熱風(fēng)干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用和發(fā)展

馬 博，李傳峰※，吳明清，李 博，任松偉

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

我國是世界農(nóng)產(chǎn)品主要生產(chǎn)國且具有產(chǎn)量大、種類多的特點。《2018 中國年鑒統(tǒng)計》顯示，2017年我國糧食總產(chǎn)量高達(dá)66 160.7 萬t、水果總產(chǎn)量25 241.9萬t[1]，較2016年均有增加，隨著農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷增加后續(xù)加工的壓力也隨之增大。新鮮農(nóng)產(chǎn)品含水量較高加之我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地往往遠(yuǎn)離人口集中的消費市場，使得農(nóng)產(chǎn)品在長途運輸?shù)倪^程中大量腐爛變質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后損失超過30%，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家非常重視產(chǎn)后加工技術(shù)，產(chǎn)品的損耗率一般控制在5%～20%之間[2]，由此可見對新鮮農(nóng)產(chǎn)品及時加工處理顯得尤為重要。我國大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品加工都依托干燥技術(shù)?？梢哉f干燥技術(shù)是農(nóng)產(chǎn)品加工的重要手段和技術(shù)，相較于新鮮農(nóng)產(chǎn)品，經(jīng)過干燥加工的農(nóng)產(chǎn)品能減緩品質(zhì)變化、減少包裝運輸費用。

我國沿襲千年的日曬干燥已經(jīng)逐步淡出了我們的視野，現(xiàn)代化的熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、真空干燥、冷風(fēng)干燥、微波干燥和紅外干燥等技術(shù)正在興起[3]。本文闡述了熱風(fēng)干燥技術(shù)的原理、干燥工藝及其在果蔬干燥中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 熱風(fēng)干燥技術(shù)

1.1 熱風(fēng)干燥原理

熱風(fēng)干燥技術(shù)是依據(jù)介質(zhì)傳熱原理，將某種形式的能源（煤、石油、天然氣、電等）轉(zhuǎn)化成熱媒（主要為熱空氣）以提供熱量，利用風(fēng)機(jī)將熱空氣送入烘箱或干燥室內(nèi)，當(dāng)熱空氣與物料表面接觸時將熱量傳給物料；物料表面水分受熱汽化為水蒸氣，擴(kuò)散到周圍空氣中，當(dāng)物料表面水分含量低于其內(nèi)部水分含量，這時水分梯度形成，物料內(nèi)部水分便向表面擴(kuò)散，直到物料中的水分下降到一定程度時此過程趨于停止。與此同時，物料表面溫度受熱后高于物料中心而形成溫度梯度，促使水分從表面向中心傳遞。干燥過程中，傳質(zhì)和傳熱同時發(fā)生，方向相反，但密切相關(guān)[4]。

1.2 熱風(fēng)干燥的實現(xiàn)

熱風(fēng)干燥通常經(jīng)下列過程實現(xiàn)：首先熱源將內(nèi)部的空氣加熱，由風(fēng)機(jī)將熱源內(nèi)的高溫空氣（或煙氣）送入換熱器的散熱管通道中，緊接著外界冷空氣由風(fēng)機(jī)吸入換熱器的換熱空間，進(jìn)入的冷空氣沿著換熱器的加熱通道流動最終被加熱，散熱管道中高溫空氣（或煙氣）的溫度降到一定程度后排出換熱器；被吸入的冷空氣經(jīng)過加熱快速變?yōu)闊峥諝?，并在風(fēng)機(jī)的作用下沿?fù)Q熱器空間進(jìn)入干燥室，從而讓干燥室內(nèi)空氣溫度上升與溫度較低的物料形成溫度梯度，溫度梯度使物料內(nèi)部發(fā)生傳質(zhì)作用，水分由內(nèi)向外遷移，最終在物料表面蒸發(fā)掉；流動的熱風(fēng)將蒸發(fā)出來的廢氣帶出干燥室，經(jīng)除塵后排出干燥室。

