高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用研究與發(fā)展

陶思宇 段紀(jì)發(fā) 李傳峰 童子榮 馬博

摘 要：對(duì)農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)用高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)具有縮短干燥時(shí)間、提升干燥速率、干燥成品品質(zhì)佳等優(yōu)點(diǎn)。該文分析了高壓電場(chǎng)干燥裝置的基本結(jié)構(gòu)和原理，探究了電壓大小和電極板形狀對(duì)干燥速率的影響，揭示了在一定范圍內(nèi)，干燥速率和電壓呈線性正相關(guān)，且針電極干燥速率大于板電極。

關(guān)鍵詞：高壓電場(chǎng)干燥技術(shù);農(nóng)產(chǎn)品干燥;應(yīng)用

中圖分類號(hào) S377;O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）16-0151-03

Application and Development of High Voltage Electric Field Drying Technology in Agricultural Products Drying

TAO Siyu et al.

（Tarim University， College of Economic and Management， Alar 843300， China; The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Alar 843300， China）

Abstract： The application of high-voltage electric field drying technology to agricultural products has the advantages of shortening drying time， improving drying rate and producing good quality of dried products. This paper analysis the basic structure and principle of high-voltage electric field drying device， explores the effect of voltage value and electrode plate shape on the drying rate， and concludes that the drying rate and voltage value are linearly positively related and the drying rate of the needle electrode is greater than that of the plate electrode.

Key words： High voltage electric field drying technology; Agricultural products drying; Application

農(nóng)產(chǎn)品極易發(fā)生口味、形狀和營(yíng)養(yǎng)上的變化，這是由于農(nóng)產(chǎn)品在加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中各種物理和化學(xué)變化所引起的。干燥技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題作出了巨大貢獻(xiàn)。干燥是利用熱能蒸發(fā)并去除固體膏狀或液體材料中的液體以獲得固體產(chǎn)品的過(guò)程，目的是延長(zhǎng)食品的儲(chǔ)存期限并方便食品的運(yùn)輸。干燥方法有很多，如熱風(fēng)干燥、自然干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波干燥和高壓電場(chǎng)干燥[1]。其中，農(nóng)產(chǎn)品在高壓靜電場(chǎng)處理過(guò)程中不會(huì)加熱，這有效保留了其最優(yōu)良的特征。在日常生活中，被高壓電場(chǎng)干燥后的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，并且具有很長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間。干燥成品最大程度地保持了農(nóng)產(chǎn)品的原始形狀，同時(shí)保留了其顏色、香氣、味道、營(yíng)養(yǎng)成分等。

1 高壓電場(chǎng)干燥裝置基本結(jié)構(gòu)與原理

高壓電場(chǎng)干燥設(shè)備主要部件為變壓電源、升壓器和干燥室系統(tǒng)[2]，如圖1所示。根據(jù)實(shí)際情況﹐由外接電源給變壓電源供電，并通過(guò)升壓器進(jìn)行升壓，通過(guò)兩極板的作用即可在干燥室內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高壓非均勻電場(chǎng)。當(dāng)物料置于兩極板之間就會(huì)受到高壓電場(chǎng)的作用，在高壓電場(chǎng)的作用下，物料中的水分蒸發(fā)較活躍，導(dǎo)致蒸發(fā)速度變快，加快了干燥速率。

過(guò)去主要通過(guò)傳熱傳質(zhì)的方式對(duì)材料進(jìn)行干燥，而高壓電場(chǎng)干燥的電場(chǎng)能傳質(zhì)，無(wú)論在加熱還是在干燥上，與傳統(tǒng)的干燥方式都有著顯著的區(qū)別。它是利用高壓電場(chǎng)產(chǎn)生的離子風(fēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的干燥。通過(guò)離子的相互運(yùn)動(dòng)，讓其與周圍的其他分子發(fā)生接觸和碰撞，進(jìn)而在需要干燥的材料上空形成一股離子風(fēng)。由于受離子風(fēng)運(yùn)動(dòng)的影響，材料表面的水蒸氣蒸發(fā)較快，這也就意味著材料可以在較短的時(shí)間內(nèi)被干燥完畢[3-6]。

