熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)在果蔬干燥工藝中的應(yīng)用進(jìn)展

謝 歡, 劉曉艷, 楊淑純, 白衛(wèi)東, 李湘鑾, 錢 敏

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院, 廣東廣州 510225；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程創(chuàng)新研究院, 廣東廣州 510225）

果蔬原料所含有的水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)和少量油脂在高溫干燥過程中易發(fā)生質(zhì)變, 從而導(dǎo)致食物品質(zhì)下降[1]。由于熱泵技術(shù)可以在較低溫度下對物料進(jìn)行干燥, 因此近年來人們對于熱泵技術(shù)在果蔬干燥中的研究也越來越多。熱泵干燥技術(shù)基于逆卡諾循環(huán)原理, 從而其干燥成本低、效率高、智能環(huán)保。基于這些優(yōu)點(diǎn), 熱泵已經(jīng)在木材加工、家庭供暖、中草藥加工等領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

熱泵干燥在果蔬干燥中的應(yīng)用研究見表1。

由表1可知, 目前大多數(shù)熱泵干燥的研究都是對于干燥工藝的優(yōu)化及干燥產(chǎn)品的質(zhì)量把控。單一熱泵干燥技術(shù)具有溫度控制不精準(zhǔn)、干燥溫度會受外界溫度的影響等缺點(diǎn)[2], 從而可以通過采用與其他干燥工藝相結(jié)合的組合式干燥來改善, 提高干燥的效率, 降低干燥過程中的能耗及改善果蔬干燥產(chǎn)品的品質(zhì)等。

表1 熱泵干燥在果蔬干燥中的應(yīng)用研究

熱泵聯(lián)合干燥包括太陽能輔助熱泵干燥、熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥、熱泵微波干燥、熱泵紅外干燥、熱泵真空冷凍干燥等, 這些尤其適用于果蔬的干燥[3]。通過介紹熱泵聯(lián)用干燥技術(shù)在果蔬干燥工藝中的應(yīng)用, 為推進(jìn)熱泵技術(shù)在果蔬干燥加工中的應(yīng)用提供一定幫助。

1 熱泵聯(lián)用干燥技術(shù)在果蔬干燥中的應(yīng)用

1.1 太陽能熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)

太陽能和熱泵技術(shù)的組合稱為太陽能熱泵系統(tǒng)。近年來, 由于能源及環(huán)境的變化, 太陽能熱泵技術(shù)表現(xiàn)出巨大的價(jià)值。相比于燃煤干燥, 太陽能熱泵聯(lián)合干燥可節(jié)約36.7%～41.1%的能量[14], 同時(shí)其還擁有縮短干燥時(shí)間、改善產(chǎn)品品質(zhì)及綠色環(huán)保等特點(diǎn)[15]。

現(xiàn)階段的研究主要在太陽能熱泵聯(lián)合干燥工藝條件的優(yōu)化、聯(lián)合干燥系統(tǒng)的運(yùn)作研究、干燥系統(tǒng)的能耗與效能研究及儲熱存熱系統(tǒng)研究等方面展開。郝亞萍[16]搭建相變蓄熱集熱器太陽能熱泵系統(tǒng)來干燥香菇, 可實(shí)現(xiàn)9種運(yùn)行模式的靈活切換, 節(jié)能環(huán)保, 還可以進(jìn)行變溫干燥。馮道寧等人[17]設(shè)計(jì)的小型太陽能熱水-空氣源熱泵聯(lián)合干燥裝置對山藥進(jìn)行干燥, 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其能耗是熱風(fēng)干燥的68%, 同時(shí)采用智能控制系統(tǒng)分段烘干, 每年可節(jié)省電費(fèi)3萬～4萬元, 可實(shí)現(xiàn)太陽能熱水的綜合利用。此外, 還有關(guān)于太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)自動控制的研究, 以此來滿足其對于各種干燥物料的干燥, 使整個(gè)干燥過程中的智能化與自動化得到提高。田永軍等人[18]搭建了具有顯著節(jié)能效果的太陽能熱泵干燥平臺, 該平臺能夠擁有自動控制系統(tǒng), 確保干燥過程中的恒溫, 同時(shí)其內(nèi)部具備的智能化熱回收器, 能夠回收排放的廢熱,大大降低了干燥過程中的能量損失。

