艺提供参考。

预处理；渗透；微波；超声波；真空冷却；高压脉冲电场；冻融

真空冷冻干燥是将湿物料冻结到共晶点温度以下，然后在较高真空度下使固态冰直接升华成气态水蒸气而除去水分的一种干燥方法［1］。真空冷冻干燥是在低温低压下的传热传质过程，适用于极为热敏以及极易氧化食品的干燥，用此方法干燥能够使产品形成稳定的固体骨架，有利于保持食品的营养成分和风味，同时冻干食品有较好的复水性［2］。但由于其干燥时间长，能耗大，从而增加了生产成本，且成为真空冷冻干燥方法推广应用的瓶颈。

谢国山等［3］用真空冷冻干燥海蛎子，干燥时间为19 h；云霞等［4］研究了海参真空冷冻干燥工艺，结果表明海参干燥时间需要18 h～24 h；Jelena等［5］真空冷冻干燥鸡胸肉，所需最短时间18 h。其次，预冻过程会对食品造成一定的影响，冻结可以分为慢速冻结和快速冻结，慢速冻结时，细胞外空间形成较大冰晶，细胞受到挤压而变形或破裂，破坏食品的组织结构；快速冻结能以最短的时间通过最大冰晶生成带，形成细小冰晶，对组织结构破坏较小，但产品在预冻阶段的不同冻结速度又反过来影响了冻干过程的传质速度。另外，预冻过程的冷冻浓缩效应等容易造成蛋白质变性，从而使食品品质下降。

真空冷冻干燥升华干燥阶段除去食品中的大部分水，但升华干燥的能耗接近总能耗的一半以上，因此可以在真空冷冻干燥前对食品进行适当的预处理，除去部分水分，减少升华干燥时间；或者使物料形成微孔通道，改善热质传递条件。同时也可以在此过程添加保护剂改善干制品品质。目前，常用的干燥预处理方法有渗透、微波、超声波、真空冷却、高压脉冲电场和冻融预处理等。

1渗透预处理

渗透是指在一定温度条件下，将生物组织浸入高浓度溶液中，利用细胞膜的半透性进行脱水的一种方法［6］。渗透脱水过程存在两个反向过程：水分渗出细胞组织和高渗溶液中的溶质渗入到细胞组织中。在这个过程中，食品原料中的可溶性物质，如还原性糖、矿物质、部分风味物质等会渗出少量。渗透脱水过程由于无相变，不需要加热，使得加工食品能耗降低，同时还能较好地保持食品的色泽、风味、营养等品质。

渗透作为预处理方法比较常见，常用的渗透溶液有：氯化钠、冻干保护剂、水分活度降低剂等。氯化钠可以作为渗透溶液单独使用，以达到脱水的目的。张孙现等［7］研究不同浓度盐溶液对鲍鱼微波真空干燥过程和品质的影响，发现适当增加盐溶液浓度可提高干燥速率，但盐浓度过高，盐分在食品表面结晶，阻碍热量传递，减慢干燥速率。氯化钠可以与其他大分子质量物质共同作为渗透溶液使用，其原理在于渗透脱水与渗透溶液的离解情况与分子量大小有关，溶质若能离解为离子，溶液的渗透压增加，用量就可以减少。溶质的分子量虽对渗透速度没有显著影响，但分子量和浓度与渗透压有一定的关系。在渗透溶液中加入分子质量大的物质在提高原料失水率的同时可控制小分子质量物质渗入原料。Giovana等研究［8］发现：温度、Nacl浓度、蔗糖浓度的增加均会使水分扩散速率增大，但在渗透脱水过程中盐糖存在相互抑制作用，糖浓度的增加也会导致盐扩散率减小。另外，三元体系渗透溶液的有效水分扩散率高于二元体系。Bahadur等［9］以渗透溶液（糖+盐）、温度、时间为因素，利用响应面优化渗透脱水过程，以获得最大脱水量、最小糖渗入量以及最好的感官品质。还有一些科研人员对渗透脱水过程中传质过程进行研究，建立了很多动态模型。Erasmo等［10］描述了萝卜片在NaCl溶液中渗透脱水过程中水和溶液传质情况，得出有效水分扩散速率和溶液扩散速率的区间范围。Otoniel等研究了盐浓度和温度对沙丁鱼片渗透脱水平衡分布系数［11］和有效水分扩散的影响［12］。Vega-Gálvez等［13］描述了鱿鱼在不同温度下渗透脱水有效水分扩散现象。Prothon F等［14］选用蔗糖作为渗透压预处理溶液，对苹果进行微波/热风干燥。结果表明经过渗透压脱水，可以减少整体干燥时间，且干制品的硬度变大，即脆性好，但是未经过预处理的产品复水性稍差。Vega-Gálvez等［15］研究发现在辣椒干燥前的预处理时加入NaCl、CaCl2可以提高干品品质；Singh B等［16］用响应面法研究了胡萝卜块用糖-盐渗透脱水，优化了处理工艺。Naikwadi等［17］用不同糖浆处理无花果的研究，得出转化糖的效果最好。I brahim Doymaz等［18］研究了预处理对黑葡萄热风干燥的影响，结果表明用油酸乙酯加碳酸钾溶液浸泡后的黑葡萄可以获得最短干燥时间。Contreras［19］以果胶含量和玻璃态转化温度为指标研究了渗透前处理对草莓热风干燥结构特征的影响。以上的研究均表明，渗透预处理在食品干燥加工中一直占着重要的地位。