2 高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)以其良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥加工。在早期探索階段，白亞鄉(xiāng)等[7]指出電流體動(dòng)力學(xué)干燥裝置的干燥速度與能耗受針-板電極的電壓大小、上下電極和針間距等工藝參數(shù)的影響。研究表明：干燥速度和電壓在一定范圍內(nèi)呈線性正相關(guān);干燥速度的快慢由針間距和上下電極間距的不同所引起，且都存在最佳值，使得干燥速度最佳。該研究揭示了電流體動(dòng)力學(xué)干燥機(jī)理，為今后研制高壓電場(chǎng)干燥設(shè)備及其改造提供了理論基礎(chǔ)。內(nèi)蒙古大學(xué)農(nóng)業(yè)物理工程技術(shù)研究中心的梁運(yùn)章[8]根據(jù)“高壓電場(chǎng)能傳質(zhì)”的創(chuàng)新原理開發(fā)了GXJ-2型靜電干燥機(jī)，并使用該高壓電場(chǎng)干燥機(jī)和烘箱對(duì)知母飲片、厚樸飲片、赤芍飲片、陳皮飲片、薄荷飲片進(jìn)行對(duì)比干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明：在對(duì)中藥飲片干燥過(guò)程中，高壓電場(chǎng)干燥速度比烘箱快7.7%～42.86%，干燥成品的有效成分多保留2.7%～30%。該設(shè)備的開發(fā)在一定程度上推進(jìn)了高壓電場(chǎng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立。另外，該儀器還具有自動(dòng)化程度高、體積較小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，解決了不可批量生產(chǎn)的難題，極大地促進(jìn)了設(shè)備推廣和我國(guó)中藥干制產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開創(chuàng)了高壓電場(chǎng)烘干中藥的先河。

為確定水產(chǎn)品最佳干燥工藝參數(shù)，提高水產(chǎn)品的干燥質(zhì)量，白亞鄉(xiāng)、許焱等[9-11]開展了水產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的研究，在同一溫度、不同高壓電場(chǎng)強(qiáng)度下，研究斑鰶魚、海米、扇貝柱的收縮率、復(fù)水率以及感官，并與其他干燥方式進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在同一溫度下，高壓電場(chǎng)在33～45kV，水產(chǎn)品的各個(gè)檢測(cè)指標(biāo)均高于其他單一干燥方式。干燥加工是果蔬加工的一種基本方法，但目前的干燥工藝耗時(shí)耗力。隨著干燥工藝參數(shù)的進(jìn)一步完善，為了能更好地將高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)應(yīng)用于果蔬脫水的研究中，于彰彧等[12]在高壓電場(chǎng)一定的情況下，通過(guò)控制胡蘿卜片干燥過(guò)程中的溫度，使得胡蘿卜片的復(fù)水性和能源利用率得到明顯提高。由此可見(jiàn)，在高壓電場(chǎng)干燥過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同物料特性適時(shí)調(diào)整干燥溫度以提升干燥效率。Esehaghbeygi A等[13]研究了高壓靜電場(chǎng)（HVEF）處理的番茄片的干燥速率，與傳統(tǒng)風(fēng)干相比，HVEF干燥方法顯著降低了干燥成品的水分含量、表面溫度和表觀顏色，但收縮率幾乎無(wú)異，平均干燥速率為傳統(tǒng)風(fēng)干的2倍，耗能僅為16.5MJ/g。在農(nóng)產(chǎn)品干燥過(guò)程中，高壓電場(chǎng)會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品表面的微觀結(jié)構(gòu)，隨著高壓電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，會(huì)導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)因子呈增長(zhǎng)關(guān)系，電暈放電得越強(qiáng)，水從樣品表面蒸發(fā)的速度就越快。

3 高壓電場(chǎng)干燥與其他干燥技術(shù)聯(lián)合干燥

隨著干燥理論研究的深入，高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)迅速發(fā)展，并呈與多技術(shù)聯(lián)合發(fā)展的趨勢(shì)，白亞鄉(xiāng)等[14]將海參作為試驗(yàn)對(duì)象，使用高壓電場(chǎng)聯(lián)合真空冷凍干燥方法，對(duì)品質(zhì)和復(fù)水率進(jìn)行研究。結(jié)果表明：由于該聯(lián)合干燥的環(huán)境是真空條件且溫度較低，海參體內(nèi)的水分向樣品表面移動(dòng)時(shí)不會(huì)帶動(dòng)可溶性物質(zhì)，樣品表面不會(huì)形成硬殼，因此聯(lián)合干燥后海參品質(zhì)優(yōu)良且硬度較低、收縮率較小。Sriariyakul W等[15]利用遠(yuǎn)紅外輻射（FIR）和高壓電場(chǎng)（HVEF）輔助熱風(fēng)干燥對(duì)蘆薈原漿進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在0.2m/s的風(fēng)速和高壓電場(chǎng)作用下，干燥能耗顯著降低，結(jié)合FIR和HVEF熱風(fēng)干燥蘆薈原漿的最佳條件為風(fēng)速0.2m/s、溫度70℃、高壓電場(chǎng)強(qiáng)度3.75kV/cm。王航等[16]運(yùn)用高壓電場(chǎng)耦合熱風(fēng)干燥技術(shù)研究香蕉片干燥速率和含水率。王進(jìn)康等[17]從恒速干燥階段和降速干燥階段研究高壓熱風(fēng)干燥條件對(duì)玉米特性的影響。結(jié)果表明：高壓電場(chǎng)耦合熱風(fēng)干燥工藝能明顯改善干燥物料的干燥品質(zhì)、縮短干燥時(shí)間、提高干燥效率，表明高壓熱風(fēng)干燥使物料表面水分加速蒸發(fā)， 因此物料內(nèi)部水分向表面的移動(dòng)速率也加快， 從而加快了物料的干燥速度。該研究成果已經(jīng)推廣應(yīng)用到甘藍(lán)、青椒、馬鈴薯片等的干燥加工中，有效改善了以往使用純熱風(fēng)干燥產(chǎn)品表面出現(xiàn)硬殼的缺點(diǎn)，提高了成品品質(zhì)。

