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冻干机板层降温速率的影响

更新日期:2026-01-21 18:58:48
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冻干糖果和冻干巧克力在国内的出镜率越加频繁,这不禁让小编心生疑问:它们在海外的火爆,能顺利复制到中国市场吗?会不会遇到“水土不服”的难题?

—01—冻干食品:当代年轻人新宠

撕开精致的小包装,拿出一粒粒色彩鲜艳的冻干水果,放入嘴里,口感爽脆香甜,像这样的冻干食品,越来越受年轻人的喜爱。

当代年轻人新宠

作为现代食品加工技术的代表,冻干工艺通过在低温低压环境下升华食材水分,最大限度保留果蔬的天然营养成分与原始风味。它不仅重构了食物的口感,也拓宽了便捷与健康并存的可能性。有电商统计显示,近三年来冻干类食品销售额增幅超过300%,市场热度持续攀升。

“现在选零食,健康是第一标准。”一位消费者的心声道出了市场趋势。

据业内人士分析,相较于烘焙、油炸等传统加工食品,冻干食品无需添加过多防腐剂,既能即食又可复水食用,兼顾便捷性与营养性。这种“轻加工、高保留”的特性,恰好契合了当代人对健康饮食的追求。

而在这片蓬勃发展的市场蓝海中,冻干糖果巧克力这一新兴品类正悄然崛起,有望成为下一个引爆市场的增长点。

—0/火爆海外:冻干糖果成为流量密码

什么是冻干糖果?冻干巧克力?

简单来说,冻干糖果巧克力就是将传统糖果、巧克力等放入冻干机,通过低温真空环境去除水分,最终形成水分含量极低、口感酥脆的新型零食。正是由于极低的水分活度,这类糖果巧克力不仅保质期更长,还摆脱了譬如传统软糖“黏牙”的痛点,变得更轻、更脆,咬下去的脆响和入口后的风味释放,成了它最独特的记忆点。

当代年轻人新宠

冻干糖果的爆火,最早可以追溯到2023年。美国新锐品牌Sow Good凭借冻干糖果、冻干冰淇淋三明治等产品,在社交媒体上迅速走红,将“冻干糖果”的概念推向大众。

数据的说服力更为直观。

根据Echotik(TikTok美国市场专业的电商数据平台)的调查,截至2024年,一家名为Candeeze的冻干糖果专营小店,其预估GMV高达19.92万美元,自在TikTok开通美国小店以来,总销量达8.44万件,总销售额逼近百万美元。

如今的海外市场对冻干糖更加爱不释手,流量爆棚。在海外的社交平台TikTok上,

当代年轻人新宠

用户自发成为“产品体验官”,他们上传视频,将普通的软糖、巧克力放入家用冻干机,记录下它们从柔软变为酥脆的全过程。这种充满科技感与趣味性的内容,极易引发跟风创作,形成了病毒式传播。

对于吃播博主而言,测评经过冻干处理的经典糖果,几乎成了获取高互动率的“流量密码”。

为什么必备家用冻干机?

拥有一台家用冻干机在现代家庭中变得越来越重要,这主要得益于其能够提供健康、便捷的食物保存方式。以下是一些必备家用型冻干机的原因:

1、食物保鲜与营养保留

通过冷冻干燥技术,家用型冻干机可以有效延长食品的保质期,同时保留食物的营养成分、口感和颜色。这对于注重健康饮食的家庭来说尤为重要。

为什么必备家用冻干机

2、健康饮食的保障

随着人们对食品安全和营养价值的关注日益增加,家用型冻干机提供了一种无添加、环保且能最大限度保留食物营养成分的方式。这对于喜欢自己动手制作食物、注重健康饮食的人来说尤为适合。

为什么必备家用冻干机

3、便捷存储与携带

冻干食品轻便易携带,适合旅行、露营和户外活动等场合。这使得家用型冻干机成为现代家庭的理想选择。

冷冻干燥就是一个去水分的升华过程,因此,物理学定义,水必须要先进行冷冻成为固态,而在冷冻干燥过程中,当含有溶质的产品在初级干燥阶段超过一定温度时,通常会发生塌陷,这个温度就是属于特定于产品的关键温度,如果我不知道这个关键温度,那么很难确定冻干周期中所须使用的理想板层温度和工作压力。

此外还注意到,即使组分正确的冻干产品在初次干燥没有出现塌陷,也有可能出现影响二次干燥的效果,即产品相关水的解析。还可注意到,在崩塌的情况下,由美拉德反应(Maillard reactions)引起的冻干物轻微着色,比如说产品轻微焦糖化,这显然也是不可取的。
在理解冻干工艺时,以及探索分析引起产品外观缺陷的原因前,首先要了解3个基本的关键温度定义:
  • 共晶点温度TEU
  • 玻璃态转化温度Tg' 塌陷温度TC
     
 
TEU仅体现于晶形产品,而Tg'表征了无定形(非晶形)产品。常注意到,很多人将“共晶点温度”一词用来表达冻干工艺中的关键临界温度;但根据经验,在大多数情况下,在实验室分析100种产品中,可能只有一种显示结晶特性(概率而言),因此这种语言表达显然不够准确。概率角度讲我们不如默认是Tg',即玻璃态转化温度是更常见的关键温度,而非共晶点温度。
没有必要精确地知道晶体和非晶体之间的区别。用一个形象比喻来说,如果我收到一组堆叠整齐的砖块,那么就是晶形;但我把砖随便倒在花园里,即使每一块砖都保持独立形状,但它们的组合也是无定形(非晶形)的。

