農產品微波組合干燥技術研究進展

李少萍，張小燕，劉瑞祥，郭亞琳，李紫豪，趙慶亮

（中國農業(yè)機械化科學研究院，北京 100083）

中國是農業(yè)大國，也是農產品貿易大國。我國農產品產量巨大，剛收獲的新鮮農產品，特別是水果和蔬菜，水分含量通?？蛇_75%～95%，采后運輸和儲藏過程中存在貨運成本高、儲存難度大及損耗嚴重等問題[1-2]。干燥是延長新鮮食品保質期、方便后期運輸、貯存、銷售和出口的有效方法。依據(jù)干燥制品的水分含量和最終品質，脫水蔬果被視為不同等級和規(guī)格的零食產品。在許多國家，方便食品的普及程度不斷增長，刺激了人們對優(yōu)質脫水蔬菜和水果的需求。預計未來十年，在全球所有新興經濟體中，食品脫水加工技術的需求將呈現(xiàn)持續(xù)甚至加速增長的趨勢[3]。

干燥是農產品脫水加工的重要方式，將農產品水分含量降低到一定程度，獲得干制產品，對減小農產品的運輸難度，延長物料的貯存期和降低物料的加工成本具有重要的意義。但農產品干燥是一種高耗時、高耗能的加工過程，目前，我國常用的主要農產品脫水方式有熱風干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥及微波干燥等。脫水產品的品質和加工成本受干燥方法和干燥進程的影響很大。干燥過程引起各種物理變化和化學變化，包括收縮、表面硬化、呈多孔性、疏松性、復原不可逆性等物理性質的變化，以及營養(yǎng)成分破壞、風味改變和褐變等化學性質的變化[4]。所有這些物理和生化變化都在不同程度上影響產品質量及營養(yǎng)價值。由于農產品物料多樣及性質復雜，單一形式的干燥技術很難滿足最終產品的品質要求。微波組合干燥技術可以將微波干燥的快速高效與其他干燥方式結合，其速度和效能遠遠優(yōu)于常規(guī)的干燥方式，從而可較好地解決干燥產品的品質與經濟效益之間的矛盾。因此，研究不同干燥方式對干燥產品的影響，開發(fā)適合農產品的高效綠色、產品優(yōu)質的組合干燥方式尤為重要。

1 常用農產品干燥技術研究

1.1 熱風干燥技術

熱風干燥的干燥介質是熱空氣，熱空氣的成本低且處理量大，容易實現(xiàn)自動化，生產方法簡單及產量高，但是熱風干燥會導致產品表面硬化、高收縮率、低孔隙率、明顯變色和復水效果差[5]。普通的熱風干燥通常需要約三分之二的總干燥時間才能去除約三分之一的水分，由于干燥時間長，干燥溫度較高，氧化反應不可避免，營養(yǎng)物質流失嚴重，物料的色澤改變較大，引起產品品質降低[6]。研究人員分別以青梅和香菇為原料分析幾種干燥方式對脫水干燥產品感官品質的影響，結果表明熱風干燥的產品感官品質較差，干燥產品表面皺縮、復水性差和顏色變暗。此外，熱風干燥溫度較高，加熱過程中易使揮發(fā)性物質發(fā)生反應，會改變產品的氣味或者起到增香的作用[7-9]。魯加惠等[8]的研究結果表明熱風干燥的香菇產品比冷凍干燥的產品氣味更佳。因此，熱風干燥通常適合生產附加值較低且熱加工對成品特色成分影響較小的農產品，對于其工藝上的不足，與其他干燥方式進行組合干燥是較好的突破口。

