微波處理技術(shù)在食品干燥領(lǐng)域中的應用

劉盼盼 任廣躍,2 段 續(xù),2 靳力為 張迎敏 馬麗蘋

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471000；2. 糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001)

干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工的重要方式，也是食品工業(yè)中的操作單元，干燥后的農(nóng)產(chǎn)品不僅有利于貯藏，降低損失率，增大經(jīng)濟效益，還可以減少運輸成本。干燥主要是通過脫水降低食品的水分活性、抑制食品中酶的活性和微生物的生長來延長食品的貯藏時間的目的[1]。目前，常用的干燥方式有熱風干燥(HD)、熱泵干燥(HPD)、真空干燥(VD)和冷凍干燥(FD)等，但各干燥方式均存在不同程度的不足，如干燥時間過長、干燥效率低下、干燥產(chǎn)品質(zhì)量低劣等。

微波干燥(Microwave-drying，MD)作為一種高效率的干燥方式，近年來被廣泛應用于食品干燥過程中，微波可以產(chǎn)生高頻電磁場，具有較強的穿透性和只對極性分子加熱的高選擇性，使其可以穿透物料內(nèi)部，對整體進行加熱，避免了傳統(tǒng)干燥方式“內(nèi)生外焦”現(xiàn)象的發(fā)生。微波干燥被認為是一種節(jié)能的干燥方法，具有反應靈敏，無污染、無余熱、干燥效率高、便于控制的優(yōu)點，常被用于聯(lián)合或輔助其他干燥技術(shù)[2-3]。較傳統(tǒng)的干燥方式，微波聯(lián)合干燥技術(shù)能縮短干燥時間、降低干燥能耗、提高干制品質(zhì)量。文章擬主要介紹微波在食品干燥領(lǐng)域中的應用，從微波干燥、微波聯(lián)合干燥和微波輔助干燥3個方面綜述其優(yōu)越性，并重點介紹微波技術(shù)對物料干燥能耗、干燥時間、干燥品質(zhì)的影響，以期進一步推動微波技術(shù)在食品干燥領(lǐng)域的應用，為其工業(yè)化發(fā)展提供依據(jù)。

1 微波干燥(MD)技術(shù)

MD處理過程中，常用的微波頻率為300 MHz～3 000 GHz，微波波長為0.1 mm～1.0 m，其加熱原理是介質(zhì)材料自身損耗電磁場能量而發(fā)生的加熱。介質(zhì)材料與微波電磁場相互耦合實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化方式如離子傳導、偶極子轉(zhuǎn)動、界面極化、磁滯、壓電現(xiàn)象等，其中偶極子轉(zhuǎn)動是微波加熱的主要原理，偶極子受到電磁場力作用，迫使其順著電場方向整齊排列，引起偶極子轉(zhuǎn)動，致使分子間頻繁碰撞而產(chǎn)生大量摩擦熱，并以熱能的形式在物料內(nèi)表現(xiàn)出來，使物料在短時間內(nèi)溫度迅速升高。MD的原理是透過物料內(nèi)部的微波對整體進行加熱，物料中的水分介電常數(shù)大，吸收微波能轉(zhuǎn)化成熱能后優(yōu)先受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)掉物料內(nèi)部的大部分自由水和弱結(jié)合水，從而達到干燥的效果[4]。圖1是一種常見的微波干燥機的原理圖，其中微波系統(tǒng)是整個微波干燥機的核心，是保證干燥順利進行的重要組成部分。MD干制品在外觀形狀、微觀結(jié)構(gòu)、復水性能和各種營養(yǎng)成分的保持等方面均較其他傳統(tǒng)干燥方式有較大的優(yōu)越性。

1. 進料區(qū) 2. 進料斗 3. 微波抑制器 4. 排熱系統(tǒng) 5. 排濕系統(tǒng) 6. 微波系統(tǒng) 7. 微波箱體 8. 傳輸系統(tǒng) 9. 出料區(qū)和出料斗

