果蔬微波干燥技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢

○黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所 付亞萍 田雨琪 牛佩海 王偉全 田成祿

果蔬在常溫中容易腐敗和變質(zhì)，通常情況下，長時間貯存果蔬一類的食物，它必須經(jīng)過干燥處理。果蔬片制品的微波干燥技術(shù)是一種新型的干燥技術(shù)，原理是利用水果蔬菜中的水分在微波能的作用下，吸收能量使得水分蒸發(fā)，從而降低果蔬中水分含量，進而達到干燥果蔬的目的。與傳統(tǒng)方法相比，采用微波干燥可有效地縮短干燥時間，減少能耗，并可改善產(chǎn)品的品質(zhì)。本文通過梳理微波干燥的作用機理與干燥特點、闡述微波干燥技術(shù)的國內(nèi)外研究進展，分析果蔬微波干燥技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行探討，為果蔬干燥手段提供一種新思路、新方法。

一、微波干燥技術(shù)作用機理和技術(shù)特點

1.作用機理。微波屬于電磁波范疇，是電磁波的一種，人們利用微波具有反射、射透等電磁波性質(zhì)，運用在物料干燥領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)干燥手段有諸多優(yōu)勢。

2.微波干燥原理。水果與蔬菜在微波干燥前，它的內(nèi)部偶極子排列無序，整體呈中性，基本無導(dǎo)電。果蔬在微波干燥過程中，在微波能的作用下，內(nèi)部的偶極子會產(chǎn)生高速的反轉(zhuǎn)、位移或振蕩，促使正電子向負(fù)極運動，負(fù)電子與之相反，偶極子表現(xiàn)出一定的方向性排列，在此過程中微波能轉(zhuǎn)化成機械能釋放大量熱量，給予偶極子一點的勢能，保證分子之間運動產(chǎn)生“摩擦”狀態(tài)，最終以介質(zhì)內(nèi)部的升溫和果蔬含水率下降的參數(shù)展現(xiàn)。微波干燥原理圖如圖1 所示。微波干燥設(shè)備工作原理是電源產(chǎn)生微波被磁控管所接受，通過波導(dǎo)裝置輸送到干燥室，形成微波場，果蔬在微波場中引起介質(zhì)振動達到內(nèi)部溫度上升，降低果蔬含水率的效果。

圖1 微波干燥原理示意圖

3.微波干燥特性分析。在果蔬微波干燥過程中，為達到最佳干燥效果，微波場在干燥室中均勻分布，且波導(dǎo)管與干燥室的阻抗相對應(yīng)匹配。每種物料的不同特性，在微波干燥中也展現(xiàn)出不同的性能參數(shù)，干燥室內(nèi)的電磁波和微波功率也會隨物料特性而變化。

（1）電磁波傳播特性。微波干燥過程中，干燥室內(nèi)的電磁場的功耗消散速率反應(yīng)了不同物料的微波干燥效率。假設(shè)干燥室的電磁波從波導(dǎo)處開始作用，電磁場分布狀態(tài)由麥克斯韋波形方程解析式如下：

式中：μr—相對磁導(dǎo)率；

E—電場強度（V/m）；

c—光速（3.0×108m/s）；

f—電磁場頻率（Hz）。

（2）熱量控制特性。物料在微波干燥室內(nèi)被干燥時，強電磁波場會將物料內(nèi)部的原子拉成電偶極子，且促使微波能轉(zhuǎn)化成物料內(nèi)部的熱能形式。根據(jù)能量守恒定理，微波能在物料內(nèi)部作用的能量與轉(zhuǎn)換成物料內(nèi)部能量和物料內(nèi)部水分吸收的熱能相等。干燥室內(nèi)部微波能與物料內(nèi)部能量變化關(guān)系可由式②、③表示。

