紅外干燥技術(shù)在食品干燥上的應(yīng)用可行性

隋銀強(qiáng)，楊繼紅，2，劉霞，李華，2，3，王華，2，3，*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄酒學(xué)院，陜西楊凌712100；2.陜西省葡萄與葡萄酒工程研究中心，陜西楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)合陽(yáng)葡萄試驗(yàn)示范站，陜西渭南715300）

紅外線是波長(zhǎng)介于0.76 至400 μm 的一段光譜，是不可見(jiàn)光。習(xí)慣上又將紅外線具體分為短紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外，其波長(zhǎng)范圍分別是（0.75～1）～（2.5～3）μm，（2.5～3）～（25～40）μm，（25～40）～400 μm。目前紅外技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域并發(fā)揮了巨大的作用，諸如醫(yī)療（紅外輻射治療儀、紅外測(cè)溫計(jì)）[1-2]、軍事（夜視儀、紅外制導(dǎo)）[3-4]、交通（監(jiān)測(cè)器、測(cè)距系統(tǒng)）[5-6]和科研（紅外光譜分析儀）[7-8]等領(lǐng)域。

干燥是食品行業(yè)中非常重要的一環(huán)，具有延長(zhǎng)食品保質(zhì)期、殺菌、改善風(fēng)味等作用。目前常用于食品干燥的方法有滲透干燥，對(duì)流干燥——包括熱風(fēng)干燥、熱泵干燥和過(guò)熱蒸汽干燥，輻射干燥——包括微波干燥和紅外干燥，冷凍干燥以及真空干燥等。一個(gè)好的干燥方式應(yīng)該具有成本低、干燥速度快、干燥質(zhì)量高以及殺菌效果好的特點(diǎn)。目前最常用而且成本最低的干燥方式是在太陽(yáng)光下自然晾曬，但是這個(gè)方法弊端很多，比如干燥速率慢、滅菌效果差、干燥時(shí)間嚴(yán)重依賴于天氣狀況、干燥品質(zhì)容易受周邊環(huán)境影響等，所以對(duì)于需要立即干燥的產(chǎn)品不適用，而且該法不能保證較優(yōu)的產(chǎn)品品質(zhì)。冷凍干燥是干燥品質(zhì)最好的干燥方法，但是冷凍干燥的干燥速率是最慢的，其在使用過(guò)程中往往和真空干燥結(jié)合利用，這種做法雖然一定程度上提高了干燥速度，但是由于對(duì)低溫和真空環(huán)境的需求，其對(duì)干燥設(shè)備的要求也變得比較苛刻，而且能耗也高于其它干燥方法；對(duì)于滲透干燥和過(guò)熱蒸汽干燥，雖然其能耗低，干燥質(zhì)量相對(duì)較好，但其使用范圍有限，操作程序復(fù)雜，而且不能將物料完全干燥，目前僅僅在小部分領(lǐng)域中使用，還沒(méi)得到廣泛利用；對(duì)流熱風(fēng)干燥是目前工業(yè)生產(chǎn)上使用較多的一種干燥方式，對(duì)設(shè)備要求低，具有操作簡(jiǎn)單、干燥速度相對(duì)較快、滅菌效果較好的特點(diǎn)，但是其能耗高，能源利用率低，而且由于在干燥過(guò)程中需要高溫，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的口感、外觀和營(yíng)養(yǎng)成分等會(huì)造成一定程度的破壞，不是一種高效有效的干燥方式；微波干燥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，利用電磁波穿透介質(zhì)使其內(nèi)部分子振動(dòng)產(chǎn)熱，熱量產(chǎn)生在物料內(nèi)部，使得物料的各個(gè)部位加熱速率相同，其干燥速度快、能耗低、干燥不受時(shí)間空間的影響，可以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)干燥生產(chǎn)，也是目前研究應(yīng)用比較多的一種干燥方式，但是微波干燥對(duì)物料的質(zhì)量影響比較大，控制不好干燥參數(shù)往往會(huì)對(duì)物料的香氣和質(zhì)感造成大的損傷，而且由于微波輻射對(duì)人體有害，在微波干燥過(guò)程中要避免微波的溢出，對(duì)干燥設(shè)備提出了較高的要求，造成高的初始成本。