由于食品物料內(nèi)部水分的耗散因子較大，吸收大量微波能，使得內(nèi)部溫度迅速升高，導致內(nèi)外溫度梯度和水分梯度較大，促進了內(nèi)部水分向外擴散快速蒸發(fā)，所以MD具有較高的干燥速率。微波能主要用于轉(zhuǎn)化為熱能，加熱水分，在其他方面的耗散較少，從而可以降低干燥能耗，提高MD的效率[5]。

近年來，隨著科學技術(shù)的進步，食品干燥方法趨于多樣化，可選擇的干燥方法也日益增多。在保證最終干制品水分含量相同的條件下，不同干燥方式對食品干燥效果(能耗、質(zhì)量、效率)的對比結(jié)果見表1。

由表1可知，與熱風、冷凍、真空干燥相比，MD處理具有較高的干燥速率，可以明顯地縮短干燥時間，對產(chǎn)品的營養(yǎng)成分保留程度更高，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，微觀結(jié)構(gòu)破壞程度低，復水性能較優(yōu)，感官評價較好。

表1 微波干燥與其他干燥方式對食品干燥效果的比較Table 1 Comparison of microwave drying with other drying methods in food drying

2 微波聯(lián)合干燥

傳統(tǒng)的熱風、熱泵、冷凍干燥存在干燥時間長、干燥效率低、干燥品質(zhì)差等缺點，與傳統(tǒng)的對流干燥和傳導干燥相比，MD具有干燥效率高、能耗低的優(yōu)點，但MD單獨使用，因為微波場強分布不均勻，大小形狀不一的干燥物料因受熱不均勻會發(fā)生碳化，容易使物料局部發(fā)生灼燒[13]，在不同的區(qū)域產(chǎn)生“熱點”。Peyre等[14]研究表明，微波功率水平、功率循環(huán)、物料不同的介電性能以及物料不規(guī)則的形狀和尺寸都是影響MD干燥不均勻的因素。Wang等[15]研究了磁控管布置和功率結(jié)合對胡蘿卜微波干燥溫度場均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)3個磁控管的溫度場均勻度明顯高于兩個磁控管，說明可以通過改變磁控管的布置來改善微波干燥的均勻性，但這種電磁場模式的改變依賴于微波反饋系統(tǒng)的設計，增加了MD的生產(chǎn)成本，不利于其工業(yè)化發(fā)展。因此，實際生產(chǎn)中常將MD與HAD、HPD、FD和VD相結(jié)合，既能克服MD不均勻的缺點，又能降低能耗，提高效率，保證品質(zhì)。

2.1 微波—熱風聯(lián)合干燥

傳統(tǒng)HAD操作簡單，投資成本低，但會導致熱敏性的生物活性成分降解，顏色損失和微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變嚴重，且所得干制品表面易皺縮、營養(yǎng)成分損失嚴重。作為一種節(jié)能的干燥方法，MD可以節(jié)省干燥時間、加快干燥速率、提高產(chǎn)品質(zhì)量。近些年常將MD與HAD聯(lián)合使用，即微波—熱風聯(lián)合干燥(MD-HAD)。MD-HAD不僅同時具有MD和HAD的優(yōu)點，能夠克服營養(yǎng)成分損失嚴重、干燥不均勻、干燥能耗大的缺點，還能夠穿透物料對整體進行加熱，縮短了干燥時間、提高了干燥效率，既能達到干燥的目的，保證外觀品質(zhì)和內(nèi)在品質(zhì)，又能降低干燥成本，此外還具有殺菌的效果[16]，且MD-HAD產(chǎn)品質(zhì)量高于單一的HAD產(chǎn)品。

