淺析芒果干生產(chǎn)中干燥技術(shù)及裝備

黃燕婷，羅朝丹，黎新榮，李 偉，程三紅

（廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001）

芒果是熱帶地區(qū)一種營養(yǎng)價(jià)值極高的水果，其果肉細(xì)膩，營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特，被譽(yù)為“熱帶水果之王”。芒果干具有新鮮芒果獨(dú)特的口感、風(fēng)味，產(chǎn)品深受消費(fèi)者的歡迎。干燥是芒果干生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，會(huì)直接影響到成品的色澤、口感、滋味及保質(zhì)期。影響芒果干干燥效果的主要因素是干燥方法和裝備。生產(chǎn)上要根據(jù)濕物料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特點(diǎn)及對產(chǎn)品的質(zhì)量要求，并結(jié)合實(shí)際需要選擇適當(dāng)?shù)母稍锓椒ê脱b備，才能得到理想的產(chǎn)品。

在芒果干加工生產(chǎn)中，干燥方式分為自然干燥和人工干燥兩種。目前芒果干加工中人工干燥方式主要有熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥、微波熱風(fēng)干燥等。黃闖忠等分別采用熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥制備芒果干，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥的能耗和時(shí)耗低于真空冷凍干燥，但是經(jīng)過真空冷凍干燥處理的芒果干色香味更佳，維生素C 和蛋白質(zhì)的保存率也更高。羅彩連等采用熱泵干燥技術(shù)對芒果高溫?zé)岜瞄g歇干燥特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相比連續(xù)干燥，間歇干燥的干燥速度更高。Salazar等采用冷凍干燥技術(shù)對芒果果肉進(jìn)行干燥處理，發(fā)現(xiàn)在較高的冷凍速率下，干燥總時(shí)間能縮短30%。潘瑩瑛分別采用熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥、微波熱風(fēng)干燥對芒果果肉進(jìn)行干燥處理，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥能耗最低，但維生素C 保存率及復(fù)水性較差，遠(yuǎn)紅外真空干燥和微波熱風(fēng)干燥在維生素C 保存率及復(fù)水性方面均優(yōu)于熱風(fēng)干燥，但能耗較高?；诟稍锬芎?、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本等因素考慮，真空冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥及微波熱風(fēng)干燥用于芒果干的工業(yè)生產(chǎn)較少，較多用于芒果干干燥的理論研究，在芒果干的工業(yè)生產(chǎn)中常用的人工干燥方式主要是熱風(fēng)干燥和熱泵干燥。

1 干燥的原理

干燥是指在自然或人工控制的條件下，利用熱能使?jié)裎锪媳砻嫦壬郎兀蛛S即汽化為水蒸氣，由于表面水分的蒸發(fā)，造成物料表面與內(nèi)部水分之間的水蒸氣分壓差，促使物料內(nèi)部的水分在濕度梯度的作用下向物料表面擴(kuò)散，以求得物料各部分水分的平衡，從而獲得固體產(chǎn)品的工藝操作。干燥的目的是降低物料的含水量，抑制微生物的生長，防止物料腐爛變質(zhì)，延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，提升產(chǎn)品的感官效果，使產(chǎn)品便于貯存、運(yùn)輸和使用。

2 干燥方法與技術(shù)

干燥分為常壓干燥和減壓干燥。常壓干燥是在大氣壓條件下進(jìn)行的干燥，如箱式烘箱或烘房，其處理量大，設(shè)備簡單。減壓干燥是在密閉容器中抽真空后進(jìn)行的干燥，溫度較低，減少了空氣對產(chǎn)品的不良影響，但設(shè)備處理量小、耗時(shí)長，芒果干通常采用常壓干燥法生產(chǎn)。

2.1 干燥方法

根據(jù)產(chǎn)品的需求，分為一次干燥法或多次干燥法。一次干燥法普遍用于無添加的原風(fēng)味芒果干制作，一般將新鮮芒果切片后放在60～70℃干燥室烘烤或日曬干燥，至含水量為15%左右即為成品，是一種不間斷的干燥方法。多次干燥法一般應(yīng)用于加糖的芒果干制作。一般操作為在干燥室或日曬干燥，通過動(dòng)態(tài)干燥（變溫干燥）將物料含水量降至30%左右，移出干燥室后進(jìn)行常溫靜置平衡或調(diào)味處理，處理一般在12～24 h，之后再通過動(dòng)態(tài)干燥將水分含量降至18%左右，即為成品。多次干燥的特點(diǎn)是物料干燥過程分多個(gè)階段，不同階段的干燥條件也不同。