1.2 熱泵干燥技術

熱泵干燥器的工作原理是逆卡諾循環(huán)工作，在工作時，熱量主要來自回收干燥過程中排出的溫濕空氣所含的顯熱和潛熱，需要輸入的能量只是熱泵壓縮機的耗能，而熱泵干燥具有消耗少量的能量獲得大量熱量的特點。因此，和常規(guī)的干燥裝置相比，熱泵干燥的能耗具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。Chin等[10]以靈芝為原料研究熱泵干燥對產品粗多糖含量及色澤的影響，結果表明熱泵干燥對粗多糖的保留率較高且產品顏色較好。然而熱泵干燥也具有不可避免的缺點。熱泵干燥機投資大且后期維護費用高；熱泵干燥過程受環(huán)境的溫度、濕度和熱泵干燥器的結構等因素的影響較大[10]。熱泵干燥后期干燥速率下降、時間增長，導致干燥產品的感官品質下降，營養(yǎng)成分降低，得不到優(yōu)良品質的產品[11]。因此，熱泵干燥適合干燥生物活性含量較高的產品，批量干燥高水分含量的農產品也具有天然優(yōu)勢，可繼續(xù)進行組合干燥方式優(yōu)化進行節(jié)能降耗。

1.3 微波干燥技術

微波干燥是通過微波穿透物料，即微波可以不借助熱梯度的情況下加熱產品，對脫水具有積極作用。微波干燥技術具有速度快、效率高、加熱溫度和功率均可調節(jié)、自動化程度高等優(yōu)點。微波干燥時間短，可以有效保護酚類等抗氧化性活性成分，王振帥等[12]研究了不同干燥方式對朝鮮薊粉多酚含量、抗氧化性及香氣成分的影響，結果表明微波組酚類物質含量保留效果最好，抗氧化能力最強，香氣物質增加且呈香效果較好。但單純利用微波進行干燥的局限性較大，微波干燥存在物料裝載量過大時均勻性得不到保障，微波熱源散熱性差，干燥溫度不易控制，同時在一定條件下易發(fā)生放電現(xiàn)象，且微波干燥設備投資大、維護成本高、易受外界因素影響[13]。

1.4 真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥技術是利用冰晶升華的原理，在高度真空的環(huán)境下，將已凍結的食品物料的水分不經過冰的融化直接從固體冰升華為蒸汽，一般真空干燥物料中的水分是在液態(tài)下轉化為汽態(tài)而將食品干制。由于該干燥技術在低溫、低氧環(huán)境下進行，大多數(shù)生物反應停滯，且處理過程水分無流動，直接以固體的形式升華，使物料原有結構和外形得到最大程度保護，最終獲得物理感官和內外品質兼?zhèn)涞膬?yōu)質干燥產品。真空冷凍干燥產品具有低收縮率、高孔隙率、色澤淺和復水效果較好的特點[14-16]。而對于給定的干燥速率，真空冷凍干燥可使產品在比大氣壓更低的溫度下干燥，而且脫水過程中不存在空氣可以減少氧化。真空冷凍干燥由于其低溫和缺氧的環(huán)境，有助于保存礦物質和維生素，對一些易分解的物質如酚類、酮類保留效果也較好。Schulze等[17]和Mejia-Meza等[18]分別以蘋果、藍莓為研究對象，得出蘋果中槲皮素的總含量和槲皮素糖苷的組成不受真空冷凍的影響；冷凍干燥的藍莓具有較高的抗氧化活性，多酚和花色苷的保留率更高。王曉敏等[19]的研究結果表明真空冷凍干燥對金針菇品質影響最低，多酚氧化酶活性最低，適宜用來對金針菇進行干燥處理。因此，真空冷凍干燥特別適用于對熱敏感和活性成分含量較高的產品，例如高糖含量的水果和某些高價值的果蔬[20]。但真空冷凍干燥技術存在設備成本高、能耗大、時間長、干燥工藝復雜等缺點[21]。