Zehra等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)，豆角粉干燥過程中，MD-HAD能耗較單獨使用HAD能耗降低了50%；甘藍干燥過程中采用MD-HAD的干燥時間縮短了57.6%，干燥能耗降低了12%；MD-HAD對甘藍抗壞血酸的保留率比HAD的高13.50%，總多酚、總黃酮降解率比HAD的分別低19.28%，13.87%。這是由于微波輻射具有穿透性使得細胞發(fā)生破裂，有利于營養(yǎng)成分的提取，且微波—熱風聯(lián)合干燥制品的微觀結(jié)構(gòu)具有較少的塌陷，表現(xiàn)為均勻的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，且與聯(lián)合干燥速率高、干燥時間短有關(guān)。劉小丹等[19]采用微波+高溫熱風+低溫熱風聯(lián)合干燥紅棗，與HAD相比，聯(lián)合干燥速率更高，干燥時間更短(聯(lián)合干燥時間22.4 h、熱風干燥時間28 h)，能耗低[聯(lián)合干燥能耗為26.32 g/ ( kW·h)、熱風干燥能耗為30.80 g/(kW·h)]，且聯(lián)合干燥過程中抑制了非酶褐變，營養(yǎng)成分損失減少，與Xu等[20]的研究結(jié)果相似。表2為MD-HAD較傳統(tǒng)HAD對各物料干燥時間、干燥能耗和品質(zhì)的影響。

由表2可知，較傳統(tǒng)的HAD，MD-HAD的干燥時間可縮短40%～75%，干燥能耗可降低25%～65%，且對一些物料的特殊營養(yǎng)成分的保存率有所提高。有研究[29]表明，聯(lián)合微波干燥對干制品有明顯的殺菌作用。劉偉東等[30]研究表明，兩種干燥方法對枸杞的殺菌作用有明顯差異，聯(lián)合干燥的殺菌率為91.26%，而傳統(tǒng)HAD的殺菌率為82.25%。徐艷陽等[31]采用熱風溫度60 ℃、轉(zhuǎn)化點含水率20%、微波功率119 W聯(lián)合干燥玉米對霉菌有明顯抑制作用，且較傳統(tǒng)的HAD能耗降低了50.6%。

2.2 微波—熱泵聯(lián)合干燥

HPD因其操作簡單、干燥效率高、衛(wèi)生安全、無污染等優(yōu)點被廣泛應用于食品領(lǐng)域[32]。HPD過程中，物料表面的水分蒸發(fā)速度與內(nèi)部水分向外遷移的速度相近，所得制品品質(zhì)高、色澤好，但在HPD中后期，隨著干燥物料水分的減少，干燥速率變慢，干燥時間延長，干燥能耗增加，同時使得物料表面發(fā)生氧化、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)品品質(zhì)降低[33]。為了克服HPD中后期的缺點，常將HPD與MD聯(lián)合使用[34]。但不同食品對熱泵—微波聯(lián)合干燥(HPD-MD)參數(shù)如熱泵溫度、微波功率、微波作用時間、轉(zhuǎn)換點含水率的敏感性不同，這些參數(shù)會影響干制品的品質(zhì)如營養(yǎng)成分含量、色澤、復水率、微觀結(jié)構(gòu)以及干燥能耗。

由表3可知，關(guān)志強等[35]研究發(fā)現(xiàn)，當熱泵溫度為35 ℃、轉(zhuǎn)換點含水率為39%、微波功率為252 W時，干燥能耗最低，為10.55 kW·h，并且與HPD的干燥時間(15.0 h)和復水率(39.16%)相比，聯(lián)合干燥時間(4.9 h)縮短了66.7%，復水率(57.40%)提高了46.5%，且干燥品質(zhì)得到了大大提高。此外，荔枝在熱泵溫度為50 ℃、轉(zhuǎn)換點含水率為100%，微波時間為2.5 min 下進行干燥，其能耗節(jié)約30%以上，且干燥時間和干燥能耗受轉(zhuǎn)換點含水率的影響，并與其呈反比[36]。

表3 食品熱泵—微波聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化Table 3 Optimization of heat pump microwave combined drying process for food

