果蔬新型干燥技術的研究進展

吳小恬，劉 靜，趙 亞，石啟龍

（山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博 255000）

果蔬因富含維生素、礦物質和膳食纖維等營養(yǎng)物質而深受人們喜愛，但果蔬含水率較高，生命活動和呼吸代謝旺盛，腐敗變質。因此，探索先進的果蔬精深加工技術，提高其貯藏穩(wěn)定性和附加值迫在眉睫。

果蔬干燥是指在自然或人為控制條件下，將果蔬中的大部分水分去除，使其不易腐敗變質，并始終保持低含水率或水分活度的一種方法[1]。干燥不僅可以延長果蔬的貯藏期，還可以降低果蔬的質量和體積，節(jié)約包裝，儲運降低成本。目前，果蔬干燥包括自然干燥和人工干燥兩種方式，前者利用自然條件使果蔬水分降低從而達到干燥目的，主要包括曬干和陰干；后者利用干燥設備在人工控制的條件下對果蔬進行干燥，常用的果蔬干燥方式有日光干燥（sun drying，SD）、熱風干燥（hot air drying，HAD）、冷凍干燥（freeze drying，F(xiàn)D）、微波干燥（microwave drying，MWD）和遠紅外干燥（far infrared drying，F(xiàn)IRD）等，但存在各自的缺陷，如干燥效率低、能耗高、干燥不均勻、干制品品質差等問題。近年來，一些新型干燥技術，如流化床干燥（fluidized bed drying，F(xiàn)BD）、過熱蒸汽干燥（superheated drying，SSD）、射頻干燥（radio frequency drying，RFD）、氣體射流沖擊干燥（air-impingement jet drying，AID）、泡沫干燥（foam mat drying，F(xiàn)MD）、折射窗干燥（refractance window drying，RWD）、電流體動力學干燥（electrohydrodynamic drying，EHD）在果蔬干燥領域嶄露頭角，顯示出巨大的潛力?；诖?，本文從工作原理、優(yōu)缺點和研究進展等方面介紹了果蔬新型干燥技術，探討了果蔬干燥領域的發(fā)展方向，從而為果蔬干燥行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 流化床干燥

FBD 又稱沸騰床干燥，是利用氣體技術對濕物料進行干燥的過程，是熱空氣進入干燥室中，使物料以懸浮狀態(tài)移動，而物料中的水分蒸發(fā)并被熱空氣帶走，從而有效除去物料水分的干燥方法[2]。FBD 具有設備操作簡單、傳熱效果好、干燥速度快等優(yōu)點，可有效避免產品的局部過熱，適用于果蔬等熱敏性材料的干燥，但在實際應用中，F(xiàn)BD 仍存在熱能利用不充分、流化不均勻、熱敏感物料干燥穩(wěn)定性較差等問題[3]。

為了提高獼猴桃切片干制品品質、縮短干燥時間，鄒三全等[3]采用FBD 獼猴桃片，研究溫度、風速和厚度對其干燥曲線、水分有效擴散系數(shù)以及活化能的影響，結果表明，獼猴桃切片整個干燥過程屬于降速干燥，F(xiàn)BD的最優(yōu)條件為溫度75 ℃，前中期風速4.5 m/s，中后期風速1.5 m/s，切片厚度10 mm，此時得到的產品質量最佳，而且能夠降低干燥設備的能耗，從而降低生產成本。Dereje 等[4]研究不同預處理（檸檬汁、鹽溶液浸泡、熱水燙漂和對照）和4 種干燥方式（SD、HAD、FD 和FBD）對芒果干片質量的影響，結果表明，F(xiàn)D 和FBD 處理后芒果片質量較好；此外，由于氣體流動中顆粒的均勻流態(tài)化導致傳熱和傳質系數(shù)提高，F(xiàn)BD 處理的芒果切片含水率最低。針對微波熱風干燥（microwave hot air drying，MWAD）存在的干燥不均勻、色差大、效率低、能耗高等問題，呂豪等[2]以新鮮毛豆為原料，研究了基于機械振動流態(tài)化技術的微波熱風振動流化床干燥（microwave-hot-airflow vibrating drying，MAVD），結果表明，MAVD 可使物料表面場強分布更均勻，毛豆仁干燥時間比單獨微波流化床干燥縮短了34.1%，比MWAD 干燥時間縮短了12.9%，毛豆仁水分分布的均勻性顯著提高。Zahoor 等[5]采用響應面法優(yōu)化了微波輔助流化床干燥的工藝參數(shù)，探討了干燥參數(shù)對紅甜椒干燥動力學和對紅甜椒抗壞血酸（VC）含量、DPPH 自由基清除能力、復水率和總色澤變化等指標的影響，得出最優(yōu)干燥參數(shù)為微波功率468.04 W，流化干燥溫度60.14 ℃，風速16.82 m/s。

