「前篇見 冷凍乾燥技術在食品加工中的理論與應用（上）」
5.2 常壓冷凍乾燥
將待乾燥的產品與特定溫度和低相對溼度的空氣相 接 觸 進 行 常 壓 凍 幹（Atmospheric Freeze Drying, AFD）。
該產品在常壓冷凍乾燥之前會在單獨的冷凍系統中進行冷凍，由於空氣未被水蒸氣飽和，產品中冰表面與空氣間產生壓力梯度，迫使冰升華並擴散到空氣中（圖 5）。
該過程所需的升華能量通常由乾燥空氣提供，由於冰不能在冷凍產品中流動，開始升華時，在冰結構和乾燥劑之間形成乾燥層（見圖 5），乾燥層越來越厚，表明在 AFD 期間不存在恆定乾燥時期。
圖 5 常壓冷凍乾燥的物理a模型
乾燥過程在低於水的三相點壓力和溫度條件下進行，因此適用於熱敏性和易氧化的物料，可抑制微生物繁殖，產品乾燥後，保存時間長。
常壓冷凍乾燥可避免蒸發乾燥時，因水分攜帶的溶液遷移至物料表面而造成表面硬化，可保持食品原有的營養及色、香、味。物料在預凍後，形成穩定的固體骨架，升華乾燥後物料固體骨架基本保持不變，並呈多孔結構，具有速溶性和快速復水性，產品的品質與真空冷凍乾燥基本一致，可節約三分之一左右的能量，但所需時間較長。
與 VFD 相比，AFD 有以下優勢：
①不需要昂貴的真空輔助設備，初始投資成本較低；
②可以設計成高生產率和低運行成本的連續系統；
③熱泵系統和不同工藝溫度升高模式，可減少能量消耗和乾燥時間；
④可以應用諸如 N2或 He 等惰性氣體的乾燥環境，最小化因氧化反應引起的產物降解。
5.2.1 基於吸附固定床的常壓冷凍乾燥
物料的冷凍乾燥速率不完全由乾燥室總氣壓決定，一些外部效應（如邊界層）也可能會影響該過程，尤其會由處於冰溫和水蒸汽形成位置與乾燥介質間的蒸汽壓力變化決定，故可用吸附劑代替真空泵，但乾燥周期太長。
對豌豆進行基於流化床與吸附固定床的常壓凍幹實驗的結果顯示，相對於吸附固定床的常壓凍幹，基於流化床的凍幹時間較長，產品品質較低。
因為常壓凍幹過程主要由水分擴散控制，而流化過程中出現的問題會顯著影響其擴散效率。但傳熱傳質係數（由床層條件決定）僅次要的影響整體乾燥速率，即使這些流化問題得到解決，乾燥速率仍然會受到產品特定擴散效率的限制。
因此得出以下結論：在常壓凍幹工業的應用過程中，採用固定床乾燥，可得到最優的產品質量和乾燥時間。
5.2.2 基於吸附流化床的常壓冷凍乾燥
（1）原理
常壓吸附流化床冷凍乾燥是指將凍結物料浸沒在保持低溫低壓的流化吸附劑中進行乾燥，吸附劑在吸附乾燥過程產生的水分，使待乾物料周圍的水蒸汽分壓始終低於三相點水平，吸附放出的熱量可用於乾燥過程，可確保凍結物料中冰的升華和溼分由物料傳遞到乾燥介質。
（2）設備
流化床冷凍乾燥設備（圖6）主要包括流化床乾燥系統、製冷系統和測量系統及實驗物料等部分。
內筒底部插有布風板，再生後的吸附劑置於床體底部，待幹的粒狀物料完全浸沒在吸附劑中，將一定流速的冷空氣鼓入風機中進行流化乾燥，乾燥室頂部為有機玻璃製成的透明蓋，可以隨時觀察床內的流化乾燥情況。
測試設備包括測量溫度的銅-康銅熱電偶和標準水銀溫度計、測量物料質量變化的電子秤、測量風速的熱線風速儀和測壓的畢託管等。
圖 6 流化床冷凍乾燥實驗裝置圖
（3）優缺點
流化床冷凍乾燥技術具有簡單、節能等特點，凍乾產品品質與真空冷凍乾燥接近。
在吸附式流化床中，吸附劑起著傳熱介質、水汽吸收載體以及熱源等多重作用，可直接由吸附劑吸收介質中的水蒸汽降低蒸汽分壓力，不需要降低總壓力，所以不需要真空設備。
同時不需要「冷阱捕捉水蒸氣，」只需保證在乾燥過程中溫度不超過物料的玻璃化轉變溫度，有利於降低電耗。
流化床冷凍乾燥的製冷系統可使流化床處於較低溫度，以保證熱敏性物料的正常乾燥。
（4）在食品中的應用