Chong等[41]對比分析了蘋果塊干制品的質(zhì)地特性、外表顏色、抗氧化活性及總多酚含量，發(fā)現(xiàn)HPD-MD所得蘋果塊干制品的抗氧化活性及總多酚含量比單獨使用HPD的提高了60%～70%，其色澤、硬度等物理外觀均比其他方法干制的好，干燥能耗也大大降低。宋楊等[42]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨HPD相比，熱泵—微波真空聯(lián)合干燥的干燥時間可縮短50%以上，產(chǎn)品復水率有較大提高；單獨使用HPD制得的海參表面深黑，且伴有焦糊、干癟現(xiàn)象，品質(zhì)一般，而聯(lián)合干燥制得的海參表面呈黑色，無焦糊現(xiàn)象，形狀保持基本完好、無干癟，品質(zhì)良好。說明與微波的聯(lián)合使用可以提高物料的干燥速度、降低干燥成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前，HPD-MD在能耗、效率及品質(zhì)方面優(yōu)于傳統(tǒng)HPD。

2.3 微波—冷凍聯(lián)合干燥

FD是在多種干燥方式中維持食品色澤、結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)成分、風味物質(zhì)最好的一種干燥方式。其基本原理是在真空狀態(tài)下將提前預凍好的食品進行干燥，物料中的水分從固態(tài)升華為汽態(tài)，達到脫水干燥的目的[43]。FD可以較好地保存物料原有的微觀結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)大部分坍塌現(xiàn)象，避免了物料體積的大幅度收縮，有利于營養(yǎng)物質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)的保留。此外，由于FD物料微觀結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較多孔隙，所以冷凍干制品具有較好復水性能，且貯藏周期較長。但FD能耗大、干燥時間長，成本較高，限制了其在食品領(lǐng)域的應用，也阻礙了FD的工業(yè)化發(fā)展[44]。為了縮短生產(chǎn)周期、降低干燥能耗，并保證干制品質(zhì)量，常將微波真空干燥(MVD)與FD結(jié)合對物料進行脫水處理。

Pei等[45]將雙孢菇冷凍—微波真空聯(lián)合干燥(FD-MVD)與傳統(tǒng)FD的動力學和復水性能進行了比較，并對干燥過程中水分的變化和復水過程中水分含量進行了模型擬合。結(jié)果表明，在FD-MVD過程中的有效水分擴散系數(shù)(2.318×10-5～5.565×10-5m2/s)為FD過程(1.291×10-6～3.389×10-6m2/s)的10倍，說明FD-MVD具有更好的傳質(zhì)效率，因為微波可選擇性地針對冰晶體加熱使得干燥速率大大增加，明顯縮短干燥時間；同時，Peleg模型可以較好地擬合FD-MVD和FD干制品的復水過程，且復水能力相似。FD-MVD具有干燥效率高、干燥時間短、干燥能耗低、復水性能與FD產(chǎn)品相似等優(yōu)點，較FD更適合于工業(yè)化發(fā)展。Cui等[46]發(fā)現(xiàn)MVD-FD樣品的胡蘿卜素和維生素C的保留率與FD樣品相當，且顏色變化最小，雖然聯(lián)合干燥樣品收縮率大于FD，但聯(lián)合干燥樣品表面平坦無明顯翹曲；且FD樣品與聯(lián)合干燥樣品復水比幾乎相同，其微觀結(jié)構(gòu)也相似。這是因為MVD-FD干燥過程是直接通過升華進行的，使制品具有易于復水的多孔性結(jié)構(gòu)。Li等[47]探究了FD和MVD聯(lián)合干燥順序?qū)指稍锲焚|(zhì)的影響，無論MVD是先干燥還是后干燥，聯(lián)合干燥均比FD顯著縮短了干燥時間，并改善了品質(zhì)；FD-MVD對胡柚還原糖和類胡蘿卜素的保留率高于MVD-FD和MVD-FD-MVD，且FD-MVD樣品的總多酚和總黃酮含量顯著高于FD，所以FD-MVD具有較強的抗氧化能力；MVD-FD樣品顏色與FD樣品相當，吸濕性最弱。