2.2 干燥技術(shù)

生產(chǎn)上芒果干常用的干燥技術(shù)有自然干燥、熱風(fēng)干燥和熱泵干燥。自然干燥是在自然環(huán)境條件下將物料干燥的方法，主要依靠太陽的輻射熱或自然界的風(fēng)力，使物料中的水分汽化而達(dá)到除去水分的目的，不需要使用大型干燥設(shè)備和人工加熱，是一種最為簡單易行的對流干燥。傳統(tǒng)的芒果干較多采用自然干燥處理，操作簡便，但干燥速度慢，產(chǎn)品色澤容易發(fā)生變化。

熱風(fēng)干燥是利用熱源（煤、電、天然氣等）提供熱量，并以空氣作為干燥介質(zhì)，對果蔬原料進(jìn)行干燥處理的技術(shù)。芒果干生產(chǎn)使用的熱風(fēng)干燥是在高溫（55℃以上）有氧的環(huán)境下進(jìn)行，干燥過程容易造成芒果干中酚類物質(zhì)氧化，維生素破壞，氨基酸和糖發(fā)生美拉德反應(yīng)。干燥前對芒果進(jìn)行熱燙處理及硫處理可有效防止酶促褐變和非酶褐變，進(jìn)而減緩熱風(fēng)干燥過程中芒果干品質(zhì)及色澤的變化。熱風(fēng)干燥具有設(shè)備成本低、操作簡單、可以大規(guī)模生產(chǎn)，不受氣候因素影響的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生環(huán)境污染。

熱泵干燥是利用逆卡諾原理，吸收空氣的熱量并將其轉(zhuǎn)移到烘干房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)烘干房的溫度提高，配合相應(yīng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)物料的干燥。具有能耗低，傳熱效率高，安裝、拆遷方便，占地面積少的優(yōu)點(diǎn)，是目前芒果干加工中最常用的干燥技術(shù)。

3 干燥裝備

隨著工業(yè)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展和加工技術(shù)水平的提高，芒果干生產(chǎn)的干燥裝備也不斷完善，干燥熱源已從傳統(tǒng)的以陽光作為直接熱源，發(fā)展到以煤、柴油等燃料或電作為供熱熱源，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1 自然干燥裝備

自然干燥用到的裝備主要是曬場或涼房，塑料托盤、晾曬架等。其干燥效果與溫度、濕度和風(fēng)速等氣候條件有關(guān)，芒果干生產(chǎn)中經(jīng)過自然干燥處理后，通常會(huì)再配合其他干燥裝備進(jìn)行干燥處理，以提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。根據(jù)生產(chǎn)的需要，除了開放式晾曬，還有半開放式晾曬和封閉式晾曬，如圖1。

圖1 三種晾曬方式

3.1.1 開放式晾曬

搭建方法簡單，不需要投入大型干燥設(shè)備，費(fèi)用低廉，主要投入為晾曬工具，可用木頭、竹竿、塑料水管等材料搭建晾曬架，物料可以放在竹篾托盤或塑料托盤上晾曬，需要人工翻動(dòng)物料保持晾曬效果。干燥過程中管理較為粗放，不受場地限制，可以在產(chǎn)地和山區(qū)就地進(jìn)行，但容易受自然條件影響，沙塵、雨天無法操作。

3.1.2 半開放式晾曬

頂部用塑料扣成大棚式，四周無遮擋，晾曬架在大棚內(nèi)。根據(jù)建筑上塑料薄膜的層數(shù)，可分為單層塑料棚舍和雙層塑料棚舍。太陽熱輻射作用可以提高棚舍的內(nèi)部溫度，一般可提升溫度3～5℃。雨天不需要將物料收回，但沙塵天氣會(huì)影響生產(chǎn)。

3.1.3 封閉式晾曬

采用封閉式大棚，與半開放式大棚相比，在四周增加了塑料膜，并設(shè)置有可控的引風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)。由于降低了通風(fēng)效果，減小了空氣的對流，棚內(nèi)可提升溫度10～15℃。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以增加內(nèi)部空氣流動(dòng)，進(jìn)行排濕和適當(dāng)控溫。這種大棚不受天氣影響，無陽光時(shí)也可以進(jìn)行陰干操作。

