壓差閃蒸聯(lián)合干燥技術(shù)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究進(jìn)展

畢金峰， 胡麗娜， 呂 健， 金 鑫， 易建勇， 周 沫， 王鳳昭

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

壓差閃蒸聯(lián)合干燥是一種將常用食品干制方法(如熱風(fēng)、熱泵、真空凍干等)與壓差閃蒸技術(shù)串聯(lián)起來(lái)，用以生產(chǎn)疏松多孔的膨化型干制食品的干燥方法。其中壓差閃蒸技術(shù)是該聯(lián)合干燥方法的核心組成，其原理是將預(yù)干燥或預(yù)處理的原料進(jìn)行加熱(加壓)處理，保持一段時(shí)間后瞬間泄壓至真空狀態(tài)，使得物料內(nèi)部水分瞬間汽化蒸發(fā)。此時(shí)物料或瞬間膨脹達(dá)到玻璃態(tài)而得到成品, 或需繼續(xù)脫水干燥直至達(dá)到安全水分含量。

根據(jù)處理原料特性的不同，壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝有明顯區(qū)別，主要包括預(yù)處理、聯(lián)合干燥方式和條件的不同，壓差閃蒸技術(shù)在聯(lián)合干燥工藝流程中的序位及其各操作參數(shù)存在的差異。與傳統(tǒng)干制產(chǎn)品相比壓差閃蒸聯(lián)合干燥產(chǎn)品有諸多優(yōu)點(diǎn)，如與熱風(fēng)、熱泵干燥產(chǎn)品相比其體積膨脹，口感更酥脆，與真空低溫油炸干燥產(chǎn)品相比更低脂健康，與凍干產(chǎn)品相比則表現(xiàn)為更低的能耗等。目前該聯(lián)合干燥已成功應(yīng)用于果蔬、谷物、肉類等多種農(nóng)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)[1-5]，并已被國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)采用，市場(chǎng)前景良好。在壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝研究方面，前人已做了大量工作。其中法國(guó)Allaf教授團(tuán)隊(duì)以及筆者研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同產(chǎn)品的壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝做了一系列的研究，為該干燥方法的發(fā)展提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，也為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化與設(shè)備開(kāi)發(fā)奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)[4-5]。

受到原料特性、設(shè)備構(gòu)造與功能差異以及因產(chǎn)能放大而導(dǎo)致的條件改變等因素的影響，實(shí)驗(yàn)室條件下的干燥工藝研究策略在應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)往往還需要做進(jìn)一步的工藝條件調(diào)整，面臨工作量大、實(shí)驗(yàn)成本高等問(wèn)題。另一方面，壓差閃蒸設(shè)備制造成本較高，功能模塊更新難度大，設(shè)備的可控條件設(shè)置常滯后于復(fù)雜多變的工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響新產(chǎn)品工藝的實(shí)現(xiàn)，也限制了壓差閃蒸聯(lián)合干燥方法在更多農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用。

目前已有文獻(xiàn)闡述了壓差閃蒸干燥技術(shù)在食品工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[6]、聯(lián)合干燥產(chǎn)品品質(zhì)變化規(guī)律及其影響因素研究現(xiàn)狀[7-10]、壓差閃蒸干燥機(jī)理研究現(xiàn)狀[7,11]等，而對(duì)壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝及其優(yōu)化的綜述較少，對(duì)聯(lián)合干燥中除壓差閃蒸外的其他環(huán)節(jié)如預(yù)處理、預(yù)干燥方法及相應(yīng)的工藝特點(diǎn)尚未有明確的梳理。因此，本文重點(diǎn)闡述了典型壓差閃蒸干燥工藝特點(diǎn)的差異，綜述了壓差閃蒸聯(lián)合干燥各環(huán)節(jié)的工藝研究進(jìn)展及聯(lián)合干燥的優(yōu)化策略，結(jié)合工程學(xué)中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化法提出新的壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化思路和展望。