2 微波組合干燥技術的應用研究

微波加熱使農產品物料傳熱傳質同向，具有很高的能量轉換效率，可方便地與其他干燥方法結合起來以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。微波相關的組合干燥利用了常規(guī)干燥方法和微波加熱的優(yōu)勢，因此比單獨進行微波干燥或其他單一的干燥工藝更優(yōu)。作為輔助干燥方法，微波技術已廣泛用于農產品的脫水干燥。組合干燥技術可以將不同干燥方式的優(yōu)點有機結合起來，避免了單一干燥方法的弊端。迄今為止，關于微波組合干燥方式的應用研究成果呈現(xiàn)強適應性、節(jié)能降耗、品質提升等眾多優(yōu)勢。

2.1 微波熱風干燥技術

微波熱風組合干燥技術與單一的熱風或微波干燥方式相比，在很多方面都具有明顯的優(yōu)越性，可以大幅提高干燥速率、降低干燥能耗、改善干燥產品的品質等，因而廣泛地應用于農產品加工中。Xu等[22]研究了熱風干燥和微波真空干燥結合干燥甘藍。結果表明，總干燥時間比熱風干燥減少了約一半，而營養(yǎng)成分和葉綠素的保留值卻得到了顯著提高。而且微波真空干燥產品具有更多孔的質地，微波干燥對產品顯示出有效的殺菌作用，干燥產品的質量好。

Wang等[23]的研究表明，間歇性微波輔助熱風干燥大大縮短了干燥時間，提高了干燥速度。當使用微波輔助干燥時，多糖含量最高（240.28 mg/100 g）。此外，微波輔助干燥過程中產生的硝酸香氣的種類和數(shù)量較多，熱風干燥處理的香菇顯示出最多的硫代芳香族化合物（7.7%）。因此，利用熱風與微波組合干燥香菇等芳香物料，不僅提高速度，而且具有增強物理性能或化學成分的作用。

2.2 微波熱泵干燥技術

隨著熱泵干燥技術逐漸成熟和人們對環(huán)境問題的重視，熱泵干燥技術已廣泛應用于農產品等領域，但熱泵干燥后期干燥速率過慢，熱泵和微波干燥的組合可以提供所需的干燥條件，以實現(xiàn)更快的干燥速度、更低的收縮率、更好的產品外觀以及更低的運行成本。

結合熱泵干燥和微波干燥的優(yōu)點，田冰等[24]采用熱泵-微波聯(lián)合干燥方法干燥青花椒，初期含水率較高先用熱泵干燥，待物料水分含量降到一定程度后再用微波干燥，這樣能夠節(jié)能減排、提高干燥效率和產品品質，為聯(lián)合干制青花椒的工業(yè)化生產提供參考依據(jù)。

關志強等[25]以羅非魚片為研究對象，前期熱泵干燥階段，采用低溫干燥方式，可避免羅非魚片蛋白質變性、營養(yǎng)成分流失、感官變差等。取熱泵干燥風速3.0 m/s，能較好地避免魚片表面“硬殼”效應。后期微波干燥階段，采取間歇干燥方式，可改善干制羅非魚片口感、保持較好的色澤和減緩蛋白質變性等。熱泵干燥羅非魚片至40%含水率以后，干燥速率逐漸變慢，取40%作為熱泵-微波組合干燥轉換時的含水率，能得到品質較佳的干制羅非魚片。因此將熱泵與微波結合起來進行分段干燥，可節(jié)能降耗、節(jié)約成本。

2.3 微波真空干燥技術

微波真空干燥是一種基于微波加熱的干燥方法，它是通過將微波輻射結合到常規(guī)真空干燥機中來加熱和蒸發(fā)水分，而不是通過傳導和對流加熱來完成的。微波真空干燥結合了微波快速進行加熱和低溫蒸發(fā)水分以及通過真空更快去除水分的優(yōu)點。與在常壓和冷凍干燥條件下干燥的食品相比，微波真空干燥可以提高產品質量。真空干燥也減少了氧氣的暴露，限制了氧化并保持了脫水產品的風味和顏色，在保存內部具有多孔結構的蛋白質方面也顯示出優(yōu)勢[26]。

