食品微波真空干燥研究進展

張增帥，張寶善，羅喻紅，王恒超

(陜西師范大學(xué)食品營養(yǎng)與工程學(xué)院，陜西西安710062)

干燥是食品保藏的重要手段，也是一項重要的食品加工技術(shù)。干燥技術(shù)和過程對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)有很大的影響，有時甚至起到?jīng)Q定性的作用。目前仍在干燥技術(shù)中占主導(dǎo)地位的熱風(fēng)干燥對食品的色澤、形態(tài)、維生素及各種熱敏感性活性物質(zhì)破壞程度比較大，且食品復(fù)水性差［1］。微波干燥加熱速度快，效率高，但物料組織差異導(dǎo)致加熱不均勻，局部溫度過高，易形成硬結(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。真空冷凍干燥方法可以得到高品質(zhì)的干燥產(chǎn)品，但是真空冷凍干燥耗時長，設(shè)備投資大，運轉(zhuǎn)費用高，推廣性差，僅能應(yīng)用于少數(shù)貴重中藥材的干燥［2-4］。微波真空干燥技術(shù)是一項集電子學(xué)、真空學(xué)、機械學(xué)、熱力學(xué)和程控學(xué)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)，是物質(zhì)在干燥過程中的物理變化、內(nèi)外熱量交換以及真空條件下水分遷移理論的研究基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的一項新技術(shù)、新工藝，可以極大限度地保持食品的營養(yǎng)和色、香、味，且干燥速率快，可有效地解決食品干燥過程中質(zhì)量和效益之間的矛盾，因此微波真空干燥技術(shù)越來越受到關(guān)注。

1 微波真空干燥原理及國內(nèi)外研究狀況

1.1 微波真空干燥原理

微波是一種波長范圍為1mm～1m、頻率范圍為3.0×102～3.0×105MHz且具有穿透特性的電磁波，在微波電磁場的作用下，介質(zhì)中的極性分子從原來的熱運動狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟隨微波電磁場交變而排列取向。微波干燥主要是利用微波的加熱作用使體系溫度升高，從而引起水分蒸發(fā)實現(xiàn)干燥。微波輻射下介質(zhì)內(nèi)部不存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，因此，微波可相當(dāng)均勻地加熱介質(zhì)。微波加熱造就物體熱源的存在，改變了常規(guī)加熱干燥過程中某些遷移勢與遷移勢梯度方向，形成了微波干燥的獨特機理。

在真空狀態(tài)下，水分的蒸發(fā)溫度相應(yīng)的降低。如果能夠維持干燥室內(nèi)持續(xù)的低壓環(huán)境，那么水分就能不斷地從食品表面蒸發(fā)，食品隨之干燥。干燥室內(nèi)的真空度越小，食品表面水分蒸發(fā)所需的溫度就越低，真空干燥時的真空度約為533～667Pa。

微波真空干燥技術(shù)綜合了微波干燥和真空干燥的優(yōu)點(圖1)，可使待干燥的物料在低溫條件下快速、均勻、方便的干燥，解決了微波加熱因溫度過高引起的物料燒傷、結(jié)殼和硬化等技術(shù)問題，大大提高了干燥食品的品質(zhì)。

圖1 微波真空干燥示意圖［4］Fig.1 The schematic diagram of microwave vacuum drying

1.2 微波真空干燥國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微波真空干燥的研究始于上個世紀(jì)80年代，美國、加拿大、英國和德國等發(fā)達國家研究了其干燥設(shè)備、干燥機理、傳質(zhì)傳熱、干燥模型、不同物料的干燥工藝等，主要集中在美國的威斯康辛大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)，加拿大的 British Columbia大學(xué)，德國的Karsruhe大學(xué)，英國的 Queen’s University，希臘的國立科技大學(xué)，法國的Albi研究所等。目前已將此項技術(shù)應(yīng)用于輕工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。