1 壓差閃蒸聯(lián)合干燥技術(shù)研究進(jìn)展

壓差閃蒸聯(lián)合干燥可追溯至20世紀(jì)50年代，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)主要有美國(guó)農(nóng)業(yè)部東部研究中心(USDA- ARS)Sullivan教授團(tuán)隊(duì)和法國(guó)拉羅謝爾大學(xué)Tamara Allaf教授團(tuán)隊(duì)[12]。前者在1977—1989年間開(kāi)展了一系列爆炸膨化干燥(explosion puffing drying，EPD)裝備的研究，并探討了多種原料膨化產(chǎn)品的制備工藝；后者發(fā)明了第三代壓差閃蒸技術(shù)——可控瞬時(shí)壓差技術(shù)(法語(yǔ)為Détente instantannée contrlée， DIC)。在我國(guó)，類似的傳統(tǒng)壓差閃蒸聯(lián)合干燥可追溯至宋代，據(jù)范成大在《吳郡志·風(fēng)俗》中記載“爆糯榖於釜中，名曰孛婁，亦曰米花”，成為最早的類似壓差閃蒸加工產(chǎn)品[6]。我國(guó)的現(xiàn)代壓差閃蒸聯(lián)合干燥發(fā)展始于20世紀(jì)末，在不同研究階段該干燥方法還被稱為“爆炸膨化干燥”“氣流膨化干燥”“低溫高壓膨化干燥” “壓差膨化干燥”和“變溫壓差膨化干燥”等[10]。

1.1 壓差閃蒸干燥技術(shù)的典型流程

壓差閃蒸環(huán)節(jié)是利用壓差閃蒸聯(lián)合干燥方法生產(chǎn)具有疏松多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的核心技術(shù)，樣品在此過(guò)程中經(jīng)歷的條件變化因設(shè)備條件差異而明顯不同。以筆者研究團(tuán)隊(duì)和法國(guó)Allaf教授團(tuán)隊(duì)的研究為例，分別代表了兩種不同的典型壓差閃蒸技術(shù)流程。前者壓差閃蒸設(shè)備特點(diǎn)見(jiàn)圖1[12]，利用此種設(shè)備的壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝過(guò)程中樣品通常需先經(jīng)過(guò)預(yù)干燥。壓差閃蒸處理中樣品經(jīng)加熱升壓—瞬間降壓—抽空干燥—壓力回復(fù)等4個(gè)階段的壓力和溫度變化，根據(jù)樣品不同歷時(shí)1～3 h。其中加熱環(huán)節(jié)是利用物料倉(cāng)內(nèi)部通有熱蒸汽的金屬管道對(duì)置于管道上托盤(pán)內(nèi)的物料進(jìn)行加熱。樣品經(jīng)瞬間降壓前承受壓力隨樣品水分蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽壓力的增加而增大，瞬間降壓后物料倉(cāng)內(nèi)壓力從大于0.1 MPa快速降至0.003～0.005 MPa，從而使樣品體積膨脹，產(chǎn)生疏松多孔的結(jié)構(gòu)。隨后進(jìn)入抽空干燥階段，此時(shí)熱蒸汽和冷卻水交互通入倉(cāng)內(nèi)管道而使物料倉(cāng)維持在一定溫度，倉(cāng)內(nèi)物料殘余水分被繼續(xù)抽空脫除。抽空干燥一段時(shí)間后，物料倉(cāng)內(nèi)管道通入冷卻水使樣品環(huán)境溫度快速降低，物料多孔結(jié)構(gòu)在此階段也得以冷卻定型，隨后打開(kāi)放氣閥門(mén)使物料倉(cāng)內(nèi)壓力回復(fù)至常壓，即可得到最終產(chǎn)品。后者(法國(guó)Allaf教授)壓差閃蒸設(shè)備特點(diǎn)見(jiàn)圖2[13]，預(yù)干燥的樣品主要經(jīng)過(guò)瞬間壓降—蒸汽加熱加壓—瞬間壓降—壓力回復(fù)等4個(gè)階段，歷時(shí)數(shù)十秒。樣品首先在物料倉(cāng)內(nèi)經(jīng)歷了相對(duì)短暫的蒸汽加熱加壓過(guò)程，處理倉(cāng)內(nèi)壓力可達(dá)0.6 MPa，樣品直接與熱蒸汽接觸，溫度可達(dá)到150 ℃。隨后瞬間壓降使物料倉(cāng)內(nèi)壓力快速降至約0.004 MPa，物料迅速膨脹，經(jīng)壓力回復(fù)后得到干燥或半干樣品，半干樣品還需繼續(xù)干燥至安全水分含量從而得到疏松多孔的產(chǎn)品。總之，這兩種壓差閃蒸技術(shù)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)基本一致，即利用瞬間壓降幫助產(chǎn)品形成多孔結(jié)構(gòu)，主要差別在于加熱方式和壓差范圍上。

