紅外干燥技術在果蔬加工中的研究現狀與展望

鄭霞　萬江靜　高振江　肖紅偉　潘忠禮　馬海樂　唐明祥　姚雪東

摘要：紅外輻射加熱干燥是利用紅外加熱器發射出的紅外線照射到被加熱物料上，并被吸收轉化成熱能而實現加熱和干燥，具有干燥時間短、產品品質較好和營養損失少、裝備結構簡單、形式多樣、占用空間小等特點，是一種節能環保的干燥技術。在闡述當前國內外果蔬紅外干燥加工及聯合其他干燥技術研究應用現狀的基礎上，提出紅外聯合其他干燥技術是今后的研究方向和發展趨勢。

關鍵詞：紅外；聯合干燥；微波；真空；冷凍；果蔬；現狀；展望

中圖分類號： TS255.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0001-06

果蔬富含維生素、有機酸、礦物質和膳食纖維等營養成分，而干燥脫水是果蔬安全貯藏和延長貨架期最常見的一種加工方式之一。目前的果蔬干燥技術主要涉及自然晾曬、烘房干燥、熱風干燥、微波干燥、噴霧干燥、低溫真空干燥、真空脈動干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥、氣體射流沖擊干燥、低壓過熱蒸汽干燥、射頻干燥和紅外輻射加熱干燥等。

紅外輻射加熱干燥是利用紅外加熱器發射出的紅外線照射到被加熱物料上，并被吸收轉化成熱能，從而實現加熱和干燥的一種方法，主要影響因子有干燥溫度、切片厚度、輻射距離和紅外功率等[1-2]。紅外輻射是指波長范圍介于微波和可見光之間、波長為0.76～1 000 μm的電磁波。根據波長的不同，紅外輻射分為近紅外、中紅外和遠紅外，其中遠紅外波長為4～1 000 μm [3-5]。在農業物料加工中，紅外加熱技術主要以遠紅外輻射為主，這是由于農業物料在2.5～100 μm中紅外和遠紅外輻射中吸收能量的效率最高[2-3]。

1 國內外果蔬干燥脫水研究現狀

果蔬紅外干燥的研究以干燥動力學研究居多，影響因素主要包括2個方面：一是物料本身特性，包括結構特性、生物特性、理化特性及熱物理特性等內在因素；二是供熱條件，包括供熱參數與供熱方式，供熱參數又包括輻射加熱溫度、加熱功率、干球及濕球溫度、氣流方向與速度等，供熱方式又包括恒條件供熱和變條件供熱，快速升溫或慢速升溫以及恒溫時間、降溫方式等外在因素。綜合內在因素與外在因素，探明不同物料內部的水分如何擴散到表面，如何從表面蒸發，就是研究水在物料內部遷移或擴散過程受到哪些阻力，這些阻力又與物料的結構及吸取外界的能量有何關系，即研究濕物料的傳熱、傳質特性。在干燥過程中，被干物料的性質如結構、形狀、大小、熱穩定性及化學穩定性等，都是決定干燥工藝的重要因素，尤其水與不同類物料結合產生新的特性對干燥作用的影響更大。

