農(nóng)產(chǎn)品微波干燥技術(shù)的應(yīng)用與展望

儲(chǔ)濤濤 江陽 尹勇 王佳麗 張宏

摘 要：該文介紹了微波干燥技術(shù)的原理及其在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)了微波干燥具有傳熱速度快、均勻性好和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，并梳理了國內(nèi)外微波干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀。在分析目前農(nóng)產(chǎn)品微波干燥技術(shù)存在問題的基礎(chǔ)上，對其今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：微波;干燥;農(nóng)產(chǎn)品

中圖分類號(hào) TS255.36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）05-0151-02

Abstract： This article introduces the mechanism of microwave drying technology and its application in the field of agricultural product drying， points out that microwave drying has the characteristics of fast heat transfer， good uniformity， energy saving and environmental protection， and analyzes the current research status of microwave drying technology at home and abroad. Finally， the article summarized some problems existing in the microwave drying technology of agricultural products， and prospected its future development.

Key words： Microwave; Drying; Agricultural products

干燥是農(nóng)產(chǎn)品保藏的重要手段，也是農(nóng)產(chǎn)品加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。微波是一種高頻率的電磁波，頻率為300MHz～300GHz，其大小和方向可隨時(shí)間作周期性變化[1]。微波干燥與傳統(tǒng)的干燥方式相比，具有節(jié)能、清潔及高效率等優(yōu)點(diǎn)。由于微波在干燥農(nóng)產(chǎn)品過程中的傳熱和傳質(zhì)方向一致，熱阻礙小，因此干燥過程中水分遷移條件得到了極大地改善，加快了干燥速度[2]。本文對微波干燥機(jī)理及其優(yōu)缺點(diǎn)、國內(nèi)外微波干燥研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了分析，并對農(nóng)產(chǎn)品微波干燥技術(shù)今后的發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 微波干燥機(jī)理

常見的干燥方式如熱風(fēng)、紅外、熱泵等是利用熱輻射、熱傳導(dǎo)的原理，被加熱物料的表面先得到熱量，溫度從外到內(nèi)逐漸升高，所需的干燥時(shí)間與物料的熱傳導(dǎo)性息息相關(guān)，因而它們具有傳熱速率慢、消耗能量大等缺點(diǎn)。而微波干燥是直接將熱能傳遞到物料的內(nèi)部，被干燥物料內(nèi)部首先得到干燥，然后逐漸由內(nèi)向外擴(kuò)散熱能。微波干燥技術(shù)的基本原理為[2]：一般情況下，農(nóng)業(yè)物料由極性分子和非極性分子組成，在周期性的高頻微波作用下，這些分子不斷吸收微波能量，使其分布狀態(tài)得以改變從而呈現(xiàn)出方向性，同時(shí)電磁場的變化也會(huì)使其隨之改變，從而電磁場的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡患訜嵛锪蟽?nèi)部溫度得以快速上升，從而形成“體加熱”。如圖1所示。

2 微波干燥技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 傳熱速度快 常見的熱風(fēng)等常規(guī)干燥方式首先是將熱量傳送到物料表面，然后由表及里逐漸使整個(gè)物料溫度得以提升。與此相反，在微波干燥過程中微波能是從多個(gè)角度穿透物料，在物料內(nèi)部溫升的同時(shí)其表面的水分得以蒸發(fā)，從而使物料內(nèi)部的水分立即成為蒸汽，這就是壓力梯度形成的基本過程。隨著物料含水率的增多，壓力梯度對去除水分的影響也會(huì)越顯著，形成“泵”效應(yīng)，使水分短時(shí)間向表面流動(dòng)，達(dá)到干燥的效果[3]。

2.2 均勻性好 常見的加熱方式要想提高干燥速率，通常是通過增加溫度來實(shí)現(xiàn)，但它會(huì)導(dǎo)致被干燥物料表面焦灼。而微波具有穿透性強(qiáng)、波長較短等特點(diǎn)，能夠使熱能傳遞到物料的各個(gè)部位。此外，不規(guī)則形狀的物料對加熱無影響，均勻性顯著提升。

2.3 節(jié)能環(huán)保 通過微波能加熱物料時(shí)，加熱室內(nèi)的材料大多都能對微波作出反射，只有極少的微波能被吸收損耗。由于物料加熱時(shí)微波處于一個(gè)封閉的環(huán)境，絕大多數(shù)微波能都能夠轉(zhuǎn)化為熱能被物料吸收，干燥效率較高。