2 過熱蒸汽干燥

SSD 是一種以過熱蒸汽作為干燥介質直接與濕物料接觸而去除水分的干燥方法。在封閉系統(tǒng)中，利用物料本身水分蒸發(fā)或飽和蒸汽加熱形成的過熱蒸汽，與物料直接接觸，通過對流和熱傳導不斷傳遞熱量，從而達到高效干燥的目的[6]。SSD 具有傳熱系數(shù)高、產品質量好、干燥效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，但由于果蔬含水率和熱敏性較高，采用高壓或常壓SSD 時，果蔬可能會發(fā)生玻璃態(tài)轉化或出現(xiàn)熱損傷、融化等現(xiàn)象。

蘇煌杰等[7]采用中心組合實驗設計，以過熱蒸汽真空分段組合干燥法為基礎，探討了不同因素對竹筍干制品復水率和色澤的影響，結果表明，最佳組合工藝條件為過熱蒸汽溫度119℃，轉化時間35 min，真空溫度74 ℃，與HAD 相比，優(yōu)化后的工藝節(jié)省時間56.25%、能耗52.65%。與常壓或高壓下的果蔬SSD 相比，低壓過熱蒸汽干燥（low-pressure superheated drying，LPSSD）能在低溫下干燥，不易產生冷凝和結露現(xiàn)象，物料不易發(fā)生變質。為了研究果蔬LPSSD 過程中是否存在反轉點溫度，李占勇等[8]對青蘿卜進行了LPSSD 試驗，結果表明，蘿卜片存在一個反轉點溫度，在反轉點溫度以上，LPSSD 的干燥效率不僅高于真空干燥（vacuum drying，VD），而且VC 的保留率也高于VD。黃小麗等[9]采用了過熱蒸汽-熱風聯(lián)合干燥工藝制備馬鈴薯顆粒全粉，結果表明，馬鈴薯SSD速率隨蒸汽溫度和蒸汽流量的增加而增大，隨切片厚度的增加而減小，不同條件下SSD 得到的半干馬鈴薯后續(xù)HAD 特性差異不顯著，但與傳統(tǒng)干燥相比，總干燥時間顯著縮短。Malaikritsanachalee 等[10]研究了間歇式和連續(xù)式LPSSD 對成熟芒果干燥動力學的影響，探討了HAD和LPSSD 對芒果干顏色、收縮、復水率和微觀結構的影響，結果表明，Page 模型是最適合描述芒果干燥行為的模型，LPSSD 與HAD 相比不僅能夠縮短干燥時間，還能使干制品具有更致密的結構和更少的孔隙，其中，間歇式LPSSD 的產品具有比連續(xù)式干燥更大的孔隙結構和更高的復水率。Sehrawat 等[11]探討了干燥方法對芒果品質的影響，結果表明，與VD 和HAD 相比，LPSSD 對芒果中的VC、β-胡蘿卜素、總酚含量和抗氧化活性的保留率更高。

