陳艷芳

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

0 引言

農(nóng)業(yè)是我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。其中，果蔬產(chǎn)品又是農(nóng)產(chǎn)品的重要組成部分。新鮮果蔬極其容易腐壞，不易保存和運(yùn)輸，這使得果蔬產(chǎn)品的市場(chǎng)拓展受到局限。為了更好地?cái)U(kuò)大果蔬產(chǎn)品市場(chǎng)，果蔬脫水烘干技術(shù)和設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。烘干后的果蔬產(chǎn)品使得消費(fèi)者的食品選擇品類更加豐富，同時(shí)便于運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)也得到了極大的拓寬。近年來，出現(xiàn)了許多新興脫水和干燥技術(shù)。本研究對(duì)常見的幾種果蔬烘干技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行分析概述，以期能為相關(guān)研究者提供一定的參考,促進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的改良，在降低設(shè)備和技術(shù)成本的基礎(chǔ)上，提升果蔬產(chǎn)品外觀、風(fēng)味和生物質(zhì)活性。這不僅是為消費(fèi)者提供更多食品消費(fèi)選擇，也是為農(nóng)產(chǎn)品加工者增加收入渠道，活躍產(chǎn)業(yè)鏈，在宏觀層面擴(kuò)大果蔬產(chǎn)品發(fā)展空間，增加果蔬產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展，最終促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展。

1 常見的果蔬烘干技術(shù)及設(shè)備

果蔬烘干的目的是在保留果蔬原有色澤、風(fēng)味的基礎(chǔ)上去除果蔬中的水分，延長(zhǎng)果蔬的食用時(shí)間，方便果蔬的儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和攜帶。當(dāng)前，常見的果蔬烘干技術(shù)有很多，文章僅列舉部分，以供參考。

1.1 熱泵除濕干燥

基于熱泵除濕干燥技術(shù)的設(shè)備一般是基于卡諾定理的熱泵除濕干燥設(shè)備。

熱泵除濕干燥技術(shù)是將外界空氣能作為熱源，其原理發(fā)展自1824 年法國(guó)工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾[1]在研究熱機(jī)的最大可能效率問題時(shí)于其著作《論火的動(dòng)力及與產(chǎn)生該動(dòng)力相適應(yīng)的機(jī)器》中提出的“卡諾循環(huán)”。卡諾循環(huán)主要包括等溫吸熱、絕熱膨脹、等溫放熱和絕熱壓縮4 個(gè)循環(huán)過程：（1）等溫吸熱，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩粗形諢崃?；?）絕熱膨脹，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功，使烘干室內(nèi)的溫度降低；（3）等溫放熱，系統(tǒng)會(huì)向低溫?zé)嵩瘁尫艧崃浚购娓墒覂?nèi)的空氣體積被大大壓縮；（4）絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，在等溫壓縮和絕熱壓縮的過程中對(duì)室內(nèi)環(huán)境作負(fù)功。

卡諾定理對(duì)熱機(jī)效率的限制（圖1）說明一目了然，其循環(huán)過程指出了提高熱機(jī)效率的方向，即提高T1，降低T2，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)。這一定理也稱為烘干機(jī)研發(fā)的理論依據(jù)[2]。

圖1 有傳熱溫差的制冷循環(huán)

這一過程就是使干燥空氣在干燥室與熱泵干燥機(jī)間進(jìn)行閉式循環(huán)，即基于熱泵干燥機(jī)蒸發(fā)器中的低壓制冷蒸汽壓縮機(jī)系統(tǒng)使果蔬干燥室中的濕空氣降溫脫濕，其中，空氣會(huì)因溫度降低而將其大部分凝結(jié)水排出。這種冷凝水也被稱為高壓制冷液，其經(jīng)過膨脹閥降壓后，會(huì)再次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在內(nèi)部的低壓制冷劑作用下，從空氣中吸收的水分會(huì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。尤其是在回?zé)嵫h(huán)中，熱泵干燥的最佳蒸發(fā)溫度及最佳除濕量顯著提升。

