果蔬冷凍干燥節(jié)能新技術(shù)研究進展

王新珂 楊錫洪,2 吳 帆 謝靜雯 郁東興 解萬翠,2,

(1. 青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266042；2. 山東省生物化學(xué)工程重點實驗室,山東 青島 266042；3. 青島智科檢驗檢測有限公司，山東 青島 266002；4. 尚好科技有限公司，山東 青島 266002)

新鮮果蔬季節(jié)性強，不易貯藏。干燥是果蔬保藏中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[1]。隨著果蔬休閑食品的快速發(fā)展，干燥技術(shù)的研究也不斷深入。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在加工工藝及其工藝參數(shù)、干燥動力學(xué)以及干制果蔬品質(zhì)等方面，利用低能耗加工工藝，在盡可能短的干燥時間內(nèi)，使新鮮果蔬的營養(yǎng)成分實現(xiàn)最大限度的保留，獲得最好的感官品質(zhì)[2]。

由于冷凍干燥(Freeze-drying，F(xiàn)D)過程是在真空、低溫環(huán)境下進行，不會破壞熱敏性物質(zhì)，且還抑制了酶的生物活性和微生物的生長繁殖，因而可以較好地保留新鮮果蔬的色、香、味、形及營養(yǎng)成分，可制備出高品質(zhì)的果蔬干制品。因此凍干果蔬能滿足消費者對果蔬食品營養(yǎng)、美味、健康的追求，然而由于高成本、高能耗、低產(chǎn)率，它也是最昂貴的干燥工藝之一[3-5]。為實現(xiàn)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，需進一步優(yōu)化或者采取更有效的聯(lián)合干燥技術(shù)以達到高品質(zhì)、低能耗的要求。

研究[6-7]表明，除干燥條件、干燥機類型和物料特性等對凍干果蔬品質(zhì)和干燥能耗有影響外，干燥前處理及預(yù)凍條件對FD過程同樣具有重要作用。此外，相對于單一的干燥技術(shù)，冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)作為一種分階段干燥的復(fù)合技術(shù)，結(jié)合冷凍干燥和其他干燥方式的優(yōu)勢實現(xiàn)互補，在干燥品質(zhì)、成本能耗方面具有較好的優(yōu)勢，因而受到國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界的普遍關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 果蔬干燥技術(shù)及模型

1.1 干燥技術(shù)及干制后果蔬品質(zhì)分析

根據(jù)干燥機理不同，將干燥分為熱風干燥(Hot-air drying，AD)、微波干燥(Microwave drying，MD)、真空干燥(Vacuum drying，VD)、FD和紅外干燥(Infrared radiation drying，IRD)等方式。AD和MD雖然生產(chǎn)成本不高、工業(yè)應(yīng)用廣泛，但卻分別因營養(yǎng)損失嚴重、加熱均勻性差，嚴重影響了產(chǎn)品品質(zhì)；另外3種干燥方式在產(chǎn)品品質(zhì)上具有明顯優(yōu)勢，但因為真空干燥熱量傳遞困難、FD生產(chǎn)能耗高、紅外干燥穿透能力有限各種技術(shù)原因，難以在生產(chǎn)實踐中大規(guī)模應(yīng)用。

FD以升華脫水為基礎(chǔ)。在干燥所需的低溫環(huán)境下，它可以最大限度地減少風味和芳香化合物的損失，產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，減小體積皺縮；此外，由于大部分酶促反應(yīng)的停止，保持了新鮮果蔬的初始狀態(tài)，產(chǎn)品具有良好的品質(zhì)。

然而，由于保持低溫狀態(tài)、提供升華熱、降低干燥室總壓等操作，F(xiàn)D是一項高能耗、高成本的生產(chǎn)技術(shù)[8]。因此，對整個干燥過程進行改進，提高干燥效率、降低能耗已成為許多研究的熱點。