3 氣體射流沖擊干燥

AID 是將具有一定壓力的氣體通過圓形（或狹縫狀）噴嘴高速沖擊待干燥物料表面，達到加熱/干燥物料的目的。AID 是在物料干燥過程中，由于噴嘴與物料表面的距離非常近，氣體射流速度非常高，物料與氣流之間產生非常薄的邊界層，它的傳熱系數(shù)是傳統(tǒng)HAD 的數(shù)倍甚至一個數(shù)量級[12]。與其它傳統(tǒng)干燥相比，AID 具有傳熱系數(shù)高、傳熱速率可控、干燥速度快等特點，但仍需降低使用成本和擴大使用范圍來增強AID 的推廣應用。

由于果蔬中含有的生物活性物質在生產加工中容易損失，而AID 具有耗時短、耗能少、營養(yǎng)物質損失少等特點，在果蔬干燥方面的研究逐漸深入。楊慧等[13]采用單因素試驗、響應面法分析了AID 的溫度、風速對無核紫葡萄干燥成品的花青素含量、VC 含量、感官評分及干燥時間的影響，結果表明，干燥溫度和風速對成品的花青素含量、VC 含量、感官評分和干燥時間均有影響，并存在交互性，其中AID 無核紫葡萄最佳工藝參數(shù)為溫度66 ℃、風速13 m/s。賈夢科等[14]探討蘋果片AID 過程中風溫、切片厚度和風速及其交互作用對VC 含量、復水率、單位能耗的影響，并用遺傳算法、fgoalattain 函數(shù)法、隸屬度綜合評價法等3 種方法進行優(yōu)化，結果表明，遺傳算法優(yōu)化的結果最好，最佳工藝參數(shù)為氣流溫度63.24℃，切片厚度2mm，氣流速度12 m/s。Tan 等[15]探索了不同溫度對AID 番茄切片干燥曲線和動力學模型的影響，比較了AID 與HAD干燥番茄片的色澤、總多酚含量、番茄紅素含量和抗氧化活性等指標，結果表明，AID 提高了番茄片的干燥速度，修正Page 模型能準確預測番茄片的AID 干燥特性；此外，AID 在縮短干燥時間、提高干燥速度、降低番茄片總多酚含量、番茄紅素的損失和抗氧化能力方面都優(yōu)于HAD，AID 番茄片的最適溫度為80 ℃。Luo 等[16]比較了脈沖AID、HAD 和FD 對香菇感官品質的影響，結果表明，盡管脈沖AID 得到香菇的游離氨基酸和可溶性糖總量略有下降，但是脈沖AID 能夠在一定程度上抑制酶的活性和美拉德反應，顯著改善了干香菇的風味；因此，脈沖AID 綜合了HAD 和FD 的優(yōu)勢，是很有前景的干燥技術。為探索紅棗脆片的新型加工方法，錢婧雅等[17]以新鮮脆熟期紅棗為原料，對比了AID、中短波紅外干燥（medium and short infrared wave drying，MSIWD）、脈動真空干燥（pulsed vacuum drying，PVD）等3 種干燥方式對紅棗脆片的干燥特性、色澤、VC 保留率以及微觀結構的影響，結果表明，AID 的干燥時間最短，但PVD 紅棗脆片色澤、VC 保留率、復水性能和質地最佳。

4 射頻干燥

RFD 是利用頻率為3 kHz～300 MHz 的高頻交流電磁波加熱物料的一種干燥方法。RFD、MWD 都屬于介電加熱技術，二者干燥原理相似，RFD 原理包括離子遷移和偶極旋轉[18]。離子遷移是指物料中帶正電荷的離子在電磁場作用下向陰極區(qū)移動，帶負電荷的離子向陽極區(qū)移動，并在交變電場作用下來回移動，通過離子與其他分子的碰撞或水分子氫鍵的斷裂，將離子動能轉化為熱能，從而實現(xiàn)物料的升溫和加熱[18]。偶極子旋轉是將物料置于高頻交變電場中，隨著電場的不斷變化，物料中極性分子的極性迅速變化，產生分子間的相互摩擦、碰撞和加熱，從而提高材料溫度，去除水分[18]。RFD 是一種非電離輻射快速加熱技術，物料溫度上升迅速，可大大縮短加熱時間，提高產品質量。通過極性分子轉動與離子振蕩摩擦，在物料內部產生熱量，具有穿透深度大，加熱均勻性較好和選擇性加熱等特點，但不適用于高含水率物料的干燥。