1.2 壓差閃蒸聯(lián)合干燥技術(shù)的工藝研究

由于壓差閃蒸瞬間樣品的脫水量有限，研究人員常將壓差閃蒸技術(shù)與熱風(fēng)、熱泵、中短波紅外、真空冷凍等干燥方式聯(lián)合使用以生產(chǎn)干制產(chǎn)品，由此產(chǎn)生的干燥技術(shù)即被稱為壓差閃蒸聯(lián)合干燥。由于不同設(shè)備條件下樣品經(jīng)歷的溫度和壓力變化的差異對(duì)相同產(chǎn)品的干燥效果有明顯影響，因而相應(yīng)的聯(lián)合干燥工藝流程研究也十分不同。以蘋(píng)果和胡蘿卜為例，在不同設(shè)備條件下所經(jīng)歷的兩種典型壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝見(jiàn)圖3[9,12,14-15]，國(guó)內(nèi)設(shè)備條件下(筆者團(tuán)隊(duì))的樣品在進(jìn)行壓差閃蒸處理前需要進(jìn)行預(yù)干燥，均濕，樣品經(jīng)過(guò)閃蒸后有抽空干燥階段。而使用國(guó)外壓差閃蒸設(shè)備(法國(guó)Allaf教授團(tuán)隊(duì))時(shí)，經(jīng)過(guò)預(yù)干燥后的樣品通常在經(jīng)過(guò)壓差閃蒸處理后還需要進(jìn)一步干燥[14-15]。在壓差閃蒸環(huán)節(jié)的技術(shù)條件研究方面，二者都主要通過(guò)改變不同操作參數(shù)實(shí)驗(yàn)出其對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，但可調(diào)控操作參數(shù)有所不同：國(guó)內(nèi)設(shè)備可調(diào)控的操作參數(shù)有預(yù)熱溫度和時(shí)間、抽空干燥溫度和時(shí)間、瞬間膨化時(shí)的壓力差等[9,12]；國(guó)外設(shè)備則包括物料罐真空度、物料罐內(nèi)壓力和熱處理時(shí)間及瞬間膨化時(shí)的壓力差等[14-15]。在產(chǎn)品生產(chǎn)方面，壓差閃蒸設(shè)備條件的不同導(dǎo)致產(chǎn)品適用范圍的差異。國(guó)外高壓力差的壓差閃蒸設(shè)備條件下多種原料如蘋(píng)果、馬鈴薯、胡蘿卜、洋蔥、鷹嘴豆等都可以得到很好的膨脹[14-16]，而國(guó)內(nèi)的壓差閃蒸干燥設(shè)備由于加熱和壓差變化條件較為溫和，可使蘋(píng)果、洋蔥等組織強(qiáng)度不高的原料發(fā)生很好地膨脹，但對(duì)胡蘿卜、馬鈴薯、紅薯等細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密、硬度相對(duì)較高的原料在進(jìn)行壓差閃蒸處理前需要有預(yù)處理環(huán)節(jié)如滲透、冷凍、蒸煮才能使產(chǎn)品產(chǎn)生足夠的膨脹[17-21]。