2 熱風(fēng)干燥在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用

熱風(fēng)干燥技術(shù)以其良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥加工，在早期探索階段李長友等指出干燥過程中熱能利用率低主要是由于熱能與干燥物料和介質(zhì)之間匹配度較低造成的[5]，并提出應(yīng)該重視熱風(fēng)干燥過程中客觀干燥對能量利用率的影響，其研究揭示了熱風(fēng)干燥機(jī)理為今后干燥設(shè)備的研制和改造提供了理論基礎(chǔ)，根據(jù)其以上原理電熱儲能式糧食干燥熱風(fēng)爐研制成功并得以推廣，該裝備有效的提高了能源利用率，節(jié)約了糧食干燥的成本，在糧食干燥、儲存中起到了重要作用。隨著干燥理論研究的深入，谷物和油料作物干燥技術(shù)迅速發(fā)展并有向新技術(shù)的開發(fā)和多技術(shù)聯(lián)合發(fā)展的趨勢，鄭先哲[6]等人運用熱風(fēng)變溫干燥技術(shù)研究稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，得出變溫?zé)犸L(fēng)干燥工藝能明顯改善稻谷干燥品質(zhì)，提高干燥效率，證明變溫干燥可有效控制物料內(nèi)部水分?jǐn)U散速率，使內(nèi)部和外部水分?jǐn)U散保持相對均衡，這一研究成果已經(jīng)推廣應(yīng)用到包括黑木耳、藍(lán)莓、獼猴桃片的干燥加工中，有效改善了以往熱風(fēng)干燥產(chǎn)品表面出現(xiàn)硬殼的缺點，提高了成本品質(zhì)。干燥加工是果蔬加工的一種基本方法，但目前的干燥工藝水平加工耗時耗力。為了尋找蔬菜最佳干燥工藝參數(shù)，將熱干燥技術(shù)應(yīng)用于果蔬脫水的研究中，劉品[7]等通過控制胡蘿卜片干燥過程中不同階段的溫度和濕度使得胡蘿卜片的復(fù)水性和能源利用率明顯提高，由此看出在熱風(fēng)干燥過程中應(yīng)該根據(jù)不同物料特性、不同干燥階段適時調(diào)整干燥溫度以提升干燥效率。蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司和上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司[8]根據(jù)干燥過程中適時調(diào)整干燥溫度和濕度的原理聯(lián)合開發(fā)了中藥材熱風(fēng)循環(huán)箱式干燥機(jī)，在同樣設(shè)備材料具有同樣保溫性能的前提下熱能回收利用率高，在干燥不同階段適當(dāng)增加干燥箱內(nèi)濕度可使熱能分布均勻、產(chǎn)品干燥品質(zhì)增加，其設(shè)備還具有自動化程度高、體小質(zhì)輕、制造成本低、安裝快捷等優(yōu)點，促進(jìn)了設(shè)備推廣和我國中藥干制產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開創(chuàng)了自動化烘干中藥的先河。為了掌握水產(chǎn)品干燥規(guī)律賈敏[9]等對比其他物料干燥過程發(fā)現(xiàn)鮑魚干燥只經(jīng)歷了減速階段且起主導(dǎo)作用的過程為水分的擴(kuò)散，其對水產(chǎn)品干燥過程的研究讓人們知道水產(chǎn)品干燥規(guī)律，為水產(chǎn)品干燥工藝的優(yōu)化提供了幫助，根據(jù)這一理論基礎(chǔ)設(shè)計的隧道式烘干房能根據(jù)水產(chǎn)品干燥的不同階段適時調(diào)整干燥溫度及其他參數(shù)，在保證干燥品質(zhì)的前提下提高干燥效率，節(jié)約干燥時間，該設(shè)備的應(yīng)用推進(jìn)了水產(chǎn)品干燥自動化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。隨著熱風(fēng)干燥規(guī)律被找到，鄭蘭亭[10]將低場核磁共振技術(shù)引入熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，對不同熱風(fēng)干燥溫度烘烤后的重組鴨肉粒水分分布進(jìn)行分析，綜合感官品質(zhì)、色澤、TBARS、質(zhì)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)，說明重組鴨肉粒干燥時溫度應(yīng)控制在60℃左右為宜，試驗過程中采用了多指標(biāo)評價產(chǎn)品質(zhì)量的方法，為其他干燥產(chǎn)品品質(zhì)評價提供了參考。目前牦牛肉、馬肉等肉類干燥過程也建立了類似的多指標(biāo)干燥成品品質(zhì)評價體系。該技術(shù)的引入在一定程度推進(jìn)了熱風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)評價體系的建立。隨著熱風(fēng)干燥技術(shù)的發(fā)展熱風(fēng)干燥成品品質(zhì)得到極大地提升，但由于熱風(fēng)干燥技術(shù)自身特點的限制，熱風(fēng)干燥在部分農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用還存在諸多問題需要進(jìn)一步的研究。

