根据水的相平衡关系，我们知道，在一定的温度和压力条件下，水的三种相态之间可以相互转化。当水的温度和压力与其二相点温度和压力相等时，水就可以同时表现出三种不同相态。而在压力低于三相点压力时，或在温度低于三相点温度时，改变温度或压力，就可以使冰直接升华成水蒸气，这实际上就是升华干燥的原理。液态水和固态水在不同温度下都具有不同的饱和蒸汽压，如果固态水处在低于其饱和蒸汽压的真空环境下，水分即以升华的方式转移。一般在冷冻干燥时所采用的真空度约为对应温度下冰的饱和蒸汽压的1/4~1/2，例如-40℃干燥时采用的真空度为2.67~6.67Pa。升华时所需要的热量如果由所处理的物料供给，物料的温度降随干燥的过程而降低，以至于冰的饱和蒸汽压过分降低而使升华速度降低，因此在干燥操作中既要向物料供热，又要避免固体物的融化。
冷冻干燥的过程
冷冻干燥包含两个过程，即冻结和升华过程。冻结的目的是使食品具有合适的形状与结构，以利于升华过程的进行。升华过程是食品吸热升华成水蒸气，通过冷凝系统而除去的过程。
1.物料的冻结
原料的冻结可以通过自冻和预冻实现，自冻是利用水分在高度真空下因瞬间蒸发吸收蒸发潜热而使原料的温度降到冰点以下，获得冻结。由于瞬间蒸发会引起原料的变形或发泡甚至飞溅，因此不适合外观形态要求高的原料，一般仅用于干粉末状干制品的冷冻。
预冻法是采用常见的冻结方法如空气冻结法、平板冻结法、浸渍冻结法、挤压膨化冻结法等，预先将食品冻结成一定形状的方法，再进行冻干操作。该法可较好地控制食品的形状及冰晶的状态，因此适合大多数食品的冻结。
冻结过程对食品的冷冻干燥效果会产生一定的影响。当冻结过程较快时，食品内部形成的冰晶较小，冰晶升华后留下的空隙也较小，这将影响内部水蒸气的外逸，从而降低冷冻干燥的速度。但是，由于食品组织所受损伤较轻，所以干制品的质量更好。如果冻结过程较慢则情况与上述相反。不过，冻结过程对食品冷冻干燥效果的影响究竟如何，目前尚存争议。一方面，在许多情形下，决定冷冻干燥速度的因素是传热速度而非水分扩散速度，另一方面冻结速度对冻干制品的质量的影响会因食品种类而异，有很大不同。
2.物料的干燥
食品冻结后即在干燥空内升华干燥。冰晶升华时要吸收升华热，因此，干燥室内有加热装置提供这部分热量。加热的方法有板式加热、红外线加热及微波加热等。实际上冷冻干燥的物料干燥过程包括两个不同的步骤：升华和解析，它可以在同一干燥室内进行，也可以在不同的干燥室内进行。
升华也称初步干燥，是冷冻干燥的主体部分，冻结物料中的水分在真空条件下要达到纯粹的强烈的升华需要注意3个主要的条件：干燥室内的绝对压力、热量供给和物料温度。真空室内的绝对压力应保持低于物料内冰晶体的饱和水蒸气压，保证物料内的水蒸气向外扩散。因此冻结物料温度的最低极限不能低于冰晶体的饱和水蒸气相平衡的温度。热量的提供可来自不同的系统，应用较多的是接触式冷冻干燥设备。装有物料的浅盘位于两块加热板之间，为了保证干燥过程中加热板和物料能始终均匀地相互接触，常用水压系统使加热板可垂直地位移，以便将物料夹紧，加速热的传递。但物料的升华干燥完全在冰晶体表面进行。干燥过程物料内冰层界面不断地移向物料中心，而升华干燥时物料形态固定不变，水分子外逸后留下的是孔隙，形成海绵状多孔性结构。它具有良好的绝热性，不利于热量的传递。因此，冰层界面后移，多孔层的增长不仅进一步降低了传热速率，而且延缓了冰层界面上升华水分子的外逸速率，使干燥速率下降。此时，若能利用远红外线、微波等能直接穿透干燥层到后移的冰层界面上的方法，就能加速热量传递，有效增加总的干燥速率。过度加热会引起物料温度升高，当料温超过冰晶的融化温度使物料融化时，溶液产生自由沸腾，使溶液中挥发性的芳香物质损失增加，容易引起泡沫或充气膨胀，液相沸腾的蒸汽气流带走一些颗粒而造成损失。
当冰晶体全部升华完毕后，升华阶段就完成。但此时物料仍有5%以上被物料吸附没有冻结的水，此时必须用比初期干燥较高的温度和较低的绝对压力才能促使这些水分的转移，使产品的含水量降至能在室温下长期储藏的水平，这就需第二次干燥。
影响二次干燥速率及时间的因素与升华过程相同，即温度和绝对压力。允许的最高温度取决于物料、所需时间及加热系统的状况。温度过高极易造成营养成分的损失、降低产品质量；而温度太低会导致干燥时间增加，加大生产成本。解析所要求的绝对压力低于升华压力，通常在13.3~27Pa，有时甚至更低。
冷冻干燥的特点
冷冻干燥具有许多显著的优点：
整个干燥过程处于低温和基本无氧状态，因此，干制品的色、香、味及各种营养素的保存率较高，非常适合极热敏和极易氧化的食品干燥。
干燥过程对物料物理结构和分子结构破坏极小，能较好保持原有体积及形态，制品具有极佳的速溶性、快速复水性和多孔性结构。
