冷冻干燥是如何工作的?(制作冻干背包食品的物理学)

简介

保存食物是人类阻止时间的另一种尝试。或者至少慢一点。

时间是由衰变定义的。水和氧气使食物腐烂。液态水为微生物提供了降解复杂食物分子的介质。细菌将食物分解成生长更多微生物所需的基石，实现每个细胞的梦想(即变成两个细胞)。氧窃取电子变成二氧化碳和水。水和氧气合在一起或分开，会把美味的食物变成无用的糊状物和灰烬。反正对我们毫无价值。

热辅助脱水去除水分，导致产品(特别是在远离氧气的情况下)可以持续几个月甚至几年。但是，在氧气的存在下加热食物6到18小时，不可避免地会导致一些味道和营养的损失。此外，当液态水从动植物组织中除去时，这些组织就会塌陷。其结果是产品可能像皮革一样，很难补水。人们发明了几种帮助补水的方法，比如在炒鸡蛋里加玉米粥，或者在碎牛肉里加面包屑。然而，它们增加了食物制备过程的时间和复杂性，只能部分成功。

这就是冷冻干燥的原因。冷冻干燥可以保留食物的味道、营养和质地，这些都是背包食品的好特性。这篇文章探讨了冷冻干燥的物理学，并以一个哈希棕色的食谱结束。

一个收获正确的冷冻干燥机在本系列文章的所有食谱和实验中都有使用。

冷冻干燥的物理学

冷冻干燥通过去除食物脱水过程中的氧气来保存营养和味道。此外，当食物脱水时，它通过将食物冷却到它们的坍塌温度以下来解决坍塌问题(听起来就是这样，高于这个温度食物就会坍塌)。然而，低温是不够的。放在冰箱里的食物会脱水(这就是容器内部结霜的原因)，但这需要几周甚至几个月的时间，即使这样，也不能去除多少水分。

冷冻干燥过程的关键组成部分是低压。或者，如果你喜欢，高真空。水在足够低的压力下会直接从固态(冰)蒸发而不融化成液态。下图说明了这一过程的热力学，并比较了水在冻干运行过程中所采取的路径与在热辅助脱水过程中所采取的路径。

红线是相边界，描述了水在不同温度和压力组合下的状态。减压降低了水的沸点。如果压力低于正常大气压的0.01倍，即使接近冰点(0°C)的水也会沸腾。在热辅助脱水(HAD，向右路径，绿色)中，食物中的水在1个大气压(atm)的压力下从室温(20至25°C / 68至77°F)加热到50至65°C(120至160°F)，使其更接近液-气相边界。由于水分子处于能量态分布，单位时间内一定比例的水分子会从液体中蒸发，进入周围的气体环境。当水被抽走时，食物就会坍塌。在HAD过程中，大多数食物都高于其坍塌温度。

典型的冷冻干燥(FD)过程遵循向左的路径(蓝色)。首先，将食物冷冻到远低于其坍塌温度的温度(左箭头)，然后使用真空(向下箭头)。当压力下降时，食物中的水接近冰和蒸汽之间的相变边界，开始脱水过程。水以冰的形式直接蒸发，而不是先融化成水。这个过程叫做升华。¹

虽然在低压下升华可以去除食物中的水分，但这个过程非常缓慢。首先，缓慢加热食物以加速蒸发，尽管保持在冰点以下(左下向右的箭头)。这一过程一直持续到几乎所有的大块水(与其他水分子结合的水分子)蒸发。在这个时候，食物加热后不太可能崩溃。然后，在低压但温度高得多的额外升温循环(中下向右的箭头)蒸发与食物分子结合的水分子。糖和碳水化合物与水的结合特别紧密(这就是为什么在潮湿的天气里，蛋糕会形成储存在食品储藏室里的糖)。冷冻干燥过程中温度和压力的时间过程如下图所示。

冷冻干燥去除食品中90%至95%的水分，而热辅助脱水去除60%至80%的水分。它是在近乎真空的环境中这样做的，从而最大限度地减少氧化损伤，从而保持味道和营养。此外，冷冻干燥会使食物脱水到低于其坍塌温度，使其体积更大。然而，它也不那么坚韧，更容易补水。这通常是一个很好的交易，以换取增加的体积。

像往常一样，冷冻干燥有一些微妙和复杂的地方。快速冻结会形成更大的冰晶。大冰晶使食物的结构膨胀，使冰迅速升华，减少了脱水所需的时间和能量²．然而，大冰晶破坏细胞和亚细胞结构。这种破坏会导致一些食物质地的丧失，并释放破坏食物质量的降解酶。所以慢速冷冻循环通常是首选。的收获正确的冷冻干燥机通常需要6到8个小时才能冷却到目标温度，然后进行真空处理。

