微波流態(tài)化聯(lián)合干燥技術(shù)在果蔬中的研究進展

呂為喬，李樹君，韓清華，王也，周海軍

（1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083）

微波流態(tài)化聯(lián)合干燥技術(shù)在果蔬中的研究進展

呂為喬1，李樹君2，*，韓清華2，王也2，周海軍2

（1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083）

闡述了微波干燥在果蔬加工上的干燥原理和不足，并結(jié)合國內(nèi)外研究背景，說明多種干燥方法聯(lián)合干燥是微波干燥果蔬類農(nóng)副產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。介紹了微波熱風流態(tài)化聯(lián)合干燥的研究成果，提出了熱風微波真空流態(tài)化分階段組合干燥的設(shè)想以及預期中的技術(shù)問題。

微波干燥；微波流態(tài)化；果蔬；組合干燥；研究進展

微波是波長1mm～1m之間，頻率在3.0×102～3.0× 105MHz的電磁波，具有直線傳播、空間衰減和對金屬反射性好等特性。20世紀40年代，美國雷聲公司工作人員在進行雷達試驗時，偶然發(fā)現(xiàn)糖果被泄露的微波融化，經(jīng)過研究申請了世界上第一個微波加熱專利。1965年，微波技術(shù)在烘干面條中取得成功，面條內(nèi)部水分遷移緩慢，后續(xù)干燥困難，而微波干燥很好地解決了這一問題。隨著磁控管生產(chǎn)技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的降低，70年代微波加熱技術(shù)在發(fā)達國家得到大規(guī)模的推廣和使用[1]。微波之所以能應用于脫水蔬菜、果蔬脆片等干燥領(lǐng)域，是因為水分子及果蔬物料中其它分子的極性結(jié)構(gòu)，受到微波的激勵后產(chǎn)生每秒數(shù)億次的振動，這會引發(fā)非?？捎^的摩擦效應和熱運動，水的沸點較低，能被首先散失出來。為了避免不同用途電波的干擾，國際上對加熱用的微波有統(tǒng)一的規(guī)定，在農(nóng)副產(chǎn)品加工中常見的頻率為915MHz和2 450MHz。

1 微波干燥技術(shù)在果蔬中的研究進展

1.1 我國脫水果蔬的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是世界上果蔬的生產(chǎn)大國，2011年總產(chǎn)量達7.9億t，其中蔬菜6.5億t、水果1.4億t，均位居世界第一位。二者在國際市場上的占有率高達35%左右，出口貿(mào)易額40.4億美元，而脫水果蔬類產(chǎn)品占38.7%，年出口平均增長率高達18.5%[2]。隨著國內(nèi)外食品配料需求的高速增長及歐美日俄等國際市場對脫水果蔬類產(chǎn)品需求量的大幅增加，脫水果蔬加工業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的一個重要增長點。

脫水果蔬，是利用各種干燥方法把水果、蔬菜的含水率降到安全水分得到的產(chǎn)品，是一種適應現(xiàn)代人快節(jié)奏、高效率生活方式的流行食品，也是在不易于獲得新鮮水果、蔬菜條件下解決飲食問題的貯藏食品。我國脫水果蔬的生產(chǎn)工藝以熱風烘干為主，產(chǎn)品品質(zhì)較低，市場競爭力較弱，而日本、韓國、美國、歐盟等國家時常運用技術(shù)壁壘的方式，限制中國果蔬加工制品進入，從而制約了我國脫水果蔬產(chǎn)品的出口和果蔬加工業(yè)的發(fā)展。只有提高果蔬干燥的技術(shù)含量，研發(fā)高效節(jié)能新技術(shù)、新工藝，才能在國際市場中以產(chǎn)品質(zhì)量和成本優(yōu)勢取勝。

1.2 微波干燥的優(yōu)勢和不足

傳統(tǒng)上采用的對流和接觸式干燥需要干燥介質(zhì)傳輸熱量，能源利用率受到限制。利用紅外線、遠紅外線、微波等能源將熱量傳給物料干燥稱為輻射干燥，不僅不需要傳熱介質(zhì)，還可以適應有利于干燥的真空環(huán)境。微波干燥作為新一代干燥技術(shù)，具有加熱速度快、干燥效率高等優(yōu)點。資料表明微波在50Pa～3200Pa的低壓下工作時，會產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，微波低壓放點問題是微波真空冷凍干燥技術(shù)的研究重點[3]。

