劉文鋒，李陳巧，劉 輝，胡紅云，張耀華，易寶軍

（1.湖北中煙工業(yè)有限責任公司，湖北 武漢 430040；2.華中農業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；3.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

干燥是一種常用的產品保質技術，其采用降低物料中的水分含量來延長產品的保存時間，廣泛應用于蔬菜、水果、藥材、谷物、香料、煙絲、油料種子、木材等高水分農產品的水分控制[1]。為保證農產品的貯藏品質，對其進行干燥十分必要。但干燥是所有農產品加工環(huán)節(jié)中能耗最高的步驟，約占總能耗的10%～25%[2]。因此，選擇一種高效、節(jié)能的干燥技術對農產品的保鮮與加工意義重大。

常見的干燥技術有熱風干燥、真空干燥、微波干燥、冷凍干燥等[3]，其中熱風干燥技術最為常見，在農產品干燥加工過程中應用廣泛。在干燥過程中除了追求高效、節(jié)能外，產品的品質（色澤、形態(tài)、性能等）也是衡量干燥效果的重要指標。然而，由于農產品物料種類特性的不同，單一干燥技術在熱量傳遞方面無法滿足所有產品的品質要求[4]。不同干燥技術具有不同的優(yōu)缺點，如熱風干燥操作簡便、成本低，但干燥產品品質差、熱敏性營養(yǎng)物質易損失[5]；真空干燥速率快，可減少物料中活性物質的氧化，提升產品質量，但其存在成本高、能耗大、效率低的問題[6]；冷凍干燥可最大限度保留物料營養(yǎng)成分，適用于熱敏性物料，但設備投資高、處理量小[7]；微波干燥具有干燥速率快的優(yōu)勢，但其運行成本較高[3]。為了進一步提升干燥效率、降低能耗，同時最大限度地保證農產品品質，克服單一干燥技術的局限性以形成優(yōu)勢互補，聯(lián)合干燥技術應運而生。聯(lián)合干燥是聯(lián)合兩種及以上干燥技術分階段或同時對物料進行干燥的技術。蘇丹等[4]總結了與熱風（熱風-微波、熱風-紅外）、熱泵（熱泵-熱風、熱泵-太陽能、熱泵-微波）、冷凍（冷凍-微波、冷凍-熱風）相關的農產品聯(lián)合干燥技術，指出聯(lián)合干燥技術在提高干燥速率、保證產品品質及節(jié)能降耗方面具有顯著優(yōu)勢；孫紅霞等[3]對農副產品的聯(lián)合干燥技術進行了綜述，回顧了過熱蒸汽干燥、中短波紅外干燥、太陽能干燥和熱泵干燥4 種新型干燥技術的聯(lián)合應用；張艷來等[8]和王也等[9]分別對熱泵及其聯(lián)合干燥技術與裝備、微波及其聯(lián)合干燥技術與裝備進行了總結。目前，相關綜述主要集中于新型干燥技術的聯(lián)合使用，鮮有針對應用最廣泛的熱風聯(lián)合干燥技術最新進展進行總結。

熱風干燥既可作為單獨的農產品干燥加工技術，也能與其他干燥技術聯(lián)合以實現(xiàn)高品質干燥。對現(xiàn)有熱風聯(lián)合干燥技術的應用及相關設備進行總結有利于實際生產過程中干燥環(huán)節(jié)的技術及設備選擇?；诖?，通過對與熱風干燥相關的各種聯(lián)合干燥技術、設備、適用條件、設備運行工況及發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)進行探討，以期為農產品加工中的高效干燥提供參考。

1 熱風干燥技術

1.1 熱風干燥原理及設備

熱風干燥是一種適用性強、經濟性好、工藝簡單的干燥加工技術。其將加熱后的熱空氣送入干燥室內，直接與物料接觸并發(fā)生以對流傳熱為主的熱量傳遞及傳質，從而使物料表面水分蒸發(fā)進入干燥介質熱空氣中，并排出系統(tǒng)外的過程[10]。