微波干燥過程中，物料內(nèi)部之間的傳熱傳質(zhì)方程如式④所示。

式中：S—坡印廷矢量；

E—電場強度（V/m）；

H—磁場強度（A/m）；

J—電流密度（A/m2）；

ρ—物料密度（kg/m3）；

CP—物料比熱容（J/（kg/K））；

k—物料導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·k））；

T—溫度（ ℃）；

M—微波干燥物料水分蒸發(fā)量。

（3）物料介電特性。物料的介電特性是指物料受微波干燥中內(nèi)部介質(zhì)吸收微波能量的大小。物料中的介質(zhì)對自由電子的約束作用能力反應(yīng)為介電常數(shù)的數(shù)值，其具體表現(xiàn)為對微波能量的吸收轉(zhuǎn)化為自身能量。物料不同，介電常數(shù)隨之不同。在實際微波干燥中，介電常數(shù)處于一個變化的狀態(tài)，隨著干燥室內(nèi)部的溫度、水分含量等物性參數(shù)的改變，介電常數(shù)也隨之降低。在物質(zhì)吸收微波的過程中，轉(zhuǎn)化效率和熱效率主要受物料的介電特性影響。復(fù)介電常數(shù)指的是介電常數(shù)和損耗系數(shù)結(jié)合起來，使介質(zhì)對微波能量的吸收率達到最大值，能有效地反應(yīng)微波干燥時的電極化狀況。單位質(zhì)量的介質(zhì)轉(zhuǎn)換微波能為：

式中：P—微波吸收功率（W/m3）；

f—微波頻率（Hz）；

E—電場強度（V/m）。

由此可知：當(dāng)排除溫度、含水率等物理參數(shù)時，物料轉(zhuǎn)換微波能的效率與其電磁場強度、頻率和介電常數(shù)有關(guān)。

4.微波干燥技術(shù)特點。相比于其他傳統(tǒng)的干燥手段，微波干燥的溫度梯度和熱量變化是直接在物料內(nèi)部進行，物料吸收微波能后能夠在短時間內(nèi)發(fā)生溫度變化，溫度的變化梯度小，防止裂紋產(chǎn)生。同時，內(nèi)部水分蒸發(fā)由內(nèi)向外進行，不會影響熱量的傳遞，提升了干燥速率。物料微波干燥時水分遷移圖如圖2 所示。

圖2 微波干燥水分遷移圖

二、果蔬微波干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀

在果蔬干燥方法中，微波干燥能夠保證干燥后的果蔬色澤和營養(yǎng)成分與干燥前的狀態(tài)基本一致，具有較大的研究潛力。英國的Khraisheh 等人對比了馬鈴薯熱風(fēng)干燥與微波干燥的質(zhì)量與營養(yǎng)成分，微波干燥的馬鈴薯制品維生素C 含量是熱風(fēng)干燥的馬鈴薯制品2 倍。同時，熱風(fēng)干燥馬鈴薯過程中，馬鈴薯的體積與含水率成線性關(guān)系，斜率保持不斷，均勻下降；而微波干燥馬鈴薯過程中，馬鈴薯體積與含水率成兩段式的線性趨勢。在干燥初期，干燥速度很慢；隨著含水量的降低，在干燥后期，干燥速度有顯著的提高。且微波干燥后的馬鈴薯制品復(fù)水性好于熱風(fēng)干燥的馬鈴薯制品。美國研究學(xué)者Lin 等人對真空微波干燥、熱風(fēng)干燥和冷凍干燥三種干燥方法下的胡蘿卜的特性進行了研究。結(jié)果表明，微波真空干燥可縮短胡蘿卜片的復(fù)水時間、復(fù)水性能好，α-胡蘿卜素明顯高于其他干燥方法的胡蘿卜片，且口感好、質(zhì)地松軟酥脆，感官評分更好；熱風(fēng)干燥后的胡蘿卜片色澤變化較大，無鮮艷的果蔬光澤；經(jīng)過冷凍干燥的胡蘿卜片，其營養(yǎng)成分得到了很好的保存，復(fù)水性能也比熱風(fēng)干燥產(chǎn)品要好，但其他感官評分的項目中不如微波干燥效果好。微波干燥后的胡蘿卜片質(zhì)地酥脆，有向零食產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。波蘭的Joanna 等人通過對馬鈴薯塊狀干制過程中，對塊狀干制過程中色澤、淀粉含量、機械性能、組織結(jié)構(gòu)的變化進行了研究。實驗結(jié)果表明，微波對小塊狀馬鈴薯的顏色影響不大，保留小塊狀馬鈴薯的淀粉、糖分含量最大，對小塊狀馬鈴薯的品質(zhì)影響最??；熱風(fēng)干燥過程中，由于高溫作用，會使小塊狀馬鈴薯的組織結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，口感變差。胡慶國等人采用不同的干制工藝，比較了不同干制工藝對干制效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥時，高溫下干燥時間長，會造成毛豆仁中的維生素和葉綠素的大量流失，而且因為氧化作用，毛豆仁的顏色發(fā)生了很大的變化；采用凍干技術(shù)處理的毛豆仁，可以較好地保持其營養(yǎng)成分，且色澤較佳，但凍干后的毛豆仁質(zhì)地柔軟，與其它處理方法相比，其口感較差；真空微波干燥綜合熱風(fēng)干燥與冷凍干燥技術(shù)，干燥后的產(chǎn)品綜合感官評分最高。王美霞等人研究蘋果片微波干燥變化規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，物料內(nèi)部水分需要在一定的限定范圍內(nèi)，水分含量不宜太高也不宜太低，太低的水分含量會造成物料的焦化，過高會影響最終的干燥效果?？偨Y(jié)上述研究現(xiàn)狀可知，微波干燥技術(shù)因為其特殊的干燥機理和技術(shù)特點，相比與其他干燥技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