微波能以電磁輻射形式進入濕物料，由里到外產(chǎn)生大量水蒸汽，從而形成有效的氣壓差，驅(qū)動水分以氣體的形態(tài)向表面遷移。由于極性分子的摩擦運動和生熱效應，熱量要向表面釋放；適當?shù)奈锪象w積和厚度有利于熱量的散失，對控制品質(zhì)起重要作用。物料的傳熱方向、蒸汽遷移方向和溫度梯度方向一致，大大提高了干燥速率[4]。物料在吸收微波能后，微波的場強和功率不斷地衰減，通常用滲透深度來表示物料對微波能衰減能力的大小，即微波功率從物料表面至表面值的1/e時的距離，用De表示，e為自然對數(shù)底值。

式中：λ0為自由空間波長；εr為介電常數(shù)；tgδ為介電損耗。表1為微波在水中的滲透深度[5]，對于一般果蔬類的物料，和值比水要小得多，故微波穿透能力高于純水。

表1 微波在水中的滲透深度Table1 Microwave penetration depth in water

牟群英等通過理論計算，認為在915M和2 450M的微波頻率下干燥高含水率的多孔介質(zhì)，最大厚度應控制在16 cm和6 cm以內(nèi)，且微波的穿透能力隨著水分的降低顯著增強[6]。在普通的脫水蔬菜、水果脆片等農(nóng)副產(chǎn)品干燥領(lǐng)域，頻率為2 450的微波工作效率高，應用最為普遍。在微波冷凍干燥方面，隨著溫度的降低微波的穿透深度有很大的提高。

當頻率和電場強度一定時，物料在干燥過程中對微波強度的吸收主要取決于物料的介電常數(shù)。在果蔬干燥過程中，水的介電常數(shù)比干物質(zhì)大，吸收能量多，故物料在受熱過程中具有自平衡能力。與此同時，微波的熱效應和電磁效應在干燥過程中兼有穿透滅菌能力，葛新峰和Mrinal K.Bhattacharjee等通過培養(yǎng)基的滅菌試驗證實了微波的殺菌效果[7-8]。

微波干燥也有自己的不足，微波作為一種電磁輻射能源，可能在物料尖角部位集中，發(fā)生局部過熱、焦化。磁場在工作室的分布存在著不均勻性，在磁控管的布置和工作平臺的設(shè)計上需要深入地考慮。韓清華等通過多饋源微波干燥室設(shè)計，利用HFSS軟件對微波電磁場的均勻性進行模擬仿真，優(yōu)化了微波的能量分部[9]。微波干燥為全體積干燥，熱量若不能及時散發(fā)出來，會導致干燥品質(zhì)的劣變，單純的微波干燥成品率往往不足65%。很多學者都把切片厚度作為重要工藝參數(shù)來研究，熊永森等通過正交試驗發(fā)現(xiàn)3mm厚的胡蘿卜片微波干燥的品質(zhì)最優(yōu)[10]；朱德泉等通過單因素試驗研究了切片厚度對獼猴桃微波真空干燥品質(zhì)的影響，并用正交試驗得出6.16mm的厚度干燥效果最佳[11]。

微波干燥作為新一代干燥技術(shù)，一次性的設(shè)備投資和運營費用要高于傳統(tǒng)的熱風干燥，可以優(yōu)先在高附加值的果蔬類產(chǎn)品中使用，而發(fā)展多種干燥方式復合的技術(shù)，兼收接觸式干燥和對流式干燥的優(yōu)勢可以弱化單一干燥方式的技術(shù)缺陷，實現(xiàn)干燥效率的提高和干燥品質(zhì)的改善。

1.3 國內(nèi)外有關(guān)微波干燥的研究進展

對于微波干燥果蔬類農(nóng)副產(chǎn)品的干燥不均勻、成品率低等問題，國內(nèi)外學者有不同的研究。而復合熱風、真空、振動流態(tài)化等技術(shù)手段，將單純的微波干燥發(fā)展成多種方法同時干燥、多階段復合干燥已成為一種共識。張慜等回顧了國內(nèi)外關(guān)于聯(lián)合干燥果蔬的研究進展，論述了微波干燥在其中的重要地位[12]。Wang J等用兩階段微波干燥法研究了胡蘿卜的干燥過程，認為改變切片厚度、每個階段饋入微波的功率和時間可降低能耗，提高產(chǎn)品的復水能力和β-胡蘿卜素的保有量[13]。D.G.Prabhanjan等通過加入微波將熱風干燥胡蘿卜顆粒的干燥時間縮短了25%～90%，并在較低的微波功率下取得了良好的干燥品質(zhì)[14]。JoannaBondaruk等研究了微波真空干燥馬鈴薯細塊的工藝和品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與對流干燥相比，微波真空干燥產(chǎn)品的淀粉和總糖分損失較少，但微觀結(jié)構(gòu)有不同程度的改變[15]。韓清華等利用真空微波聯(lián)合干燥法，通過調(diào)整微波功率、壓力等參數(shù)，不僅改善了蘋果片的干燥品質(zhì)，還起到了膨化效果[16]。RuiWang等研究了微波真空冷凍干燥馬鈴薯片的微觀結(jié)構(gòu)和品質(zhì)，把干燥過程分為冷凍階段、解析干燥、最終干燥3個階段，由于后兩個階段水分升華，滲透作用會引起細胞壁破壞，但整體來說在維生素C、色澤、物性等方面與傳統(tǒng)的真空冷凍干燥相差不大[17]。曹有福等利用微波真空冷凍法研究冬棗的干燥工藝，在與真空冷凍干燥品質(zhì)相同的情況下，干燥時間節(jié)省40.9%，能耗降低55.9%[18]。