1.2 干燥過程數(shù)學(xué)建模及優(yōu)化

干燥動力學(xué)通常用于描述干燥過程中傳熱傳質(zhì)的宏觀和微觀機理，受干燥方法、干燥條件和物料特性等多種因素的影響[9]，在改進設(shè)備設(shè)計、優(yōu)化干燥過程和保質(zhì)降耗方面有重要意義。薄層干燥是確定果蔬干燥動力學(xué)模型時廣泛應(yīng)用的一種方法[10]，常以水分比MR和時間t的關(guān)系描述干燥過程中的動態(tài)變化，利用決定系數(shù)R2、卡方χ2、均方誤差RMSE等統(tǒng)計學(xué)指標驗證模型的準確度?？梢宰鳛楣浪愀稍锴€、改進干燥過程、最終實現(xiàn)最低能耗需求的一種重要工具。然而，在實際應(yīng)用中，還沒有一種薄層干燥模型可以有效地概括所有的果蔬干燥動力學(xué)。表1列舉出了22種果蔬薄層干燥模型。

表1 果蔬薄層干燥模型[10-12]

對比表中各種薄層干燥模型，理論模型計算最為復(fù)雜，半理論模型由理論模型簡化而來，半經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪且訪ewis模型為基礎(chǔ)的改進，經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t是完全根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到的。根據(jù)各模型的特點以及果蔬高含水率的特性，半理論模型和半經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅粡V泛應(yīng)用于估算果蔬干燥動力力學(xué)。特別是，Lewis、Henderson和Pabis以及Page等數(shù)學(xué)模型在FD中應(yīng)用最為廣泛[13-15]。陳雪珍等[16]對FD野生蕨菜進行動力學(xué)研究，構(gòu)建Page模型：

(1)

式中：

MR——水分比；

r——干燥常數(shù)，s-1；

t——干燥時間，min；

n——模型常數(shù)；

P——真空度，MPa；

V——冷凍溫度，℃；

I——裝盤量，kg/m2。

由式(1)可知，Page模型中待定常數(shù)r、n的值均與真空度、冷凍溫度和裝盤量呈相關(guān)關(guān)系，表明干燥曲線受真空度、冷凍溫度、裝盤量等變量參數(shù)影響。經(jīng)驗證該模型的預(yù)測值與試驗值相差不大，可較為準確地預(yù)測凍干過程中蕨菜的水分變化。

在提質(zhì)降耗方面，除了可以通過建立干燥動力學(xué)模型、改變干燥參數(shù)進而優(yōu)化干燥過程外，當前的研究主要還集中在控制前處理方式、預(yù)凍方式和使用聯(lián)合干燥技術(shù)等方面。

2 節(jié)能降耗新技術(shù)研發(fā)

2.1 前處理及預(yù)凍

漂燙、護色等前處理技術(shù)在去除部分水分的同時，改變組織形態(tài)，不僅可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)、延長貨架期，而且可以加快干燥速率、降低能耗[17-18]。Parniakov等[19]、Wu等[20]分別研究了高壓脈沖電場(Pulsed electric field，PEF)對蘋果的影響，均證實PEF處理，可以提高復(fù)水性和孔隙率，加快升華干燥速率。此外，PEF具有傳遞快速均勻、升溫小、處理時間短等特點，特別適合某些熱敏性果蔬的處理，在FD領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

超聲波可通過空化、微孔通道和海綿結(jié)構(gòu)等作用，提高果蔬滲透過程中失水率和固形物得率，縮短干燥時間，改善產(chǎn)品品質(zhì)。Cao等[21]分別在10，30，45，60 W/L 4種功率下，對大麥草進行10 min超聲波處理，與未處理組相比，F(xiàn)D能耗分別降低了5%，8%，19%，19%，同時玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高、水分活度降低，有效地提高了大麥FD品質(zhì)；王海鷗等[22]比較分析熱燙、超聲波和護色液3種處理方式對蘋果片的影響，發(fā)現(xiàn)熱燙組和超聲波組分別比護色液組縮短FD耗時12%，20%，并發(fā)現(xiàn)FD耗時越短，復(fù)水比越高。

根據(jù)果蔬物性不同，選用一種或多種合適的前處理方式，可以有效加快干燥速率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，最大程度地滿足市場需求。預(yù)凍處理改變冷凍速率和過冷度可影響冰晶尺寸大小和分布情況，進而影響后續(xù)升華干燥過程。