3.2 燃料干燥裝備

燃料干燥是利用燃燒木材、煤、柴油等燃料產(chǎn)生的熱力，在通過換熱器或加熱鍋爐生成水蒸氣后利用風(fēng)機(jī)把熱能直接吹進(jìn)干燥室內(nèi)，使熱能直接由干燥介質(zhì)傳遞給物料。在干燥過程中，傳質(zhì)和傳熱一起進(jìn)行，方向相反，但密切相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)中，常見的熱源裝置主要有燃料熱風(fēng)爐和蒸汽鍋爐。

3.2.1 燃料爐熱風(fēng)干燥

一般由燃燒爐、換熱器、熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥室和溫控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2。工作原理是在風(fēng)機(jī)的作用下，燃燒爐中的高溫?zé)煔獗晃霌Q熱器的散熱管道中，冷風(fēng)被吸入換熱器的換熱空間，經(jīng)熱交換后，煙氣溫度降低而流出換熱器，將冷風(fēng)轉(zhuǎn)化為溫?zé)釟怏w，并在風(fēng)機(jī)的作用下沿?fù)Q熱空間流入干燥室，使室內(nèi)溫度升高而形成溫度差，溫度差使物料內(nèi)部水分從內(nèi)向性外進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化，最后再從物料表層蒸發(fā)掉。

圖2 燃料爐熱風(fēng)干燥機(jī)組成

3.2.2 蒸汽鍋爐熱風(fēng)干燥

由蒸汽鍋爐、換熱器、熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥室和控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過燃燒燃料加熱鍋爐中的水來產(chǎn)生高壓水蒸氣，蒸汽通過換熱器加熱空氣，再吹入干燥室內(nèi)。整套干燥設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，控制系統(tǒng)通過控制進(jìn)入換熱器的蒸汽量來控制溫度，控制疏水閥和排濕風(fēng)機(jī)排出冷凝水和濕空氣，如圖3。

圖3 蒸汽鍋爐熱風(fēng)干燥機(jī)組成

燃料爐熱風(fēng)干燥設(shè)備便宜，早期干燥室為磚砌結(jié)構(gòu)，建設(shè)投入較少，一般使用柴、煤和固體燃料。雖然熱風(fēng)溫度高，但換熱器容易積炭，溫度控制精度較低；當(dāng)干燥室容積較大，物料較多時(shí)，內(nèi)部溫差大，熱風(fēng)口與遠(yuǎn)端的溫度最高相差可達(dá)20℃。

3.3 電能干燥裝備

電能轉(zhuǎn)換成熱能較為方便，且具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔無污染的特點(diǎn)。電能干燥的工作原理是利用加熱裝備，如電熱絲、電加熱管或電熱導(dǎo)熱油爐，將電能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)而對濕物料進(jìn)行干燥。

3.3.1 電熱絲和電加熱管

高溫電阻絲中有電流通過時(shí)產(chǎn)生熱量，再傳遞到空氣中去，達(dá)到加熱空氣的目的，如圖4。為了提高電熱絲的使用壽命，使用由不銹鋼管、高溫氧化鎂粉等材料制成了電加熱管，高溫電阻絲均勻分布在不銹鋼無縫管中，空隙部分填充有導(dǎo)熱性能和絕緣性能均良好的結(jié)晶氧化鎂粉，具有發(fā)熱均勻、熱效率高、壽命長、維修方便的特點(diǎn)。

圖4 電熱絲或電加熱管干燥裝備

3.3.2 電熱導(dǎo)熱油爐

電熱導(dǎo)熱油爐工作原理是：將電力作為能源，通過電熱元件把電能轉(zhuǎn)換成熱能，以導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，通過高溫油泵將導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中進(jìn)行強(qiáng)制性循環(huán)，從而達(dá)到需熱設(shè)備不斷獲得所需熱能的目的。

電熱導(dǎo)熱油爐一般由主機(jī)、高位油槽、控制柜等作為一整套設(shè)備與用熱設(shè)備共同組裝成為強(qiáng)制性液相循環(huán)的加熱系統(tǒng)，如圖5。

