朱凱陽，任廣躍,2*，段續(xù),2，李琳琳,2

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471000)2(糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州，450001)

中國資源豐富，地域遼闊，是農業(yè)大國，農產品的產量居世界首位[1]。農業(yè)生產活動中各植物動物性產品即為農產品，國家標準中規(guī)定的農產品是指種植業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)產品，各類經過加工的產品不再屬于農產品的范疇[2]。目前，農產品干燥的主要方法有自然晾曬干燥、熱風干燥、真空干燥、冷凍干燥、微波干燥、微波-真空干燥、紅外-噴動干燥、真空-冷凍干燥等新型干燥技術。其中，紅外輻射技術是一種高效節(jié)能又符合環(huán)保要求的新型無污染干燥技術，紅外輻射技術具有效率高、能耗低、污染小等優(yōu)點[3]。目前，紅外技術用于許多食品制造過程，如干燥、煮沸、加熱、多酚回收、冷凍干燥、抗氧化劑回收、微生物抑制、食品烘烤、果汁制造和烹飪食品等[4]。

1 遠紅外輻射的原理及特點

1.1 紅外輻射的原理

紅外輻射按波長可分為近紅外、中紅外和遠紅外，如圖1[5]所示，它們都是電磁波。在物料干燥中主要使用紅外線中的長波段，其波長范圍為25～1 000 μm[6]，能量主要以輻射形式直接作用于物料。由圖2[7]可知，在紅外輻射中，由于紅外線具有穿透性，使能量先在物料內部集聚，當農產品的原子、分子遇到紅外線吸收其能量時，引起粒子的加劇運動，使分子的振動能級產生變化，從而使物料內部升溫[8]，由于水分的不斷蒸發(fā)吸熱，外部溫度降低，形成內高外低的溫度梯度。根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體。在此時物料中，熱量以物料自身為傳導介質，沿該溫度梯度由內向外進行熱量傳遞，進而實現(xiàn)對整個物料的加熱。除此之外，農產品中絕大部分物料內部含水率比表皮含水率大，形成與溫度梯度一致的濕度梯度。因此，在內高外低的溫度梯度和濕度梯度共同作用下，紅外輻射干燥可以大大提升物料的干燥速率[9]。

圖1 突出紅外輻射范圍的電磁波譜[5]Fig.1 Electromagnetic spectrum highlighting infrared radiation range

圖2 紅外輻射干燥與普通干燥機理比較[7]Fig.2 Comparison of infrared drying and ordinary drying mechanism

1.2 紅外輻射的特點

目前，中國農產品干燥方式主要以傳統(tǒng)日曬干燥和可實現(xiàn)規(guī)?；a的熱風干燥為主。日曬干燥受限于自然環(huán)境；熱風干燥主要原料為燃煤、燃油、生物質燃料等，原料燃燒釋放熱能的同時還產生大量煙塵，使得干燥過程對農產品本身和自然環(huán)境造成污染[10]。因此，紅外輻射干燥技術顯得愈發(fā)重要。

紅外輻射技術的特點：(1)熱損失小，易控制。紅外輻射中不存在傳熱界面，提高加熱質量，減少不必要的熱損失;(2)傳熱效率高。紅外輻射在不使物料過熱的情況下，可以使熱源達到較高的溫度[11]；(3)熱吸收快，節(jié)約能源。大部分農產品物料對紅外輻射的吸收率較高，此時能量大部分集中在物料的吸收峰帶，大部分輻射能會被吸收,實現(xiàn)較好的匹配,達到減耗的效果[12]，如圖3所示；(4)加熱引起食物材料的變化損失較小。紅外線光子能量低，在加熱過程中生物組織熱分解小，物料化學性質不易改變，從而使得加熱后的產品質量高；(5)輻射可達一定深度、受熱均勻[13]。紅外輻射是物料內外同時加熱的過程，傳熱、傳質方向一致，可使物料不受本身顏色的影響，受熱比較均勻，避免局部的過熱損失。