80年代后期，國內(nèi)開始研發(fā)微波真空干燥設(shè)備，目前的研究單位主要有江南大學(xué)食品學(xué)院、大連水產(chǎn)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、浙江大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化研究院、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)等。研究內(nèi)容主要集中在不同物料干燥工藝上，理論研究較少，機械研究主要有南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司研究的兩種形式的微波真空干燥設(shè)備，以及安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系和三樂電氣總公司微波爐分公司聯(lián)合研制的由WP75-1型微波爐加熱腔改制而成的真空連續(xù)干燥裝置。

表1 幾種干燥方法比較［5-9］Table 1 Compare of several means of drying

2.2.3 易控 微波功率有無慣性及可快速調(diào)整的特點，易于即時控制，可在40～100℃之間任意調(diào)節(jié)溫度，便于連續(xù)生產(chǎn)及實現(xiàn)自動化。

2.2.4 產(chǎn)品質(zhì)量好 微波可以使物料內(nèi)外水分同時升溫汽化，脫水后產(chǎn)品質(zhì)量一致，且可以對物料內(nèi)外殺菌;在低溫真空條件下，酶和細(xì)菌不易滋生，食品不易變質(zhì)和氧化，因此在延長食品的保質(zhì)期、保存食品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)成分、保留原料的生理活性、增強保健食品的功能性、提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值等方面，微波真空干燥與常規(guī)方法相比有較大幅度的提高。2.2.5 經(jīng)濟效益好 傳統(tǒng)干燥耗時長、速度慢、能耗大、加工費用高，而微波具有穿透性，在對物體加熱時不需要任何傳媒，可對物料內(nèi)外同時加熱，因此可以節(jié)約大量能源、提高加熱和干燥速度，經(jīng)濟效益顯著。根據(jù)國內(nèi)外資料顯示，采用微波設(shè)備對物料加熱，其速度和效能是常規(guī)加熱方法的4～20倍。

2.3 微波真空干燥尚存在的問題

2 真空微波干燥特點

2.1 幾種常見干燥方法比較

從表1可知，用微波真空干燥方法干制的產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥、微波干燥，復(fù)水性優(yōu)于熱風(fēng)干燥、微波干燥和真空干燥，同時微波真空干燥設(shè)備投資和能耗均比冷凍干燥小，且生產(chǎn)量和效率均比冷凍干燥大，各方面綜合考慮則微波真空干燥效果最好，因此微波真空干燥是一種很好的干燥技術(shù)。

2.2 微波真空干燥優(yōu)點

2.2.1 高效節(jié)能 常規(guī)的真空干燥機采用蒸汽進行加熱，加熱速度慢且需耗費大量的煤。微波真空干燥機采用的是電磁波加熱，無需傳熱媒介，直接加熱到物體內(nèi)部，升溫速度快，1千瓦的微波能在3～5min內(nèi)將常溫下的水加熱到100℃，避免了上述缺點，所以速度快、效率高、干燥周期大大縮短、能耗降低，與常規(guī)干燥技術(shù)相比可提高工效四倍以上。

2.2.2 加熱均勻 由于微波加熱是從內(nèi)到外對物料同時加熱，因而使得物料的內(nèi)外溫差很小，不會產(chǎn)生常規(guī)加熱中出現(xiàn)的內(nèi)外加熱不一致的狀況，利于粉碎，使干燥質(zhì)量大大提高。

目前微波真空干燥方法僅用于實驗室研究和少部分高檔產(chǎn)品的推廣，究其原因主要有以下幾點:

2.3.1 理論研究不足 我國微波真空干燥研究比較晚，有關(guān)微波真空干燥理論研究和物料干燥工藝研究報道很少。微波干燥的大部分實驗工作建立于家庭用小型微波爐，研究理論和結(jié)果對于大型的工業(yè)化生產(chǎn)缺乏現(xiàn)實意義。微波真空干燥機理的研究集中在物料微波能的大小計算、物料內(nèi)部溫度場分布規(guī)律以及水分?jǐn)U散蒸發(fā)規(guī)律等方面，但尚存在很多問題，比如微波能大小的測量、物料內(nèi)溫度的變化等都需要進一步研究。可以采取企業(yè)跟科研單位相結(jié)合的方式，建設(shè)中試工廠，使微波真空干燥理論與實踐相結(jié)合，創(chuàng)造出良好效益。