微波真空干燥越來越多地用于食品科學研究和農產品的商業(yè)干燥中。大量研究證實，微波真空干燥可以縮短干燥時間，提高能源效率并減少能耗，而且可以生產高質量的干燥產品，其特性與冷凍干燥產品相似或更好[27]。Qu等[28]的研究表明，真空微波干燥可以提高干燥綠茶的抗壞血酸和氨基酸含量。微波干燥被認為更有利于保留抗壞血酸、葉綠素和其他綠茶活性成分。Gaware等[29]使用不同方法干燥番茄，微波真空干燥僅用36 min即可將水分從94.2%降低到5%以下，而熱風干燥、熱泵干燥和冷凍干燥分別需要200、200、580 min才能除去相同量的水分。Duan等[30]研究了不同的干燥方法對干燥海參產品質量和總干燥時間的影響。冷凍干燥可以帶來最佳質量，但干燥時間最長；熱風干燥海參的質量最差，干燥時間也很長；微波真空干燥可以實現(xiàn)較好的質量和更短的干燥時間。

微波干燥比冷凍干燥或空氣干燥提供更快的熱傳遞，微波真空干燥技術是過去十年中經過廣泛測試的干燥技術，具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。Lao等[31]的研究表明，與微波冷凍干燥相比，微波真空干燥可以將干燥時間縮短達89%。較短的干燥時間有助于保留重構過的甘薯顆粒中花青素和其他營養(yǎng)成分。微波真空干燥是代替冷凍干燥和熱空氣干燥的有效方法，與冷凍干燥相比，微波干燥具有以較低的成本和更快的速度生產脫水水果和蔬菜產品的潛力。

2.4 微波真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥是一種最佳的干燥技術方法，因為它可以保持原始物質的結構、營養(yǎng)和顏色，但干燥時間長、干燥成本高是真空冷凍干燥最明顯的局限。微波真空冷凍干燥技術結合了微波和真空冷凍的優(yōu)點，可以提高能源效率和產品質量，將其應用于高附加值農產品的脫水干燥具有很強的發(fā)展?jié)摿?。冷凍干燥與微波真空干燥相結合被認為是一種高質量、高效、節(jié)能的干燥方法，已成為干燥脫水領域研究的熱點，主要應用于脫水蘋果片、海參和蘑菇片等[32]。

許多基于微波冷凍干燥的試驗研究表明，與其他的冷凍干燥方法相比，微波冷凍干燥的干燥速率大有提升，總體時間減少了50%～75%，產品顯示出比傳統(tǒng)的凍干產品更高的揮發(fā)性物質保留水平[19]。Duan等[33]為了開發(fā)一種改進的海參脫水方法，將微波冷凍干燥作為一種可能的方法進行了測試。結果表明，微波冷凍干燥可以將干燥時間減少到傳統(tǒng)真空冷凍干燥過程的一半左右。微波冷凍干燥海參與相應冷凍產品的復水率和感官值等指標之間無顯著差異，為了提高干燥速度，在升華階段可采用較高的微波功率。Cui等[34]對比了冷凍干燥和微波真空冷凍干燥對胡蘿卜切片的胡蘿卜素保留率和蘋果切片的維生素C保留率的影響，結果表明兩種干燥方式對研究的成分保留率接近，并且相比傳統(tǒng)的熱風干燥，胡蘿卜素保留率更高。用微波真空冷凍干燥方法制備的樣品與凍干樣品相比具有非常接近的復水能力、保色性和質地，但收縮率略高，并且大大縮短了干燥時間，提高了干燥產品的品質。相關研究表明[35-37]微波真空冷凍干燥能有效保留產品的生物活性成分，適用于干燥功能性農產品。Cui等[38]研究表明，與冷凍干燥相比，微波真空冷凍干燥是生產富含益生菌蘋果干零食的更好選擇，該零食在室溫25℃下具有更高的細菌穩(wěn)定性和更好的感官接受度，如松脆度和顏色。微波真空冷凍干燥具有更短的處理時間和減少能源耗費，因此在冷凍干燥方面具有經濟優(yōu)勢。