2 微波流態(tài)化聯(lián)合干燥在果蔬中的研究進展

流態(tài)化干燥主要用于可流化或機械輔助流化的潮濕顆粒產(chǎn)品的干燥，具有蒸發(fā)、包埋、造粒等功能。借助對流、導熱和輻射等方法來實現(xiàn)能量的傳遞，流化床的動力學可以使粒徑在50μm～2 000μm的顆粒得到很好地混合，對于小于50μm的物料一般用振動來實現(xiàn)，對較大的顆粒來說，需要在內(nèi)部插入構(gòu)件或噴霧來改善工作效果[19]。

微波流態(tài)化干燥工藝在果蔬加工上的應用，不完全等同于細小顆粒的流化床模型，它是利用機械振動使切片的果蔬物料在振動床上處于不斷地翻滾，游動及懸浮狀態(tài)，同時利用微波提供電磁能量，讓濕物料內(nèi)部的水分快速蒸發(fā)的干燥方式。在這里物料本身不是細小顆粒，也沒有顆粒形成，流態(tài)運動只是為了減緩微波電磁場分布不均及物料局部過熱等不良影響。由于傳熱的方式，物料的運動及干燥過程都與普通流化床相同，故稱為微波流態(tài)化干燥。A.Reyes等在熱風微波流態(tài)化干燥馬鈴薯片的試驗中得到成功的應用，微波的饋入讓干燥時間減少85%，并認為干燥層厚度和熱風溫度對產(chǎn)品的色澤和孔隙有很大影響，與產(chǎn)品復水性和滲透力關(guān)系不大[20]。B.AbbasiSouraki等在微波復合下的流化床中載入惰性顆粒，改善了胡蘿卜片的流態(tài)化效果，同時還提出了有效預測物料溫濕度變化的數(shù)學模型[21]。

2.1 熱風微波流態(tài)化干燥

熱風微波流態(tài)化干燥，是采用若干只磁控管獨立涉入微波能，通過機械振動使切片后的果蔬物料在微波場中處于流態(tài)化狀態(tài)，通過鼓入熱風與微波電磁場進行協(xié)同加熱的聯(lián)合干燥。基于該種操作設(shè)計方法，韓清華等研制了集微波、機械振動、熱風為一體的熱風微波流態(tài)化組合干燥試驗平臺（圖1）[9]。

圖1 熱風微波流態(tài)化聯(lián)合干燥試驗平臺Fig.1 Hot-air microwave fluidization combined drying test platform

在試驗臺中，微波干燥室有6只磁控管，均衡設(shè)置在腔體頂部，通過獨立的波導與干燥室連接。振動流態(tài)化系統(tǒng)采用振動電機帶動物料盤進行振動，通過減振彈簧與設(shè)備機架連接。干燥室底部設(shè)有4根電加熱管連接組成熱源，熱風系統(tǒng)屬于獨立控制，可選擇使用。該裝備還具備排濕功能和控制系統(tǒng)等。

通過對胡蘿卜丁的熱風微波流態(tài)化聯(lián)合干燥，發(fā)現(xiàn)干燥后的顆粒之間的水分含量差異在1.22%之內(nèi)，能保持胡蘿卜原有色澤、氣味和滋味的干制品的合格率達到89.63%。通過利用微波、流態(tài)化兩種組合研究了姜片的干燥效果，并認為與單純熱風干燥相比，在干燥時間和保持物料熱敏性營養(yǎng)物質(zhì)的成分上微波流態(tài)化工藝具有明顯的優(yōu)勢，但姜片的微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的復水性偏差。李冰等在此試驗臺上研究了微波功率、熱風功率和振動頻率對香菇干燥速率的影響，并通過低場核磁共振技術(shù)分析了香菇水分遷移變化，認為提高水的流動性并延長恒速階段的干燥時間有利于提升干燥速率[22]。