對土豆的吸附劑流化床常壓凍幹試驗的研究發現，對流熱質傳遞的存在，使得吸附劑流化床常壓冷凍比真空冷凍乾燥具有更高的熱質傳遞係數，流化床冷凍乾燥裝置沒有真空室及其附屬裝置，節能顯著。
5.2.3 噴霧冷凍乾燥
（1）原理
霧化過程可將溶液分解成無數小液滴，以得到較高比表面積，減少待乾燥材料的尺寸是噴霧冷凍乾燥（Spray freeze-drying, SFD）技術的基礎，通過縮短傳統凍幹工藝的乾燥時間來降低操作成本。
SFD 有三步過程：
①霧化——使用不同類型的噴嘴霧化進料溶液，減小材料的尺寸；
②冷凍——霧化的細小液滴與低溫液體接觸冷凍，形成均勻的細小冰晶；
③冷凍乾燥——在低溫和低壓條件下升華。
（2）設備
圖 7 是一個新型的噴霧凍幹設備，它由信息採集系統、
液體輸送系統以及噴霧系統組成，由輸送系統輸送液體物料到噴霧系統中進行噴霧處理，形成無數細小液滴，再將照相機採集的原始信息傳輸至PC端分析控制脈衝發生器，以達到對噴霧環節的良好調節，再將噴霧處理後的液滴群轉移至冷凍乾燥箱內進行常規的凍幹處理。
圖 7 SFD 實驗裝置
（3）優缺點
SFD 工藝在低溫下進行，可用於乾燥熱敏性材料，並且與傳統凍幹相比，其操作時間更短，成本更低。
此外，該技術可增強的物料溶解度並獲得超細的均勻顆粒，較低的液體物料溫度的和較大的比表面積可增加熱質傳遞係數，因此霧化能夠加快冷凍過程。
5.2.4 基於熱泵原理的常壓冷凍乾燥
將乾燥系統與熱泵系統相結合更能實現能量回收，從而減少能耗，並能控制乾燥溫度和空氣溼度，結合不同的工藝溫度升高模式，有效減少乾燥時間。熱泵除溼乾燥機還可以採用適當的方式回收和處理蒸發器中的冷凝物，可以回收冷凝物中有價值的揮發物，且乾燥不依賴於環境條件。
圖 8 為熱泵輔助的凍幹實驗設備的工作原理圖，凍干係統選擇基於吸附流化床的常壓凍幹方法，熱泵系統回收處理凍幹過程中流通的乾燥空氣，使其循環利用，在熱泵系統中，利用乙二醇的強吸水性回收乾燥後的空氣，重新恢復其乾燥能力，並再次輸送至凍干係統，使用後的乙二醇在熱泵系統中進行熱量交換及壓縮處理，以再次降低乙二醇自身的溫度及含水量，並再次對凍干係統中的乾燥空氣進行回收處理。
圖 8 熱泵輔助 AFD 實驗原理圖
將熱泵系統與凍幹技術結合處理南極蝦的實驗表明，與單獨的熱泵乾燥、熱風乾燥與冷凍乾燥進行了相比，聯合脫水乾燥的南極蝦具有良好的顏色和微觀結構，優於單獨的熱泵和熱風乾燥樣品，最重要的是它可以節省約 62%的乾燥時間和 50% 的能量。
5.3 微波輔助冷凍乾燥
5.3.1 基本原理
微 波 輔 助 幹 燥（Microwave-assisted freeze-drying, MFD）是一種傳統的冷凍乾燥方法，它在乾燥室中加入了微波處理，整個乾燥過程在真空或常壓條件下進行，物料通過水分升華進行乾燥。
研究表明，MFD 產品的質量與傳統的冷凍乾燥產品相似，其基本原理與傳統的冷凍乾燥相似，在 MFD 系統中基質材料是從外部開始逐層乾燥。
在微波輔助冷凍乾燥過程中模擬傳熱傳質過程，有助於預測乾燥過程和優化乾燥參數，微波輔助冷凍乾燥的數學模型如圖 9 所示。該模型考慮了以下假設：冰在蒸汽升華和擴散過程中均勻收縮，並且材料中的微波場均勻分布，一些研究報告顯示該模型通常用於模擬微波輔助冷凍乾燥過程。
圖 9 微波輔助冷凍乾燥的數學模型
5.3.2 乾燥設備
利用微波輔助常壓冷凍乾燥設備（圖 10）對豌豆進行凍幹處理，用鋼網密封該設備的空氣入口和出口，所有內部電纜都用金屬帶覆蓋，通過這種預防措施，可將乾燥室外的微波輻射減少到每米 6 伏以下。
圖 10 微波輔助常壓冷凍乾燥的雙壁乾燥室
乾燥室本身由 5mm有機玻璃組成，直徑為 200mm，高度為 300mm。它的底部和頂部都有一個帶有 1mm 孔的薄板。根據產品和床的狀況（流化床或固定床），腔室的容量為 1-2 kg 溼產品。通過特定時間間隔（每 20-30 分鐘）中斷乾燥過程，以手動確定乾燥產品的重量。