三、果蔬微波干燥技術(shù)存在的問題與發(fā)展趨勢

隨著干燥技術(shù)的研究與推廣，水果與蔬菜的長時間儲存問題得到了解決，且干燥后的果蔬衍生產(chǎn)品帶動了經(jīng)濟，增加了農(nóng)民收入。冷凍干燥技術(shù)能夠最大程度保留果蔬的營養(yǎng)價值，但是干燥時間長和不易控制水分與溫度等問題比較突出。傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)干燥成本低，但是干燥過程中溫度較高，增加了揮發(fā)性成分的損失和酶活性降低，無法保證果蔬中的營養(yǎng)物質(zhì)得到充分的保留。微波干燥技術(shù)具有干燥速率快，干燥過程無污染源，干燥品質(zhì)較好等優(yōu)勢，利用微波干燥技術(shù)對果蔬進行干燥，能夠最大程度地保持其原有的形態(tài)、色澤和營養(yǎng)，使其更易于食用，含水率低，可長時間的儲存，能夠適應(yīng)長時間運輸條件，間接調(diào)節(jié)一些果蔬季節(jié)性淡旺季的特點。主要進行微波干燥的果蔬有胡蘿卜、馬鈴薯、辣椒、蘋果、藍(lán)莓、香蕉等。但是，單一的微波干燥技術(shù)存在干燥不均勻、色澤與外觀變化較大等缺點。

為研究更優(yōu)的干燥效果，學(xué)者提出了聯(lián)合干燥技術(shù)的概念。微波干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)相結(jié)合能夠有效的彌補單一干燥技術(shù)帶來的缺點，發(fā)揮不同干燥技術(shù)的優(yōu)勢，有效去除果蔬中水分，達到干燥果蔬的目的，且聯(lián)合干燥技術(shù)在能源消耗、降低成本和干燥品質(zhì)等方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。

微波聯(lián)合干燥技術(shù)相對于單一的微波干燥技術(shù)能夠減少干燥時間，降低能源消耗，保證干燥制品的品質(zhì)價值與經(jīng)濟價值，具有較高的應(yīng)用推廣價值。相關(guān)專家學(xué)者可在提高干燥效果和干燥技術(shù)方面進行優(yōu)化微波聯(lián)合干燥工藝的深度研究。

四、結(jié)束語

本文通過梳理微波干燥技術(shù)的作用機理和干燥技術(shù)特點、闡述微波干燥技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析果蔬微波干燥技術(shù)現(xiàn)階段存在的問題和未來的發(fā)展方向。微波聯(lián)合干燥技術(shù)是微波干燥未來發(fā)展空間較大的研究方向，能夠減少干燥時間，降低能源消耗且保證了干燥制品的品質(zhì)價值與經(jīng)濟價值，具有較高的應(yīng)用推廣價值。相關(guān)專家學(xué)者可在提高干燥效果和干燥技術(shù)方面進行優(yōu)化微波聯(lián)合干燥工藝的深度研究。