圖3 紅外輻射、吸收匹配[12]Fig.3 Far infrared radiation and absorption matching

1.3 紅外輻射元件的發(fā)展

紅外輻射技術是上世紀70年代迅速發(fā)展的一項節(jié)能新技術。現(xiàn)今經過半個世紀的發(fā)展，作為技術核心的遠紅外加熱元件也得到不斷改進，波長范圍不斷加寬，使其對被加熱物有著更廣泛的適應性。遠紅外加熱元件按供熱方式可以分為電加熱輻射器和燃氣加熱輻射器；按結構形式可以分為燈狀輻射元件、管狀輻射元件和板燈狀輻射元件。紅外輻射元件最初是采用紅外燈泡和碳化硅板，到20世紀80年代，出現(xiàn)了微晶玻璃燈、乳白石英管等。進入90年代，出現(xiàn)了遠紅外定向強輻射器[14](如圖4所示)，使得加熱方式發(fā)生了改變，電能輻射轉化率由40%提高到70%以上[15]。進入21世紀，又出現(xiàn)了納米發(fā)熱體的紅外輻射元件(如圖5所示)，以納米材料為發(fā)熱體，大幅提高了熱效率使電能轉換率可高達92%～98%[16]。與此同時，在選擇紅外干燥設備的構件時，應考慮紅外輻射的吸收率、透射率和反射率，散熱器燈反射器的材料應為不透明的高反射率材料。經受紅外干燥的材料應該具有低反射率，以最小化加熱所需的功率。3個基本輻射定律[6]決定了紅外能量的分布和數(shù)量。斯特藩-玻爾茲曼定律[17]和普朗克定律[18]提供了用于確定輻射器發(fā)射的強度和光譜分布的手段；維恩位移定律[19]表示最大發(fā)射波長由紅外加熱源的溫度決定。

1-接線端子；2-保溫材料；3-殼體；4-輻射板； 5-發(fā)熱體；6-耐熱反射基材隔熱層圖4 紅外定向強輻射器的結構[14]Fig.4 Structure of infrared directional strong radiator

1-殼體；2-發(fā)熱體；a-裝配圖；b-殼體剖面圖；c-發(fā)熱體剖面圖圖5 納米發(fā)熱體的紅外輻射元件[16]Fig.5 Far infrared radiation element of nano heater

1.4 紅外輻射在農產品干燥中數(shù)值模擬

1.4.1 動力學模型

目前，紅外輻射干燥技術發(fā)展迅速，但干燥成品質量受干燥條件、物料種類、內部結構和外部形狀、理化性質的顯著影響。近年來，許多學者通過對不同物料的試驗研究，總結擬合了幾種常用的經驗、半經驗干燥數(shù)學模型，來定量地描述物料干燥規(guī)律，常見的干燥模型如表1所示。

在上述模型中，模型1針對單一紅外輻射干燥的擬合度高、誤差小，應用比較廣泛，國內外對其干燥特性進行了廣泛深入的研究。模型6可以對紅外輻射聯(lián)合干燥進行擬合，萬芳新等[20]的研究結果證明了weibull分布函數(shù)可以較好地預測物料干燥過程中水分比的變化規(guī)律。

表1 干燥動力學模型Table 1 Drying kinetic model

1.4.2 溫度場數(shù)值模擬

物質系統(tǒng)內各個點上溫度的集合稱為溫度場。它是時間和空間坐標的函數(shù)，反映了溫度在空間和時間上的分布。溫度T這個變量通常是空間坐標(x，y，z) 和時間變量t的函數(shù)，即T=T(x，y，z，t)。在紅外輻射干燥中研究的溫度場為三維瞬態(tài)溫度場，是指紅外干燥器的溫度在時間和空間上的分布。溫度場模擬是依據(jù)傳熱學原理，根據(jù)實際的傳熱邊界條件，通過計算機對溫度場模型進行數(shù)值模擬分析。

在以往的研究中并沒有對溫度場進行較為形象的表達，目前依靠計算機，使用計算流體力學軟件FLUENT，可以對溫度場進行細致的描述。紅外輻射溫度場模擬難點在于傳熱，輻射換熱要考慮空間內不同方向上的傳熱，因此，在位置、沿方向的輻射傳遞方程(RTE)為[21]：

對紅外輻射干燥過程進行數(shù)值模擬建立數(shù)學模型，可以直觀地顯示目前還不易觀測到的一些現(xiàn)象；還可以顯示任何試驗都無法看到的發(fā)生在結構內部的一些物理現(xiàn)象。