傳統(tǒng)熱風干燥溫度一般較高，在食品表面易形成硬殼，品質劣變，且伴隨著巨大的能量消耗。采用RFD 具有更高的干燥速率，能更好地保持食品物料的營養(yǎng)成分，受到研究者的廣泛關注。Zhang 等[19]研究了RFD 對馬鈴薯多酚氧化酶（PPO）相對活性、質構和微觀結構等指標的影響，結果表明，RFD 溫度80 ℃下，PPO 幾乎完全失活；圓二色譜分析表明，由于α-螺旋含量的降低，RFD改變了PPO 的二級結構。由于空氣在RFD 下無法被加熱且物料內部溫度急劇升高的原因，物料在RFD 過程中會出現(xiàn)水分凝積和局部損傷等問題。RFD 與HAD 聯(lián)合使用，可有效改善這些問題。殷嘉樂等[20]研究熱風輔助射頻干燥（hot air-assisted radio frequency drying，HA-RFD）過程中VC 隨溫度變化的降解動力學模型，結果表明，與其他果蔬相比，胡蘿卜丁的VC 在HA-RFD 過程中相對更穩(wěn)定。Zhang 等[21]將HA-RFD 作為芒果片第2 階段的干燥方法，結果表明，HA-RFD 可以縮短干燥時間，提高芒果片質量。Roknul等[22]對比了HA-RFD、紅外干燥（IRD）、熱風-微波干燥（HA-MWD）和HAD 對萵苣干燥時間和品質特性的影響，結果表明，HA-RFD 的干燥時間最短，僅需120 min，萵苣的色澤、復水能力和彈性都比其他干燥方式好，而且干制后的萵苣品質較優(yōu)。周旭[23]研究了獼猴桃的射頻真空干燥（radio frequency-vacuum drying，RFVD）動力學，結果表明，RFVD 獼猴桃的色澤、VC 保留率和復水性能均優(yōu)于HAD；對比HAD、RFVD 和HA-RFVD 的干燥效果，結果表明，RFVD 時間最短，HA-RFVD 次之，HAD 耗時最長。

5 泡沫干燥

FMD 是在液態(tài)或半液態(tài)的食品物料中添加可食用起泡劑，通過機械攪拌的方式，使物料中混入大量空氣，待形成均勻穩(wěn)定的泡沫后再進行干燥。FMD 過程中，液膜形成的小室稱為泡沫，這些氣泡的毛細作用，使物料中的水分由內部向外部轉移，密集的氣泡可以增加材料的表面積，加速水分子蒸發(fā)，泡沫的孔隙率和較高的表面積提高了傳質速率，從而縮短了脫水時間[24]。與噴霧干燥和FD 相比，F(xiàn)MD 是一種相對簡單、成本低的方法，目前主要應用于果蔬粉制造領域。但物料產生泡沫后，內部混入大量空氣，空氣的熱傳遞系數(shù)降低，不利于物料內部的熱量和水分傳遞，因而干燥速度慢，對于熱敏性強的果蔬，長時間加熱會對其營養(yǎng)成分產生不利影響[25]。

