熱風(fēng)微波耦合技術(shù)在果蔬中的研究進展

張冉冉，李文綺，賈文婷

（1.石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子質(zhì)量與計量檢測所，新疆 石河子 832000；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子 832000）

我國果蔬品類豐富且產(chǎn)量大，以鮮售為主。目前，我國的果蔬加工量不足10%，而發(fā)達國家的加工量高于70%[1]。新鮮果蔬水分含量高，在采摘、運輸、貯藏過程期間易發(fā)生損傷[2]，不耐貯藏，再加上由于位置偏遠造成的交通不便，導(dǎo)致經(jīng)濟損耗，而對鮮果進行加工可以有效減緩產(chǎn)品損耗，降低成本[3-5]。因此，加工技術(shù)的發(fā)展對果蔬加工業(yè)具有深遠影響。

果蔬加工是對新鮮果蔬進行榨汁、腌制、脫水、冷凍等的加工活動，其主要產(chǎn)品包括果蔬汁、罐頭、果脯、果蔬脆片等[6-7]。脫水干燥是果蔬加工中重要的加工方式之一，其中熱風(fēng)干燥的技術(shù)、微波干燥技術(shù)在果蔬領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，如熱風(fēng)干燥的刺梨[8]、獼猴桃果脯[9]、柿子[10-11]等，微波干燥的老山芹[12]、香菇[13]、山楂[14]等。熱風(fēng)干燥的速率低，物料干燥品質(zhì)差；微波干燥具有易造成物料局部焦化、干燥物料少等缺陷。為了消除單一干燥技術(shù)的局限性，熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)運而生。熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)是熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥技術(shù)中的一種，是將熱風(fēng)與微波同時作用于物料，實現(xiàn)物料內(nèi)外同時加熱，既提高了干燥后的物料品質(zhì)，又提高了干燥速率[15-17]，消除了微波和熱風(fēng)技術(shù)單獨應(yīng)用時存在的干燥品質(zhì)差、干燥時間長、能源效率低等缺點。但因大多數(shù)熱風(fēng)微波耦合干燥設(shè)備是由微波爐改造而來，所以批量化應(yīng)用到企業(yè)中還有很大的局限性。

本文介紹了熱風(fēng)微波耦合技術(shù)的基本概念及原理，同時對該技術(shù)在果蔬中應(yīng)用的研究進展進行了綜述。

1 熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)

1.1 基本概念

Schiffmann 等[18]在烤肉爐的設(shè)計中首次提出將熱風(fēng)與微波相結(jié)合的方法，從此開啟了熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥技術(shù)的研究。熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥已應(yīng)用于果蔬加工中，如蘆筍[19]、馬鈴薯[20]、灰棗[21]、芒果[22]等。熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥分為串聯(lián)干燥和耦合干燥。串聯(lián)干燥是熱風(fēng)和微波先后作用于物料進行干燥；耦合干燥是熱風(fēng)和微波同時進行干燥。熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)實現(xiàn)了物料內(nèi)外同時加熱，傳質(zhì)與傳熱能力增強，大幅度提高了原料的干燥效率。該技術(shù)干燥速率快、VC 保留率高、產(chǎn)品復(fù)水性能良好，同時能節(jié)省能源[23]。

1.2 原理

在干燥過程中，熱風(fēng)帶走物料表面水分，物料內(nèi)部水分向表面遷移，與能量傳遞方向相反（圖1A）。微波使材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，內(nèi)部水分吸熱蒸發(fā)，促使物料內(nèi)部熱量升高，形成由內(nèi)到外的壓力梯度，也就是“泵”效應(yīng)，推動水分?jǐn)U散到物料表面，此時傳質(zhì)傳熱方向相同（圖1B）。因此，熱風(fēng)、微波同時作用于物料（圖1C），能帶走物料的自由水和結(jié)合水，加速物料干燥[24-27]。