針對(duì)不同設(shè)備條件和原料組織特性，除對(duì)壓差閃蒸操作參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)，前人對(duì)聯(lián)合干燥過(guò)程中的樣品預(yù)處理環(huán)節(jié)也做了較多研究，通過(guò)熱燙[22-25]、蒸煮[17]、滲透[22-26]和凍融[23-24]等預(yù)處理方式改善原料的原有組織結(jié)構(gòu)，探索適宜的工藝條件以得到高品質(zhì)的產(chǎn)品。如適當(dāng)程度的熱燙預(yù)處理有利于哈密瓜產(chǎn)品膨化度和色澤品質(zhì)的提高[22]；經(jīng)煮制和凍融處理的膨化紅薯丁色澤鮮亮，酥脆可口[17]。均濕也可看作樣品預(yù)處理的一部分，現(xiàn)已證明均濕條件差異會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)變化和最終干制品質(zhì)地的顯著不同。Li等[27]對(duì)蘋(píng)果丁壓差閃蒸聯(lián)合干燥中的不同溫度和濕度條件進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示4 ℃，相對(duì)濕度40%～45%為最佳均濕條件。

就預(yù)干燥或后聯(lián)合干燥方式而言，目前壓差閃蒸聯(lián)合干燥研究中使用到的有熱風(fēng)干燥[9]、熱泵干燥[28]、真空冷凍干燥[29]、微波干燥[30]、中短波紅外干燥[31]等。由于不同的干燥方式熱質(zhì)傳遞機(jī)理不同，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品干燥過(guò)程中形成不同的微結(jié)構(gòu)，并最終影響壓差閃蒸聯(lián)合干燥產(chǎn)品的質(zhì)地。有研究對(duì)比了熱風(fēng)和真空冷凍為預(yù)干燥方法的蘋(píng)果丁壓差閃蒸聯(lián)合干燥產(chǎn)品品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)真空冷凍結(jié)合壓差閃蒸蘋(píng)果丁的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)較差[32]。Hu等[33]對(duì)比了以熱風(fēng)、熱泵、真空和中短波紅外為預(yù)干燥方法得到的壓差閃蒸聯(lián)合干燥香菇的復(fù)水特性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)真空預(yù)干燥得到的聯(lián)合干燥產(chǎn)品復(fù)水性較差，而經(jīng)其他預(yù)干燥得到的產(chǎn)品復(fù)水特性表現(xiàn)相近。

圖3 國(guó)內(nèi)外典型壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝流程對(duì)比Fig.3 Comparison of domestic and foreign typical instant controlled pressure drop combined drying process

此外，絕大部分樣品都是將原料進(jìn)行預(yù)干燥后再進(jìn)行壓差閃蒸處理，壓差閃蒸處理在前、干燥在后的聯(lián)合方式較少研究，目前僅在香菇[33]、蝦[34]等產(chǎn)品中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，前者研究得出經(jīng)過(guò)壓差閃蒸處理的香菇再進(jìn)行熱風(fēng)干燥后得到的產(chǎn)品比單一熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品表現(xiàn)更好的干燥效率和復(fù)水品質(zhì)；后者發(fā)現(xiàn)預(yù)先進(jìn)行壓差閃蒸處理后進(jìn)行微波干燥的產(chǎn)品比單獨(dú)微波干燥在質(zhì)構(gòu)、感官、復(fù)水特性等方面表現(xiàn)更好[33]?？傊?，壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝中壓差閃蒸環(huán)節(jié)外的其他預(yù)處理、預(yù)干燥等環(huán)節(jié)的工藝條件以及壓差閃蒸在聯(lián)合干燥中的序位對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響還需要進(jìn)一步探索。