冷冻干燥时，添加剂预处理可以有效缩短干燥时间，有效改善预冻可能导致的食品品质下降的问题，合适的保护剂会使食品损伤降低，并有利于干燥的进行。保护剂可以分为糖类、多元醇类、氨基酸类等。糖类作为保护剂必须具有较高的玻璃化转变温度、低吸湿性以及不含还原性基团等特点。多元醇类与糖类相似，可以改变体系的玻璃化转变温度，且都具有羟基，可产生“优先水化作用”。氨基酸类具有氨基和羧基，可以调节体系的pH［20］。非还原性糖海藻糖由于甜度低、玻璃化转变温度高等性质而被广泛使用。蒙健宗等［21］发现5%海藻糖和10%海藻糖可以防止冷冻罗非鱼片冷藏过程蛋白质变性，但两者的效果差别不大。Wu等［22］研究表明海藻糖可以减缓冻藏花鲈Ca2+-ATPase的变化，且随着海藻糖含量的增加效果更好。壳聚糖作为一种新型冻干保护剂，也正在被开发利用。Pan等［23］研究表明壳聚糖可以减缓冻藏鲈鱼肌纤维蛋白质冷冻变性，添加1%壳聚糖的鲈鱼在-18℃冷藏90 d后，Ca2+-ATPase活性为鲜鱼的92%。李学鹏等［24］用壳聚糖和茶多酚保鲜冷藏中国对虾，发现两者在一定程度上均可减缓蛋白质变性，但壳聚糖的效果比茶多酚好。

渗透溶液的组合使用，取长补短，有可能大大提高了干制品的质量，有效降低水分活度［25］。例如蔗糖/山梨醇是一种常见的组合，氨基酸和糖也可以组合使用，具体的渗透液组合可根据所要求的食品品质筛选和优化。

2微波预处理

微波是一种高频电磁波，微波干燥食品被认为是一种有效的方法，微波干燥利用介质损耗原理，水损耗因素比干物质大，能够强烈吸收微波，将其转化为热能。微波同时作用于食品内外表面，形成均匀的内热源。由于物料表面蒸发冷却和内部产生的热量，致使物料的温度梯度分布方向与蒸气迁移方向相同，这就大大加快了水分迁移速度，提高了干燥速度［26］。在冻干前采用微波预处理，去除部分游离水分，可缩短干燥时间，降低干燥能耗。章斌等［27］研究表明在真空冷冻干燥佛手瓜之前采用微波预处理，可以明显缩短干燥时间和提高复水率。林平等［28］研究微波和热风两种预处理方法，结果表明，微波处理更有利于胡萝卜的真空冷冻干燥过程，微波预处理可缩短干燥时间3 h，节能百分比达到20%，且最终产品色泽较好。曾庆倬等［29］在研究微波对生物质原料预处理及热解的作用研究进展中重点比较了微波干燥预处理与常规干燥方法，经微波预处理后的干制品与常规干燥方法相比可以较大的缩短干燥时间。