Hiroshika等[23]研究發(fā)現(xiàn)，慢速冷凍形成的冰晶顆粒大而少，升華后留下的寬敞孔道減小了水蒸氣的遷移阻力，利于提高升華干燥速率；Petropoulous等[24]研究發(fā)現(xiàn)，快速冷凍會導(dǎo)致冰晶來不及生長就結(jié)晶完成，形成的冰晶顆粒小而多，小冰晶在升華后會形成細微的孔道，增加水蒸氣的遷移阻力，降低了升華干燥速率。Sitar等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在升華干燥階段，孔徑大小對干燥速率有顯著影響，成核孔徑越大，第一次干燥時間越短。此外，過冷度較高時，成核溫度較低，結(jié)晶熱能夠相對快速的去除，形成的冰晶顆粒小而多；相反，過冷度較低時，成核溫度較高，形成的冰晶顆粒大而少，提高了升華速率。

預(yù)凍環(huán)節(jié)形成的冰晶顆粒大、數(shù)量少，可以提高升華干燥速率，但作為導(dǎo)致細胞損傷的主要原因，冰晶顆粒越大、數(shù)量越多，對細胞結(jié)構(gòu)的破壞越嚴重，各種理化感官品質(zhì)越差。因此，控制適宜的冷凍速率和調(diào)節(jié)冰晶成核，使其同時滿足質(zhì)量和能耗的需求，極為重要。

2.2 聯(lián)合干燥新技術(shù)

聯(lián)合干燥是結(jié)合各種干燥方式的優(yōu)點，將兩種或兩種以上的干燥方式優(yōu)勢互補，分階段進行的一種復(fù)合干燥技術(shù)，可彌補單一干燥方式中產(chǎn)品品質(zhì)差、干燥效率低等缺點，具有最大程度保留物料原有感官品質(zhì)和色澤的特點[26-29]。目前較常用聯(lián)合干燥技術(shù)見表2。

表2 常見聯(lián)合干燥技術(shù)及其特點[29-37]

相較其他聯(lián)合干燥技術(shù)，冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)結(jié)合了FD高品質(zhì)和其他干燥低耗能的優(yōu)點，在提高能源利用率和產(chǎn)品質(zhì)量方面均具有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。目前常見的冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)有熱風—冷凍、微波—冷凍和紅外—冷凍等聯(lián)合干燥技術(shù)，其工藝流程見圖1。

圖1 聯(lián)合干燥工藝流程圖

2.2.1 冷凍-熱風聯(lián)合干燥 針對AD與FD的聯(lián)合干燥技術(shù)，目前國內(nèi)外公認的最優(yōu)方案是先凍干處理到一定含水率，待物料骨架形成，再進行熱風干燥，省去FD解析段，從而節(jié)約干燥時間，同時產(chǎn)品不會發(fā)生嚴重變形變色。

Phanindra等[38]在研究冷凍—熱風聯(lián)合干燥胡蘿卜和南瓜中，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合干燥后產(chǎn)品的總類胡蘿卜素受破壞程度相對較低，總能耗和干燥時間低于單一FD 50%，其結(jié)果表明聯(lián)合干燥在生產(chǎn)高質(zhì)量、低能耗產(chǎn)品上有明顯優(yōu)勢；Antal等[39]以蘋果為研究對象，分別對FD和真

空—熱風冷凍干燥工藝進行對比，結(jié)果表明與單一干燥相比，聯(lián)合干燥時間縮短27.3%左右，能耗降低34.5%左右；楊佳琪等[40]在比較不同干燥方式對香蕉切片品質(zhì)的影響中，確定冷凍—熱風聯(lián)合干燥的較優(yōu)工藝參數(shù)為冷凍時間3 h、中間轉(zhuǎn)換點含水率40%、熱風溫度70 ℃，產(chǎn)品外形及品質(zhì)接近凍干產(chǎn)品，干燥時間僅為FD的77.3%；黃嬌麗等[41]研究高菜冷凍—熱風聯(lián)合干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)D 20 h+AD 1 h的產(chǎn)品與凍干產(chǎn)品在品質(zhì)上無顯著差異，但能耗節(jié)省33%。FD的解析干燥階段耗時長，除水少，干燥效率低；因此，在此階段將干燥方式轉(zhuǎn)為熱風干燥，可以在保持產(chǎn)品品質(zhì)前提下有效降低干燥能耗。

AD與FD技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用發(fā)展較為成熟，因其低能耗已被廣泛運用到實際生產(chǎn)中，但產(chǎn)品質(zhì)量仍較差，如何進一步提高熱風冷凍聯(lián)合干燥產(chǎn)品質(zhì)量是今后研究的重點[42]。