3 影響熱風(fēng)干燥的因素

熱風(fēng)干燥作為目前使用較為廣泛的干燥方法，由于其干燥在常壓下與空氣直接接觸，故影響熱風(fēng)干燥的因素有熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、物料特性等，在多種影響因素中以熱風(fēng)溫度影響最為顯著。

熱風(fēng)溫度：在探究熱風(fēng)溫度對熱風(fēng)干燥的影響時梁迎暖等[11]通過試驗證明熱風(fēng)干燥溫度是影響懷菊干燥質(zhì)量的主要因素。在對梅魚熱風(fēng)干燥過程中對過氧化值、硫代巴比妥酸值、酸價測定，分析其試驗結(jié)果表明在熱風(fēng)干燥過程中高溫會加速脂肪氧化，較大的風(fēng)速在一定程度上會抑制脂肪氧化[12]。吳佰林[13]對鲅魚品質(zhì)的測定顯示熱風(fēng)溫度對鲅魚的7 個指標(biāo)均具有顯著影響且溫度越高，鲅魚干燥速率越快。陳建福等研究結(jié)果表明升高熱風(fēng)溫度有利于海鮮菇干燥效果的提升[14]，Erhan Horuz[15]等對石榴種子進(jìn)行了干燥研究，證明提高干燥溫度可以縮短干燥時間。結(jié)合上述研究可以看出熱風(fēng)溫度是影響熱風(fēng)干燥的最主要因素，且在一定范圍內(nèi)熱風(fēng)溫度越高物料干燥速率越快。

熱風(fēng)速度：熱風(fēng)速度也是影響熱風(fēng)干燥的重要因素，由于水產(chǎn)品干制加工的需求曾令彬[16]等研究了白鰱熱風(fēng)干燥過程結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)提高干燥室內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)速可有效提高干燥效率。其他大量試驗也證明在一定范圍內(nèi)熱風(fēng)速度與物料干燥速率成正相關(guān)。

物料特性：物料性質(zhì)和在干燥過程中排列堆放情況對熱風(fēng)干燥的影響也不容小覷，木合塔爾·米吉提[17]等證實紅棗在干燥過程中排列密度對干燥有影響，在對熱風(fēng)干燥技術(shù)深入的研究中Takashi Watanabe[18]等發(fā)現(xiàn)，菠菜的生理活性是影響菠菜熱風(fēng)干燥速率的因素之一，且生理活性越低干燥速率越高。胡眾歡[19]等發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奶岣吒稍锼俾士梢钥s短油菜籽薄層熱風(fēng)干燥時間，減少能源的消耗。Shuo Wei[20]等的研究結(jié)果表明玉米胚比胚乳含水量高、溫度低。胚周圍水分和熱流密度越大，胚的干燥速度越快。物料的生物學(xué)特性、形狀大小對熱風(fēng)干燥的影響是一個復(fù)雜的過程還需進(jìn)一步研究。