總之, 相比于太陽能干燥、熱泵干燥, 太陽能熱泵聯(lián)合干燥在減少了干燥過程中的能耗同時(shí)使得其具備較高的能效值。與此同時(shí), 太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的環(huán)境條件能夠合理快速地轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式, 提高干燥的效率[19]。

然而, 太陽能熱泵的缺陷也十分明顯, 即明顯依賴于太陽能的供應(yīng), 容易受到天氣及不同時(shí)間段太陽的輻射強(qiáng)度的影響, 從而限制著太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的運(yùn)用及發(fā)展[20]。

1.2 熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù), 是指在干燥前期運(yùn)用低溫?zé)岜酶稍? 減少干燥過程中雜質(zhì)的引入及降低干燥過程中的物料氧化變質(zhì), 降低干燥過程中的能耗, 維持產(chǎn)品本身的品質(zhì), 在干燥后期使用熱風(fēng)干燥, 提高干燥速率, 達(dá)到滿足產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)[21]。

目前, 關(guān)于熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥果蔬的研究主要集中在熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝條件的優(yōu)化。張迎敏等人[22]優(yōu)化熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥紅薯葉粉的干燥工藝參數(shù), 得出熱泵干燥溫度52℃, 熱風(fēng)干燥溫度73℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率58%, 該條件下的紅薯粉品質(zhì)較優(yōu)。李暉等人[23]通過研究懷山的熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥, 得出其最佳干燥參數(shù)為熱泵溫度40℃, 熱泵風(fēng)速1.5 m/s, 切片厚度5 mm, 熱風(fēng)溫度60℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率為1.00。為了進(jìn)一步了解熱泵熱風(fēng)干燥, 有學(xué)者對于其干燥過程的傳熱規(guī)律進(jìn)行了解析。屈展平等人[24]采用低場核磁共振技術(shù)（LF-NMR）及掃描電子顯微鏡, 分析熱泵熱風(fēng)干燥過程中馬鈴薯燕麥復(fù)合面條的干燥特性及水分狀態(tài)遷移等質(zhì)熱傳遞規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)與熱泵的干燥溫度越高, 物料在轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水量越高, 對于干燥的進(jìn)行及水分的擴(kuò)散越有幫助。

因此, 采用熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)相比于單一的熱泵干燥或者熱風(fēng)干燥降低了干燥時(shí)間和能耗, 同時(shí)干燥產(chǎn)品的品質(zhì)也得到了一定的提高。

1.3 熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵微波聯(lián)合干燥與熱風(fēng)熱泵聯(lián)合干燥類似, 前期采用熱泵干燥, 后期運(yùn)用微波干燥, 能夠較好地保留熱敏性物料干燥后的產(chǎn)品品質(zhì), 從而能夠在改善干制品品質(zhì)的同時(shí)減少干燥時(shí)間和干燥過程中的能耗[25]。

目前, 熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)的研究包括如何降低干燥成本及提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。關(guān)志強(qiáng)等人[26]發(fā)現(xiàn), 在熱泵溫度為50℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為100%, 微波時(shí)間為2.5 min下對荔枝進(jìn)行熱泵微波聯(lián)合干燥, 其能耗節(jié)約30%以上。李莉峰等人[27]采用正交試驗(yàn)優(yōu)化熱泵微波聯(lián)合干燥蓮藕的干燥參數(shù), 得出在微波干燥功率5.5 W, 微波干燥時(shí)間120 s, 熱泵干燥溫度40℃條件下干燥蓮藕, 蓮藕干的品質(zhì)為復(fù)水比5.8, 色差18.15, 硬度8750。此外, 也有學(xué)者對于熱泵微波聯(lián)合干燥過程中的干燥參數(shù)對于干燥速率、色澤變化等影響進(jìn)行了研究。鄭亞琴[28]通過研究微波功率、熱泵溫度及轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水量等因素對熱泵微波聯(lián)合干燥雪蓮果過程中的色澤變化（△E）、收縮率（SR）、干燥速率（DR）、復(fù)水比、單位能耗除濕量（SMER）（RR）等的影響, 發(fā)現(xiàn)干燥過程中影響干燥速率主要為微波功率、溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率, 而影響單位能耗除濕率及雪蓮果色澤變化的主要為風(fēng)速和溫度。

熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)也有不足之處, 首先由于物料中組織結(jié)構(gòu)差異性的存在, 對于物料的最佳干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定是有困難的；其次, 干燥物料的理論模型無法完全應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中, 需要通過不斷地摸索及實(shí)踐去完善干燥物料的實(shí)際理論模型[25]。

1.4 熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)

真空冷凍干燥技術(shù), 被認(rèn)為是世界上最好的干燥技術(shù), 對于干燥食品的香、色、味和形等特性的保留度較高, 但是也存在干燥效率低、時(shí)間長、成本高的特點(diǎn)[29], 因此難以應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中。相比于真空冷凍干燥技術(shù), 熱泵-真空冷凍干燥聯(lián)合技術(shù)將熱泵干燥與真空冷凍干燥相結(jié)合, 其產(chǎn)品品質(zhì)接近于單一真空冷凍干燥的產(chǎn)品品質(zhì), 同時(shí)減少了干燥時(shí)間, 提高了干燥效率, 降低了干燥過程中的能耗及成本[30]。

熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)的研究較少, 目前的研究主要在其縮短干燥用時(shí)及降低能耗, 從而降低生產(chǎn)成本上。程慧等人[31]通過研究香菇的熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥發(fā)現(xiàn), 采用熱泵-真空凍干聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行干燥其耗能降低了37.69%, 能夠生產(chǎn)出較優(yōu)良的干燥香菇產(chǎn)品。使用熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥南極磷蝦, 能夠生產(chǎn)出與真空冷凍干燥產(chǎn)品品質(zhì)接近的南極磷蝦干制品, 同時(shí)縮短了一半的干燥時(shí)間[32]。

目前, 由于真空冷凍干燥技術(shù)本身的干燥成本高, 而熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥制品的品質(zhì)相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術(shù)[30]。

1.5 熱泵紅外聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵紅外聯(lián)合干燥是指前期使用熱泵干燥來較少干燥物料的熱敏性活性成分的損失, 在干燥后期采用遠(yuǎn)紅外輻射干燥, 降低干燥時(shí)間與能耗[33]。

目前, 對于熱泵紅外聯(lián)合干燥的研究大體可分為兩類, 即熱泵紅外干燥效率的研究和熱泵紅外干燥對于果蔬產(chǎn)品的品質(zhì)影響的研究。Thuwapanichayanan R等人[34]通過Arrhenius方程建立了耦合傳熱傳質(zhì)模型, 并提出當(dāng)有效水分?jǐn)U散系數(shù)為0.41×10-10～1.43×10-10m2/s時(shí), 該模型對于蒜末含水量和內(nèi)部溫度的變化規(guī)律能夠很好地進(jìn)行預(yù)測；同時(shí), 發(fā)現(xiàn)熱泵紅外聯(lián)合干燥能夠明顯提高蒜末的干燥效率。彭健等人[35]研究了不同條件下分段式遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥后龍眼的質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、褐變度、色澤和糖、游離氨基酸、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF）改變, 同時(shí)分段式遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥能顯著降低龍眼的硬度, 提高其彈性和咀嚼性（p＜0.05）, 同時(shí)增加龍眼內(nèi)部孔隙；龍眼干燥后色澤的變化主要源于L*值的下降（變暗）和a*值的升高（變黃）, 60℃下遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥能有效抑制龍眼褐變；糖、游離氨基酸及5-HMF含量與龍眼色澤相關(guān), 100℃下遠(yuǎn)紅外干燥會造成龍眼中可溶性糖和游離氨基酸含量的顯著降低及5-HMF含量的顯著升高（p＜0.05）。