1.2 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是利用熱風(fēng)循環(huán)，一般是通過熱源（例如石油、天然氣、電、煤等）提供的熱量，借助風(fēng)機(jī)的作用，將熱風(fēng)導(dǎo)入烘箱或者干燥倉(cāng)中，從干燥介質(zhì)傳導(dǎo)熱量給蔬果，使周圍的空氣和蔬果之間產(chǎn)生一定的溫度差，水分由蔬果內(nèi)向外遷移，進(jìn)而蔬果表面的水分經(jīng)過受熱蒸發(fā)，逐漸降低到一定程度。流動(dòng)的熱風(fēng)會(huì)將蔬果蒸發(fā)出的廢氣帶出干燥倉(cāng)，經(jīng)過凈化處理后排出干燥機(jī)[2]。

熱風(fēng)干燥機(jī)的組件一般包括熱風(fēng)爐、換熱器、熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥機(jī)、干燥倉(cāng)和溫度控制系統(tǒng)（圖2）。此系統(tǒng)近年來應(yīng)用十分廣泛，特別是在與其他干燥技術(shù)聯(lián)合研發(fā)干燥設(shè)備方面，更是有豐富的實(shí)踐案例。

圖2 熱風(fēng)干燥機(jī)構(gòu)件

1.3 微波真空干燥

微波加熱原理區(qū)別于普通的熱傳遞方式，其特點(diǎn)為微波通過高頻電場(chǎng)在空間中不斷地變換方向，使蔬果中的極性分子以上億次每秒的速度發(fā)生振動(dòng)，基于物質(zhì)分子間的摩擦擠壓產(chǎn)生熱量，進(jìn)而使蔬果溫度升高，加快水分蒸發(fā)[2]。如果蔬果中的水分充足，就極其容易受到微波的作用，吸收微波，發(fā)熱速度較快。同時(shí)，如果在真空或微壓環(huán)境下采用微波加熱，水的沸點(diǎn)降低，不僅速度會(huì)加快，還利于蔬果低溫干燥，有助于保持蔬果產(chǎn)品的色澤、維生素、生物活性及風(fēng)味，因而微波干燥技術(shù)在蔬果脫水產(chǎn)品中的應(yīng)用十分廣泛。

1.4 真空冷凍干燥

真空冷凍干燥技術(shù)的過程是基于預(yù)先凍結(jié)，是將果蔬的溫度控制在共晶點(diǎn)以下并使果蔬物料處于真空狀態(tài)再基于共融點(diǎn)利用升華作用去除果蔬中的水分。這一技術(shù)主要包括3 個(gè)步驟：制冷、供熱和干燥。真空干燥技術(shù)使果蔬產(chǎn)品處于低溫狀態(tài)，不受高溫影響，能最大限度保留蔬果原有的營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味和色澤，同時(shí)復(fù)水性也極佳。因而在果蔬產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用也十分普遍。

1.5 噴霧干燥

噴霧干燥技術(shù)是利用霧化器果蔬物料霧化成直徑十分微小的霧滴，通過熱空氣或其他介質(zhì)迅速蒸發(fā)果蔬物料液體中的水分及其他溶劑。在短時(shí)間內(nèi)形成干燥粉狀產(chǎn)品后經(jīng)干燥塔排出，由旋風(fēng)分離塔將其進(jìn)行氣固分離處理后獲得干燥果蔬產(chǎn)品。概括來說，其關(guān)鍵步驟在于物料霧化、物料干燥、氣固分離。

噴霧干燥設(shè)備種類較多，常見的按照霧化方式分類有氣流式、壓力式、旋轉(zhuǎn)離心式噴霧干燥器（圖3）；按物流方向有并流式、逆流式和混流式噴霧干燥器；按照生產(chǎn)流程和熱空氣處理方式又分為開放式、封閉循環(huán)式、半封閉循環(huán)式[3]。

圖3 霧化器工作原理

2 果蔬烘干技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 熱泵除濕干燥技術(shù)

在添加了保溫層的熱泵除濕干燥機(jī)配合下，熱烘干效率更高，果蔬的生物活性幾乎不會(huì)喪失。因而熱泵除濕技術(shù)和設(shè)備是傳統(tǒng)意義上應(yīng)用較為普遍的一項(xiàng)技術(shù)。

2.2 熱風(fēng)烘干技術(shù)