微波处理具有穿透性、选择性、即时性、加热效率高、节约能源等优点［30］。但若不能很好地控制微波功率的输出，就容易造成物料过热，从而影响食品品质。解决方法之一就是在处理的过程中严格控制功率输出，采用变功率微波辅助干燥；另一种方法就是采用脉冲间歇式微波，控制微波功率密度和微波的开断时间比［on/off］。脉冲间歇式微波可以使物料在间歇时间内得到“缓苏”，使温度和水分得到均匀再分配，能够缓解连续微波产生的局部过热与表面硬化等现象，改善物料品质，提高干燥速率。Kisselmina等［31］采用不同功率密度的微波辅助热风干燥西红柿，获得干品品质质量优于未控制组。张国琛等［32］利用变功率微波真空间歇式来干燥扇贝，改善了干品品质且提高了干燥速率。张黎骅等［33］以微波功率、微波时间和间歇时间为因素，利用二次回归正交试验优化银杏果微波间歇干燥工艺。结果显示，3个因素均对实验结果有显著影响，且影响主次顺序为：微波时间＞微波功率＞间歇时间。

微波辅助干燥技术因干燥速度快且干燥产品质量稳定而备受关注，国外微波辅助干燥对食品等热敏性物质的干燥研究较成熟，国内研究较少，研究潜力较大。

3超声波预处理

超声波是频率大于20 kHz的声波，它与物料的相互作用主要有热机制、机械机制和空化机制3种形式。超声波处理时，物料因反复受到压缩和拉伸作用而不断收缩和膨胀，形成海绵效应。当这种结构效应产生的作用力大于水分的表面附着力，水分就容易转移出来。空化作用产生的冲击波、微射流和微扰动是强化超声波干燥的主要机理，在超声波压力场内，空化气泡迅速膨胀闭合产生强大的冲击波，引起水分子湍流扩散；靠近固体表面会产生微射流，造成水分子与固体表面分子之间的结合键断裂，固体表面活化，有利于除去与物料结合紧密的水分［34-35］。

超声波应用于食品干燥预处理不仅可以改变物料的组织结构，而且可以减少物料水分含量，在保证产品质量的前提下，有利于提高干燥速度，缩短干燥时间，缓解干制品品质和能耗之间的矛盾。Fabiano等［36-37］超声波预处理香蕉和菠萝均提高了水分迁移速率且干燥时间分别减少了11%和8%。Deng等［38］脉冲真空和超声波预处理苹果块，结果发现，超声波处理后的干制品有较高的玻璃化转变温度，较低的水分活度，但与脉冲真空处理相比，复水率较低。赵芳等［39］试验观测超声波预处理胡萝卜过程，建立了热湿耦合传递的数学模型，推导出含湿多孔介质在超声波作用下水分有效扩散系数，并对超声波预干燥胡萝卜过程进行数值模拟，最终分析了超声声强对样品干燥速率、内部温度和内部含水率分布的影响。严小辉等［40］利用超声波预处理半型荔枝的干燥试验表明：干燥前的超声波预处理能够有效缩短其干燥时间。

超声波的功率、频率和作用时间均影响物料干燥速率，不同因素影响效果不同，且同种因素对不同物料影响也不同。超声波功率指的是声波具有的能量，功率越大，能量就越大，对物料的机械作用强度就越大。但功率过大会导致细胞破裂，预冻过程中冰晶分布不均，影响升华干燥的进行；频率对物料干燥速率的影响效果主要是当适当频率的超声波所产生的空化效应与物料组织破碎的振幅接近时，易产生共振效果，物料内部形成较好的升华通道，有利于干燥时脱水。林平等［41］超声波（功率、频率、时间为因素）预处理胡萝卜可以缩短真空冷冻干燥时间且干品复水性与感官性状较好，3个因素对结果影响均显著，主次顺序为功率＞时间＞频率，最优组合为功率250 W、频率40 kHz、时间30 min。章斌等［42］则发现超声波频率对冻干香蕉片影响差异不显著。

超声波预处理作为一门新兴技术，应用于食品干燥具有重要意义。低频超声波常用于食品干燥，它可通过空化机制使食品机械、物理和化学/生物化学性能改变，从而减少反应时间。但是，即使在常温下，由于空化机制，食品组织结构可能局部受热，这与超声波是否作用连续以及超声波的功率、频率和作用时间有关，并且这些参数与空化机制没有确定的线性关系，因此，超声波作为预处理方法有待进一步研究。