紅外干燥的基本原理為：紅外線輻射器所產(chǎn)生的電磁波，以光的速度直線傳播到達(dá)被干燥的物料，當(dāng)紅外線或遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射頻率和被干燥物料中分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率（也即紅外線或遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射波長(zhǎng)和被干燥物料的吸收波長(zhǎng)）相匹配時(shí)，物料內(nèi)分子會(huì)因強(qiáng)烈振動(dòng)引起激烈摩擦而產(chǎn)生大量熱量，從而達(dá)到干燥的目的。紅外干燥的特點(diǎn)：從紅外發(fā)射器發(fā)出的能量直接被干燥物料表面吸收，周?chē)目諝獠槐患訜岫椅锪蠝囟炔皇苤車(chē)諝鉁囟鹊挠绊?，使得該技術(shù)具有加熱效率較高的特點(diǎn)，此外，紅外干燥還具有加熱相對(duì)均勻的特點(diǎn)[9]。

文章分別在干燥速率、干燥質(zhì)量和能耗3 個(gè)方面總結(jié)分析了紅外干燥的特點(diǎn)及其在食品干燥領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并通過(guò)將其與其它常用干燥方法進(jìn)行對(duì)比，分析了其在食品工業(yè)上的應(yīng)用可行性。

1 干燥速率

干燥速率是評(píng)價(jià)干燥性能很重要的一方面，在生產(chǎn)中往往追求更快的干燥速度以減少干燥時(shí)間。

在紅外干燥過(guò)程中，紅外線穿透物料表面到達(dá)物料內(nèi)部，通過(guò)共振引起內(nèi)部水分相互摩擦而生熱，造成物料內(nèi)部溫度比表面溫度高，其熱擴(kuò)散方向由內(nèi)往外；同時(shí)，由于物料水分的擴(kuò)散方向總是由水分較多的內(nèi)部向水分含量較少的外部進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)物料水分的濕擴(kuò)散與熱擴(kuò)散在方向上的一致性，從而加快了干燥的進(jìn)程。相反，熱風(fēng)干燥是通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行加熱，其作用部位是物料表面。在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，物料表面的溫度始終高于內(nèi)部溫度，熱量由外部傳向內(nèi)部；同時(shí)由于濕擴(kuò)散為由內(nèi)向外進(jìn)行，造成濕擴(kuò)散和熱擴(kuò)散在方向上是相反的，它們之間互相影響，互相阻礙，降低了干燥速度。

研究表明，紅外干燥相比大部分干燥方法具有干燥速率快的優(yōu)勢(shì)。Shi 等對(duì)藍(lán)莓的紅外干燥特性進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)相同干燥溫度下（60 ℃），紅外干燥相比熱風(fēng)干燥能節(jié)省44%的時(shí)間[10]；Pan 等也在研究中發(fā)現(xiàn)除去相同比例（50%）的水分，紅外干燥較熱風(fēng)干燥減少43.9%的用時(shí)[11]；此外，紅外干燥的速率也要明顯高于冷凍干燥[12]和過(guò)熱蒸汽干燥[13]。然而相比微波干燥，紅外干燥用時(shí)略長(zhǎng)，Tireki 在研究生產(chǎn)面包糠的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，微波干燥相對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥可減少96.5%～98.6 %的時(shí)間而紅外干燥相比熱風(fēng)干燥只能減少80.2%～94.0%的時(shí)間[14]。

紅外干燥可以和任何一種干燥技術(shù)（諸如真空、熱風(fēng)、微波、過(guò)熱蒸汽干燥等）結(jié)合使用，充分發(fā)揮每個(gè)干燥方法的特點(diǎn)，讓干燥速率最大化。結(jié)合微波進(jìn)行干燥可以最大程度上降低干燥時(shí)間：微波干燥具有使干燥物料內(nèi)部水分迅速外排的特點(diǎn)，但是外排的水分會(huì)在物料表面聚積而降低干燥速率，而紅外干燥物料的內(nèi)部水分溢到外部受阻但恰好具有迅速除去物料表面水分的優(yōu)勢(shì)[14-15]，將這兩種方法結(jié)合可以發(fā)揮每個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，提高干燥速率[15]；紅外干燥與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥結(jié)合同樣可以提高干燥速率，Sun 等發(fā)現(xiàn)除去相同含量的水分，結(jié)合熱風(fēng)預(yù)處理的干燥方式比只用紅外干燥能提高20%的干燥速度[16]。