1.3 壓差閃蒸聯(lián)合干燥技術(shù)的工藝優(yōu)化

由壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝描述可知，壓差閃蒸處理中操作參數(shù)較多，針對(duì)不同設(shè)備和樣品的關(guān)鍵工藝條件和操作參數(shù)也不盡相同。為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)壓差閃蒸干燥產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)，前人對(duì)壓差閃蒸環(huán)節(jié)的工藝優(yōu)化做了大量工作，其優(yōu)化策略一般是先采用單因素實(shí)驗(yàn)得出對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)影響顯著的因素，分析壓差閃蒸工藝參數(shù)與產(chǎn)品品質(zhì)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[4, 35-37]，建立了不同操作參數(shù)與相應(yīng)產(chǎn)品品質(zhì)的數(shù)學(xué)模型[14-15,36,38]。隨后利用中心組合設(shè)計(jì)(central composite，包括通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，二次正交組合設(shè)計(jì))[35-41]或者Box-Behnken設(shè)計(jì)[42-44]考察各因素之間的交互作用，并采用響應(yīng)面分析方法將目標(biāo)樣品的品質(zhì)指標(biāo)作為各個(gè)工藝條件因素的函數(shù)用圖形顯示出來(lái)，使人們通過(guò)圖形觀察選出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件，或通過(guò)所得到函數(shù)模型計(jì)算調(diào)整干燥過(guò)程的工藝參數(shù)。例如郭玲玲等[43]將香菇進(jìn)行一定時(shí)間的中短波紅外干燥，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)(預(yù)干燥含水量，閃蒸溫度、抽空溫度和抽空時(shí)間)得出預(yù)干燥含水率、抽空溫度、抽空時(shí)間對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響顯著，通過(guò)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)研究了各因素之間的相互作用，所得出的產(chǎn)品指標(biāo)回歸模型的決定系數(shù)較高，依據(jù)回歸分析法建立的統(tǒng)計(jì)模型成功用于膨化過(guò)程的控制和膨化結(jié)果的預(yù)測(cè)，最終得出最合適的干燥工藝參數(shù)為：預(yù)干燥含水35.42%，抽空溫度56.88 ℃，抽空時(shí)間0.88 h。類似的，Namir等[38]采用中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)研究了壓差閃蒸操作參數(shù)(飽和蒸汽壓力，熱處理時(shí)間)對(duì)梨皮零食產(chǎn)品品質(zhì)的影響，利用響應(yīng)面法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出了膨脹比、最大剪切力、蛋白質(zhì)含量、酚類物質(zhì)、抗氧化力等對(duì)蒸汽壓力和加熱時(shí)間的回歸模型，并由此計(jì)算得出優(yōu)化工藝參數(shù)為飽和蒸汽壓力0.6 MPa，處理時(shí)間15 s。除此之外，在對(duì)蘋(píng)果[14]、桃[45-46]、鷹嘴豆[16]等壓差閃蒸聯(lián)合干燥產(chǎn)品的適宜工藝條件研究中也都采用了類似的優(yōu)化策略。

然而，工藝優(yōu)化過(guò)程大都僅包括了閃蒸溫度、壓力差、抽空溫度和抽空時(shí)間等壓差閃蒸環(huán)節(jié)的關(guān)鍵操作參數(shù)，對(duì)冷凍、滲透、超聲、燙漂等樣品預(yù)處理手段和條件的篩選，以及壓差閃蒸處理前預(yù)干燥或后干燥條件的優(yōu)化較少涉及。但如果要實(shí)現(xiàn)從預(yù)處理到后干燥整個(gè)過(guò)程的全面工藝優(yōu)化，使用如響應(yīng)面等優(yōu)化策略進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，將會(huì)面臨更多的實(shí)驗(yàn)次數(shù)和工作量，各項(xiàng)成本巨大。此外，在遇到樣品或設(shè)備條件發(fā)生改變時(shí)，由于目前主流的優(yōu)化策略不具備進(jìn)行過(guò)程控制的能力，可能會(huì)由此而造成產(chǎn)品品質(zhì)的不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，如何得到實(shí)驗(yàn)量少、穩(wěn)定可靠的工藝優(yōu)化策略亟待進(jìn)一步研究。