微波冷凍干燥是加速干燥過程和提高整體質量的最有前途的技術之一，這對中等價值的產品（例如普通水果和蔬菜）用途很大，微波冷凍干燥技術在改良現(xiàn)有農產品凍干工藝、技術領域具有潛力，但該項技術大多處于實驗室研究階段，適宜工業(yè)化批量生產的微波真空冷凍干燥設備研制仍存在一定難度。

2.5 其他微波組合干燥技術

微波組合干燥方式對干燥速率和干燥產品的品質都有較好的影響，除了前文介紹的幾種微波組合干燥方式外，還有其他許多關于微波輔助干燥方式，各有優(yōu)勢，均可不同程度提高干燥效率和提高產品質量。如Argyropoulos等[39]研究了熱風與微波-真空干燥和冷凍干燥相結合的不同干燥方法對用電動蔬菜切片機垂直切割獲得5 mm蘑菇切片的定性屬性的影響。與傳統(tǒng)單一熱風干燥的切片相比，熱風和微波真空組合干燥產生的干燥產品品質更佳，表現(xiàn)出更低的顏色變化，更高的孔隙率，更大的水合能力和更柔軟的質地。在干燥狀態(tài)下，通過組合干燥方法制成的蘑菇具有蓬松的結構和獨特的酥脆質地。

Cui等[3]將微波真空干燥與空氣干燥相結合干燥大蒜片，干燥后的大蒜片質量與冷凍干燥產品相近，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的熱風干燥大蒜片。

曾廣琳等[16]比較不同干燥方法對番木瓜粉品質和抗氧化活性的影響，結果表明微波泡沫干燥法能生產出較高品質的番木瓜粉。但是在番木瓜色澤和水分含量方面要略遜色于熱風干燥和真空冷凍干燥，不過在抗氧化活性方面，則要好于真空冷凍干燥法。

Kantrong等[40]以香菇為原料研究不同的壓力、微波功率和紅外輻射功率對干燥產品品質的影響，發(fā)現(xiàn)干燥速率隨著較低的絕對壓力、較高的微波功率和較高的紅外功率而增加。就產品質量和能耗而言，合適的干燥條件為微波功率267 W、絕對壓力18.66 kPa、紅外功率200 W。

3 結語

根據(jù)國內外微波組合干燥技術的研究狀況，發(fā)現(xiàn)與微波相關的組合干燥優(yōu)點包括：縮短干燥時間，提高產品品質和較好的感官，提高生產多種干燥產品的靈活性。采用微波加熱與其他干燥方式組合，不僅能夠有效解決單一微波干燥存在的問題，還能夠發(fā)揮其他干燥方式的優(yōu)點。因此，未來農產品微波組合干燥技術必將朝著高品質、高效率、高節(jié)能和實用性等方向發(fā)展。

組合干燥是在干燥周期的不同階段采用不同干燥方法的干燥技術，這樣的技術包括諸如熱風干燥+微波或冷凍干燥、真空冷凍+微波干燥等。為加快組合干燥技術在我國農產品干燥中的應用和發(fā)展，可從以下幾方面加強研究：1）不同物料的物理結構和影響成分差別很大，要通過大量開展不同種類物料的干燥產品特性研究，研發(fā)不同組合干燥方式以適應不同物料的干燥特性，提高干燥方式的適用性和實用性，為技術開發(fā)提供較全面理論依據(jù)。2）微波功率、物料厚度和形狀、組合方式的轉化點對干燥產品的品質有很大的影響，應對不同的影響因素開展試驗，從而得到最佳的產品質量和較高干燥效率。3）吸收成熟的技術和設備優(yōu)點，改進優(yōu)化國產凍干機結構，提高性能，盡可能的降低能耗，開發(fā)更經濟的微波加熱設備和微波干燥工藝。