圖5 電熱導(dǎo)熱油爐干燥裝備

3.4 熱泵干燥裝備

熱泵是一種可以把低溫?zé)嵩吹臒崮軅鬟f到高溫?zé)嵩吹难b備，通常將空氣作為熱泵裝備的低溫?zé)嵩??？諝饽軣岜霉ぷ髟硎抢脡嚎s機(jī)的作用，在壓縮機(jī)和換熱系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的制冷劑的聯(lián)合作用下，從空氣中吸收較低溫?zé)崮埽M(jìn)而轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)崮芘欧胖裂h(huán)介質(zhì)中作為高溫?zé)嵩摧敵?，主要能耗原因是壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)耗費(fèi)了大量電能。

3.4.1 開環(huán)式熱泵干燥

目前的熱泵干燥方式主要是開環(huán)式干燥，是熱泵主機(jī)通過吸收空氣里的能量，產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)，送入干燥室，加熱物料將水蒸氣由排濕口排出。熱泵干燥主機(jī)比電加熱干燥的主機(jī)電能消耗要低，但芒果中的芳香物質(zhì)容易流失到空氣中，使產(chǎn)品的品質(zhì)降低，如圖6。

圖6 開環(huán)式熱泵干燥裝備

在21 世紀(jì)初，開環(huán)式熱泵干燥在果脯加工企業(yè)中的使用率很高，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及消費(fèi)者對產(chǎn)品的需求變化，其生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)缺陷開始受到重視。由于干燥過程中需要排除濕空氣，在排濕過程中會(huì)進(jìn)行外界空氣交換，物料不斷接觸外界空氣，產(chǎn)品在干燥結(jié)束后色澤會(huì)逐漸變深，香氣物質(zhì)流失嚴(yán)重，因此如何降低外界空氣對產(chǎn)品的影響成為廣大科技者研究的重點(diǎn)。

3.4.2 閉環(huán)式熱泵除濕干燥

閉環(huán)式熱泵除濕干燥是指將物料放置在隔熱不透風(fēng)的干燥室內(nèi)，通過閉式風(fēng)循環(huán)將水蒸氣在冷片上冷凝排出，達(dá)到除濕干燥的目的。因不排出水蒸氣和熱風(fēng)，因此在理論上不損失能量。閉環(huán)干燥一定是除濕的，即通過降低干燥室內(nèi)的相對濕度來達(dá)到加快干燥的目的，如圖7。該模式的特點(diǎn)是只排水不排熱，能量流失少；干燥室相對封閉，不受外界環(huán)境溫濕度的影響，外界粉塵和蚊蟲無法進(jìn)入；物料在干燥過程中與外界空氣接觸少，物料氧化程度低，克服了開環(huán)式熱泵干燥存在的問題。

圖7 閉環(huán)式熱泵除濕干燥裝備

各類烘干設(shè)備能耗及成本比對詳見表1。

表1 各類烘干設(shè)備成本與能耗對比

4 結(jié)論與展望

隨著科技的發(fā)展，芒果干的干燥技術(shù)與干燥裝備也日漸完善，尤其是熱泵干燥技術(shù)具有設(shè)備成熟，操作簡單，傳熱效率高，能耗低，安裝、拆遷方便，占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，在芒果干加工中應(yīng)用最為廣泛。由于芒果干在不同階段的干燥過程中，其干燥參數(shù)不同，若使用單一干燥方式和裝備，不僅會(huì)增加能耗，還會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。生產(chǎn)中要根據(jù)物料特性，產(chǎn)品質(zhì)量要求等，采用多種干燥技術(shù)聯(lián)合干燥的方式處理物料。

芒果干的聯(lián)合干燥技術(shù)及裝備研發(fā)將是發(fā)展的趨勢，聯(lián)合干燥技術(shù)是根據(jù)物料的加工特性、加工需求及各類干燥技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩種或兩種以上干燥技術(shù)結(jié)合起來的聯(lián)合干燥技術(shù)。聯(lián)合干燥技術(shù)具有污染低、能耗低、易操作、效率高，并能更好保留物料的生物活性成分和風(fēng)味物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，更適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。此外，開發(fā)新型節(jié)能干燥裝備，建立干燥過程的數(shù)學(xué)模型，提高干燥裝備的自動(dòng)化及工業(yè)化水平，優(yōu)化聯(lián)合干燥技術(shù)與裝備，也將是未來發(fā)展的趨勢。