2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，Bryson[47]提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)化的概念。這種動(dòng)態(tài)優(yōu)化是一種基于系統(tǒng)模型的方法，旨在探明產(chǎn)品的品質(zhì)相關(guān)變量在加工過(guò)程中的變化軌跡。該策略中實(shí)驗(yàn)參數(shù)可隨著時(shí)間變化而變化，而不用設(shè)置在一個(gè)恒定的數(shù)值，因而適用于間歇式干燥的工藝優(yōu)化和產(chǎn)品品質(zhì)控制。此外，這些品質(zhì)相關(guān)變量的變化軌跡的確定還可幫助實(shí)現(xiàn)干燥品質(zhì)的智能控制。目前，前人在動(dòng)態(tài)優(yōu)化對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和能耗控制研究方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

2.1 動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略對(duì)干制產(chǎn)品品質(zhì)的影響

動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略中人們通過(guò)確定關(guān)鍵干燥溫度和濕度，在提高干燥效率的同時(shí)兼顧了產(chǎn)品品質(zhì)，如色澤的改善和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保留等。Mishkin等[48-50]研究了干燥溫度對(duì)維生素C降解和土豆片褐變的影響，采用分段線性逼近的方法對(duì)控制矢量參數(shù)化，得到進(jìn)氣溫度的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出該溫度軌跡與產(chǎn)品含水量的關(guān)系，揭示了維生素C降解和土豆的褐變與溫度的關(guān)系，由此可幫助實(shí)現(xiàn)干燥工藝的動(dòng)態(tài)調(diào)控，避免產(chǎn)品的過(guò)度褐變。在Olmos等[51]對(duì)水稻干燥的進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究中，使用的模型能夠區(qū)分大米顆粒表層和中心的水分含量和質(zhì)量，該模型還包含一個(gè)恒定干燥期和限速干燥期，以控制空氣溫度和相對(duì)濕度軌跡變化的矢量參數(shù)作為控制變量對(duì)模型進(jìn)行求解，其優(yōu)化結(jié)果表明可在恒定速率期間保持較高的空氣溫度(75～80 ℃)，此時(shí)產(chǎn)品溫度由于有高通量的水分傳遞而相對(duì)較低，干燥器內(nèi)的相對(duì)濕度可增加到60%～80%，進(jìn)入干燥后期時(shí)，則需將空氣溫度和相對(duì)濕度分別降低到50 ℃和10%，從而保持足夠的干燥速度的同時(shí)避免產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)元素的降解。Jin等[52-53]在西蘭花干燥中使用了類似的干燥優(yōu)化策略，從包含降解和干燥速率的濕溫狀態(tài)圖的最佳干燥軌跡中得到了優(yōu)化干燥策略，當(dāng)干燥過(guò)程繞過(guò)降解速率高的區(qū)域時(shí)，計(jì)算得出的西蘭花維生素C保留率可比最佳恒定干燥條件下提高37%。Hadiyanto等[54]為實(shí)現(xiàn)面包烘烤中與干燥相關(guān)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，研究了同時(shí)應(yīng)用對(duì)流、輻射和微波加熱的最佳策略，以提供特定質(zhì)量的面包，并根據(jù)不同的質(zhì)量的需求提出了不同的加熱策略。