典型的熱風干燥裝置如圖1 所示，其主要由控制系統(tǒng)、翅片管散熱器、排濕系統(tǒng)、溫濕度傳感器等組成，工作時，首先由風機引入空氣并在翅片管散熱器處換熱形成熱空氣后進入干燥室，在干燥室與物料充分換熱后攜帶水蒸氣再由風機排出干燥室，此過程循環(huán)進行，直至干燥結束。

圖1 熱風干燥裝置示意圖[11]Fig. 1 Schematic diagram of hot-air drying device[11]

1.2 熱風干燥的應用及優(yōu)缺點

目前，熱風干燥技術在農產品干燥加工中的應用非常普遍，有研究探討了不同熱風溫度（40、50、60、70 ℃）[12]，加熱方式（變溫干燥及間歇干燥）[13]，不同干燥技術（熱風、真空、冷凍、微波、曬干和陰干）[14]等對干燥效果的影響。熱風干燥具有成本低、自動化程度較高、操作簡單、處理量大等優(yōu)點，但干燥效率低，且干燥后空氣直接排入大氣中造成熱效率及能源利用率低，同時由于過度加熱及熱空氣的氧化作用導致產品質量難以保障。因此熱風干燥可選擇性聯(lián)合其他干燥技術，以形成優(yōu)勢互補，從而達到提升干燥效率的目的。

2 熱風聯(lián)合干燥技術

2.1 與強化傳熱相關的熱風聯(lián)合干燥技術

物料的干燥過程實際上是物料與干燥介質之間進行傳熱與傳質的過程，干燥速率很大程度上取決于傳熱、傳質速率，強化傳熱是一種提高傳統(tǒng)熱風干燥速率的有效手段，過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥、超聲波-熱風聯(lián)合干燥、冷凍-熱風聯(lián)合干燥，都可實現(xiàn)干燥過程中傳熱與傳質的強化，進而提高整體干燥效率。

2.1.1 過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥

過熱蒸汽干燥是一種高熱效率、高干燥速率和節(jié)能環(huán)保的干燥技術[15]，其利用高焓值的過熱蒸汽直接與待干燥物料接觸，強化物料表面水分在干燥介質中的脫水，從而迅速完成干燥。蒸汽本身作為干燥介質，待干燥物料也為干燥系統(tǒng)持續(xù)提供干燥介質，從而節(jié)約能源，且過熱蒸汽傳熱系數遠大于熱空氣，熱效率及干燥速率都高于傳統(tǒng)熱風干燥。將過熱蒸汽干燥與熱風干燥進行聯(lián)合，既能提高整體干燥速率，又能提高產品的干燥品質。典型的過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥設備如圖2 所示。

圖2 過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[16]Fig. 2 Schematic diagram of superheated steam-hot air combined drying device[16]

該裝置主要包括蒸汽發(fā)生器、電加熱器、干燥室、溫度控制柜和耐高溫離心風機。工作時電加熱器先將空氣預熱，熱空氣進入干燥室中將干燥室中的水加熱至沸點溫度，然后由耐高溫離心風機作用后形成循環(huán)，此時蒸汽發(fā)生器開啟，蒸汽在加熱器作用下進一步轉變?yōu)檫^熱蒸汽，經過反復循環(huán)，干燥室內均為過熱蒸汽介質，此時開始進行過熱蒸汽干燥；待過熱蒸汽干燥階段結束后，關閉蒸汽發(fā)生器，待物料溫度降至熱風干燥所需溫度時，開啟熱風干燥模式，以此實現(xiàn)過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥。

過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥是一種新型的聯(lián)合干燥技術，目前多用于水果、蔬菜等的干燥。將過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥技術應用在蘋果渣干燥中，與單一熱風干燥相比，不僅縮短了干燥時間，還可以抑制蘋果干粉的褐變、提高果膠提取率[17]；使用過熱蒸汽-熱風聯(lián)合技術干燥龍眼，干燥后的產品品質（如顏色、收縮程度）較熱風干燥均有所提升[18]?？梢姡^熱蒸汽-熱風干燥技術既可加快干燥速率，又能提升產品質量，在農產品加工過程中具有良好的推廣應用前景。

