[科普中国]-冷冻浓缩

定义

冷冻浓缩是近年来发展迅速的一种浓缩方式，是在常压下利用稀溶液与冰在冰点以下固液相平衡关系来实现的，由于在低温常压下操作，具有可阻止不良化学变化和生物化学变化及风味、香气和营养损失小等优点。1

原理冷冻浓缩是在常压下，利用稀溶液与冰在冰点以下固液相平衡关系来实现的，就是将溶液中的水分子凝固成冰晶体，用机械手段将冰去除，从而减少了溶液中的溶剂水，提高溶液浓度，使溶液得到浓缩。1

优点冷冻浓缩是在溶液冰点以下的低温进行操作，没有经过加热处理，避免了物料中成分的热分解，以及芳香物质的挥发，食品原有品质和风味得到充分保存。此外，整个加工操作均在低温下实现，低温也抑制微生物的增殖，降低微生物带来的污染风险。含有多种溶质的溶液冷冻浓缩时，去除的仅是水分，不会引起其他组成成分的变化。对于能耗，从理论上分析可知，冷冻浓缩远低于蒸发浓缩，具有广阔的工业应用前景。2

研究现状自上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来，人类对冷冻浓缩技术的研究已有 较长的历史。荷兰Eind-hoven大学Thijssen等人在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶，并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型，从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。依此制造的Grenco冷冻浓缩设备在食品工业中用于果汁、葡萄酒、乳制品等的浓缩，得到了高质量的产品。随着众多学者的深入研究及实验设备的不断改进，近年来有关冷冻浓缩技术的研究成果时常见诸报道。2

方法悬浮结晶冷冻浓缩法悬浮结晶冷冻浓缩法是一种不断排除在母液中悬浮的自由小冰晶，使母液浓度增加而实现浓缩的方法。现已在生产中运用，其优点是能够迅速形成结晶的冰晶且浓缩终点比较大，但由于种晶生成、结晶成长、固液分离三个过程要在不同装置中完成，系统复杂，设备投资大、操作成本高。且迄今为止的报道显示，悬浮结晶法所能形成的最大冰晶直径仅为毫米级，小冰晶给分离造成的困难未能从根本上得到解决。

渐进冷冻浓缩法渐进冷冻浓缩法是一种随着冰层在冷却面的生成和成长，固液界面附近的溶质被排除到液相侧，导致液相中溶质质量浓度逐渐升高的浓缩方法。最大的特点是形成一个整体的冰结晶，固液界面小，使母液与冰晶的分离非常容易。同时，由于冰结晶的生成、成长，与母液的分离及脱冰操作均在同一个装置中完成，具有良好的浓缩效果且装置简单，可以大幅度降低操作成本与初期投资。目前在很多行业都是研究热点，有广阔的发展前景。2

应用果汁行业冷冻浓缩在果汁行业的应用最广，国内外都有相当多该方面的报道。我国是生产甘蔗的大国，将糖蔗改种果蔗并加工成甘蔗汁既解决了甘蔗的销路，又满足了人们对果汁日益增长的需要。甘蔗汁的热敏性很强，对其进行普通的蒸发浓缩极容易使甘蔗汁焦糖化，丧失其特有的风味。而冷冻浓缩后的甘蔗汁品质稳定，除了在颜色、气味、甜味方面感觉更加浓重外，其它基本保持了冷冻浓缩前甘蔗汁的原有风味。另外，应用渐进冷冻浓缩原理对苹果汁冷冻浓缩特性进行研究，发现渐进浓缩法对苹果汁浓缩效果良好，很好地保留了果汁中挥发性物质的香气成分，苹果汁中酸度和维生素C含量无影响，浓缩产品感官质量均匀一致，保持了果汁的原有风味，浓缩效果比冷冻干燥包括在内的任何其他浓缩技术都要好。3

酿酒行业冷冻浓缩的优势尤其可用于酿酒产业，该技术可在除去冰晶的同时除去形成混浊的多酚、丹宁酸等物质，从而减少啤酒的贮存容积，特别是对冷冻浓缩后的啤酒采用混合水技术可以完全恢复到原来的啤酒。另外，通过对葡萄酒进行冷冻分离实验，发现酒精和还原糖比较易于利用冷冻法在液相中进行浓缩分离，通过冷冻浓缩技术改善了干白葡萄酒的品质，并且可以较好地保持葡萄汁的品质、香气和营养成分，提高葡萄汁含糖量，使滴定酸含量增加接近1倍，但果汁的pH值变化不明显。

乳制品行业美国乳品研究基金会（DRF）、美国电力研究院（EPRI）、 美国能源部（USDE）和荷兰 GRENCO 公司联合进行了牛乳制品冷冻浓缩的研究，使用去水量约360kg/h的二级结晶冷冻浓缩中试装置，浓缩包括全牛乳、去脂牛乳、甜乳清、酸乳清、乳清蛋白浓缩物和乳清透过物在内的 6种牛乳制品，取得了良好的效果。该研究还发现，冷冻浓缩的同时，乳糖也能结晶分离出来，由此可生产低乳糖产品。2

茶叶行业冷冻浓缩在茶饮料的浓缩方面具有很大的应用价值，可以使茶饮料中含有的营养成分与风味 物质等得到最大限度的保护。目前，冷冻浓缩在茶叶方面的研究应用，国内还比较少。目前研究发现发现冷冻浓缩引起的茶多酚损失与冷冻温度及结冰速率有关，冷冻温度高于-8℃及结冰速率小于213kg/ h·m，则茶多酚损失小于7%。4

制药业冷冻浓缩已发展应用到制药工业，因此它为开发新产品和改良品种大开方便之门，并且通过其高效的加工节省了能源。冷冻浓缩工艺代替真空蒸发浓缩可免去某些口服液制造过程中的醇沉工序，从而改善口服液的口感。此外，由木聚糖酶解所得到的低聚木糖溶液常常需要脱水浓缩，如采用真空蒸发浓缩，可能导致低聚木糖在加热管表面结焦变性，降低产品的质量。而通过研究低聚木糖溶液冷冻浓缩时的冰晶生长动力学以及悬浮结晶法冷冻浓缩低聚木糖溶液过程中各因素对低聚木糖在固液两相中分配的影响，可以为低聚木糖冷冻浓缩过程的开发利用提供了理论依据。4

环保冷冻浓缩法可以使海水脱盐，利用海水制备纯水，还能处理污水和废水，整体的冰结晶又是 很好的蓄冷、降温用冷源，对于保护环境、促进资源的再利用都有重大的意义。对比反渗透法和冷冻浓缩法在从废水中去除戊酸中的应用，结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的5 倍，但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。另外，用冷冻浓缩处理大豆乳清废水，可以较大程度地降低其COD值，又可以使乳清废水中乳清蛋白、大豆低聚糖 及大豆异黄酮的最高浓缩倍数分别达到乳清原液浓度的数倍。3