9.冷凍乾燥是什麼 ? 原理、優缺點一次介紹
這篇文章，帶你快速了解什麼是冷凍乾燥，並介紹冷凍乾燥的原理，還有優缺點，並帶大家了解冷凍乾燥機可以運用在哪些商業應用。
冷凍乾燥是什麼?
冷凍乾燥原理
(一) 冷凍階段
(二) 初級乾燥階段
(三) 次級乾燥階段
冷凍乾燥優缺點
冷凍乾燥機怎麼選
冷凍乾燥機價格
冷凍乾燥機哪裡買?
冷凍乾燥機可以做什麼?
冷凍乾燥糖果
草莓凍乾(水果凍乾)
冷凍乾燥醫療和生技產品
冷凍乾燥總結
凍乾燥常見問題
人可以吃凍乾嗎？
怎麼做凍乾？
冷凍乾燥是什麼?
【冷凍乾燥】是乾燥技術的一種，其又稱為凍乾 (lyophilization) 或是低溫乾燥(cryodesiccation)，其原理是將產品通過「冷凍」、「真空」與「乾燥」三種技術融合為一。
因為，其處理過程使用低溫處理，因此可以保留其營養和各種生物特性、而不會因為高溫而被破壞。
冷凍乾燥這項新穎技術，能生產出高品質食品，相較於其他乾燥技術，它的缺點也顯而易見，因為高耗能還有維護成本比較高。
移除1 kg水分需要的能量，是一般傳統乾燥的兩倍【1】，近年來，常被用在糖果、食品、製藥等相關領域。
冷凍乾燥原理
冷凍乾燥的原理是什麼?
它是利用水的物理特性變化，也就是水的三相變化來做一個突破。
跟一般的三相變化不同的是水在冷凍後變成固體，如果加熱會變成液體，達到沸點後會再變成氣體。
然而，冷凍乾燥技術，跳過了變成液體的階段，直接變成氣體，是由於壓力的部分。
壓力如果夠低，水在低溫環境下也能有昇華現象。
因此，冷凍乾燥這項技術，是先將產品進行冷凍，然後降低壓力讓水來進行昇華，最後再加熱乾燥，這樣方法能不破壞產品原有特性來進行保存。
這種方式也能保存產品原本的形狀、質地和營養成分，也能提供較高品質的產品。
工作階段主要分成三個階段，冷凍階段、初級乾燥階段、次級乾燥階段
(一) 冷凍階段
先做預處理後，並且冷凍至三相點以下，繞過液體狀態，並為了加快凍乾速度，會使其形成較大的冰晶結構。
為了形成較大冰晶的結構方法，須使用退火方式，來讓它緩慢的冷凍，並達到這種晶格結構。
(二) 初級乾燥階段
完成冷凍乾燥階段後，就會進入初級乾燥階段，這階段的乾燥層中會吸附水並脫附。
在此階段，脫附過程可能影響熱傳導至昇華界面的熱量，並會影響昇華移動速度，在此階段約95%的水會被移除，因此這階段時間也較長，為了使其加速通常是用真空方式而不是加熱。
當不再存在冷凍層（即不再存在昇華界面）時，就是初級乾燥階段的結束。
(三) 次級乾燥階段
次級乾燥階段主要目的是為了移除未凍結的水（稱為吸附水或結合水）。
初級乾燥階段結束時會進行次級乾燥，而脫附出的水蒸氣則透過正在乾燥材料的孔隙進行傳輸，最後的殘餘含水量會比較低，達到1~4 %左右。
冷凍乾燥優缺點
冷凍乾燥的優點
1. 維持產品品質
- 不需要高溫乾燥
- 保護蛋白質、藥物、營養素不被破壞
- 外觀、風味比較能維持原狀
- 乾燥材料比較不會收縮、硬化
2. 能加長保存期限
- 降低水分，可抑制：微生物和酵素反應
- 常溫即能長期保存
- 藥品保存年限可大幅延長
3. 適合比較貴的產品
特別適合：
- 疫苗
- 抗生素
- 蛋白質藥物
- 胜肽
- 生物製劑
- 對氧氣敏感藥物
4. 恢復速度快
- 冰晶昇華後形成微孔結構
- 快速恢復只要加水
5. 運輸便利
- 脫水後重量降低
- 食品與藥品的重量下降
- 運輸和儲存的成本大幅下降
6. 應用範圍廣