2.3.2 無法判斷干燥終點 目前的微波真空干燥自動化程度比較低，無法監(jiān)控微波干燥的程度，可能造成干燥提前結(jié)束，導(dǎo)致干燥產(chǎn)品含水量過高，達不到要求;也可能造成干燥時間過長導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，浪費能源。徐振方等人［10］針對間歇式微波真空干燥設(shè)備開發(fā)了一套自動監(jiān)測軟件，該方法能方便地監(jiān)測物料的溫度、重量、真空度等工藝參數(shù)，通過經(jīng)驗公式計算得到物料的水分含量，解決了干燥過程中在線水分含量實時監(jiān)測這一難題。有研究者提出采用模糊控制來控制溫度，這有待于進一步研究［11］。

2.3.3 加熱不均勻 物料種類、形狀、大小都能影響農(nóng)產(chǎn)品對微波的吸收能力。微波在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)進行多次的吸收、反射、穿透，導(dǎo)致微波在物料內(nèi)分布不均勻，加熱不均勻，有可能破壞農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。安鳳平等人［12］通過對系統(tǒng)的改良，改善了微波的均勻性，實驗結(jié)果表明，增加諧振腔長度可增加等寬高矩形諧振腔的諧振頻率模式數(shù)目，提高微波場均勻性;在干燥室上、下壁面對交叉、均勻布置微波均可保證回轉(zhuǎn)干燥的均勻性;采用篩底載料盤或降料層厚度，均可縮短物料顆粒蒸發(fā)水分的遷移路徑，提高干燥速度，縮短干燥時間。另外將設(shè)備的加熱能力、排氣能力、冷凝系統(tǒng)能力相互匹配，確保系統(tǒng)加熱的均勻性和良好的電壓駐波比，克服加熱不均勻的問題。

2.3.4 工業(yè)化不足 微波真空干燥作為一項新的干燥技術(shù)，較真空冷凍干燥更節(jié)能高效，且干燥產(chǎn)品質(zhì)量好，可以有效的解決產(chǎn)品質(zhì)量和成本的矛盾，但目前大部分僅限于實驗室研究，尚未推廣到工業(yè)化生產(chǎn)中。主要原因微波干燥技術(shù)設(shè)備不夠完善，無法實現(xiàn)全自動化管理。不同的物料結(jié)構(gòu)不同，水分?jǐn)U散規(guī)律也不同，需要科研工作者進行工藝探索，從而推廣到農(nóng)產(chǎn)品大規(guī)模工業(yè)干燥中。作為一項新技術(shù)，微波真空干燥需要廣泛推廣，被企業(yè)深入了解;需要加強科研成果轉(zhuǎn)化，科研與實踐相結(jié)合，創(chuàng)造更多的利潤。

3 微波真空干燥動力學(xué)模型研究

干燥是一個非常復(fù)雜的過程，其中涉及到熱量的傳遞、水分的遷移，與物料特性、大小、形狀、質(zhì)量等因素密切相關(guān)。干燥動力學(xué)，即研究物料的平均含水量隨時間的變化，從宏觀和微觀上間接地反映熱量、質(zhì)量的傳遞速率。對于某種未知干燥特性的物料，在實驗室規(guī)模的設(shè)備上進行干燥動力學(xué)研究，使用較少物料，改變不同的干燥參數(shù)，為放大設(shè)計工業(yè)化干燥器提供理論數(shù)據(jù)。此外干燥動力學(xué)數(shù)學(xué)模型對干燥過程操作、提高產(chǎn)品質(zhì)量也具有重要的指導(dǎo)意義。