2.1.2 超聲波-熱風聯(lián)合干燥

超聲波是頻率范圍為20 kHz～1 MHz 的聲波，與微波、射頻、紅外等熱能型電磁波不同，超聲波屬于動能型機械波。超聲干燥主要是利用超聲波產生的空化作用、機械作用和熱效應等增大細胞孔隙、減小水分遷移阻力[19]，進而促進傳熱傳質過程，提高效率、縮短干燥時間。超聲波干燥與熱風干燥技術的聯(lián)合，是一種提高干燥效率的有效方法。圖3 為超聲波-熱風聯(lián)合干燥設備示意圖，該設備由電加熱管、風機、干燥室、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器等組成，設備運行時風量調節(jié)板對外界空氣進行調量后進入加熱室，電熱管提供熱能進行加熱，再通過風機送入干燥室，干燥室中超聲波換能器提供超聲波與物料作用，以此完成超聲波-熱風聯(lián)合干燥過程。

圖3 超聲波-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[20]Fig. 3 Schematic diagram of ultrasonic-hot air combined drying device[20]

超聲波-熱風聯(lián)合干燥是近年來隨著大功率超聲設備的開發(fā)而逐漸興起的干燥技術，并逐步在農產品干燥中推廣。采用超聲波-熱風聯(lián)合干燥技術干燥蘋果，與單一熱風干燥相比，干燥時間縮短了31%～40%[21]；采用超聲波-熱風聯(lián)合干燥火龍果片，與熱風干燥相比，提高了干燥速率與產品品質，減少了火龍果片體積收縮率，產品色澤更好[22]。超聲波-熱風聯(lián)合干燥能加快干燥速率、縮短干燥時間、節(jié)省干燥能耗，較傳統(tǒng)熱風干燥具有明顯優(yōu)勢，適用于對干燥速率、品質要求高的農產品干燥。

2.1.3 冷凍-熱風聯(lián)合干燥

冷凍干燥是一種利用水的升華進行脫水干燥的技術，經過低溫冷凍的物料在負壓環(huán)境下加熱，物料內部的水分由固態(tài)直接升華為氣態(tài)，利用相變強化傳熱直接完成干燥過程，由于該過程中不存在液態(tài)水，避免了水溶性營養(yǎng)成分的流失以及感官品質的下降。將其與熱風干燥聯(lián)合使用，能起到提高干燥速率及產品品質的雙重效果。

冷凍干燥尤其適用于高含水量物料，其能最大限度地保留營養(yǎng)成分及感官品質，冷凍-熱風聯(lián)合干燥技術正逐步應用于高質量農產品的高效干燥中。比較對流冷凍、低溫冷凍和熱風干燥對蔓越莓干燥效果的影響，發(fā)現(xiàn)對流冷凍可以顯著提高第一階段的脫水速率，使干燥時間縮短43%，對流冷凍聯(lián)合熱風干燥（60 ℃）對樣品的表面結構影響最小，將冷凍與熱風干燥技術聯(lián)合，既可以提高干燥速率，又能保證產品干燥質量[23]。對比真空-熱風聯(lián)合干燥，冷凍-熱風聯(lián)合干燥下毛竹筍的品質（感官、營養(yǎng)）顯著提升，節(jié)能21%[24]。由上可知，冷凍-熱風聯(lián)合干燥技術既能縮短干燥時間，又能提高產品質量，可廣泛應用于農產品干燥中。

2.2 與電磁波相關的熱風聯(lián)合干燥技術

微波、射頻、紅外干燥均為新一代電磁波輻射干燥技術，其在干燥過程中不僅加熱迅速，而且具有體積熱效應，過程可控的優(yōu)點，將其與熱風干燥結合能顯著提升干燥效率與質量。