2.2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略對(duì)干燥效率與能耗的影響

動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略中通過(guò)產(chǎn)品的熱質(zhì)傳遞模型構(gòu)建，預(yù)測(cè)干燥不同階段所需要的溫濕度，提高干燥效率并降低能耗。Jin等[53]采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化干燥策略對(duì)西蘭花干燥過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)計(jì)算得出動(dòng)態(tài)優(yōu)化條件下的干燥能源效率可比最佳恒定干燥條件下提高23%。Golmohammadi等[55]優(yōu)化了間歇式水稻干燥機(jī)的干燥程序和回火周期，通過(guò)控制矢量參數(shù)得到以進(jìn)氣溫度為控制變量的進(jìn)氣軌跡，優(yōu)化了回火和干燥時(shí)間以及干燥過(guò)程中空氣溫度的設(shè)置，并采用擴(kuò)散模型來(lái)描述干燥和回火過(guò)程中的水分輸送，其優(yōu)化目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)將物料從給定的初始含水量干燥到目標(biāo)含水量。結(jié)果表明：第一階段干燥持續(xù)時(shí)間隨水分含量的減少而減少，干燥時(shí)間最長(zhǎng)；干燥溫度在第一階段最低，隨后逐漸升高。由此可知在初始階段干燥較容易，較低的溫度即可滿足水分脫除，在此階段通過(guò)回火來(lái)均勻物料的含水率并沒(méi)有什么益處。到了干燥后期，提高空氣溫度可加速干燥，縮短干燥時(shí)間，隨著水分含量的降低，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)降低水稻內(nèi)的水分梯度，因此需要增加回火的持續(xù)時(shí)間。

3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略在壓差閃蒸干燥工藝中的應(yīng)用前景

壓差閃蒸干燥工藝流程具有間歇式干燥的屬性，產(chǎn)品在壓差閃蒸物料倉(cāng)的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品周圍以及產(chǎn)品本身的溫度、壓力、水分含量處于不斷變化之中。干燥系統(tǒng)中這些產(chǎn)品相關(guān)的條件變化是操作變量的函數(shù)，因此可以通過(guò)產(chǎn)品自身變量隨時(shí)間變化的軌跡來(lái)控制操作條件。而依據(jù)該軌跡優(yōu)化的設(shè)計(jì)既可以利用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，也可通過(guò)一種更智能方法即基于數(shù)學(xué)模擬的動(dòng)態(tài)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，雖尚未有關(guān)于壓差閃蒸聯(lián)合干燥動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略的研究報(bào)道，但與動(dòng)態(tài)優(yōu)化密切相關(guān)的水分傳遞及模型構(gòu)建研究已經(jīng)開(kāi)展，如畢金峰等[56]、王雪媛等[57]對(duì)不同預(yù)干燥溫度蘋(píng)果片脈動(dòng)壓差閃蒸干燥過(guò)程中的水分?jǐn)U散變化的研究，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)(low-field nuclear magnetic resonance, LF- NMR)的T2反演譜圖，揭示了閃蒸瞬間蘋(píng)果片內(nèi)水分?jǐn)U散特性和水分狀態(tài)的變化。此外，Gao等[58-59]對(duì)蘋(píng)果脆片在壓差閃蒸干燥過(guò)程中褐變品質(zhì)變化的研究，以及李瀟[32]對(duì)水分?jǐn)U散與蘋(píng)果丁品質(zhì)(膨脹度、硬度、脆度)關(guān)系的研究等都可為壓差閃蒸干燥工藝的動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和可行性參考。

然而，目前研究大多是實(shí)驗(yàn)型的，要實(shí)現(xiàn)壓差閃蒸干燥工藝的動(dòng)態(tài)優(yōu)化需從熱質(zhì)傳遞機(jī)理的角度定量地分析水分?jǐn)U散過(guò)程，分析具有物理意義的產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)參數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上建立符合壓差閃蒸干燥機(jī)理的數(shù)學(xué)模型。目前壓差閃蒸過(guò)程中熱質(zhì)傳遞過(guò)程和理論模型構(gòu)建研究尚處于起步階段，參考前人建模經(jīng)驗(yàn)，具體的模型構(gòu)建過(guò)程需注意以下幾點(diǎn)：

1)針對(duì)不同原料形態(tài)各異問(wèn)題，需分析不同形狀的幾何體，并對(duì)不同原料建立有意義的有限體積單元，分析其熱質(zhì)傳遞過(guò)程機(jī)理；同時(shí)還應(yīng)考慮物料堆積時(shí)的樣品熱質(zhì)傳遞變化規(guī)律。

2)壓差閃蒸過(guò)程中樣品的物理場(chǎng)環(huán)境如溫度、濕度、壓力等處于不斷變化中，模型設(shè)定的工藝條件需要以物理場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考。