應用於：
- 製藥
- 食物、糖果、水果、太空人食品
- 化妝品
- 生物技術
- 科技化學產業
冷凍乾燥的缺點
1. 成本非常高
- 設備昂貴
- 真空系統成本高
- 電費很高
- 維護成本高
2. 製程時間很長
冷凍＋昇華需要很久，大型產品可能需數週甚至數月。
3. 製程控制困難
- 若控制不好，可能回融（melt-back）塌陷（collapse）結構損壞
- 尤其玻璃態（amorphous）材料更難控制。
4. 某些成分可能流失
高真空下：酒精、醋酸、揮發性香氣可能一起被帶走。
5. 容易造成冷凍損傷
對於較脆弱生化產品會損傷：
蛋白質、病毒、脂質體，可能因冷凍形成冰晶而受損。
冷凍乾燥機怎麼選
冷凍乾燥機要怎麼選呢? 可以從價格、用途、處理量、自動化程度、構造來做挑選。
冷凍乾燥機構造主要也分成五大類
- 岐管型
- 層架型
- 複合式
- 落地棚板型
- 生產型
冷凍乾燥機價格
一般來說，用途不同，使用的價格也不同。
- 家用冷凍乾燥機：2000~ 5000 台幣
- 實驗室冷凍乾燥機：5000~15 萬台幣
- 商業用冷凍乾燥機：15 萬~上百萬台幣
冷凍乾燥機哪裡買?
冷凍乾燥機可以做什麼?
冷凍乾燥技術，商業化最早是運用在第二次世界大戰，來幫忙冷藏血漿和青黴素，而後到50年代之後，運用製藥和食品加工。
2020開始，冷凍乾燥運用在糖果和食品上，在美國極為流行。
冷凍乾燥糖果
近年來，冷凍乾燥糖果在美國非常流行，是一種新穎的糖果種類，因為其特殊口感還有獨特味覺，廣受好評，然而台灣部分，是由【酷凍 KUDONG】這個品牌來做研發。
冷凍乾燥糖果，用冷凍乾燥這項技術生產，也會導致產品的損耗率較高，也需要三相變化，又不能快速操作，會導致口感不好，也需要3到4天的生產時間。
因此，整體的價錢也會比較高。
草莓凍乾(水果凍乾)
台灣是個水果王國，因此水果能做出很多產品變化，其中兩種就是果乾和凍乾
其中最常見就是草莓凍乾，這也在各大賣場很常見。
然而果乾和凍乾製成方式完全不同，吃起來口感也差很多。
- 果乾
通常是高溫乾燥、形狀較為乾癟、營養成分易流失
- 凍乾
經過冷凍乾燥後、口感較為酥脆、營養成分有保留。
冷凍乾燥醫療和生技產品
冷凍乾燥技術，可以用來延長一些生物或細胞產品的保存期限，也使其更方便的運輸、儲存，然而部分的藥物也能做到延長保存期限，如：Vancomycin、Activase 等等....
冷凍乾燥總結
冷凍乾燥這項技術，近年來應用在不同的商業領域上，因為他的延長保存期限，進而改變人們的生活，在台灣方面也越來越多人，來使用這項冷凍乾燥技術在：糖果、食品、醫療等領域中。
凍乾燥常見問題
人可以吃凍乾嗎？
可以，目前凍乾這項技術，廣泛應用在凍乾糖果、凍乾水果、還有凍乾冰淇淋等等
怎麼做凍乾？
利用真空冷凍乾燥技術，跳過液態的變化，來達到保留產品的原有營養、色澤和風味。
引用來源
1.Duan, Xu, et al. "Technical aspects in freeze-drying of foods." Drying Technology 34.11 (2016): 1271-1285.
2.Liapis, Athanasios I., and Roberto Bruttini. "Freeze drying." Handbook of industrial drying. CRC press, 2020. 309-343.