2.2.2 微波-冷凍聯(lián)合干燥 MD與FD技術(shù)聯(lián)合使用，是現(xiàn)今果蔬干燥中最具有潛力的研究方向之一。研究[43]發(fā)現(xiàn)，MD、FD的聯(lián)合使用可將干燥時間顯著縮短至傳統(tǒng)FD的1/3。圖2給出了聯(lián)合干燥的設(shè)備簡圖[34]，即在傳統(tǒng)的冷凍干燥機內(nèi)加入微波系統(tǒng)，利用微波加熱替代傳統(tǒng)的傳導(dǎo)加熱。雖然這種設(shè)備的初始資本較高于傳統(tǒng)，但干燥過程中可明顯降低能耗，提高生產(chǎn)效率，從而大大降低了生產(chǎn)成本。

1. 真空室 2. 微波傳導(dǎo) 3. 產(chǎn)品托盤 4. 加熱板 5. 天平秤 6. 物料質(zhì)量 7. 安培壓力 8. 物料溫度 9. 壓板溫度控制 10. 數(shù)據(jù)集成系統(tǒng) 11. 壓板溫度控制 12. 微波效率控制 13. 壓力控制 14. 冷凝器 15. 制冷系統(tǒng) 16. 真空泵

Jiang等[35]在干燥秋葵的研究中，對比微波—冷凍聯(lián)合、熱風—微波聯(lián)合、單一熱風、冷凍和微波真空干燥5種干燥方法對秋葵干燥品質(zhì)和速率的影響，發(fā)現(xiàn)在抗氧化性能和色澤的保護上，微波—冷凍聯(lián)合與FD相似，顯著優(yōu)于其他3種，但微波—冷凍聯(lián)合硬度、脆度較高，干燥時間和能耗分別降低了約75.36%和71.92%；Duan等[44]通過對甘藍干燥工藝以及殺菌特性的研究，發(fā)現(xiàn)微波—真空冷凍聯(lián)合干燥與普通FD相比，聯(lián)合干燥產(chǎn)品的熱敏性成分保存率雖然略低，但干燥時間明顯縮短，且有明顯的殺菌效果；Pei等[45]在對干燥香菇揮發(fā)性成分的研究中，發(fā)現(xiàn)微波、冷凍組合的干燥產(chǎn)品不僅味覺活性氨基酸含量高，與新鮮產(chǎn)品更為接近，且干燥效率高、能耗低；湯夢情等[46]在對蘆筍MD與FD聯(lián)合干燥的研究中，發(fā)現(xiàn)MD后再FD，脫水率和色澤均優(yōu)于單一干燥，此外與FD相比，脫水時間縮短40%，大幅降低干燥總能耗。較單一冷凍干燥相比，聯(lián)合干燥所需外源溫度更低，因而在提質(zhì)降耗的同時，可以更好地保留原料的營養(yǎng)物質(zhì)和色澤。

微波—冷凍聯(lián)合干燥優(yōu)勢明顯，其產(chǎn)品營養(yǎng)物質(zhì)保留率遠高于單一微波干燥，干燥時間遠低于單一FD，但在實際應(yīng)用中仍有許多問題需要解決，在過去幾十年中，只在實驗室中發(fā)展起來，直到現(xiàn)在才應(yīng)用于工業(yè)中。隨著微波硬件的發(fā)展，聯(lián)合設(shè)備的成本也逐漸下降，越來越具有產(chǎn)業(yè)化價值。目前已應(yīng)用到生物制藥、方便食品等產(chǎn)業(yè)，是未來工業(yè)化生產(chǎn)脫水果蔬的研究方向。

2.2.3 紅外—冷凍聯(lián)合干燥 紅外—冷凍聯(lián)合干燥是近年來一項新興的果蔬干制技術(shù)，目前仍處于研發(fā)階段，其機理研究不夠深入，國內(nèi)外研究尚少。