5.3.3 優缺點
MFD 技術與傳統的長真空容器和巨大的產品負載的凍幹相比，佔地更小，能源效率更高，質量更好。
MFD可以通過以下方式縮短凍幹時間：
①通過不同含水量自動調節微波能量的吸收水平；
②可選擇的對物料內部加熱（微波聚焦效應）；
③能量在整個材料中快速擴散；
④在速率下降期間提高幹燥效率並節省總能量。
由於存在等離子體放電的問題，使 MFD 難以在工業中應用。
當真空室中的電場強度高於閾值時，存在於真空室中的殘餘氣體的電離會誘導紫外光的出現，從而會破壞產品表面，這種現象會導致能量的巨大損失和材料幹區的過度加熱，從而嚴重損壞產品形態及質量。
5.3.4 在食品中的應用
MFD 適用於中等價值的產品乾燥，如水果和蔬菜，與傳統的冷凍乾燥方法相比，MFD 可使乾燥時間縮短50-75%，能夠更好的保留產品中的易揮發物質。
利用一種實驗室規模的微波冷凍乾燥機乾燥牛肉片的實驗表明，隨著電場強度的增加，乾燥速率明顯提高。與傳統的凍乾產品相比，MFD 處理後的牛肉和蜂王漿可保持良好的產品形態和再水化能力，且乾燥時間縮短一半。
5.4 超聲輔助冷凍乾燥
圖 11是一種新型超聲輔助冷凍乾燥的實驗室用設備，該冷凍乾燥器配備有超聲系統，以使接觸式超聲波應用於整個乾燥過程。
圖 11 實驗室規模的接觸式超聲輔助冷凍乾燥系統
1 超聲波處理器 , 2 超聲波探頭 , 3 抗振動法蘭 , 4 腈綸蓋 , 5 超聲乾燥篩網 , 6 熱電偶 , 7 乾燥室 , 8 機架 , 9 冷凍乾燥機 , 10 出水口 , 11 真空調節旋鈕 , 12 真空管 ,13 顯示屏
超聲系統由一個超聲波處理器和兩個超聲波發生器組成，通過鈦螺紋螺栓連接到實心型不鏽鋼環，將具有 500μm 孔徑的不鏽鋼篩網（用作樣品保持和聲音傳輸表面）焊接在環上，與託盤相比，篩網更具優勢。
增大產品水分升華的表面積，可將更大比例的產品表面用於升華，超聲處理器由可調幅度水平的超聲發生器驅動，在超聲波發生器和篩網框架接觸點激發振幅，通過雷射幹涉測量法測量。
通過此方法對甜椒的凍幹實驗表示，超聲處理減少了11.5% 達到最終水分含量（10%）所需的乾燥時間，對體積密度、顏色、抗壞血酸含量和再水化特性的影響較小。
超聲波存在時，冰在較高的溫度下初級成核，利用超聲輔助促進胡蘿蔔冷凍結晶成核的研究表明，直接接觸超聲可刺激較低過冷度的胡蘿蔔片成核，獲得較大的冰晶。
與對照樣品相比，樣品超聲結晶的升華時間減少 21.80%，因此直接接觸超聲輔助凍幹法可用於固體樣品冷凍乾燥。
6. 結論及展望
由於冷凍乾燥技術的運行成本高而沒有廣泛應用於食品工業，雖然許多實驗研究了各種食品材料的冷凍乾燥，但大多數研究都集中在產品質量的控制和優化上。
迄今為止，還沒有新方法大幅降低冷凍乾燥在工業規模中的能耗，但一些用於降低能耗的新型升華技術引起了工業界的廣泛關注，部分可能會取代傳統的冷凍乾燥方法。
與冷凍乾燥相比，AFD 可以獲得相似的產品質量，大大降低能耗，但同時需要更長的乾燥時間；MFD 也可以大幅縮短乾燥時間並節省能源消耗，只要控制好乾燥參數，MFD 就可以得到與常規冷凍乾燥相同的產品質量。
冷凍乾燥技術的未來研究領域：
（1）在冷凍乾燥過程中尋找食品材料微觀結構或多孔結構的形成機制，用於控制升華前處理以獲得各種凍乾產品。
（2）通過磁力作用開發可移動的材料託盤，以改善微波冷凍乾燥材料溫度的均勻分布。
（3）開發有效的冷卻和除溼技術，加入選擇性吸附劑或多種熱模式，以加速 AFD 過程。
（4）縮小實驗室研究與工業應用之間的差距，將MFD 和 AFD 從實驗室規模系統擴展到工業規模。