Chaux-Gutiérrez 等[26]研究了FMD 工藝參數(shù)對芒果果肉粉干燥動力學和品質的影響，結果表明，F(xiàn)MD 能夠有效獲得芒果粉，成品的類胡蘿卜素保留量高、色澤變化小。Levate 等[27]優(yōu)化了火龍果粉FMD 的攪拌時間和發(fā)泡劑比例，確定了火龍果漿最佳FMD 工藝條件分別為26.88 min、4.12 kg/100 kg（白心火龍果）和23.5 min、3.44 kg/100 kg（紅心火龍果）。Abbasi 等[28]研究了不同干燥溫度、發(fā)泡劑（蛋清蛋白）和泡沫穩(wěn)定劑（甲基纖維素）對MFD 酸櫻桃粉理化性質的影響，結果表明，MFD 可以在較低的溫度和較短的干燥時間內得到高品質櫻桃粉。為了提高桑葚粉干燥效率及產品質量，李斌等[24]采用熱風泡沫干燥（hot air foam drying，HAFD）與中短波紅外泡沫干 燥（short and medium wave infrared foam drying，SMIRFD）制備桑葚粉，分析干燥方式對桑葚粉色澤、粒徑、微觀結構等指標的影響，研究表明，F(xiàn)MD 有利于桑葚果漿中水分的散失，SMIRFD 在70 ℃能夠制備高質量的桑葚粉。曾廣琳等[29]以水分活度、微觀結構、晶體形態(tài)為評價指標，分別對HAD、微波泡沫干燥（microwave foam drying，MW-FD）和FD 所得的番木瓜粉進行分析，研究表明，雖然MW-FD 番木瓜粉水分活度與褐變程度最高，綜合考慮其玻璃化轉變溫度和自由基清除能力，MW-FD能生產出較高品質的番木瓜粉。

6 折射窗干燥

RWD 又稱“偏流窗”干燥，是一種利用傳導和輻射的新型薄層干燥技術，RWD 將經過調制處理的漿類物料快速干燥成粉狀物料。RWD 以循環(huán)熱水為熱源，在熱水表面覆蓋特制的聚酯膜，將果肉等濕料均勻地噴灑在聚酯膜上。熱量通過聚酯膜傳遞到濕物料，物料蒸發(fā)的水蒸氣通過排風機迅速排出，加速物料脫水，物料與聚酯膜分離，達到干燥終點[30]。RWD 采用95～97 ℃熱水作為熱源，可有效提高干燥效率。由于在低溫常壓條件下操作，RWD 能在很大程度上保持產品的色澤和營養(yǎng)成分，具有干燥周期長、能耗低等特點，但干燥設備占地面積過大限制了其在干燥領域中的應用。

RWD 可將果蔬切片、果蔬漿和果蔬汁等物料加工成片狀、粉狀或其他形狀產品，而不損失其中的熱敏性營養(yǎng)成分。張衛(wèi)鵬等[30]以胡蘿卜漿為原料驗證了自行設計的RWD 裝置，結果表明，與HAD 胡蘿卜漿相比，2 種RWD 方式的干燥時間縮短了150%，且品質顯著提高。Azizi 等[31]研究了獼猴桃的RWD 的干燥動力學，探討了干燥溫度、切片厚度和聚酯膜厚度對干制品品質的影響，結果表明，RWD 干燥獼猴桃不僅干燥時間短，還能使獼猴桃的品質、結構和組織保持較好的完整性，RWD 可作為處理高價值食品、保健品和食品補充劑的干燥工藝。Deependra 等[32]研究了遠紅外輔助折射窗干燥（FIR-RWD）對蘋果切片的干燥動力學與產品理化特性的影響，與單獨RWD 和HAD 相比，F(xiàn)IR-RWD 分別縮短了50%和69%的干燥時間，在更好地保留原有的營養(yǎng)物質與風味物質的同時，改善了產品的多孔結構，是熱敏性產品干燥的優(yōu)良選擇。Shende 等[33]采用響應面法對RWD 芒果的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，確定了最佳的干燥條件為干燥溫度95 ℃，果漿厚度2.49 mm。此外，還與托盤干燥和烘箱干燥進行了比較，發(fā)現(xiàn)RWD 干燥時間短、營養(yǎng)物質保留率高的同時，粉末顆粒表面光滑且厚度均勻。Tontul 等[34]比較了HAD 和RWD 對山茱萸粉的理化性質的影響，結果表明，與HAD 相比，RWD 具有更好的干燥效果，RWD溫度對山茱萸粉物性影響不大，山茱萸粉最適RWD 溫度為90 ℃。