表2 FLUENT輻射模擬模型Table 2 Fluent radiation simulation model

2 紅外輻射技術在農產品干燥中的應用

2.1 紅外輻射技術在糧油作物干燥中的應用

在中國，主要糧油作物即谷類中的小麥和玉米，兩者產量在近五年的糧油作物產量中占50%以上，其余三類糧油作物每年的產量也在穩(wěn)步提升[22]。由表3可知，紅外輻射技術在糧油作物中運用不同于果蔬產品，在糧食干燥中易產生裂紋現(xiàn)象，從而影響干燥品質[35]。而紅外輻射對物料由內而外進行加熱，可以從根本上避免這一現(xiàn)象的產生。紅外輻射對糧油作物進行干燥，不僅可以縮短干燥時間，減少能耗，同時還可以保留被干燥物料絕大部分的營養(yǎng)物質，進而保證物料品質。另一方面，現(xiàn)有研究對紅外輻射技術應用在糧油作物干燥中僅僅停留在試驗階段，由試驗結果去檢測該方法的優(yōu)劣，此模式下會對該技術的應用產生一定限制。因此，在今后的研究中，應當側重在該方法下熱力學、動力學模型的建立，建立準確的數(shù)學模型有助于選擇更好地干燥條件，同時突破試驗場地的限制。

2.2 紅外輻射技術在食用菌干燥中的應用

食用菌是具有果肉或果膠的大型真菌。它富含多種營養(yǎng)成分，具有抗腫瘤、抗氧化、降血脂、增強免疫力等多種生理功能[36]。在中國，每年食用菌的總產量保持穩(wěn)步上升，到2019年我國食用菌總產量已達3 961.91萬t[37]。目前中國食用菌工廠化生產量低于總產量，在工廠化生產和自給自銷后還有大量剩余。然而，鮮食用菌類的含水量高達70%～95%，不耐貯藏，極易變質腐敗。為了更好地解決食用菌的貯藏問題，紅外輻射技術被人們應用到食用菌的干燥貯藏中。

食用菌種類較多，組織狀態(tài)各不相同。由表4可知，不同種類的食用菌干燥特性不盡相同，面對種類繁多的菌類食品，紅外干燥扮演著越來越重要的角色。對茶樹菇、香菇、杏鮑菇等進行紅外輻射干燥，可以較顯著地提高干制品的色澤和風味，保持更好的外觀，同時縮短干燥時間，減小能耗。但是，紅外干燥也有一定的局限性，越來越多的研究表明，單一的干燥方式已無法滿足在該領域的應用需求，未來食用菌干燥發(fā)展的重點將是聯(lián)合干燥工藝。

表3 紅外輻射技術在干燥糧油作物中的應用Table 3 Application of far infrared radiation heating technology in dry grain and oil crops

表4 紅外輻射技術在食用菌干燥中的應用Table 4 Application of far infrared radiation heating technology in edible fungi drying

2.3 紅外輻射技術在果蔬干燥中的應用

在中國，果蔬是僅次于糧食的第二大農產品，2019年果蔬產量已達9.77×108t[47]。新鮮果蔬水分含量高、營養(yǎng)較豐富，有利于微生物生長繁殖，易于腐爛；同時又具有很強的季節(jié)性和地域性特點，且新鮮果蔬組織脆，不易運輸。為了更好地延長果蔬的保質期，加強貯藏的便利性，干燥是常用的有效方法之一。自然日曬干燥、陰干和熱風干燥是果蔬傳統(tǒng)的干燥方式，該法耗時長、效率低、產品的質量難以控制，不是現(xiàn)在所追求的高效節(jié)能干燥方式。而紅外加熱技術作為一種新型輻射加熱技術，具有加熱均勻、效率高、能耗低、可以保證產品的質量等優(yōu)勢。