綜上所述，高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)是一種基于高壓電場(chǎng)傳質(zhì)的優(yōu)良技術(shù)，具有能耗低、干燥均勻、物料不升溫、干燥成品品質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，在干燥技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的地位，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題：一是高壓電場(chǎng)干燥在干燥物料過(guò)程中存在如何建立與完善干燥模型的問(wèn)題;二是目前的研究雖然基本趨于成熟，但大部分只是基于實(shí)驗(yàn)室水平，實(shí)際的應(yīng)用還需開發(fā)適合農(nóng)產(chǎn)品加工的儀器設(shè)備。

4 影響高壓電場(chǎng)干燥的因素

高壓電場(chǎng)干燥是目前使用較為廣泛的干燥方法，由于其物料在干燥過(guò)程中受兩極板之間的高壓非均勻電場(chǎng)作用，因此影響高壓電場(chǎng)干燥的因素有電壓大小、電極形狀等，其中以電壓大小影響最為顯著。

4.1 電壓大小 王云龍等[18]通過(guò)試驗(yàn)證明電壓大小是影響花椒精油含量的主要因素。通過(guò)對(duì)高壓電場(chǎng)干燥過(guò)程中蕓豆角復(fù)水率進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在溫度一定的條件下，干燥電壓越高，復(fù)水率越高。由此可見(jiàn)，電壓大小是影響高壓電場(chǎng)干燥的最主要因素，且在一定范圍內(nèi)，電壓越高，物料干燥速率越快[19]。

4.2 電極形狀 不同的電極形狀也是影響高壓電場(chǎng)干燥的重要因素。丁昌江等[20]在高壓電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，采用針狀和板狀電極對(duì)熟牛肉進(jìn)行干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明：針狀電極的干燥速度明顯高于板狀電極，前者的速度是后者的2～3倍。廖超[21]研究表明，采用針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場(chǎng)干燥系統(tǒng)，隨電場(chǎng)強(qiáng)度（4～6kV/cm）的增加，平均干燥速率逐漸增加，干燥時(shí)長(zhǎng)逐漸減少，與板電極相比，干燥速率最快提高了68.3%，干燥時(shí)長(zhǎng)最高減少了41.9%。其他試驗(yàn)結(jié)果也表明，在一定的高壓范圍內(nèi)，針電極干燥速率優(yōu)于板電極。這是因?yàn)獒橂姌O具有加速電暈放電產(chǎn)生的趨勢(shì)，將針尖端帶電相反的離子吹向針尖下方，增強(qiáng)電暈放電傳熱和傳質(zhì)。

5 展望

目前，高壓電場(chǎng)技術(shù)已趨于成熟，并已開始應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥中，但在今后發(fā)展過(guò)程中還要注意幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一要提高整個(gè)干燥過(guò)程的自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。不同物料的特性不同，相同物料在不同狀態(tài)時(shí)其特性也不盡相同，因此要根據(jù)具體情況制定合適的干燥工藝，對(duì)干燥過(guò)程模型、模擬領(lǐng)域的研究需更加深入，利用高壓電場(chǎng)耦合其他干燥方式，建立完整的干燥體系，包括干燥前對(duì)物料預(yù)檢驗(yàn)、干燥過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)控干燥工藝參數(shù)、干燥后檢測(cè)。只有建立了完整的體系才能確保干燥成品的品質(zhì)[22]。二要因地制宜推廣適當(dāng)規(guī)模的加工企業(yè)，推進(jìn)產(chǎn)地加工發(fā)展，推動(dòng)高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)與其他農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程相結(jié)合，以減少加工前運(yùn)輸、儲(chǔ)存所造成的能源消耗和農(nóng)產(chǎn)品損失。

優(yōu)化高壓電場(chǎng)干燥關(guān)鍵技術(shù)、提高農(nóng)產(chǎn)品干燥效率、提升干燥品質(zhì)，對(duì)推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)要與時(shí)俱進(jìn)，與新能源、新材料、新理論相結(jié)合，探索發(fā)現(xiàn)高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)的微觀原理，加快新設(shè)備的研制，研究干燥過(guò)程中物料間的相互作用，提高熱效率，并推進(jìn)高壓電場(chǎng)干燥技術(shù)實(shí)施可持續(xù)綠色發(fā)展。

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（責(zé)編：徐世紅）