4真空冷却预处理

真空冷却是将被冷却物料置于真空冷却室中，用真空泵抽去空气，食品由于处于一个低压环境中，内部的水分得以蒸发；由于蒸发吸热，产品的温度降低。该过程主要分为两个阶段：首先是真空室内的压力由大气压降到被冷却物初始温度对应的饱和压力，此阶段蒸发速度较慢。在饱和压力下，闪点出现，闪发开始，被冷却食品中的水分蒸发吸收大量热量，食品温度开始降低直至预定温度［43］。真空冷却冷却速度快、冷却温度均匀、不会产生局部脱水干燥现象且避免了外界环境对食品的再次污染，保证了食品的质量。另外，真空冷却是一种相当节能的制冷方式，真空制冷系统所消耗的能量只有氨制冷系统、氟制冷系统的1/3到1/5。

真空冷却过程中食品物料内部水分迁移分为两类：水在重力或毛细管压力梯度作用下从空隙通道内迁移至产品表面进行蒸发；水分因为压力梯度作用在产品内部蒸发，以气态的方式进行迁移。真空冷却效应主要来自于水分在产品内部的蒸发。周航等［44］试验得出真空冷却后吸附水和自由水所占百分比明显降低，同时采用核磁共振成像技术研究真空冷却前后豆制品内部水分分布的变化，由MRI图看出，真空冷却后产品的弛豫信号减弱，图像变暗，表明产品含水量降低，与前面研究相一致。金听祥等［45］建立水分迁移的数学模型并预测了真空冷却过程中物料内部温度和压力的分布。

清洗、烫漂或蒸煮的原料冻干之前进行真空冷却处理，一方面可以迅速降低物料的温度，甚至可以使物料完成预冻过程；另一方面可以快速去除物料表面残留水分以及表层组织中的水分，以完成预干燥，降低后续干燥负荷。真空冷却作为预处理其目的为最大限度地降低物料温度以及尽可能多地脱除水分。王海鸥［46］通过试验研究了真空冷却处理过程胡萝卜脱水量及脱水速率的变化，同时研究了不同预处理对微波冻干的影响。结果表明：真空冷却预处理可以改善微波冻干初期低压放电现象，且缩短干燥时间，降低总耗电量。

真空冷却依靠水分蒸发而快速冷却，冷却速度快，避免微生物的污染，同时可以去除部分水分，所以真空冷却作为冻干的一种预处理方法前景可观。

5高压脉冲电场预处理

高压脉冲电场处理可破坏细胞膜，改变其通透性。其原理是每个细胞都有一个自然电位差，外加电场使得膜内外电位差增大，当其高于生物细胞膜自然电位差时，细胞膜就会破裂，通透性增强。采用适当的电场作用于细胞时，电场造成的电穿孔可以重新闭合，形成可逆电穿孔，有利于保持食品的品质。高压脉冲电场波形有多种，但只有矩形波作用比较明显，适合用于预处理［47］。

高压脉冲电场属于非热加工方法，并且在可逆电击穿的情况下改变细胞膜的通透性，因此高压脉冲电场预处理食品可以提高干燥速率，将其与真空冷冻干燥结合，可以降低冻干能耗。关于高压脉冲电场作为干燥的预处理方法，国内外有较多研究。刘振宇等［48-49］用高压脉冲电场预处理白萝卜，冻干时间减少26.7%，冻干能耗降低26.4%；并用BP神经网络分析高压脉冲电场预处理参数脉冲强度、作用时间和脉冲个数与干燥速率的关系，建立电场预处理白萝卜和苹果干燥的BP神经网络仿真模型预测干燥速率，且预测结果接近实测值。Mounia等［50］通过电容性的变化来判别细胞组织破坏程度，研究高压脉冲电场预处理对土豆片冷冻、冻干和复水的影响，结果表明，高压脉冲电场处理之后，细胞组织遭到一定的破坏，使得物料冷冻时间缩短，冻干速率增加，复水率和品质提高。A.Janositz和N.I.Lebovka等［51-52］高压脉冲电场处理土豆，可使细胞通透性增加，且电场强度越大，细胞失水越多。

6冻融预处理

冻融是先将物料在低温下冻结，然后在高温下进行溶解解冻的操作。冻融应用于干燥前有助于水分的脱除。郭婷等［53］冻融预处理甘薯，使得甘薯热风干燥时间随冻融次数的增加而减少。吴宝川等［54］研究了冻结时间、冻结温度、融化时间和融化温度对热泵干燥罗非鱼片的影响，并对其进行响应面优化。结果表明，合适的冻融预处理可以有效缩短罗非鱼片热泵干燥时间并提高干制品品质。