干燥過程中，紅外輻射可以直接穿透物料并轉(zhuǎn)化為分子振動而產(chǎn)熱，因而可以減少熱量在空氣中的損耗，有效降低干燥能耗。Wang等[36]在香菇的FD與中紅外干燥(Mid-infrared radiation drying，MIRD)聯(lián)合干燥研究中，對比在FD之前或之后使用MIRD與FD單獨使用時的香菇品質(zhì)和干燥時間，發(fā)現(xiàn)在保證質(zhì)量的前提下，兩種聯(lián)合技術(shù)的干燥時間都明顯縮短，與單一FD相比，F(xiàn)D(4 h)+MIRD、MIRD(15 min)+FD能耗分別降低48%、30%。Apiny等[37]通過對香蕉片的紅外輔助冷凍干燥(Infrared assisted freeze drying，IRAFD)研究，制備了動態(tài)紅外輔助冷凍干燥系統(tǒng)(圖3)，證實了紅外輻射作為FD升華階段的驅(qū)動力，可以顯著縮短干燥時間，與冷凍干燥(696 min)相比，連續(xù)IRAFD可將干燥時間顯著縮短213 min，節(jié)省時間70%以上；同時，IRAFD改善了產(chǎn)品的脆度，未出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2. PID保險絲 3. 可變變壓器 4. 電流傳感器5. K型熱電偶 6. 安全保險絲 7. 亞克力室 8. 近紅外燈 9. 冷凍香蕉 10. 樣品盤 11. 電子天平 12. 真空泵 13. 冷凍干燥機 14. 冷阱

動態(tài)IRFAD系統(tǒng)主要包含控制溫度的紅外燈開關(guān)、紅外起爆重量檢測和紅外燈的可變距離調(diào)控等裝置，它不僅可以增強干燥效率，而且可以驗證環(huán)境溫度在干燥期間對冰晶升華的影響，為今后研究紅外冷凍干燥的設(shè)備設(shè)計和干燥機理提供了借鑒。

紅外—真空冷凍聯(lián)合干燥雖起步晚、研究少，有關(guān)干燥動力學(xué)、能耗和產(chǎn)品質(zhì)量等綜合方面的信息有限，但不可否認紅外輻射對降低FD能耗的有效作用；今后，需要研發(fā)更為先進的試驗裝置，建立干燥動力學(xué)模型以實現(xiàn)深入研究。

3 展望

凍干產(chǎn)品因兼具營養(yǎng)健康、新穎美味、易儲便攜等特點，符合食品界的發(fā)展潮流，受到消費者的普遍青睞。凍干技術(shù)與其他干燥技術(shù)的聯(lián)合使用，使干燥果蔬的品質(zhì)和生產(chǎn)能耗得到進一步改善，因而有必要闡明單一技術(shù)干燥進程中的影響因子，充分發(fā)揮聯(lián)合干燥的巨大優(yōu)勢。

(1) 最佳轉(zhuǎn)換點的研究：聯(lián)合干燥過程中，判斷物料的變形、變色是難點，兩種干燥方式的水分轉(zhuǎn)換點是影響最終產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素，該點的選取是以高品質(zhì)和低能耗為前提，常以轉(zhuǎn)換點的含水率為指標進行衡量[47]。比如，轉(zhuǎn)換點含水率過大，達不到降低能耗的效果；含水率過小，則對產(chǎn)品品質(zhì)有較大的消極影響。因此，綜合品質(zhì)和能耗指標，選擇合適的轉(zhuǎn)換點至關(guān)重要。

(2) 聯(lián)合干燥動力學(xué)模型的建立：應(yīng)用最廣泛的果蔬薄層干燥模型有3種，根據(jù)具體試驗條件及相關(guān)數(shù)據(jù)篩選最佳干燥動力學(xué)模型，預(yù)測干燥過程動態(tài)變化，探討傳質(zhì)傳熱特性。進一步研究影響品質(zhì)和速率的可能因子，協(xié)調(diào)如物料厚度、裝載量等各物料參數(shù)之間的關(guān)系，使其能較好地適應(yīng)各個干燥階段，減少在多次轉(zhuǎn)換之間的停留處理時間；確定不同干燥方式的特定參數(shù)，如熱風干燥的加熱溫度、微波干燥的微波功率、紅外干燥的輻照距離以及冷凍干燥的真空度等，實現(xiàn)高效率、能耗低、環(huán)保的聯(lián)合干燥技術(shù)。

(3) 聯(lián)合干燥設(shè)備的改進：改進各種干燥設(shè)備，優(yōu)化轉(zhuǎn)換連接技術(shù)，提高工藝自動化控制程度，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)以及冷凝器損耗熱量的回收利用，仍有待進一步研究。

今后，如何將實驗室最優(yōu)的聯(lián)合干燥方案最大化地應(yīng)用到實際生產(chǎn)中去，還需研究者共同探討。