由表5中可知，紅外輻射技術作為一種新型的加熱技術，在果蔬的干燥貯藏中相較于傳統(tǒng)的干燥加熱方式應用范圍更廣、效率更高、能耗更小、污染更少。該技術對現(xiàn)如今興起的干制果蔬類休閑食品也起到了一定的支撐作用，針對當下即食果蔬干制品，紅外加熱技術的應用使果蔬干制品的種類得到大大擴充，現(xiàn)有的研究已經表明在果蔬干制品領域中，紅外加熱技術正在逐漸代替原有的干燥技術。但隨著科技的進步，人們發(fā)現(xiàn)單一干燥有時不能很好地適應物料，因而現(xiàn)如今越來越多的學者和企業(yè)把紅外加熱與其他加熱方式結合，由此創(chuàng)造出干燥效果更好的干燥方法，聯(lián)合干燥正在興起。

表5 紅外輻射技術在果蔬干燥中的應用Table 5 application of far infrared radiation heating technology in fruit and vegetable drying

2.4 紅外輻射聯(lián)合干燥技術在農產品干燥中的應用

隨著時代的進步，人們對農產品品質的要求越來越高，單獨使用紅外輻射技術已經不能滿足干燥的要求，將紅外輻射與其他干燥技術聯(lián)合使用已成為現(xiàn)在農產品干燥的熱點。

由表6可知，紅外輻射技術正在與越來越多的干燥技術聯(lián)合使用，超聲-遠紅外干燥、真空-遠紅外干燥、熱風-遠紅外干燥、熱泵-遠紅外干燥、微波-遠紅外干燥、蒸汽-遠紅外干燥、冷凍-中紅外干燥等，與傳統(tǒng)干燥方法相比，紅外輻射干燥與熱風干燥、真空干燥、微波干燥和冷凍干燥相結合，可以減少干燥時間和能量需求，并且還可以保持產品質量以實現(xiàn)綜合干燥效果。但現(xiàn)在的聯(lián)合干燥僅僅只是2種加熱方式聯(lián)合使用，對于3種以上的加熱方式聯(lián)合還未見報道，在以后的研究中，可以嘗試對更多的加熱方式聯(lián)合；對聯(lián)合加熱過程也可以進行改進，利用間歇加熱、交叉加熱等綜合不同加熱方式對物料進行干燥處理。

3 結論與討論

盡管紅外輻射干燥在能源效率和時間節(jié)省方面顯示出巨大的優(yōu)勢，但它也有一定的局限性。紅外輻射穿透深度低，由于紅外輻射的穿透深度有限，還需要進一步研究紅外線在不同農產品中的穿透深度；此外一些農產品物料是多層干燥，該情形下紅外干燥會導致干燥不均勻。相比之下，當紅外干燥與其他干燥方法或預處理相結合時，可以克服這些不足。另一方面，在干燥農產品時，使用的紅外波長需要非常具體，因為每種食物成分都有特定的紅外吸收帶，為了實現(xiàn)特定應用的高效率，紅外輻射可在添加合適的濾光器后使用，此時僅允許特定波長通過的紅外干燥將更加適合于農產品的干燥。

表6 紅外輻射聯(lián)合干燥技術在農產品干燥中的應用Table 6 Application of far infrared radiation heating technology combined drying in drying of agricultural products

紅外或紅外輔助干燥方法中涉及的各種過程變量需要針對不同農產品進行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，紅外干燥可以保持或增加干燥農產品中的酚類化合物含量；但關于紅外干燥對酚類化合物穩(wěn)定性的影響需要進一步研究。此外，紅外干燥對其他生物材料和紅外加熱系統(tǒng)的各種配置還需要大量的建模工作。通過現(xiàn)有的文獻初步可以確定，紅外干燥在實驗室和小規(guī)模的應用是有希望的。考慮到單一紅外干燥或與其他干燥技術相結合的能量效率、干燥效率和有效性，它對食品加工業(yè)具有巨大的潛在影響。在能源日益緊缺的情況下，傳統(tǒng)的干燥技術越來越跟不上時代的腳步，大力發(fā)展高效節(jié)能的紅外輻射技術具有重要意義。但單獨使用紅外輻射干燥已經不能滿足干燥要求，因此，將紅外輻射干燥與其他先進的干燥技術聯(lián)合起來，進而得到一種集諸多優(yōu)點于一體的聯(lián)合干燥方式已成為當今研究的熱點。同時，設計可實現(xiàn)高效、安全、可連續(xù)生產的智能化干燥設備是農產品聯(lián)合干燥的未來發(fā)展方向之一。