并不是所有的食物都适合一般的冻干循环。例如，蓝莓的外层是蜡状的，以干燥缓慢和不均匀而闻名。在冷冻干蓝莓的商业制备过程中，二氧化碳激光甚至被用来在浆果皮上制造微穿孔在冷冻干燥。

高糖食物，如糖浆，问题更大。因为糖与水的结合非常紧密，所以在脱水过程中会形成无定形固体。无定形固体也被称为“玻璃”。正如你所想象的，玻璃杯虽然严格来说是液体，但并不容易补水。这个问题将在本系列的后续文章中更深入地探讨。

今天的热力学就讲到这里了。我们来谈谈小道食物吧!

杀手自制薯饼

我喜欢一盘美味的土豆饼，总是点它作为镇站早餐。我很想在路上吃它们，但我对脱水薯饼的实验结果不太好;它们很难再补水，而且一旦补水就会变成糊状。所以，尝试用冷冻干燥机做土豆饼是我优先考虑的事情之一。

你可以用赤褐色土豆做土豆饼，但我更喜欢红土豆。它们更有趣，而且在这里长得更好前山而不是来自爱达荷州的大型块状商业品种。然而，我不能向你保证，自家种的红土豆比商店里买的白土豆味道更好。

就口味而言，土豆几乎是一块空白的画布。加入洋葱(维生素B C和矿物质)、胡萝卜(维生素A, B, C, K，纤维和矿物质)，以及jalapeño辣椒(维生素B C和E)来改善口感和营养。

准备

1. 把土豆、洋葱和胡萝卜一起放在食品加工机里磨碎。
2. 切片并去掉jalapeños的种子。
3. 用厨房毛巾把切碎的根茎蔬菜卷起来，吸收多余的水分。这样煮得更快更脆。
4. 在铸铁煎锅中用中高火融化一些黄油(比看起来合理的多)，加入土豆混合物，然后加入胡椒粉片。加入盐和胡椒粉，每五分钟搅拌一次，让它们均匀地变成棕色(油炸成肉饼不能补水)。
5. 烹饪完成后，让混合物冷却并冷冻干燥。

增加肉

如果你喜欢，可以加香肠。我是用切好的香肠做的，但这不是一个好主意。这些香肠脱水得很差。下次我会把大块的香肠弄碎。

补液

给薯饼补水有点困难，因为我想让它们酥脆。而且，我认为把它们放在锅里煮，并让它们变得完美并不容易。所以，我用了烹饪研习袋相反，只需加一点热水，让它们浸泡。五分钟后，我吃了一顿非常美味的饭。

我不能说薯饼真的很脆，但它们也不是糊状的，而且很好吃。一份美味的早餐，只需要准备燕麦片就可以了，而且味道更好。我以后会经常吃这个。

下次

本系列的下一篇文章将讨论味道和营养的化学成分，并分享一些制作番茄酱和意大利面的想法。到时见。

了解更多关于冷冻干燥背包食品的知识

这篇文章是一个多部分系列的一部分，包括冷冻干燥的原理，背包食品冷冻干燥的实验，以及操作和综述收获正确的冷冻干燥机，是家用冷冻干燥设备的金标准。

• 了解更多冷冻干燥法

浏览我们的推荐欧宝娱乐在线游戏欧宝体育买一反一背包轻装备店-一个产品研究和发现工具，在那里你可以找到会员齿轮评论，齿轮交换(使用的齿轮)清单，以及我们的工作人员和成员推荐的特定产品的更多信息。

齿轮商店:食物制备及包装

参考文献

1.诺瓦克，多洛塔和伊娃·雅库布奇克，2020年。《食品的冷冻干燥——过程过程的特点及其参数对食品材料物理性质的影响》，《食品》第9期，no. 4。10: 1488。https://doi.org/10.3390/foods9101488

2.研究员，P.，(2017)。“冷冻干燥和冷冻浓缩”。食品加工技术:原理与实践(第4版)。肯特:伍德海德出版/爱思唯尔科学。929 - 940页。ISBN 0081005237。OCLC 960758611

相关的

• 搜索:更多关于野外食物的信息
• 浏览主题:更多关于冷冻干燥法
• 成员的问答:观看现场活动的录音如何为背包旅行准备食物
• 研讨会:看背包食品与营养
• 作者:更多的从了史密斯
• 齿轮商店:了解更多有关收获正确的冷冻干燥机