圖1 熱風(fēng)微波耦合干燥原理Fig.1 Principle of hot air and microwave coupled drying

1.3 不同干燥方式的優(yōu)缺點

熱風(fēng)干燥具有低能耗、操作簡單、成本低的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于果蔬干制領(lǐng)域，但其缺點也逐步展露?？等萚28]熱風(fēng)干燥馬茵菜時，雖然顏色與新鮮的馬茵菜接近，但可能會引起酶褐變、氧化型褐變，以及葉綠素的降解。Suna[29]對枸杞的干燥研究中發(fā)現(xiàn)，與微波干燥相比，熱風(fēng)干燥枸杞的酚類物質(zhì)含量和抗氧化能力降低。趙愉涵等[30]用熱風(fēng)干燥、分段熱風(fēng)干燥、真空熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥對芹菜葉進行干燥，結(jié)果表明，與其他干燥方式相比，熱風(fēng)干燥的葉綠素、VC、總酚、總酮含量最低，對芹菜營養(yǎng)成分的影響最大。

微波干燥作為一種新型干燥技術(shù)，具有干燥速率快、能量利用率高、設(shè)備控制簡單等優(yōu)點。近年來，微波干燥被廣泛應(yīng)用于果蔬行業(yè)。微波作用于物料將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到干燥物料的目的[31]。在不同干燥方式對竹筍的研究中發(fā)現(xiàn)，微波干燥竹筍耗時最短，但使蛋白質(zhì)變性嚴(yán)重，相比鮮筍損失了92.97%[32]。在微波干燥對紅棗品質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，由于過度加熱，干燥后的紅棗焦苦味明顯，余味較長[33]。由此可見，雖然微波干燥耗能低，但有時會使物料受熱不均造成其局部焦化，品質(zhì)下降，且設(shè)備維修費用高昂。

將熱風(fēng)、微波兩種干燥方式相結(jié)合同時作用于物料，形成熱風(fēng)微波耦合干燥，分別發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)點，合理分配兩者之間的能量比例，減少干燥時間，節(jié)約能耗，從而提升物料干燥品質(zhì)。于海明[34]對山楂進行熱風(fēng)微波耦合干燥時發(fā)現(xiàn)，在熱風(fēng)速度恒定時控制熱風(fēng)溫度，隨著微波功率由3 W/g 增加到15 W/g，干燥時間縮短了64.7%。Talens 等[35]對橘皮分別進行熱風(fēng)和熱風(fēng)微波耦合干燥處理，與熱風(fēng)干燥相比，熱風(fēng)微波耦合干燥的處理時間和能耗顯著減少，并且不影響橘子纖維的化學(xué)成分、保水能力和顏色。Horuz等[36]將（409.6±1.4）g 的酸櫻桃分別在50、60、70 ℃下進行熱風(fēng)干燥，120、150、180 W 微波與50、60、70 ℃熱風(fēng)耦合干燥，將酸櫻桃樣品從初始含水量80.75%干燥至最終含水量25%，熱風(fēng)微波耦合干燥時間相較于熱風(fēng)干燥縮短了52%。熱風(fēng)微波耦合干燥時間縮短了干燥，提高了干燥速率，并使干燥樣品具有較高的總酚含量、抗氧化能力、VC 含量和復(fù)水能力。

2 耦合技術(shù)在果蔬干燥中的研究

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者利用熱風(fēng)微波耦合技術(shù)對果蔬（如芹菜[37]、花生[38]、蘋果片[39]等）干燥進行研究。熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)的應(yīng)用明顯提高了果蔬的干燥速率，干燥后的物料品質(zhì)有所提高。表1 總結(jié)了熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)在山藥、蘿卜、杏脯、芹菜等果蔬中的研究應(yīng)用，研究考察了熱風(fēng)溫度、微波功率、熱風(fēng)速度等因素對熱風(fēng)微波耦合干燥的速率、干燥后物料品質(zhì)等的影響。

表1 熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)在果蔬干燥方面的應(yīng)用Table 1 Application of hot air and microwave coupled drying technology in fruit and vegetable drying