由于冻结对食品中的溶质产生固定作用，因此在冰晶升华后，溶质将留在原处，避免了一般干燥方法中常出现的因溶质迁移造成的表面硬化现象。
冷冻干燥制品的最终水分极低，能够排除95%~99%以上的水分，因此具有极好的储藏稳定性，在有良好包装的情况下储藏期可达2~3年。
冷冻干燥过程所要求的加热温度较低，干燥室通常不必绝热，热损耗少。
冷冻干燥也有明显的缺点，主要是干燥速度慢，成本高，是常规干燥的2~5倍，干制品极易吸潮和氧化，因此对包装有很高的防潮和透氧率的要求。但由于干燥制品的优良品质，仍广泛应用于食品工业。
目前国内使用该法装置的主要部分是一卧式钢质圆筒，配有冰冻、抽气、加热和控制测量系统。干制品要求避光密封，抽空充氮保藏。
二、微波干燥
微波是指频率为300MHz~300kMHz，波长为1m至1mm的高频交流电，是一种电磁波，具有介电感应的加热效应，通过高频电场在空间不断变换方向，是物料中的极性分子随电磁波做高频振动，从而产生热量。常用来加热的微波频率为915MHz和2450MHz。微波干燥具有一系列优点：
1.干燥速度快
将含水量从80%烘干到20%，用热空气干燥需要20h，而用微波干燥仅需2h。如将两者结合起来，即先用热空气干燥到含水20%，再用微波干燥到2%，既可缩短时间，又可降低费用。
2.加热响应快，易于控制
微波加热的时间延迟极短，加热与升温几乎是同时进行的。微波加热时，由于外部水分的蒸发，外部温度会略低于内部温度，从而极大地提高了干燥速率。微波还能降低水分子，尤其是结合水与物料分子间的亲和力，使水分子更容易脱离物料分子而向外扩散。
3.穿透性
微波可以直接穿透物体，因此微波加热不是从外部向内部加热的，而是在被加热物内部直接产生热量来加热，所以尽管被加热物料形状复杂，加热也是均匀的，因此不会引起花卉外焦内湿的现象。
4.选择性加热
不同的物料对微波的吸收程度并不相同，通常物料分子的极性越强，对微波的吸收也就越强。因水分子的极性非常强，会对微波产生强吸收从而产生大量的热。含水量越高，其微波吸收能力就越强。所以当物料进行干燥时，其中的水分对微波的吸收会比干物质大得多，温度就会高很多，很容易蒸发，此时可通风以排除蒸发出的水气，而物料本身对微波吸收量少，保持相对较低的温度，因此能够更好地保持原有的色、香、味，对提高产品质量有好处。
正是这些优点使得微波干燥成为一种很有前途的干燥工艺。目前大部分微波干燥系统都结合了传统的干燥手段，已有的研究表明，微波干燥适用于低速阶段或者水分含量低时来完成干燥，采用强制对流干燥和微波干燥的二段式干燥过程可以在节约能源和时间的同时得到品质更好的产品；微波技术与真空技术相结合，使干燥过程既具有高效率，又具有低温、隔绝氧气的特点，非常适合热敏性物料的干燥。
三、远红外干燥
红外干燥技术是基于水分吸收红外辐射的特性所开发的一种干燥工艺。它是利用红外辐射元件发出的红外线被加热物体所吸收，直接转变为热能而达到加热干燥。每种物质的分子都是以自己固有的频率在振动，当入射的红外线频率和物质分子的振动频率相同时，该物质就会吸收红外线并产生共振，使物质温度升高。食品中很多成分在3~10μm都有强烈的吸收，而红外线的波长范围是0.75~1000μm，所以通常食品的干燥选择在红外区域进行。
利用红外线辐射技术进行食品干燥的优点是干燥时间短、热效高，终产品品质较好，产品干燥过程中稳定均一，不需要有气流穿过物料。
第五节 花卉干燥实例
一、真空冷冻干燥陈德经
研究发现在真空度为0.06Mbar，温度为零下58℃条件下采用真空冷冻干燥对金银花进行干燥。结果发现干燥后的金银花色泽为褐色，相比其他干燥方法较差，可能原因是干燥后金银花蓬松而易氧化所致；绿原酸含量较其他干燥方法也很低，同样可能是因氧化导致；对金银花所带的微生物影响较小。
兰伟等人研究发现将玫瑰花瓣用20%氯化镁+5g柠檬酸组成的溶液处理5h，再放入1∶1的乙醇+正丁醇溶液中处理1h，用冰箱慢冻4h，液氮速冻5min后采用真空冷冻干燥6h，能够得到花色花形良好的玫瑰花瓣。
李凌云等人对真空冷冻干燥的月季和康乃馨进行了研究，结果发现在预冻条件为零下60℃，0.5h，冷冻干燥条件为50Pa，零下80℃，6h的情况下得到的干制品收缩率为20%左右，基本保持原来的形状，收缩和形状保持方面均优于烘干得到的产品；同时冻干后的花瓣鼓成了气泡使花瓣看上去更加饱满；色泽方面月季略微变浅，康乃馨略微加深，两种花的整体色泽稳定。
梁凌云等人对月季进行冷冻干燥研究，结果发现采用10%酒石酸溶液进行护色30min，采用速度法进行预冻，预冻温度为零下40℃，预冻2h，冷冻干燥条件为冷阱温度零下70℃，加热板温度35℃，干燥室压强40Pa，干燥时间10h，得到色泽和花形均非常好的月季干花。