2.2.1 微波-熱風聯(lián)合干燥

微波頻率范圍為300 MHz～300 GHz。微波干燥是指物料在微波穿透作用下，內部迅速升溫進而對物料加熱的過程，具有體積加熱、選擇性加熱、干燥效率高的特點，此外，其還具有生物效應，可起到殺菌和保鮮作用。微波-熱風聯(lián)合干燥可以結合單一微波及熱風干燥優(yōu)勢，縮短干燥時間，降低能耗，提升產品質量。

圖4 是一種微波-熱風聯(lián)合干燥裝置圖。該裝置頂部設有磁控管，底部分布電加熱管，上部的引風機可將熱風引入微波干燥室，同時排出干燥過程中物料脫除的水分；振動機架、振動電機、減振彈簧用于保證干燥過程處于流態(tài)化；由觸摸屏以及監(jiān)視器控制整套裝置的運行狀態(tài)；該裝置系統(tǒng)既能實現(xiàn)微波-熱風干燥的串聯(lián)組合，又能并聯(lián)組合。

圖4 微波-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[25]Fig. 4 Schematic diagram of microwave-hot air combined drying device[25]

隨著大功率磁控管的快速發(fā)展，微波-熱風聯(lián)合干燥技術已逐步應用于農產品干燥加工過程中。對比熱風干燥、熱風-微波聯(lián)合干燥和真空冷凍干燥對柿子片的感官、質地、營養(yǎng)品質等的影響，發(fā)現(xiàn)采用熱風-微波聯(lián)合干燥生產的柿子片具有優(yōu)良的顏色和質地特性及復水能力，利用熱風-微波聯(lián)合干燥柿子片可使產品獲得較高的加工、儲藏品質并降低能耗[26]。微波加熱可以解決煙葉干燥水分不均勻、煙葉損壞等問題，提升煙葉品味[27]。微波-熱風聯(lián)合干燥比單獨使用微波干燥時間縮短29%，比單獨使用熱風干燥縮短58%[28]，且在聯(lián)合干燥模式下，花生的脂肪、氨基酸和不飽和脂肪酸含量均顯著高于單一干燥技術。因此，微波-熱風聯(lián)合干燥具有干燥速率快并可改善產品干燥品質的優(yōu)勢。

2.2.2 射頻-熱風聯(lián)合干燥

射頻干燥的頻率為3 kHz～300 GHz，與微波相比，穿透能力更強，具有更高的加熱均勻性及干燥效率，適用于體積大、處理量大的農產品干燥。典型的射頻-熱風聯(lián)合干燥裝置見圖5。該裝置由6 kW 的熱風干燥系統(tǒng)與6 kW，27.12 Hz 自由振蕩射頻加熱系統(tǒng)組合而成，通過調整極板間距以及熱風溫度參數來完成不同工況的射頻-熱風聯(lián)合干燥工藝。

圖5 射頻-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[29]Fig. 5 Schematic diagram of radio frequency-hot air combined drying device[29]

射頻加熱作為一種新型的高效率、高穿透加熱技術被用于農產品干燥加工中。然而，僅使用射頻干燥通常會導致產品加熱不均勻、加熱失控的現(xiàn)象。為此，射頻干燥與熱風干燥等傳統(tǒng)干燥技術的結合更能提高其均勻性、干燥效率和產品質量[30]。射頻-熱風聯(lián)合干燥技術應用于胡蘿卜渣干燥時比單獨應用熱風干燥時間縮短了39%，干燥后的產品具有更好的色澤，酚類、花青素含量，且抗氧化能力更強[31]。射頻-熱風聯(lián)合干燥技術應用于稻谷干燥時較單獨應用熱風干燥時間縮短了34%，同時產品的營養(yǎng)價值及感官品質均更佳[32]。