1.1 單一紅外輻射

近年來，國內外一些學者積極開展將紅外輻射加熱技術應用于食品和農產品干燥等的研究。2005年，Nowak等對蘋果片進行紅外干燥與熱風干燥2種方法的對比試驗發現，采用紅外干制的蘋果片干燥速率和效率更高，外觀品質較好，但紅外線穿透深度僅約為10 mm，因此，蘋果片的厚度不宜超過10 mm；干制蘋果片的內部結構變化與干燥速率有關而與干燥方式無關，干燥速率越大，內部產生的收縮應力越大，當應力超過物料本身的最大形變力就會發生形變[5]。2006年，Gabel等研究60、70、80 ℃循環熱風條件下利用催化紅外加熱洋蔥和強制空氣對流加熱條件下干燥洋蔥時發現，催化紅外干燥洋蔥，無論有無熱風循環都能縮短干燥時間，且紅外溫度較低和強制空氣對流溫度較高時洋蔥顏色發白略黃，品質較好，紅外溫度過高和強制空氣對流時間越長，洋蔥顏色變深；催化紅外干燥的洋蔥，其酵母菌和微菌數量與強制對流干燥相比大大減少，催化紅外加熱用在洋蔥干燥的早期階段比較合適[6]。2008年，Shi等對新鮮藍莓和浸糖藍莓進行紅外干燥特性和品質研究，結果表明，相對于熱風干燥，紅外干燥的藍莓樣品質地好，干燥時間明顯縮短[7]；同年，研究藍莓大小和氫氧化鈉預處理對紅外干燥特性的影響，結果表明，干燥速率隨藍莓尺寸減小而增加，氫氧化鈉預處理提高了干燥速率，加速了水分擴散，減少了高溫干燥條件下藍莓的破損[8]。2008 年，Jezek等研究紅外溫度、樣品尺寸和樣品處理對芹菜干燥特性的影響，結果發現，75 ℃時放置在最高處的樣品，其有效擴散系數是 3.97×10-8 m2/s；50 ℃放置在最低處的樣品，其有效擴散系數是2.33×10-8 m2/s[9]。2009年，Zhu等研究紅外殺青和蘋果片干燥，結果表明，隨紅外輻射強度的增大和蘋果片厚度的減小，物料表面的溫度升溫快，有利于加速干燥失水和酶失活，紅外加熱可用于高品質果蔬加工的局部脫水和滅酶[10-11]。2011年，Doymaz研究了104、125、146、167 W不同紅外功率對甘薯片干燥特性和復水比的影響，結果顯示，紅外功率增加可以縮短干燥時間，建立的對數模型較好；水分有效擴散系數受紅外功率影響較大，在1.31×10-10～3.66×10-10 m2/s之間發生變化[12]。2013年，Hosain等研究蘑菇在50～90 ℃遠紅外干燥溫度條件下的干燥特性發現，干燥過程為降速干燥，干燥時間在60～168 min范圍內，適合對數模型；水分有效擴散系數隨溫度增加而增加，并在8.039×10-10～2.061 8×10-9 m2/s 范圍內變動；水分則隨溫度增加而減少；蘑菇片干燥的能耗為2.87～5.36 kW/h[13]。2013年，Li等研究在不使用堿液和水的情況下利用紅外加熱去除番茄表皮，試驗結果顯示，紅外加熱30～75 s，去皮損失減少8.3%～15.8%、皮厚變薄0.38～1.06 mm；相似去皮容易度的情況下，去皮樣品的質地有所提高；紅外加熱增加了番茄皮的彈性模量，減少了皮的黏合度；紅外加熱容易使番茄表皮裂碎，表層皮膜熔化、細胞層分裂、細胞壁被破壞，從而引起番茄皮分離[14]。2013年，尹旭敏等對茶樹菇進行60 ℃熱風干燥、70 ℃真空干燥和70 ℃遠紅外干燥等3種干燥方法對比，研究干燥方法對茶樹菇復水比、外觀品質和游離氨基酸等干制品質的影響，結果表明，3種不同干燥方法對茶樹菇干制樣品的復水比、外觀品質、色澤和游離氨基酸等干制品質影響較大，其中茶樹菇干制樣品復水比大小依次為遠紅外干燥>熱風干燥>真空干燥，干制樣品及其復水后的外觀品質優劣依次為遠紅外干燥>熱風干燥>真空干燥，遠紅外干燥和熱風干燥的干制樣品色澤明顯優于真空干燥；不同干燥方法所得茶樹菇干制樣品間的色差、亮度和黃色差異極顯著，紅色差異顯著；干制樣品中的氨基酸總量大小依次為真空干燥>熱風干燥>遠紅外干燥；遠紅外干燥的樣品復水性及外觀品質等都優于熱風和真空干燥[15]。2014年，Xu等研究在2.4、3.0、5.0、6.0 μm不同紅外波長干燥條件下對海藻溫度分布和物料內外表面溫度變化的影響，并檢測樣品干燥前后的復水比、顏色和質地等品質指標，結果表明，紅外干燥時間海藻約需120 min，比熱風干燥需275 min時間縮短了56%；紅外波長為2.4 μm時干燥的樣品和熱風干燥的樣品比較一致，干燥速率較高，該樣品在硬度、彈性、黏性和咀嚼性等較接近燙漂樣品，紅外干燥海藻具有較大利用潛力[16]。2014年，Qi等研究在熱風干燥、間歇紅外干燥和微波噴動床等3種不同干燥條件下香菇的顏色、質地和復水能力，結果顯示，熱風干燥與紅外和微波噴動床干燥相比，香菇干燥時間更長，品質更差；微波噴動床干燥的香菇其復水后最接近原材料，感官好、總糖含量高、品質優[17]。2014年，Azam等采用熱風干燥、射頻干燥、紅外干燥和微波輔助熱風4種方法研究干燥后生菜的顏色、密度、微觀結構、復水能力和質地等干燥品質特性，并對比其干燥時間，結果表明，300 g生菜片在射頻干燥條件下的干燥時間最短，為120 min；其次是微波輔助熱風，時間為140 min；紅外干燥時間是180 min，熱風干燥時間最長，需要360 min；射頻干燥的樣品均勻，品質在4種干燥方法中最好[18]。