影響紅外干燥速率的因素主要有紅外輻射的功率以及被加熱物料的厚度和體積大小，功率越高，物料厚度和體積越小，干燥速率越高[17-19]。這是由于輻射功率越高，單位面積的能量越大，被作用的水分子就越多，從而加快了干燥速率；基于紅外波長(zhǎng)與水分子吸收波長(zhǎng)相匹配而引起水分子劇烈運(yùn)動(dòng)的干燥原理，紅外干燥對(duì)物料具有一定的厚度要求，當(dāng)物料厚度超出紅外線波長(zhǎng)，干燥速率就會(huì)下降，這也是遠(yuǎn)紅外干燥速率要高于近中紅外干燥速率的原因。因此，某種程度而言，紅外干燥只適合于薄層干燥，這也是限制紅外干燥技術(shù)在食品干燥領(lǐng)域應(yīng)用中的瓶頸，它要求被干燥的物料平鋪成薄面，這在一定程度上加大了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。此外，有人對(duì)紅外干燥結(jié)合風(fēng)循環(huán)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合風(fēng)循環(huán)不能提高紅外干燥速度，反而因?yàn)榻档土宋锪媳砻娴臏囟榷垢稍锼俣冉档蚚17，20]。

2 干燥品質(zhì)

干燥品質(zhì)是決定干燥方式優(yōu)劣的最重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，品質(zhì)的高低最終會(huì)影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。食品的干燥品質(zhì)主要分為3 個(gè)主要方面：感官指標(biāo)（口感、外觀和香氣）、理化指標(biāo)（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損傷程度）和微生物指標(biāo)（干燥的滅菌效果）。

2.1 感官指標(biāo)

紅外干燥技術(shù)獲得的產(chǎn)品具有相對(duì)較好的感官質(zhì)量。Pan 等比較了熱風(fēng)干燥、蒸汽干燥和紅外干燥處理的梨片的感官品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)紅外干燥處理的梨片的質(zhì)地和外觀都要優(yōu)于其它兩種干燥方式，而且香氣更清純[11]；Gabel 對(duì)洋蔥進(jìn)行了紅外干燥處理，發(fā)現(xiàn)相比市場(chǎng)零售的干燥洋蔥和洋蔥粉，紅外干燥的洋蔥顏色更好[21]；同未經(jīng)干燥處理的杏仁相比，紅外處理的杏仁在外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、風(fēng)味和質(zhì)量上未出現(xiàn)明顯的變壞情況[22]，同樣，對(duì)于龍眼、稻米的紅外干燥處理也不會(huì)影響其口感質(zhì)量[23-24]。但是也有些許報(bào)道發(fā)現(xiàn)紅外干燥會(huì)明顯降低干燥產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是會(huì)加深顏色，使產(chǎn)品出現(xiàn)褐變[14，25]。

紅外的輻射強(qiáng)度、干燥物料的厚度以及干燥時(shí)間都會(huì)影響干燥品質(zhì)，在不同的干燥條件下，其干燥產(chǎn)品的質(zhì)量差異明顯[17-18，26]。此外，干燥溫度對(duì)干燥質(zhì)量也有一定影響[25，27]。

紅外干燥可與其他干燥方法結(jié)合利用從而得到更好的干燥品質(zhì)。Nathakaranakule 等分別將熱泵干燥和熱風(fēng)干燥與紅外干燥結(jié)合后對(duì)龍眼進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)結(jié)合紅外干燥能提高干燥龍眼的多孔結(jié)構(gòu)，帶來(lái)低收縮性、高復(fù)水性、低硬度和低柔韌性的特點(diǎn)[24]；此外，將冷凍干燥與紅外干燥結(jié)合可以提高干燥山藥的復(fù)水性和總色差[28]；將低壓過(guò)熱蒸汽干燥和真空干燥與紅外干燥結(jié)合使用可以使香蕉片更加清脆，提高香蕉片的孔隙度[29-30]；微波干燥和紅外干燥結(jié)合相比單獨(dú)利用微波和紅外處理都能提高干燥產(chǎn)品的外觀顏色[14]。這種結(jié)合干燥的方法用于提高產(chǎn)品干燥質(zhì)量的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在食品干燥上，在其它干燥領(lǐng)域上也得到了很好的驗(yàn)證[31-32]。