2.2 熱風微波真空流態(tài)化組合干燥

熱風微波真空流態(tài)化組合干燥，是一種多種干燥方式、分階段組合進行的干燥工藝設(shè)想。原理上利用流態(tài)化干燥的動態(tài)均勻的特點，與熱風干燥的高水分低成本、微波干燥的快速高效、真空干燥的低溫保質(zhì)進行優(yōu)勢組合，達到高效節(jié)能、快速均勻、高品質(zhì)、高成品率的干燥目的。過程上采用電熱和微波兩種能源，根據(jù)物料的微波流態(tài)化干燥特性和優(yōu)化工藝，細分物料干燥過程，在干燥初期采用熱風干燥除去物料中的部分自由水分，以降低物料的水分含量；根據(jù)物料的干燥特性，利用微波干燥的快速高效優(yōu)勢，采用熱風-常壓微波組合干燥進行快速干燥；在物料干燥的中后期，利用真空干燥的低溫保質(zhì)優(yōu)勢，采用微波真空干燥進行物料的后續(xù)變溫干燥，縮短干燥時間，降低干燥能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在微波場內(nèi)，使物料處于流動狀態(tài)，動態(tài)均勻傳輸物料，同時協(xié)同調(diào)控流場與微波場，保證物料在動態(tài)流態(tài)化傳輸過程中，最大限度地吸收微波能，實現(xiàn)微波高效干燥的均勻性，提高產(chǎn)品成品率。

微波真空流態(tài)化干燥單元是組合裝備的核心部位，真空狀態(tài)下，物料的均勻流態(tài)化傳輸是熱風微波真空流態(tài)化組合干燥工藝的關(guān)鍵技術(shù)。在設(shè)備開發(fā)時，需要強調(diào)一些預測性的工作：首先要降低微波能饋入口的微波場強度，避免微波的真空擊穿放電；其次要合理分布微波功率，匹配振動頻率，保證物料在真空狀態(tài)下，不僅呈均勻流態(tài)化傳輸，還能最大限度地吸收微波能；與此同時，要根據(jù)物料在真空狀態(tài)下的流態(tài)化傳輸過程與微波場的協(xié)同調(diào)控原理，優(yōu)化設(shè)計物料流態(tài)化傳輸機構(gòu)、微波干燥腔、微波饋能和波導傳輸系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、微波密封結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件，保證微波真空流態(tài)化干燥裝備的傳輸過程和微波場的均勻性和匹配協(xié)調(diào)性。通過這些關(guān)鍵部位的研制和成套設(shè)備的開發(fā)，可實現(xiàn)脫水果蔬產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級。

3 結(jié)論

1）微波干燥在果蔬的應用上，具有干燥效率高，營養(yǎng)成分損失少，能適用于真空生產(chǎn)等技術(shù)優(yōu)勢。微波電磁場在干燥腔內(nèi)分部不均，物料局部過熱，一次性投資高是微波干燥技術(shù)的不足。結(jié)合熱風、真空、振動流態(tài)化等技術(shù)手段，實現(xiàn)多種方法聯(lián)合干燥，分階段干燥可以提高干燥品質(zhì)，降低干燥成本。

2）熱風微波真空流態(tài)化組合干燥是一項多種干燥方式聯(lián)合進行、分階段組合工作的設(shè)計。微波流態(tài)化干燥的應用很少，分階段組合干燥設(shè)備的開發(fā)還有待加強。

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The Research Process of Microwave Fluidization Combined Drying Technology in Fruit and Vegetables

The drying principle and deficiency of microwave drying in fruit and vegetables processing was researched，and with the research background at home and abroad believes that connecting with many kinds of drying methods is the microwave drying 's development tendency in agricultural and sideline products such as fruit and vegetables.The research achievement in the microwave fluidization drying with hot air was introduced，and the idea of a combined drying process connecting hot air，microwave，vacuum and fluidization in different stages was submitted，furthermore，some technology problems in the process were predicted.

microwave drying；microwave fluidization；fruit and vegetables；combined drying；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.033

2014-02-18

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2011AA100802）；科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目（2012EG119149）

呂為喬（1984—），男（漢），博士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工工程方向的研究。

*通信作者：李樹君（1962—），男（漢），研究員，博士生導師，博士，主要從事高新技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品、食品加工中的應用。