4 熱風(fēng)干燥技術(shù)優(yōu)缺點

隨著熱風(fēng)干燥技術(shù)的不斷發(fā)展其優(yōu)缺點也逐漸展現(xiàn)出來，李靜[21]在對多種紫斑牡丹花瓣進(jìn)行不同溫度（60℃、80℃、100℃）下的熱風(fēng)干燥試驗后得出總黃酮含量均有所下降的結(jié)論?？等璠22]等發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱風(fēng)干燥的馬茵菜色澤與新鮮馬茵菜較為接近，但在熱風(fēng)干燥加熱過程可能引發(fā)酶褐變、氧化型褐變、以及葉綠素降解。石增祥總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對水稻種子干燥特性的研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥技術(shù)通常干燥溫度較高，水分流失較快，容易使雜交水稻種子內(nèi)部的種胚蛋白變性，導(dǎo)致雜交水稻種子失活，不利于保障雜交水稻種子的品質(zhì)和發(fā)芽率。Senem Suna[23]將枸杞熱風(fēng)干燥處理并與其他干燥方式對比，發(fā)現(xiàn)干燥后的樣品酚含量和抗氧化能力普遍下降。以上研究顯示雖然熱風(fēng)干燥能夠保持物料原有色澤，但由于熱風(fēng)干燥溫度較高，在干燥過程中對溫度敏感的大分子活性物質(zhì)會遭破壞。

在研究熱風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)的過程中，辜雪冬[24]等以藏豬肉為原料，用微波干燥技術(shù)和熱風(fēng)干燥加工藏豬肉干，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波干燥肉干比熱風(fēng)干燥肉干色澤更漂亮，口感更好，且具有較好的耐貯藏性。李真[25]等將熏馬肉熱風(fēng)干燥技術(shù)和其他干燥技術(shù)進(jìn)行對比，熱風(fēng)干燥馬肉具有干燥成本低、操作簡單的優(yōu)點，但是由于在常壓下干燥馬肉表面出現(xiàn)硬殼、剪切力較大，口感欠佳影響了其商品價值。對水產(chǎn)品研究結(jié)果表明提高熱風(fēng)干燥溫度雖然能夠促使干燥進(jìn)程加快，但產(chǎn)品表面可能產(chǎn)生硬殼等干燥效應(yīng)，使得內(nèi)部水分難以擴(kuò)散出來，造成干燥不均勻[26]，干燥時間延長，耗能增加且食品品質(zhì)下降。

總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性高、操作簡單的優(yōu)勢，隨著預(yù)處理和聯(lián)合干燥技術(shù)的發(fā)展，由于熱風(fēng)干燥中熱風(fēng)溫度不易測控，影響干燥成品品質(zhì)，被干燥物料在常壓下與熱空氣直接接觸致使物料氧化嚴(yán)重、物料中活性物質(zhì)被破壞的情況逐步被克服。

5 熱風(fēng)干燥技術(shù)的發(fā)展

5.1 熱風(fēng)干燥與其他干燥技術(shù)聯(lián)合干燥

為了能夠充分利用熱風(fēng)干燥技術(shù)優(yōu)點，解決熱風(fēng)干燥過程出現(xiàn)的問題，Xu Zhou[26]等將真空干燥和熱風(fēng)干燥技術(shù)結(jié)合進(jìn)行干燥試驗，相較于單獨使用其中一項技術(shù)，果片水分分布更加均勻，產(chǎn)品的色澤、收縮率和復(fù)水性等質(zhì)量指標(biāo)得到提升。Suramya D[27]等設(shè)計開發(fā)的紅外與熱風(fēng)聯(lián)合旋轉(zhuǎn)干燥器，通過試驗得到了辣椒達(dá)到最佳干燥品質(zhì)時的工藝參數(shù)組合。2019年杜昕[28]等人利用超聲波輔助優(yōu)化雞腿菇熱風(fēng)干燥工藝，相較于傳統(tǒng)技術(shù)可縮短干燥時間并減少部分營養(yǎng)物質(zhì)損失，保證雞腿菇品質(zhì)。Somayeh Taghian Dinani[29]等將熱風(fēng)與電流體動力干燥系統(tǒng)結(jié)合，對雙孢蘑菇進(jìn)行干燥試驗，結(jié)果表明，增加電壓或減小電極間隙都可以提高蘑菇片的體積密度和剪切強(qiáng)度，降低孔隙率，增加吸水量，從而提高了蘑菇片的干燥效果。A.A.Gowen[30]等模擬了微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥熟大豆的脫水和復(fù)水過程，結(jié)果顯示微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的大豆復(fù)水時間比單獨熱風(fēng)或微波干燥的豆類短50%～60%。劉清[31]將熱風(fēng)－微波聯(lián)合與單獨使用熱風(fēng)或微波干燥效果做了對比，得出熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥后的油菜籽具有受熱均勻、干燥時間短、籽粒發(fā)芽較高、芥酸含量低等優(yōu)點。熱風(fēng)干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)相結(jié)合克服了熱風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)較差的缺點，極大地提高了干燥效率。