2.2 理化指標(biāo)

干燥對(duì)產(chǎn)品成分的結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)影響，特別是對(duì)溫度和氧氣敏感的成分。干燥條件不當(dāng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分造成巨大的破壞，降低產(chǎn)品的價(jià)值。干燥產(chǎn)品的理化指標(biāo)是評(píng)價(jià)干燥質(zhì)量的一個(gè)很重要的方面。

相對(duì)而言，紅外干燥對(duì)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的破壞程度較小。Basman 對(duì)紅外干燥技術(shù)用于快速蒸煮面條生產(chǎn)可行性進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)紅外干燥處理的面條的黏度值增大，總膳食纖維、酶抗性淀粉和直鏈淀粉脂質(zhì)的含量也有所增加，但其總有機(jī)質(zhì)、面條的蒸煮時(shí)間和蒸煮損失降低，干燥質(zhì)量較高[33]；Sellami 等比較了紅外干燥與陰干、熱風(fēng)干燥以及微波干燥處理的月桂樹(shù)葉，發(fā)現(xiàn)相比其它干燥方法，室溫下陰干和45 ℃紅外干燥對(duì)月桂樹(shù)葉精油的破壞最小，其提取物中含氧單萜含量較高，揮發(fā)性物質(zhì)損失較小[34]；紅外干燥對(duì)總黃酮成分也具有很好的保護(hù)作用[35]；此外，Lee 等發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)樣品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響從而提高了提取效率，相比冷凍干燥，紅外干燥處理的深海褐藻提取物的多酚含量要更高，對(duì)釋放深海褐藻中的生物活性物質(zhì)更有效[36]。

將紅外干燥與其它干燥方法結(jié)合利用同樣可以降低對(duì)干燥物料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損傷。Niamnuy 等研究了大豆中的生物活性物質(zhì)——異黃酮在不同干燥方法下的變化情況，發(fā)現(xiàn)與熱風(fēng)流化床和過(guò)熱蒸汽流化床干燥相比，紅外和熱風(fēng)干燥結(jié)合的方法對(duì)異黃酮的破壞最小，同時(shí)干燥產(chǎn)品具有較高的抗氧化活性[37]；將紅外干燥與冷凍干燥結(jié)合使用相比只采用冷凍干燥也能夠更好地保護(hù)干燥西蘭花中的總多酚和硒代半胱氨酸物質(zhì)[38]。

與其它干燥方法一樣，不同溫度的紅外處理也會(huì)影響干燥產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量。Senevirathne 在5 個(gè)溫度（40、50、60、70、80 ℃）下對(duì)柑橘濾餅進(jìn)行了紅外干燥，發(fā)現(xiàn)不同的溫度處理下的多酚和總黃酮差異顯著，在70 ℃下具有最高的多酚和總黃酮含量[35]；而Niamnuy 在4 個(gè)溫度（50、70、130、150 ℃）下對(duì)大豆進(jìn)行紅外干燥，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，大豆異黃酮內(nèi)部轉(zhuǎn)化速率增加，在150 ℃條件下各種異黃酮的降解速率達(dá)到最高[39]。

2.3 微生物指標(biāo)

作為評(píng)價(jià)干燥質(zhì)量很重要的指標(biāo)，微生物含量是評(píng)價(jià)食品安全系數(shù)和保存期的重要依據(jù)。紅外干燥能夠起到很好的滅菌的效果，提高產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

Gabel 等比較了60、70 ℃和80 ℃下熱風(fēng)和紅外干燥處理洋蔥的微生物情況，對(duì)干燥洋蔥的酵母菌和霉菌殘存數(shù)量統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在哪種干燥條件下，紅外處理后的洋蔥的酵母菌和霉菌的殘存數(shù)量都要明顯小于熱風(fēng)干燥處理后的洋蔥的微生物殘存數(shù)量[20]。利用紅外和熱風(fēng)結(jié)合的干燥方式會(huì)取得更好的滅菌效果，Yang 等采用了紅外、熱風(fēng)以及紅外與熱風(fēng)結(jié)合的方法，分別在130、140 ℃和150 ℃下對(duì)杏仁進(jìn)行了干燥滅菌處理，發(fā)現(xiàn)滅菌效果隨著溫度升高而增加；除去相同數(shù)量的小球菌，紅外與熱風(fēng)結(jié)合的方法相比熱風(fēng)干燥的方法能節(jié)省38%～62%的時(shí)間，在相同的干燥程度上其滅菌效果也要高于單獨(dú)采用熱風(fēng)干燥或者紅外干燥，而且滅菌程度可以達(dá)到食品工業(yè)生產(chǎn)對(duì)微生物數(shù)量控制的要求[40]。