2.2.3 紅外-熱風聯(lián)合干燥

紅外干燥是將輻射能轉化為熱能的加熱方式，具有干燥速率快、傳熱系數高、體積加熱、能源效率高和殺菌的特點[33]。紅外干燥與熱風干燥聯(lián)用可以顯著提高干燥速率及產品質量。一種典型的紅外-熱風聯(lián)合干燥系統(tǒng)如圖6 所示，該系統(tǒng)包括紅外熱風加熱系統(tǒng)、溫度調節(jié)系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)。加熱管加熱空氣形成熱風對流傳熱，碳纖維紅外板通過熱輻射加熱物料。

圖6 紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[34]Fig. 6 Schematic diagram of infrared-hot air combined drying device[34]

為了提高傳統(tǒng)熱風干燥速率及產品干燥質量，紅外-熱風聯(lián)合干燥技術也逐漸用于農產品的干燥。與單一熱風或紅外干燥相比，紅外-熱風聯(lián)合技術對甘薯的干燥具有協(xié)同效應，提高了傳熱傳質效率，降低了能耗[35]，其在烤煙葉絲干燥中不但速率快，而且有利于維持葉絲的填充值[36]，對甘薯的干燥速率提升了1倍[37]，在蘋果片干燥中能有效抑制酶活性，防止褐變，提高干燥效率，改善產品品質（如色澤、質構）[38]。

2.3 其他熱風聯(lián)合干燥技術

2.3.1 熱泵-熱風聯(lián)合干燥

熱泵干燥是一種具有明顯節(jié)能效益的新型干燥技術，物料干燥品質高、過程環(huán)境污染小。將熱泵技術與傳統(tǒng)熱風干燥技術結合，可提高干燥均勻性，降低能耗，提升產品品質。圖7 為一種熱泵-熱風聯(lián)合干燥裝置圖。整套裝置通過空氣源熱泵產生干燥所需的高熱空氣，電磁空氣閥調節(jié)空氣進氣量，將熱空氣送入設有網格托盤的熱空氣箱中，整套系統(tǒng)由單片機處理器、溫度傳感器、溫濕度控制器以及氣體流量傳感器自動控制。

圖7 熱泵-熱風聯(lián)合干燥裝置示意圖[39]Fig. 7 Schematic diagram of heat pump-hot air combined drying device[39]

由于熱泵干燥具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，故熱泵-熱風聯(lián)合干燥可用于改善傳統(tǒng)單一熱風干燥，并在農產品干燥過程中取得不錯的效果。采取熱泵-熱風聯(lián)合技術對獼猴桃片干燥，通過引進熱風的控制實現(xiàn)熱泵間歇式開啟和關閉，既加快了干燥速率，又降低了單一熱泵干燥的能耗[40]；對南方波紋米粉絲進行干燥時，熱泵-熱風聯(lián)合干燥比單一熱泵和熱風干燥速率分別提高了13.15%和11.99%[41]。由此可見，熱泵干燥具有良好的節(jié)能效果。

2.3.2 真空-熱風聯(lián)合干燥

真空干燥是利用真空下水沸點降低而進行干燥的技術，干燥溫度較常壓下低。真空干燥的低氧含量可避免物料的氧化反應，其具有干燥速率快、產品質量高的特點，但同時也存在干燥成本高、熱效率低的缺點。將真空干燥與熱風干燥相結合，可以解決真空干燥（熱板加熱）受熱不均勻、熱效率低的問題[42]，并提升單一熱風干燥的速率與產品品質。

圖8 為一種真空-熱風聯(lián)合干燥裝置圖，該裝置引入了太陽能、熱泵和燃燒爐3 種熱源，在不同干燥階段采用熱風或真空干燥模式，其中熱風干燥主要由熱泵和煙氣-空氣換熱器實現(xiàn)；真空干燥階段熱水作為熱源，介質水由太陽能水箱和燃燒爐水箱提供，整套系統(tǒng)利用多熱源互補為真空-熱風聯(lián)合干燥提高熱量，既能提高干燥效率，又可通過真空環(huán)境保障產品的干燥品質，并可避免干燥過程中劇烈的熱風對流導致物料過度收縮與硬化。目前真空-熱風聯(lián)合干燥已廣泛應用于農產品干燥。