楊薇等[4]研究指出，采用熱風(fēng)干燥技術(shù)的蘑菇復(fù)水性最好，產(chǎn)品內(nèi)部溫度低而且穩(wěn)定。蘑菇的干制應(yīng)用熱風(fēng)干燥技術(shù)是最佳選擇。黃艷斌等[5]在考慮檸檬片厚度、熱風(fēng)速度、熱風(fēng)溫度等因素基礎(chǔ)上，建立檸檬熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型（適用Page 模型）對(duì)檸檬熱風(fēng)干燥效果展開研究。結(jié)果表明，熱風(fēng)溫度、檸檬片厚度對(duì)檸檬熱風(fēng)干燥的速率影響較為顯著，而風(fēng)速對(duì)檸檬干燥速率的影響一般。

2.3 微波真空技術(shù)

湯大衛(wèi)[6]在其研究中指出微波真空脫水干燥技術(shù)與熱風(fēng)干燥、冷凍干燥技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯。紅外線微波真空干燥技術(shù)兼具脫水和殺菌功能，副作用小，使用能源為電能，較為清潔，鮮少有廢氣和有毒有害物質(zhì)廢物排出；成品質(zhì)量好，脫水蔬菜的色澤、風(fēng)味、口感和復(fù)水性都極佳；對(duì)蔬果的外形和含水量要求不高；干燥速度快；應(yīng)用電能，能源清潔且利用率高，能耗低；設(shè)備成本低，占據(jù)空間不大；支持連續(xù)化生產(chǎn)方法比較見表1。

表1 微波真空脫水干燥技術(shù)與其他干燥方法比較

微波真空干燥技術(shù)主要受微波功率、真空度以及裝載量3 個(gè)變量的影響。莊培榮[7]在其研究中指出，采用微波真空干燥技術(shù)時(shí)，微波功率與龍眼肉的色澤成負(fù)相關(guān)關(guān)系（微波功率低于3000 W 情況下），真空度與龍眼肉的多糖含量成正相關(guān)關(guān)系，裝載量對(duì)龍眼肉的多糖含量影響與微波功率基本一致，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。但裝載量對(duì)龍眼肉的色澤影響卻呈現(xiàn)正向關(guān)系，即裝載量增加，龍眼肉的色澤越飽滿。

微波真空干燥技術(shù)需要考慮不同物料的含水量和物料特性從而設(shè)定微波真空干燥設(shè)備的功率、真空度以及裝載量。同時(shí)，由于部分物料對(duì)熱量吸收會(huì)存在爆炸現(xiàn)象，因而決策者在采用這一技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮是否接受物料膨脹等外觀上的變化，避免影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 真空冷凍干燥技術(shù)

由于真空冷凍干燥的關(guān)鍵在于測(cè)定物料的共晶點(diǎn)和共融點(diǎn)，其干燥處理相對(duì)于其他幾種干燥方式要復(fù)雜一些，并且果蔬物料的體積大小會(huì)嚴(yán)重影響冷凍干燥的時(shí)間。王婭玲[8]在其研究中指出獼猴挑預(yù)先切片再凍干，比整體凍干速率要快；雙孢菇切片厚度在4 mm 時(shí)，其干制品色澤、香味及鮮嫩程度最佳。真空冷凍能最大限度保留果蔬物料的風(fēng)味及維生素，在不考慮干燥時(shí)間的情況下，這一技術(shù)是最優(yōu)選擇。

真空冷凍干燥技術(shù)設(shè)備昂貴，且能源消耗大，需要預(yù)先采用電阻法測(cè)定果蔬物料的共晶點(diǎn)、共融點(diǎn)，程序較為繁雜。果蔬物料的體積對(duì)干燥時(shí)間有極大影響。如何在不影響物料體積、外形的情況下提升真空冷凍干燥技術(shù)的效率、降低設(shè)備成本是當(dāng)前研發(fā)冷凍干燥設(shè)備的人需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)問題。

2.5 噴霧干燥技術(shù)

噴霧干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是干燥速度快、干燥溫度不受限制。噴霧干燥設(shè)備在制作果蔬粉方面應(yīng)用較多，相對(duì)于其他干燥方式，噴霧干燥方式對(duì)物料制品的形態(tài)有一定要求，且干燥工序較多。同時(shí)，由于采用粉狀霧化顆粒干燥，有一定黏附殘留，損耗相較其他方式較大。這也是噴霧干燥技術(shù)不斷提升改進(jìn)的熱門方向。