5.2 熱風(fēng)干燥技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合干燥

隨著農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工業(yè)技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥加工中，玉米和大豆由于其獨特的營養(yǎng)價值和能量特性，在食品行業(yè)和新能源工業(yè)中有著廣泛的用途，Suian José Granella[32]等在不同熱風(fēng)干燥溫度下添加臭氧，干燥后的玉米和大豆的活化能顯著下降，據(jù)此干燥-臭氧氧化工藝有望用于節(jié)能技術(shù)開發(fā)和設(shè)計新的干燥器。由于果蔬中的許多營養(yǎng)成分在干燥過程中很容易丟失和綠色發(fā)展理念的推行，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代果蔬加工要求，這促使預(yù)處理技術(shù)迅速發(fā)展。Longyang Yao[33]將芒果片經(jīng)不同濃度的檸檬酸、抗壞血酸、NaCl 預(yù)處理后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，試驗結(jié)果顯示預(yù)處理使樣品的還原糖、抗壞血酸和總酚含量顯著增加。Rani Poonam，等使用焦亞硫酸鉀和超聲波對菠蘿片預(yù)處理后干燥，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理樣品比未處理樣品干燥速度快，水分?jǐn)U散率高，色澤鮮艷，硬度低。Jalal Dehghannya[34]，等將超聲波和微波技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)干燥，對馬鈴薯進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)使用超聲波強(qiáng)化和微波脈沖比預(yù)處理的樣品收縮率低，高功率間歇微波干燥的樣品復(fù)水率增加最明顯。

6 展望

經(jīng)過長時間的發(fā)展目前熱風(fēng)干燥技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品干燥中，但在今后的發(fā)展過程中要注意不同物料具有不同特性、相同物料在不同狀態(tài)時物料特性也不盡相同，因此要根據(jù)具體情況設(shè)計不同的干燥工藝，要深入干燥過程模型、模擬領(lǐng)域的研究，利用組合式、分段干燥技術(shù)設(shè)備，建立完整的干燥前預(yù)檢驗，制定干燥流程，干燥過程中實時監(jiān)測調(diào)控干燥工藝參數(shù)，干燥后檢測確保干燥成品的品質(zhì)。提高整個干燥過程的自動化程度，降低勞動強(qiáng)度。因地制宜推廣適當(dāng)規(guī)模的加工企業(yè)，推進(jìn)產(chǎn)地加工發(fā)展，以減少加工前運輸、儲存所造成的能源消耗和農(nóng)產(chǎn)品損失。熱風(fēng)干燥技術(shù)要與時俱進(jìn)積極地與新能源、新材料、新理論相結(jié)合加快新設(shè)備的研制，利用新型能源物質(zhì)，探索發(fā)現(xiàn)傳熱介質(zhì)，研究干燥過程中物料間的相互作用，推動干燥技術(shù)與其他農(nóng)產(chǎn)品加工過程相結(jié)合提高熱效率推進(jìn)熱風(fēng)干燥技術(shù)綠色發(fā)展。