由表4可知，與FD相比，MVD-FD可以縮短干燥時間14%～75%，降低干燥能耗30%～70%，顯著提高樣品還原糖、總多酚、總黃酮、維生素C等營養(yǎng)成分含量，提高樣品的復水性能、降低吸濕能力，且保持與FD樣品相似的微觀結(jié)構(gòu)，含有較多孔隙和空洞，有利于提高復水性能。此外，MVD-FD還具有殺菌功能，能顯著降低微生物含量。

表4 微波聯(lián)合對冷凍干燥的影響Table 4 Effect of microwave combination on freeze drying

3 微波輔助干燥

微波輔助干燥是將微波能應用于干燥過程的各個階段，為干燥物料提供脫水所需的能量。較傳統(tǒng)的干燥方法，微波輔助干燥能夠阻止干燥過程中熱量的散失，保證其充分干燥物料，不僅可以獲得較好的產(chǎn)品品質(zhì)，還可以大大降低干燥能耗和干燥時間。

Wang等[54]研究表明，較傳統(tǒng)的HAD，微波輔助干燥時間縮短了64.29%，干燥速率是HAD的22～35倍；微波輔助干燥香菇的多糖含量為新鮮樣品的84.97%，較傳統(tǒng)HAD具有較高的保留率，且在干燥過程中產(chǎn)生的硝酸香氣種類和數(shù)量均顯著高于HAD；但微波輔助干燥在復水性能方面表現(xiàn)出了負面效應，其復水率是HAD的57.23%，可能是微波輔助干燥導致水分的快速蒸發(fā)，有助于內(nèi)部黏度較高的成分滲出，并在物料表面形成了阻礙復水進行的厚層。這與干燥過程中微波功率和熱風溫度以及干燥物料的性質(zhì)有關(guān)[55]。而Horuz等[56]研究發(fā)現(xiàn)，微波輔助干燥的樣品其復水性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)HAD，可能是微波造成細胞損傷，增加了細胞內(nèi)空腔和細胞間隙，使水分得以更好地遷移，增加了復水能力。此外，由于微波的穿透性可以加速物料加熱，所以微波輔助干燥技術(shù)在提高干燥速率、降低干燥能耗方面有顯著性影響。微波輔助干燥酸櫻桃時，其干燥時間縮短了52.0%～66.6%，干燥能耗降低了55.08%～58.64%，微波功率越大越有利于干燥時間和干燥能耗的降低，且顯著提高了對總多酚和維生素C的保留率。Abano[57]發(fā)現(xiàn)微波輔助熱風干燥芒果較傳統(tǒng)HAD時間縮短了23%，干燥能耗降低了29.7%，營養(yǎng)成分保留率顯著高于傳統(tǒng)HAD。Justyna等[58]發(fā)現(xiàn)微波輔助干燥紅甜菜根可以使干燥時間縮短66%，干燥能耗降低20%，且具有更好的色澤和更高的甜菜堿保留率。Altan[59]研究表明，微波輔助熱風干燥不僅可以降低通心粉的干燥時間，且對其烹飪特性和質(zhì)構(gòu)特性有明顯改善作用。此外，對胡蘿卜[60]、孜然[61]、樹莓[62]、火龍果[63]等的研究表明，微波輔助干燥不僅可以明顯縮短干燥時間、降低干燥能耗，且對物料營養(yǎng)成分的保留有積極效應。

由表5可知，微波輔助干燥對不同干燥方式均有積極作用，所得干制品質(zhì)量均有所提高。微波具有輻射作用，可以穿透食品物料內(nèi)部，對物料整體進行加熱使物料內(nèi)外溫度同時升高，產(chǎn)生大量水蒸氣，內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差，使得內(nèi)部水分快速向外遷移，極大地提高了干燥速率，同時使物料形成了比原始組織結(jié)構(gòu)更大的孔隙，進而提高了干制品的復水性能[70]。

表5 微波輔助對傳統(tǒng)干燥方式的影響Table 5 Effect of microwave assisted drying on traditional drying methods