简述冻干工艺的关键温度

如果产品是结晶的,那么就会有TEU,如果产品的温度在初次干燥过程中超过TEU,我们将称为共晶熔化eutectic melting, 如同搭建的“砖墙”将突然倒塌。而现实中,瓶子里的产品更像锅里的焦糖,可能在灌装液面的容器边缘出现滴沫,这是周期过程中部分沸腾的迹象。

简述冻干工艺的关键温度

如果产品是无定形的(最常见的情况),那么则会有Tg',其将涉及到粘性流动viscous flow。即产品会随着温度的升高而软化,就像一块正在拉伸的造型粘土一样;它将逐渐伸展,直到可能断裂。例如,产品会出现冻干饼直径的非常规收缩。

由此可见,如同定义粘土何时开始软化拉伸一样,定义Tg' 不像测量共晶点温度那样,其可能会根据测量方法和设备的选择,而出现轻微范围内的变化。但无论如何界定,如果产品有崩塌,必然发生在Tg'值之后。即粘土的结构阻力已无法继续维持整体形态,断裂才会出现。因此在分析确定Tg'的同时,应获得Tc 的相关信息,而崩塌温度Tc,其必然等于或高于Tg',这对确定初次干燥时板层的最高允许温度有重要帮助。

预冻步骤Freezing 通常是冻干机开始冷冻干燥周期的第一个“工艺”步骤,在这个过程中,制品被降温冷冻,从而将产品中的溶液从液态转化为固态,为后期的升华干燥创造初始条件。对于预冻步骤有两个目标会被考虑,即(阶段/最终)目标温度和到达此目标温度的时间,而二者可以转化为预冻速率。

冻干机板层降温速率的影响

而预冻之所以关键,不仅是由于预冻需要实现制品从液态转变固态的关键温度的过冷,而且抛开一些不可控的因素,其速度及过冷程度还可能会影响到冰晶的形态,而冰晶形态又会影响一次干燥,乃至产品的质量。

冰晶形态

很多“教科级”资料都会提到,快速冷却 Rapid cooling导致生成“小”冰晶,而缓慢冷却Slow cooling导致形成“大”冰晶。简单的理解就是,快速冷却让水在措手不及的情况下过冷,当反应过来时已被冻上,由于时间紧迫,冰晶无法实现“大团结”,因此冰晶小。冰晶大小决定了干燥固体中空隙的大小,因此小冰晶造成了狭小的水汽升华通道,增加了升华阻力,从而导致需要更长的初级干燥时长来去除结晶水。反之,缓慢冷却带了相反的效果。

产品质量

首先是速率对冰晶形态作用的延伸,冰晶大小会直接影响到比表面积的大小,例如蛋白质溶液,冷冻会产生冰-水界面,蛋白质会被吸附在这个界面上,从而破坏其天然折叠状态。伴随而来的二级和三级结构的损失可导致表面诱导变性。但缓慢冷冻也有可能增加对蛋白质的损害,例如随着水结晶,相分离的可能性增加,而缓慢冷冻提供了足够的时间暴露于高浓度的不同化学物质、pH值变化、相分离。

其次,冷冻可能会因多种原因(例如溶液效应、细胞外结冰、脱水)而损害细胞,但细胞内结冰是最重要的原因,细胞内的冰形成增加了细胞内电解质的浓度,进而影响了可参与稳定细胞内酶天然状态的离子相互作用,通常在高冷却速率下,当细胞不能保持与环境的渗透平衡时,细胞内结冰。细胞内冰晶也许会直接对细胞超微结构造成机械损伤,或者细胞也会受到冰形成引起的体积膨胀的影响。(Wolfe, J. and G. Bryant, Cellular cryobiology: thermodynamic and mechanical effects. International Journal of Refrigeration, 2001; 24(5): 438-450.)

冻干机板层降温速率的影响

很显然,上面提到的冷却速度是基于理想热力条件下,针对制品而言的,并不应该简单地归结于冻干机板层里硅油温度的降温快慢。例如,同样的冻干机板层降温速率,面对不同的制品、不同的盛装形式、不同的灌装/装载量、不同的制品初始温度,所带来的制品本身降温效果也是不同的。

但现实又无法回避,如果制品不是选择离线冷冻设备进行速冻,那么制品温度降低更多是依靠冻干机的板层温度变化来实现、控制。曾有朋友问,很多文章会以1°C/分钟为一个快慢的分界线(这里不讨论这个值的定义是否有道理),但为何很多冻干机的URS中板层降温指标不用速率表示,而用温度区间和时间表示,例如 “从20℃到 -40℃的时间应≤ 60分钟“,”而非“1°C/分钟”。个人理解,首先冻干机的指标多为空载指标,在测试其性能时,无需进行“线性”斜率控制,而是查看设备的性能边界在哪里。而常规制冷系统性能由于受很多因素影响,不是一个线性表现,温度越低速率越慢,所以仅对于空载设备进行性能确认,目的是了解其边界。

因为,设备的性能边界是很重要的,正是因为其极限降温曲线不是线性的,其最差表现将成为“木桶”的短板,影响所能实现的降温曲线斜率;换句话说,如果冻干机板层在实际冻干工艺中,无法在“有需求”的温度范围内保持恒定的冷却速率,则将会给产品冷冻速率带来额外不必要的影响因素。

例如,如果有工艺要求,期望板层以“1°C/分钟”速率线性降至-50°C,那么对于一些常规工业级冻干机来说就是一件有挑战的事情。如果要稳定实现这样要求,就要拓展设备的性能边界,可能需要对冻干设备进行系统配置的变化。

虽然说可控成核技术已经出现了很多年,但未来一定时期内想要全面工业化程度地普及,仍有很长的路要走。因此,从目前行业的现状看,研究和依靠可控的冷冻速度,仍是形成适当冰晶体结构,进行优化升华过程的主要手段。

 
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