3 微波干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外對微波干燥技術(shù)的研究較為領(lǐng)先，已將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)和食品工業(yè)等行業(yè)，一大批科研人員從自身領(lǐng)域出發(fā)，從理論、工藝和設(shè)備等多個(gè)角度對微波干燥技術(shù)進(jìn)行了深入探索，并提出了相關(guān)理論。

Silva F A等利用微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥的方式對澳洲堅(jiān)果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該方法極大地提高了干燥速率，堅(jiān)果感官品質(zhì)明顯提高，并建立了微波干燥澳洲堅(jiān)果的動(dòng)力學(xué)模型[4]。Maskan M通過微波干燥和對流干燥的方式對香蕉切片進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，微波干燥速率與微波功率有關(guān)，達(dá)到相同狀態(tài)下，微波干燥在功耗、品質(zhì)等方面都要優(yōu)于對流干燥[5]。Borompichaichartkul C.等利用熱泵熱風(fēng)聯(lián)合的方式對澳洲堅(jiān)果進(jìn)行干燥，結(jié)果表明：先用40℃的熱泵干燥將物料干燥至含水率為11.1%，然后轉(zhuǎn)為熱風(fēng)干燥，能夠使澳洲堅(jiān)果達(dá)到最佳的感官品質(zhì)以及還原糖含量[6]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)在農(nóng)產(chǎn)品干燥、包裝業(yè)和化工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用微波干燥技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)的不斷積累，微波干燥設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。目前，微波干燥技術(shù)已應(yīng)用到龍眼、薯片和芒果等果蔬的干燥，同時(shí)也有很多關(guān)于微波干燥堅(jiān)果的研究進(jìn)展。

陳燕等[7]利用微波干燥裝置和在線檢測系統(tǒng)對龍眼進(jìn)行了不同溫度、間歇時(shí)間下的定功率微波干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明：微波干燥龍眼過程中存在加速、恒速和降速3個(gè)階段，其中恒速階段失水速率最大，對干燥速度影響最大的因素是加熱時(shí)間，在干燥后期應(yīng)盡量縮短加熱時(shí)間以避免局部溫升，造成過度干燥從而影響干燥品質(zhì)。朱德文等[8]利用微波干燥設(shè)備對玉米進(jìn)行了在不同功率和加熱時(shí)間下的干燥特性對比，確定了微波干燥玉米的最佳工藝參數(shù)，并得出了合理的工藝流程。結(jié)果表明：微波干燥過程中恒速干燥階段對干燥速率的影響最大，能達(dá)到最佳的種用價(jià)值并保證其感官品質(zhì)。譚蓉等[9]利用微波干燥設(shè)備對黃姜進(jìn)行干燥，極大地提升了感官品質(zhì)，使其達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)，為黃姜的干燥加工提供了極大的參考意義。目前，此微波干燥設(shè)備僅適用于小型加工場所。

4 展望

目前，微波干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，并投入到工業(yè)化生產(chǎn)中，市場中也能看到多種樣式的微波干燥設(shè)備。然而，從實(shí)驗(yàn)室階段到規(guī)模化應(yīng)用還有很長的一段路要走，首先，在生產(chǎn)加工中微波的不均勻性尤為突出，從而出現(xiàn)“過熱點(diǎn)”，這不僅與微波場的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與被加熱物料的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性有很大關(guān)聯(lián)，從而極大地影響了微波干燥農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定性[10]。因此，一方面可通過改善微波設(shè)備，使被加熱物料進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或空間運(yùn)動(dòng)來改善其不均勻性;另一方面，還可以通過與其他干燥方式聯(lián)合干燥來弱化微波的不均勻性等問題。其次，微波干燥設(shè)備的高昂售價(jià)也限制了其大范圍推廣。因此，除了通過控制零部件成本來降低整機(jī)價(jià)格外，還可以開發(fā)多用途的微波干燥設(shè)備，提高其通用性，從而間接地降低成本[11]。

微波干燥技術(shù)具有效率高、節(jié)約能耗和清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品的干燥領(lǐng)域得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，也越來越受到人們的重視。隨著微波干燥技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)存在的一些問題必將得到解決，微波干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將更加廣闊。

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（責(zé)編：張宏民）