凍幹速率和乾燥能耗決定著食品中應用真空冷凍乾燥技術的成本問題,通常情況下,物料的乾燥速率和能耗有直接關係,乾燥速率越快,耗時越短,耗能則越低。高能耗問題仍然是真空冷凍乾燥技術在食品中應用的瓶頸問題,目前,通過工藝優化的方法來提高食品乾燥速率、降低能耗的方法主要有以下幾種。

1、控制適宜的預凍速度
對食品原料的預凍是冷凍乾燥工藝的前提步驟,研究表明,快速預凍和慢速預凍對食品物料所需要的凍幹時間有顯著影響,快速預凍要比慢速預凍所需要的凍幹時間長,這是由於食品進行快速預凍時產生的冰晶小,緻密的冰晶對於冰的升華起阻礙作用,而在慢速預凍時,食品中形成的冰晶大,冰晶之間具有較大縫隙,能夠促進冰升華,但是冰晶越大對凍乾產品品質影響也越大,特別是對一些生物製品進行凍幹時,慢速預凍產生的大冰晶會破環細胞結構,如果對終產品要求不高,可以考慮通過慢速預凍來提高凍幹速率。
2、調整液態食品的濃度或改變固態食品的形狀
液態食品的凍幹,需要充分考慮溶液的濃度,如果濃度過高,則不利於水分的升華,如果濃度太低,雖然利於升華,但因含水多,則會耗時耗能造成浪費。朱虹等證明了膠原在濃度為1g/60mL時,膠原膜製備簡單且穩定性好;王旭等研究了棗漿的冷凍乾燥工藝,結果顯示棗漿的濃度在20%時最適宜。應用凍幹技術進行液態食品乾燥時,要充分衡量能耗與產品質量的關係,探索優化最佳凍幹濃度,進而提高凍幹速率。
固態食品進行凍幹時,切片、粉碎是增大傳熱面積、提高凍幹速率的最佳方法。例如,彭幫柱等將獼猴桃進行切片凍幹可以提高凍幹速率;柳青等通過優化發現雙孢菇切片厚度4mm時,產品形、色、鮮、香等性狀良好,凍幹時間顯著縮短。目前市售的凍乾產品如凍幹蘋果片、凍乾草莓片、凍幹檸檬片等,都採取了切片的方法。但是如果對固態食品形狀要求嚴格,可以考慮對食品物料進行穿刺處理,通過穿刺孔通透性來增加傳質,提高凍幹速率。
3、控制食品原料裝盤量和厚度
不同型號凍幹機冷阱均有最大的捕水能力,如果裝盤物料的水分超過了最大捕水量,就會造成產品不能達到一定的乾燥程度,導致乾燥失敗;如果裝盤物料過少,雖然會提高凍幹速率,但會造成空間浪費,增加了產品成本。因此,在凍幹前要根據冷阱的捕水能力,確定放入合適量的食品原料。在冷凍乾燥裝盤時,控制適當的物料厚度,可降低傳熱、傳質阻力,提高幹燥速率;張光傑等確定了真空冷凍乾燥生薑粉最佳物料厚度2mm,產品得率、含水量及感官性能較好。在實際生產過程中,如果物料厚度太薄,裝盤量就會自然減小,凍幹速率提高同時卻增加了單位凍乾產品的成本,因此,並非物料的厚度越小越好,單位面積裝載的食品原料,需要綜合考慮原料裝盤量對乾燥速率和成本,根據冷阱捕水能力、物料性質、加熱方式以及乾燥效率等而定。
4、設定適當的真空度
維持冷凍乾燥時真空度的耗能約佔凍幹總耗能的26%,真空度越低,有利於能量傳遞,但卻增加了水汽擴散阻力從而耗能。實際凍幹過程中,每種食品原料都存在一個最佳的真空度,因此可以使能耗降到最低。郭樹國等在研究黃瓜真空冷凍乾燥工藝發現真空度為60Pa比在50Pa和70Pa的效果都好,因此在升華乾燥階段要根據冷阱溫度優化最佳的真空度;凍幹機的真空度受阱溫度和真空泵性能決定,在升華乾燥階段,一般冷阱溫度越低、真空度越高可促進水汽凝結,提高凍幹速率,但高真空度對真空泵有特殊的要求,真空度過高,會增加維持真空能耗;當凍幹工藝處於在解析乾燥階段則應逐漸降低乾燥室的真空度,來促進傳熱和傳質,達到降低凍幹能耗的目的。

5、控制隔板加熱溫度
目前,大部分的真空冷凍乾燥設備都安裝了隔板加熱裝置,以提高物料升華所需要能量,段江蓮等在研究梨棗凍幹工藝時發現,擱板溫度每提高10 ℃,凍幹時間就會縮短2.0h,可見提高擱板溫度,可提高幹燥速率。對擱板溫度的控制包括控制凍結層和已幹層的溫度,對於凍結層的溫度應首先保證低於共融點前提下越高越好;對於已幹層的溫度,在不出現因溫度升高造成產品塌陷或變性現象的前提下,儘量採用較高的隔板溫度,在解析乾燥階段,應密切注意產品溫度和隔板溫度差別,保持隔板溫度高於樣品溫度5 ℃左右,同時對於小型凍幹機要設法降低控制熱量輻射的影響,擱板溫度要緩慢升高,但一般不高於70℃,對於一些活性生物製品則應當一直維持更低的隔板溫度。