已有的关于冻融的研究主要针对冻融处理对物料微观结构（SEM）、肌原纤维蛋白降解（SDS-PAGE电泳）、脂肪氧化（TBARS值）、保水性和剪切力等的影响［55-56］。因此从组织学、蛋白质流变学、脂肪酸、水分移动学以及各指标之间的相关性等方面研究物料在冻融过程中生物化学和物理化学的变化，了解物料在冻融处理过程中的品质变化规律，为保证食品品质提供重要理论依据。

7组合预处理

针对干燥的预处理方法较多，其作用原理也有所不同，可以适当地将预处理方法进行组合，采用优势互补，使食品干燥速率增加的同时并提高干制品的品质，保持食品的营养成分。

微波、超声波和高压脉冲电场作用使细胞形成微孔道，通透性增加，一方面可以使水分快速脱除，另一方面可促进渗透液渗入到细胞组织中。既提高干燥速率又可以改善物料的品质。江涛等［57］采用微波预处理巨尾桉木材，以吸水增重率和干燥失重率来评价渗透性，结果表明，微波处理可改善木材的渗透性。M. Nowacka等［58］用扫描电镜法和核磁共振法分析经渗透和超声波预处理干燥奇异果的微观结构和水分状态的变化，结果表明，渗透脱水前超声波预处理可使细胞形成微观通道且细胞的平均横截面积增大，超声波预处理10 min以上可以促进渗透时的传质过程。A. Janositz等［51］研究发现高压脉冲电场预处理土豆片或土豆条后，细胞内液体流失，盐吸收量增加，另外，高压脉冲电场处理可使还原糖和双糖减少，减缓美拉德反应；在油炸过程中可使脂肪吸收量减少，有望在不用包衣和热处理的前提下生产低脂肪炸薯片。此外，真空冷却前也可以采用微波、超声波和高压脉冲电场处理，Liana等［59］研究表明，物料孔径的增大有利于蒸气扩散，从而增加冷却速率，但孔径应适当，否则质量损失较大。冻融预处理可以与微波、超声波以及高压脉冲电场一起作用于物料，使物料形成较多的微孔结构。苑华宁等［60］将反复冻融法和超声波相结合来破碎啤酒酵母细胞壁，研究协同作用对破壁率的影响。结果表明，在一定条件下，协同作用破壁率达到了89.31%，是反复冻融单独作用的2.4倍，是超声波单独作用的1.5倍。

8结束语

在日益发达的社会，快速简便且营养丰富的食品受到人们的青睐。冻干食品能够最大限度的保持食品的营养，如果能较好地结合上述预处理方法来降低冻干的成本以及进一步改善食品的品质，将有望大大扩大其应用范围。但不同食品因其自身成分的复杂和多样，适用的预处理方法会有所不同。针对不同食品，开发研究不同预处理方法及其组合来优化冻干过程，使匹配的预处理方法能显著缩短干燥时间，且最大限度保持冻干产品品质仍然是优化冻干工艺的一个重要的研究方向。

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The Analysis of Pretreatment Methods Applied in the Freeze-dried Food

WU Yang-yang1，LI Min2，*，GUAN Zhi-qiang2，ZHANG Ke1
（1.College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety，Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution，Zhanjiang 524088，Guangdong，China；2.College of Engineer，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，Guangdong，China）

In terms of the quality of dried products，vacuum freeze drying is superior to other drying methods. But the application scope and scale of freeze-drying are limited because of its large energy consumption.Drying pretreatment can effectively improve the heat and mass transfer，reduce energy consumption.This article described the application status of pretreatment methods in the freeze-dried food.The principles of osmosis，microwave，ultrasound，vacuum cooling，high pulsed electric field，freeze-thaw pretreatment methods were analyzed comprehensively.A theoretical basis for the selection of pretreatment methods suited for different food materials and theoretical guidance to improve lyophilization process were proposed.

pretreatment；osmosis；microwave；ultrasound；vacuum cooling；high pulsed electric field；freeze-thaw

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.09.038

2014-06-18

广东省科技厅资助项目（2013B020312007）；广东海洋大学自然科学基金资助（1312450）

吴阳阳（1989—），女（汉），硕士生，研究方向：水产品加工及贮藏及工程领域。

*通信作者：李敏（1967—），女（汉），副教授，硕士，研究方向：食品冷冻冷藏及干燥贮藏相关领域的研究。