由圖2可知，微波輔助的干制品更具多孔性和蜂窩狀網(wǎng)絡，而常規(guī)真空干燥干制品的微觀結(jié)構(gòu)緊密堆積，無可見蜂窩狀網(wǎng)絡，說明微波輔助有助于樣品孔隙和孔洞的產(chǎn)生，更有利于物料的復水[71]。

4 結(jié)論與展望

無論是微波干燥處理技術(shù)還是微波聯(lián)合干燥、微波輔助干燥，在食品干燥過程中均表現(xiàn)出顯著的強化作用，微波技術(shù)的應用可以提高干燥過程中的有效水分擴散系數(shù)，促進傳熱傳質(zhì)的進行，明顯地縮短干燥時間、降低干燥能耗，此外，微波還可以降低干燥產(chǎn)品的營養(yǎng)成分損失，提高產(chǎn)品品質(zhì)，抑制產(chǎn)品收縮，降低其微觀結(jié)構(gòu)的塌陷，增加其孔隙和孔洞，提高其復水性能。微波干燥處理改善了單一干燥方式帶來的不足和缺陷，可實現(xiàn)高效率、低能耗、高品質(zhì)的干燥效果。微波處理在食品干燥領(lǐng)域的研究可從以下方面進行深入：

a. 真空干燥 b. 微波真空干燥 c. 微波噴動床干燥 d. 微波脈沖噴動真空干燥

(1) 食品物料性質(zhì)的研究和預處理的開發(fā)。由于微波的選擇性加熱，物料吸收微波的能力受物料介電性能的影響，為了避免物料干燥不均勻，在干燥過程中應考慮物料介電性能的改善，嘗試干燥前進行預處理，如電離輻射、超聲波、遠紅外輻射等。后續(xù)應深入分析聯(lián)合微波干燥過程中物料某種性質(zhì)隨含水量和溫度的變化，以及不同預處理方式對物料介電性能的影響，并探究物料性質(zhì)、品質(zhì)的改變機理，以開發(fā)最佳的干燥方法保持產(chǎn)品最理想的特性，如高孔隙率，并盡可能抑制不佳的干燥效果，如過度收縮。

(2) 微波與傳統(tǒng)干燥方法結(jié)合工藝的優(yōu)化。不同干燥方式的聯(lián)合、轉(zhuǎn)換點的選擇、聯(lián)合順序均會影響干燥成本和干燥產(chǎn)品質(zhì)量，需重點研究微波功率、干燥室壓力、微波模式、干燥溫度對干燥能耗、干燥效率、干燥產(chǎn)品質(zhì)量以及水分遷移機理的影響，尤其是微波模式下探究間歇微波處理、連續(xù)微波處理、恒溫微波處理和變溫微波處理對品質(zhì)的影響，干燥工藝的選擇應盡量降低干燥能耗，保持食品外觀和營養(yǎng)價值。

(3) 微波輔助干燥設備的開發(fā)。微波聯(lián)合干燥和輔助干燥技術(shù)雖然取得了較多研究成果，但仍局限于實驗室，并未進行工業(yè)化大批量生產(chǎn)，為了推進微波技術(shù)在食品干燥領(lǐng)域的應用，需開發(fā)方便、節(jié)能、高效的微波輔助干燥機器，此外，還需結(jié)合在線監(jiān)測水分系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，優(yōu)化干燥設備結(jié)構(gòu)來促進微波技術(shù)工業(yè)化的發(fā)展。

(4) 微波加熱不均勻性的改善。微波因其具有穿透性，加熱過程中會出現(xiàn)局部過熱造成加熱不均勻的問題。同時提高均勻性和效率是微波技術(shù)應用于干燥領(lǐng)域的難點，后續(xù)可結(jié)合變頻技術(shù)和選頻技術(shù)在保證高效率的前提下改變微波加熱的頻率來提高加熱的均勻性，開發(fā)雙端口或多端口加熱方式，建立微波多角度加熱溫度和時間的模型，預測物料局部溫度，進一步提高物料加熱的效率和均勻性，使微波處理技術(shù)更好地應用于食品干燥領(lǐng)域。