3 干燥能耗

在農(nóng)業(yè)能耗方面，農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥的能耗占很大比例。在世界能源匱乏的當(dāng)今年代，降低能耗，提高能源利用率具有非常重要的意義。紅外干燥由于不加熱干燥介質(zhì)而且具有加熱效率高的特點(diǎn)，使得其具有相對(duì)較低的能耗。

紅外干燥相比熱風(fēng)干燥能夠很大程度上降低能耗，Ning 等即發(fā)現(xiàn)對(duì)于人參的干燥，紅外干燥相比熱風(fēng)干燥能降低9.67%～14.85%的能耗[41]。Motevali 等對(duì)熱風(fēng)、微波、真空以及紅外干燥石榴皮的能耗情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)能耗最高的干燥方式是真空干燥，為2.72 kW·h～12.83 kW·h，能耗最小的為微波干燥，介于0.167 kW·h～0.35 kW·h，紅外干燥的能耗略高于微波干燥，但是低于熱風(fēng)干燥的能耗（2 kW·h～11 kW·h），約為0.66 kW·h～3 kW·h[42]，此外，他們還對(duì)蘑菇進(jìn)行了干燥的能耗研究，發(fā)現(xiàn)能耗最低的同樣是微波干燥，其次是紅外干燥，在這個(gè)研究中他們還采用了紅外干燥與熱風(fēng)干燥結(jié)合的干燥方式，發(fā)現(xiàn)這種干燥方法的能耗要高于單獨(dú)使用紅外干燥，但是遠(yuǎn)低于熱風(fēng)干燥[43]；將紅外干燥和微波干燥結(jié)合可以最大程度上降低能耗，Wang 等采用響應(yīng)面分析法得出將紅外干燥用于干燥的第一階段、將微波干燥用于干燥的第二階段可以得到最低的能耗率，而且能耗率受兩個(gè)干燥階段轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響[44]；Nimmol 也在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將紅外與低壓過(guò)熱蒸汽干燥結(jié)合也可以降低能耗[13]。

影響紅外干燥能耗的因素主要是紅外輻照強(qiáng)度。有研究表明，隨著輻照強(qiáng)度（輻照功率）的增強(qiáng)，其總能耗降低[24]。這可能是由輻照強(qiáng)度增大，所需干燥時(shí)間縮短所致。但是考慮到能耗為功率與干燥時(shí)間的相互作用，所以最小的能耗應(yīng)該在綜合輻照強(qiáng)度和干燥時(shí)間后得到。需要指出的是紅外干燥過(guò)程中通風(fēng)會(huì)增加能耗，而且隨著風(fēng)速增大，能耗增大，這是由于通風(fēng)會(huì)降低紅外干燥速度，而且通風(fēng)設(shè)備本身要消耗能量所致[42]。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外干燥是一種新興的干燥方式，其干燥過(guò)程中不加熱介質(zhì)，空氣不會(huì)吸收紅外能量，干燥效率高。同微波干燥相比，同樣具有干燥速度快、能耗低、不受時(shí)間空間影響、可大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，而且紅外對(duì)人身體無(wú)害，對(duì)設(shè)備的要求低，不需要高的初始成本，操作簡(jiǎn)單，干燥質(zhì)量相對(duì)較好，是一個(gè)值得研究利用的干燥方法。

由于紅外干燥的技術(shù)特點(diǎn)，其在干燥過(guò)程中可以很方便的與其它一甚至多個(gè)干燥方法結(jié)合使用，充分發(fā)揮各干燥方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，達(dá)到更好的干燥品質(zhì)。紅外干燥方法在將來(lái)的食品工業(yè)生產(chǎn)上必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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