3 自適應(yīng)技術(shù)在果蔬烘干設(shè)備中的應(yīng)用

由于上述烘干技術(shù)或多或少存在缺陷，組合干燥技術(shù)能夠發(fā)揮多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一干燥技術(shù)的不足，最大限度地提升果蔬干燥制品的效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有助于低耗能、高效率的工藝實(shí)現(xiàn)。常見的有微波組合熱風(fēng)干燥、微波組合真空/冷凍干燥、微波組合噴凍干燥、紅外組合熱風(fēng)干燥、紅外組合冷凍真空干燥等。吳本剛[9]對(duì)催化式紅外干燥法殺青胡蘿卜片，利用紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥胡蘿卜，獲得了90 ℃下殺青15 min，然后在70 ℃下利用紅外干燥至水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～ 40%，最后轉(zhuǎn)為70 ℃熱風(fēng)干燥至終點(diǎn)，可以獲得高品質(zhì)的胡蘿卜干燥片。分段熱風(fēng)、微波間歇、微波-聯(lián)合干燥也是常用干燥策略，有研究指出，將其用于紅棗干制，紅棗VC 含量比單一的方式含量要高很多。基于此，集成多種烘干方式、應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)調(diào)用烘干模式十分有必要。自適應(yīng)控制技術(shù)原理是以可控硅為功率驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)環(huán)境溫度的參數(shù)自動(dòng)切換加熱模式，這樣可以更好地保證溫度的穩(wěn)定性。朱承等[10]設(shè)計(jì)的一款自適應(yīng)加熱烘干設(shè)備中就應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。其模式分為快速加熱、普通加熱、恒溫加熱和停止加熱4 種。

4 自適應(yīng)烘干技術(shù)的發(fā)展前景

不同的果蔬烘干技術(shù)有不同的優(yōu)勢(shì)和不足。生產(chǎn)者在選取烘干處理技術(shù)和設(shè)備時(shí)，應(yīng)從自身需求出發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)成本、物料形態(tài)要求、訂單加工時(shí)間等不同果蔬干燥產(chǎn)品的要求選擇一種或多種技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)策略來制定最佳優(yōu)化方案。自適應(yīng)技術(shù)實(shí)際上是一種考慮了多種烘干技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用策略。當(dāng)前，隨著果蔬產(chǎn)品干燥需求多樣化發(fā)展，應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)的多項(xiàng)干燥技術(shù)組合已不再是新鮮課題。將自適應(yīng)技術(shù)和組合干燥技術(shù)結(jié)合，可設(shè)計(jì)出許多新型烘干設(shè)備，其獲得的干燥效果和產(chǎn)品質(zhì)量也相對(duì)單一的干燥技術(shù)更好，靈活性更強(qiáng)，能滿足更豐富的加工需求[11-14]，是非常值得研發(fā)的一個(gè)方向。未來，隨著更多需求的提出，基于自適應(yīng)技術(shù)的烘干設(shè)備功能也會(huì)愈發(fā)豐富，效果也將更靈活。例如更加環(huán)保節(jié)能、脫水效率更高、生物活性保留更多、復(fù)水性更好、完美保留產(chǎn)品形狀，等等[15-20]。自適應(yīng)控制技術(shù)的研發(fā)前景值得期待。

5 結(jié)語(yǔ)

果蔬干燥產(chǎn)品便于果蔬儲(chǔ)存且具有獨(dú)特風(fēng)味，延長(zhǎng)了果蔬制品的保存時(shí)間，同時(shí)也便于攜帶、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，在一定程度上豐富了農(nóng)產(chǎn)品的品類，提升了農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。各項(xiàng)果蔬烘干技術(shù)和設(shè)備各具特色。研發(fā)人員可根據(jù)干燥設(shè)備的優(yōu)勢(shì)和不足，將不同的功能加以組合，嵌入自適應(yīng)配置技術(shù)，靈活選取多項(xiàng)干燥技術(shù)，研發(fā)多功能干燥設(shè)備，提升果蔬干制品的干燥效率、風(fēng)味品質(zhì)和生物質(zhì)活性，更好地保留果蔬制品的特點(diǎn)，為人們提升生活品質(zhì)，選擇營(yíng)養(yǎng)豐富的食品提供更多選擇。