食品微波真空干燥過程的動力學(xué)模型主要集中在兩個方面:

a.微波加熱的動力方程。由于物料的介電特性隨水分含量的變化而變化，故物料中的電場分布及吸收的微波能是一個動態(tài)變化的過程。許多研究都假設(shè)從物料表面輸入的微波能大小均勻且與表面垂直，并假設(shè)微波能在物料內(nèi)部呈指數(shù)衰減，再利用差分法或有限元法預(yù)測物料內(nèi)部溫度分布大小。Nastaj等人［13］研究了用有限元模擬真空冷凍干燥過程中微波加熱的第一和第二階段，對加熱過程中的能量、熱量等轉(zhuǎn)移進行分析得出系列公式并作以解釋。Pandit等人［14］用有限元分析研究了馬鈴薯微波加熱的溫度分布。Curet等人［15］用二維有限元法對高介電損耗的甲基纖維素模擬物在微波解凍和加熱階段傳熱建模，并比較了麥克斯韋方程和朗伯定律在預(yù)測微波吸收功率方面的應(yīng)用。Knoerzer等人［16］研究了微波干燥食品溫度分布計算模型· ( λ·▽T )=-qR+Qem(式中 ρ 表示密度，CP表示比熱容，λ表示熱導(dǎo)率，qR表示輻射功率，Qem表示散失的微波產(chǎn)生的熱能)。

b.微波真空干燥的數(shù)學(xué)模擬。目前，食品微波真空干燥的數(shù)學(xué)模型有Page模型、Lewis模型、Fick模型、Halsey模型、BET模型、GAB模型、Smith模型等。Figiel［17］研究了大蒜球和大蒜片微波真空干燥動力學(xué)曲線，研究表明不管是整個大蒜還是大蒜片，干燥過程都符合S型曲線，可以用方程式表示(式中u表示水分含量(干基)，a表示水分含量的漸近值，b表示水分含量的理論差值，c表示的是干燥曲線中時間坐標(biāo)對應(yīng)的轉(zhuǎn)折點)。Alibas［18］研究了蕁麻葉微波真空干燥中的能量消耗以及數(shù)學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)半經(jīng)驗的Page模型可以很好的描述蕁麻葉微波真空干燥過程，即MR=aexp(-ktn)+bt(式中MR表示吸水率，a和b都表示常數(shù)，k表示干燥速率常數(shù))。吳稚琦等人［19］應(yīng)用靜態(tài)稱重技術(shù)測定了固體蜂蜜的吸附平衡含水率，獲得了相應(yīng)的吸附等溫線，對其吸附規(guī)律進行了探討，得出GAB型為固體蜂蜜適用的吸濕模型，即(Me表示水分含量(干基)，aw表示水分活度，m0表示單分子層水分，C、K表示模型能量常數(shù))。另外Bogdan［20］研究了洋蔥在微波真空干燥中應(yīng)力松弛過程的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，實驗結(jié)果表明公式δ=a+bexp式中a、b、d都表示各個彈性元件的流變模型參數(shù)，c表示應(yīng)力松弛過程的時間參數(shù)，e表示彈性元件各自的特性)可以很好地表示微波洋蔥干燥過程中應(yīng)力松弛的變化。宋蕓等人［21］研究胡蘿卜片微波真空干燥過程中物料的收縮變形，利用正交實驗得出各因素對胡蘿卜片干燥變形的影響程度大小及因素之間的相互影響關(guān)系，通過數(shù)學(xué)回歸得到胡蘿卜片真空微波干燥過程收縮變形的數(shù)學(xué)模型方程:Sv=92.43-0.739Xs+4.976InD-5.616Q(式中Sv表示收縮系數(shù)，Xs表示水分損失，D表示厚度，Q表示功率密度)，并提出了胡蘿卜收縮變形的微波真空干燥工藝參數(shù)的最佳組合為:真空度3～4.5kPa、微波功率密度0.82W/g、胡蘿卜片厚度8mm。李蕾等人［22］探索不同真空微波條件對大蒜片干燥速率的影響，實驗結(jié)果表明大蒜片的真空微波干燥符合薄層干燥模型，可用Page模型描述本實驗干燥過程。