3)關(guān)于干燥模型和目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)求解是動(dòng)態(tài)干燥策略研究的難點(diǎn)，可參考前人[60-61]開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法方法，即隨機(jī)搜索法。該方法與傳統(tǒng)的梯度搜索方法相比減少了在局部極小值計(jì)算終止的風(fēng)險(xiǎn)。

4)充分分析利用已有的壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝參數(shù)優(yōu)化、品質(zhì)過(guò)程變化等研究成果，為動(dòng)態(tài)干燥優(yōu)化策略的關(guān)鍵參數(shù)確定或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證提供參考。如Gao等[58-59]人對(duì)于蘋(píng)果片過(guò)程品質(zhì)變化的研究即可為動(dòng)態(tài)優(yōu)化工藝提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。

4 結(jié)論與展望

壓差閃蒸聯(lián)合干燥已經(jīng)成為重要的食品干制手段并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但其工藝研究及其優(yōu)化策略仍處于經(jīng)驗(yàn)積累型的實(shí)驗(yàn)研究階段，受設(shè)備和原料特性差異影響較大。在各種膨化新原料不斷涌現(xiàn)和消費(fèi)市場(chǎng)的快速變化中，從事壓差閃蒸聯(lián)合干燥研究的國(guó)內(nèi)外學(xué)者和食品工程師們不斷受到新工藝、新技術(shù)開(kāi)發(fā)快速響應(yīng)和設(shè)備升級(jí)的挑戰(zhàn)，主流的響應(yīng)面優(yōu)化策略難以滿足食品工業(yè)生產(chǎn)日趨數(shù)字化、個(gè)性化和智能化發(fā)展的技術(shù)要求。如何實(shí)現(xiàn)從原料端到產(chǎn)品端干燥過(guò)程的分析建模與過(guò)程控制，進(jìn)而發(fā)展出整套的智能控制技術(shù)將是食品干燥領(lǐng)域研究人員努力攻克的重點(diǎn)和難點(diǎn)[62-63]。筆者認(rèn)為，基于關(guān)鍵條件(如溫度、壓力、水分含量、品質(zhì)等)軌跡變化與模型構(gòu)建和求解的動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略可作為壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝數(shù)字化和智能化發(fā)展的重要手段和發(fā)展方向，將其與前沿的干燥過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)如低場(chǎng)核磁技術(shù)相結(jié)合，可形成系統(tǒng)的分析控制模式，從而實(shí)現(xiàn)壓差閃蒸聯(lián)合干燥工藝的智能控制，以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)工藝調(diào)控的快速響應(yīng)要求。結(jié)合干燥過(guò)程中不同原料產(chǎn)品特定品質(zhì)變化軌跡的動(dòng)態(tài)干燥工藝優(yōu)化還可為壓差閃蒸產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)提供參考。然而，動(dòng)態(tài)優(yōu)化本質(zhì)上是一個(gè)通過(guò)使用干燥模型和目標(biāo)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的相當(dāng)專業(yè)的數(shù)學(xué)方法，這對(duì)于食品領(lǐng)域的科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在目前壓差閃蒸聯(lián)合干燥的物理和數(shù)學(xué)模型尚未明確的情況下，如何將動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略應(yīng)用于壓差閃蒸聯(lián)合干燥創(chuàng)新上，還需要更多食品科技工作者的共同努力。

利用現(xiàn)有的工藝條件與產(chǎn)品品質(zhì)關(guān)系的研究成果，結(jié)合動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略，建立干燥關(guān)鍵操作條件與物料組分、結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品品質(zhì)變化軌跡之間的關(guān)系，進(jìn)一步完善壓差閃蒸干燥理論，探索出更為精準(zhǔn)、高效、個(gè)性化的工藝優(yōu)化策略，將為壓差閃蒸聯(lián)合干燥的可持續(xù)發(fā)展以及相關(guān)設(shè)備的升級(jí)換代起到重要的推動(dòng)作用。