Wang 等在[40]微波耦合熱風(fēng)干燥山藥時，以熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)速度、切片厚度和微波功率密度為自變量，以干燥產(chǎn)品復(fù)水率和總糖含量為響應(yīng)值，采用單因素試驗和響應(yīng)面法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化的工藝參數(shù)為：熱風(fēng)速度2.5 m/s，熱風(fēng)溫度61.7 ℃，切片厚度8.5 mm，微波功率密度5.9 W/g。Lee 等[41]采用熱風(fēng)（70 ℃，5 m/s）、微波（50 W）、熱風(fēng)微波耦合（70 ℃，5 m/s，50 W）3 種不同干燥方式對蘿卜切片進行干燥時發(fā)現(xiàn)：熱風(fēng)微波耦合干燥的時間比熱風(fēng)和微波單獨干燥分別縮短了75.0%和33.3%；在干燥的最后階段，熱風(fēng)和微波導(dǎo)致蘿卜片的干燥不均勻，中間和邊緣的含水量差異較大；在蘿卜片的干燥過程中，采用熱風(fēng)微波耦合干燥可以提高干燥的均勻性。Horuz 等[42]在微波功率為120、150、180 W，溫度為50、60、70 ℃的條件下，采用土耳其國產(chǎn)微波-熱風(fēng)混合烘箱對杏脯的結(jié)晶行為和動力學(xué)進行了研究，當(dāng)含水率從77%（濕基）降到25%時，干燥操作結(jié)束，試驗結(jié)果表明，微波功率和空氣溫度的增加加快了干燥速度，縮短了杏脯的干燥時間。Chen 等[43]采用熱風(fēng)干燥（50、60、70 ℃）和熱風(fēng)微波耦合干燥（50、60、70 ℃，0～700 W）兩種方式制備干燥芹菜莖片，結(jié)果表明：與熱風(fēng)干燥相比，熱風(fēng)微波耦合干燥可有效縮短干燥時間；干燥時間的縮短有利于最大限度地減少產(chǎn)品表現(xiàn)出的顏色變化，同時能最大限度地保留芹菜特有的香氣。Ma等[44]在對蓮藕片進行熱風(fēng)微波耦合干燥（樣品厚度5～17 mm，風(fēng)速1.5～3.5 m/s，溫度50～70 ℃，微波功率2～10 W/g）的研究中發(fā)現(xiàn)：隨著切片厚度、熱風(fēng)溫度、風(fēng)速和微波功率的增大，藕片的含水率隨之減小，干燥速率隨之增大；當(dāng)微波功率為8 W/g 時，干燥速率達到最大值。由此可見，熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)可明顯縮短干燥周期，有效節(jié)約時間。

3 熱風(fēng)微波耦合技術(shù)的影響因素

3.1 微波功率

微波功率是熱風(fēng)微波耦合技術(shù)的影響因素之一，熱風(fēng)微波耦合干燥過程中，微波功率的高低影響著果蔬的干燥速率，選擇合適的微波功率，可節(jié)省干燥時間，提升干燥效率。凌錚錚等[45]對花生進行間歇熱風(fēng)-微波耦合干燥時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微波功率＞1.0 W/g 時，干燥速率顯著上升。易麗等[46]在應(yīng)用熱風(fēng)微波耦合技術(shù)干燥番木瓜片的研究中發(fā)現(xiàn)，微波功率是最主要的影響因素，采用微波功率5.5 W/g 對番木瓜進行干燥時，可明顯縮短番木瓜的干燥時間，提升干燥效率。

3.2 熱風(fēng)溫度

在熱風(fēng)微波耦合干燥過程中，溫度的升高會加速物料表面水分的散失，干燥速率與熱風(fēng)溫度成正比。周韻等[47]對胡蘿卜進行熱風(fēng)微波耦合干燥時，固定微波功率2.5 W/g，熱風(fēng)速度1.0 m/s，干燥速率隨著熱風(fēng)溫度的升高而提高。宋瑞凱等[48]在馬鈴薯丁熱風(fēng)微波耦合干燥的試驗中發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯丁干燥的時間隨著溫度的升高而逐漸減少。當(dāng)熱風(fēng)溫度為50、60、70 ℃時，其干燥完成時間分別為450、300、250 min。因此，熱風(fēng)溫度的高低對干燥速率有一定影響，提高溫度可縮短干燥時間，節(jié)省能源。