1.2 果蔬紅外聯合干燥技術

紅外技術應用于食品干燥比一般干燥方法優越，就此學者們已達成共識。與對流加熱干燥等相比，紅外加熱干燥具有干燥時間短、干制品品質好、節約能源、裝備結構簡單、形式多樣、占用空間小等優點[15-16]。然而，單一紅外干燥技術也會存在許多不足。近年來，研究人員積極探索一種能揚長避短和優勢互補的果蔬紅外干燥技術，即紅外聯合干燥技術，該技術依據果蔬的特性，將包括紅外技術在內的2種或2種以上的干燥方式復合使用。目前，已有的果蔬紅外聯合干燥技術有紅外聯合熱風干燥、紅外聯合熱泵干燥、紅外聯合微波真空干燥、紅外聯合真空干燥、紅外聯合氣體射流沖擊干燥、紅外聯合過熱蒸汽干燥、紅外聯合流化床干燥等。

1.2.1 果蔬紅外聯合熱風干燥 熱風干燥能及時帶走物料表面蒸發的水汽，使內部水分得到擴散。遠紅外輻射能使物料內部水分得到加熱，形成內高外低的溫度梯度，特別在后期，這種梯度更為明顯，且與水分梯度方向一致。

1997年，王俊等對香菇進行遠紅外與熱風聯合干燥試驗，改變2種干燥方法的順序、溫度、轉換點含水率及緩蘇時間4個因子，分析這4個因子對干燥質量、脫水速率和單位能耗的影響，結果表明，熱風聯合遠紅外干燥效果優于單一熱風干燥和遠紅外干燥；以質量為主要目的，宜采用先熱風低溫后遠紅外高溫；以干燥速率為目的，宜采用先熱風后遠紅外；以降低單位能耗為目的，則宜采用遠紅外高溫[19]。2005年，Kumar等對洋蔥進行紅外聯合熱風干燥，以洋蔥顏色、丙酮酸含量和風味為評價指標，分析洋蔥在不同紅外溫度、洋蔥片厚、空氣溫度和氣流速率條件下的干燥特性，結果表明，2 mm厚洋蔥片在低溫60 ℃、風速2 m/s和空氣溫度40 ℃條件下風味和顏色較好，相比單一紅外干燥和熱風干燥，紅外聯合熱風干燥洋蔥的時間較短、品質較好[20]。2007年，孫傳祝等將紅外聯合熱風干燥技術應用于蔬菜脫水發現，紅外聯合熱風干燥速率遠高于單一的熱風干燥[21-22]。2013年，高飛對紅棗進行微波、遠紅外、真空冷凍及熱風聯合干燥試驗，并對干燥成品的斷面進行電鏡掃描發現，熱風聯合紅外所得產品其組織間的空洞明顯較大而均勻，各干制樣品感官品質優劣順序為熱風聯合真空冷凍>熱風聯合紅外>單一真空冷凍>熱風聯合微波>單一熱風>單一紅外>單一微波，熱風聯合紅外干燥對紅棗進行干燥技術可行，干制成品果肉組織變形率小，能夠較大程度保持紅棗原有的形狀[23]。