圖8 真空-熱風聯(lián)合干燥裝置[43]Fig. 8 Schematic diagram of vacuum-hot air combined drying device[43]

采用優(yōu)化的真空-熱風聯(lián)合干燥對稻谷進行干燥，單位能耗較單一熱風和真空干燥分別降低了60.1%和12.6%，稻谷爆腰率分別下降了10%和13.7%[44]；低溫真空技術應用于煙絲干燥時，相較于滾筒干燥，煙絲的致香成分含量及感官品質均有所提升[45]；真空-熱風聯(lián)合干燥應用于板棗干燥時，干燥所需時間較單一熱風干燥縮短了20.68%，較單一真空干燥縮短了10%，且能耗僅為單一熱風干燥的40%[46]；真空-熱風聯(lián)合技術應用于茯苓丁干燥，具有干燥時間短、單位能耗低、產品多糖類物資含量高、破碎率低等特點[47]。

3 討論

由表1 可知，過熱蒸汽-熱風干燥、真空-熱風干燥、微波-熱風干燥、射頻-熱風干燥、紅外-熱風干燥主要用于對干燥效率要求高的物料，但過熱蒸汽-熱風干燥由于溫度過高而不適用于熱敏性物料；對于品質要求高的物料，建議采用冷凍-熱風干燥以及真空-熱風干燥技術，但不足之處是干燥耗時較長、運行成本高；對于需要大批量處理的物料，通常選擇熱泵-熱風干燥以及真空-熱風干燥技術，其中熱泵-熱風干燥還具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)勢；對于大體積的物料，可以選擇過熱蒸汽-熱風干燥、冷凍-熱風干燥、熱泵-熱風干燥和真空-熱風干燥；綜合考慮經濟性指標，熱泵-熱風干燥、微波-熱風干燥、真空-熱風干燥、過熱蒸汽-熱風干燥均能實現(xiàn)高效干燥，同時還能節(jié)省能耗、降低成本。

表1 熱風及其聯(lián)合干燥技術對比Table 1 Comparison of hot air and combined hot air drying technologies

續(xù)表1 熱風及其聯(lián)合干燥技術對比Continue table 1 Comparison of hot air and combined hot air drying technologies

需要強調的是，不同干燥技術具有各自的優(yōu)勢與不足，實際應用過程中需要根據物料特性（種類、熱敏性、體積大小、處理規(guī)模等）選擇合適的干燥技術來實現(xiàn)高效干燥，同時設備的運行還需根據實際情況進行調整與優(yōu)化。

4 展望

聯(lián)合干燥技術與單一干燥技術相比，干燥速率及產品干燥品質均得到提升，整體熱效率及能源利用率得到提高，實現(xiàn)了單一干燥技術的優(yōu)勢互補。但是如何通過參數優(yōu)化來提升聯(lián)合干燥工藝，實現(xiàn)干燥效益最大化以及聯(lián)合干燥設備的一體化仍存在諸多挑戰(zhàn)，開發(fā)相關干燥模型可以促進最佳聯(lián)合干燥技術的確定。不同的聯(lián)合干燥技術適宜不同的農產品、干燥規(guī)模及設備運行工況，實際使用時要針對農產品種類、物料特性、干燥需求與適用條件等因素合理選擇相關干燥技術。基于此，熱風與其他干燥技術聯(lián)合具有巨大潛力，可實現(xiàn)多優(yōu)勢互補。但其挑戰(zhàn)性在于設備一體化的設計以及實際的工業(yè)應用。目前，多數聯(lián)合干燥技術僅停留在實驗室階段，需要更多地結合生產實踐以進行相關技術的探究與設備研發(fā)。