4 微波真空干燥在食品加工中的應(yīng)用

食品經(jīng)過干燥處理，可以延長保質(zhì)期、減少包裝需求、減輕運輸重量、抑制微生物的生長和繁殖，且干燥后具有一定的復(fù)水率。微波真空干燥作為一項新的技術(shù)，已被應(yīng)用在各項食品加工中，表2列舉了微波真空干燥在食品加工中的應(yīng)用。

微波真空干燥在果蔬制品、食用菌、水產(chǎn)品以及乳制品加工中均有應(yīng)用，且發(fā)現(xiàn)微波真空干燥得到的各種產(chǎn)品在外觀、結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)保存和復(fù)水率方面都優(yōu)于常規(guī)熱干燥。

5 發(fā)展趨勢

5.1 操控智能化

由于人工操作管理無法監(jiān)控微波真空干燥全過程，不能很好的掌握干燥過程和判斷干燥終點，無法做到科學(xué)化、精確化，且費時費力、浪費資源，因此難以實現(xiàn)規(guī)?；?、工廠化生產(chǎn)。操控智能化，使用計算機技術(shù)代替人為環(huán)境管理及監(jiān)控，實現(xiàn)操作過程的簡易化、智能化和流程化，為微波真空干燥技術(shù)開辟一種新模式。過軍［34］等針對原機電控制系統(tǒng)存在的問題，運用具有微處理器和串行通信接口的PLC、觸摸屏和紅外測溫等技術(shù)，并通過PLC編程以及編程技巧的應(yīng)用，簡化了操作設(shè)備，方便了管理和維護。

5.2 與其它干燥方式相結(jié)合

由于微波干燥和烹制的特點，微波干燥食品的色澤、風(fēng)味跟傳統(tǒng)干燥方法有一定的差異。微波真空干燥應(yīng)用范圍較小，可與熱風(fēng)干燥、冷凍干燥等方法結(jié)合，以提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。多種干燥方式相結(jié)合，將利潤最大化已是大趨所向。徐艷陽等［35］對甘藍進行熱風(fēng)和微波真空聯(lián)合干燥實驗，干燥時間縮短了48.33%，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。宋楊等［36］采用熱泵與微波真空聯(lián)合的方式對海參進行干燥，所得海參感官品質(zhì)良好、色澤好、外觀美。

5.3 設(shè)備專一化

由于食品原料的含水量、結(jié)構(gòu)、黏度等性能各不相同，且原料的品種眾多，不同原料對微波的設(shè)計參數(shù)有不同的要求，所以在處理農(nóng)產(chǎn)品的過程中微波設(shè)備具有很強的專一性，很難通用。對于不同的農(nóng)產(chǎn)品，必須采用不用結(jié)構(gòu)和性能的微波設(shè)備進行加工。微波真空干燥發(fā)展的趨勢將會根據(jù)不同原料的物理和化學(xué)性質(zhì)，研制和開發(fā)專用微波真空干燥設(shè)備。

表2 微波真空干燥在食品加工中的應(yīng)用Table 2 The application of microwave vacuum drying in the process of food

6 結(jié)語

微波真空干燥具有獨特的加熱特點和干燥機理，干燥速度快、品質(zhì)高，作為一種新型的干燥技術(shù)，其應(yīng)用前景十分廣闊，可以逐步代替真空冷凍干燥實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但是微波真空干燥目前的研究比較有限，應(yīng)用范圍比較狹隘，因此需要加強微波真空干燥技術(shù)的加工工藝水平，提高設(shè)備的自動化水平，完善微波真空干燥裝備，降低成本，使這項技術(shù)能在各領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。由以上可見微波真空干燥技術(shù)是一項不成熟但又非常有潛力的高新技術(shù)。

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