7 電流體動力學干燥

EHD 又稱高壓電場干燥，是一種利用高壓電場產生的電暈風與放熱相互作用導致食品中的水分快速蒸發(fā)的新型干燥技術。EHD 主要是在高壓電場下，電極附近空氣等介質會被擊穿，并使其攜帶電荷，在電場力的作用下定向移動，由此形成離子風，離子風的作用導致干燥物料內的水分蒸發(fā)和傳熱傳質增強[35]。EHD 是一種基于介質擊穿的非熱干燥技術，具有成本低、能耗少的優(yōu)點，適合于熱敏性固體和半固體物料的干燥，但存在后期干燥速度下降且會產生臭氧的問題。

EHD 在物料干燥過程中，不同的電場條件對干燥速率有很大的影響。王云龍[36]研究了不同電壓、鋪放量和針極距離對花椒干燥水分比和干燥速率的影響，并采用Box-Bohnken 中心組合設優(yōu)化了EHD 花椒的干燥參數(shù)，結果表明，針極距離對花椒EHD 干燥影響不顯著，而電壓越高，裝載量越少，干燥時間越短；花椒EHD 干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為電壓19.87 kV、鋪放量54.55 g、針極距離3.83 cm。Ding 等[37]研究了不同電壓對EHD 干燥胡蘿卜片的干燥速率和產品品質的影響，結果表明，干燥速率隨著電壓的增加而增加，與HAD 相比，EHD 干燥的胡蘿卜片具有更高的胡蘿卜素含量和更優(yōu)的復水性能。Yu 等[38]研究了EHD 對馬鈴薯片的含水率、外觀、復水率、可溶性還原糖含量等指標的影響，結果表明，電壓和針極距離對干制品的復水率有顯著影響，而對可溶性還原糖的影響不顯著，EHD 能顯著加快馬鈴薯片的干燥速度且成品不發(fā)生褐變；馬鈴薯片EHD 干燥工藝的最佳參數(shù)為電壓20 kV、針距4 cm。Polat 等[39]研究了EHD、HAD 及二者聯(lián)合干燥對杏子的干燥動力學、顏色、復水率及微觀結構的影響，結果表明，EHD 與HAD 聯(lián)合干燥成品的復水率高于單獨HAD 或EHD，聯(lián)合干燥在降低能耗和縮短干燥時間的同時，生產出較優(yōu)品質的干制杏子。

8 結論與展望

與傳統(tǒng)干燥方法相比，新型干燥工藝能有效提高果蔬的干燥效率，減少干燥過程中營養(yǎng)物質和風味物質的損失，保證產品質量。盡管新型干燥具有能耗低、干燥時間短、產品品質高等特點，但干燥工藝和干燥設備的結合性差，許多干燥理論的研究尚處于探索階段，缺乏與實踐的結合，所以應加強理論與實際結合，提高新型干燥技術的一體化和設備的全程自動化水平，從而推進果蔬干燥的產業(yè)化。同時，針對加熱物料的特性和食品加工工藝的要求選擇適合的加熱方法進行聯(lián)合，從而提高加熱效率，縮短加熱時間，最大限度地保持食品原有風味和營養(yǎng)成分，是未來果蔬干燥行業(yè)的發(fā)展趨勢，且應向著理論的完善和推廣范圍擴大的方向不斷發(fā)展。因此，應該更大力度地開發(fā)與研究新型果蔬的聯(lián)合干燥技術，使其優(yōu)勢互補，發(fā)揮其最高價值。