利用熱泵紅外聯(lián)合干燥可以很好地干燥熱敏性物料, 紅外輻射板存在較高的熱慣性, 容易產(chǎn)生過熱效應(yīng), 對物料的品質(zhì)造成影響, 這也是熱泵紅外聯(lián)合干燥的一點(diǎn)不足之處[36]。

1.6 熱泵流化床聯(lián)合干燥技術(shù)

傳統(tǒng)流化床干燥系統(tǒng)的干燥介質(zhì)大多為開式循環(huán), 同時(shí)干燥介質(zhì)是通過其他介質(zhì)加熱的熱空氣, 因此存在耗能高、精細(xì)物料的干燥品質(zhì)欠佳等不足[37]。熱泵流化床干燥裝置多為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu), 可以循環(huán)利用干燥尾氣中的大量熱量, 節(jié)省干燥尾氣的冷量, 具有良好的節(jié)能效果及廣闊的市場應(yīng)用前景[38]。

關(guān)于熱泵流化床聯(lián)合干燥的報(bào)道較少, 對其的研究包括干燥后產(chǎn)品的品質(zhì)研究、干燥的能耗和干燥速率等的研究。劉恩海等人[39]研究了50℃干燥溫度工況下熱泵流化床與熱風(fēng)薄層對豫麥連續(xù)式干燥的倉儲效果, 結(jié)果表明具有相同含水量的豫麥, 在干燥過程中, 熱風(fēng)薄層干燥小于熱泵流化床干燥速率, 含水率降幅較小；相較于連續(xù)式干燥, 間歇數(shù)η值越大, 系統(tǒng)能量利用及熱效率越高, 干燥后的豫麥品質(zhì)較好, 得出了以η=2/3的間歇干燥方式倉儲效果最佳。張緒坤等人[40]通過熱泵流化床聯(lián)合干燥蘿卜丁驗(yàn)證熱泵流化床的干燥性能, 發(fā)現(xiàn)熱泵流化床干燥胡蘿卜丁時(shí)單位時(shí)間除濕量和單位能耗除濕量隨著干燥時(shí)間的延長而急劇下降, 同時(shí)熱泵流化床組合干燥循環(huán)風(fēng)機(jī)的電耗占系統(tǒng)總電耗的50%左右。

目前, 對于熱泵流化床聯(lián)合干燥的推廣應(yīng)用難度在于初始投資成本較大, 這一點(diǎn)亟待處理。

2 結(jié)語

當(dāng)前, 單一熱泵干燥技術(shù)的研究較為廣泛且全面, 其中大多數(shù)研究都是關(guān)于一些熱泵干燥技術(shù)的工藝優(yōu)化。單一熱泵干燥技術(shù)在對物料干燥時(shí), 干燥后期會出現(xiàn)干燥時(shí)間增長、干燥速率下降、干燥產(chǎn)品的質(zhì)量和色澤下降等問題, 這是急需解決的一大難題。

熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)的出現(xiàn), 很好地改善了干燥果蔬產(chǎn)品的品質(zhì), 但是熱泵聯(lián)合干燥設(shè)備的利用還是較為匱乏的。例如, 熱泵-真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù), 彌補(bǔ)了真空冷凍干燥能耗高、干燥耗時(shí)大等缺點(diǎn), 熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥制品的品質(zhì)相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術(shù), 然而目前對于這一方式的研究較為匱乏。聯(lián)合干燥過程中, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定是整個(gè)干燥工藝是否成功的關(guān)鍵點(diǎn)之一, 目前大多數(shù)研究都是采用水分作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的研究對象, 是否存在其他對象能夠作為聯(lián)合干燥的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的研究對象是未來可以研究的一個(gè)方向?，F(xiàn)階段, 熱泵聯(lián)合干燥對于產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究較多。聯(lián)合干燥技術(shù)的投入應(yīng)用, 與其成本投入有很大的關(guān)系, 就如何降低聯(lián)合干燥技術(shù)的投入成本、生產(chǎn)成本等同樣也是值得研究和探討。

總的來說, 熱泵技術(shù)在果蔬干燥中獲得了許多成果, 但是還有很多值得研究。隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 熱泵技術(shù)在果蔬干燥中會取得更大的成就。