3.3 物料的預(yù)前處理

物料的預(yù)前處理是指在干燥前通過技術(shù)手段（熱燙、超聲、化學(xué)試劑浸漬等）對物料進行處理，以提高物料的干燥速率，提升干燥品質(zhì)[49]。羅東升等[50]分別用熱燙、高壓二氧化碳和油酸乙酯結(jié)合預(yù)凍3 種方式對200 g 紅棗進行預(yù)處理，再進行分段間歇微波耦合熱風(fēng)干燥。研究發(fā)現(xiàn)：相較于無處理組，預(yù)處理組的干燥速率快、能耗低，產(chǎn)品的抗氧化能力得到提高；其中油酸乙酯結(jié)合預(yù)凍的預(yù)處理方式能耗最低，干燥速率高；高壓二氧化碳預(yù)處理后的紅棗VC、酚類和總酮含量高于其他處理方式。由此可見，對物料進行預(yù)處理可明顯提升熱風(fēng)微波耦合干燥的速率，使干燥的紅棗品質(zhì)得以提升。Abbaspour-Glandeh 等[51]對山楂進行超聲波預(yù)處理后，分別采用熱風(fēng)法、紅外-熱風(fēng)法、微波-熱風(fēng)法、超聲波+熱風(fēng)法、超聲波+微波-熱風(fēng)法、超聲波+紅外-熱風(fēng)法和冷凍干燥法對山楂果實進行干燥處理，結(jié)果表明：超聲波+微波-熱風(fēng)法的干燥時間最短，為45 min，與未經(jīng)超聲預(yù)處理的微波-熱風(fēng)法相比，干燥時間縮短了25 min。因此，經(jīng)過預(yù)處理的山楂再經(jīng)熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥顯著縮短了干燥時間。

3.4 物料形態(tài)

張琦等[52]在微波功率200 W、微波溫度70 ℃、風(fēng)速1.0 m/s 不變的情況下，分別對質(zhì)量為100、150、200、250、300 g 左右的鮮棗進行熱風(fēng)微波耦合干燥，結(jié)果表明：干燥速率隨鮮棗質(zhì)量的增加而降低；干燥的物料越少，其受微波和熱風(fēng)的影響越大。因此，物料形態(tài)是熱風(fēng)微波耦合干燥的關(guān)鍵影響因素之一。研究人員在對山藥[40]、藕片[44]等的熱風(fēng)微波耦合干燥試驗中也證明了該結(jié)論。

3.5 熱風(fēng)速度

在干燥物料時，流動的空氣可以帶走物料表面的水分。因此，風(fēng)速的提高可以加速帶走物料表面的水分，從而提高干燥速率。王招招等[53]選取新鮮花生進行熱風(fēng)微波耦合干燥，在風(fēng)速對花生干燥特性的單因素試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速為0.2、0.5、0.8 m/s 時，其最大干燥速率隨著風(fēng)速的提高而增大，分別為0.26、0.35、0.38 g/（g·min），證明了風(fēng)速越大，干燥速率越快。

4 展望

熱風(fēng)微波耦合干燥作為一種新型干燥技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥更加節(jié)能，可提升物料的干燥效率，對比微波干燥技術(shù)，使物料受熱更均勻，提升干燥品質(zhì)。熱風(fēng)微波耦合技術(shù)不斷地在果蔬領(lǐng)域研究應(yīng)用，雖然該技術(shù)設(shè)備還沒有完全成熟，在企業(yè)中實現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化還需要一定時間，但隨著熱風(fēng)微波耦合干燥設(shè)備的加速成熟，更多科研人員的試驗探究，熱風(fēng)微波耦合干燥技術(shù)將會在果蔬干制方面發(fā)揮重要作用。