2014年，Sui等研究順序紅外、對流、順序紅外-對流干燥釀酒對葡萄渣的干燥特性、滅菌效果及果渣對多酚和花青素含量的影響，結果表明，紅外干燥具有較高的干燥速率，相比其他的干燥方法，其干燥時間可縮短47.3%，順序紅外和對流干燥比單一對流干燥速率高；單一紅外干燥和90 ℃對流干燥時，酵母存活率、霉菌和細菌最小，高溫殺菌效果好；順序紅外對流干燥過程中，延長紅外加熱階段的干燥時間，不能達到很好的滅菌效果；單一紅外方法干燥的釀酒葡萄渣多酚和花青素含量高，降低干燥溫度，能減少這2種物質的損失[24]。2015年，謝小雷等研制適用于肉干加工的連續式脫水中紅外-熱風干燥設備（圖1），包括進料段、加熱段和出料冷卻段3個單元，其中加熱段由輸送系統、加熱系統、對流循環系統和控制系統等組成，該設備通過紅外加熱波長的定向設計及輻射強度的有效控制，加大紅外輻射能的利用，提高脫水效率。試驗研究比較分析了該干燥設備與傳統熱風干燥設備對牛肉干脫水效率及品質的影響，結果表明，在加熱功率105 kW、加熱溫度70 ℃、熱風風速1 m/s、冷卻風速3 m/s、加熱距離8 cm的相同條件下，連續式干燥設備能夠加快牛肉干肌肉蛋白的變性，降低干燥活化能，減少脫水所需的能量，降低干燥耗時，提高生產效率，與傳統熱風干燥設備相比，其活化能和干燥耗時分別降低10.33%和57.14%，生產效率提高了2倍[25]。

1.2.2 果蔬紅外聯合熱泵干燥 熱泵干燥是在35～55 ℃較低溫度下對果蔬進行脫水，其特點是干燥過程中不易發生熱敏反應、氧化變質等問題，物料的營養成分及色澤風味損失較少。

2009年，徐剛等將熱泵與遠紅外輻射聯合干燥用于胡蘿卜片的干制，研究不同預處理條件、風速、遠紅外輻射強度和輻射距離對干燥速率和產品比色值的影響，發現胡蘿卜片在該聯合干燥條件下，干燥時間短、能耗低、產品質量好、加工成本低、產品色澤好、復水性好，同時可以殺菌，避免微生物污染問題，適用于大部分熱敏性物料的干燥加工[26]。

1.2.3 果蔬紅外聯合微波真空干燥 微波干燥是利用介質損耗原理，使物料中的水分子在微波作用下急劇摩擦、碰撞，使物料產生熱化和膨化等一系列變化，從而達到加熱干燥的目的。微波真空干燥是在真空條件下，將微波輻射作為加熱源進行加熱干燥的一種方法，其優點是低溫、快速、高效。

2006年，王俊等將微波干燥和遠紅外聯合用于黃桃的干制，研究紅外溫度、微波干燥功率和轉換點對黃桃含水率、干燥速率、電耗和干燥質量的影響，結果發現，采用遠紅外微波聯合干燥黃桃，其干燥效果比采用單一遠紅外干燥效果好，質量略優于單一微波干燥[27]；狄建兵等對壺瓶棗分別進行300 W微波、60 ℃遠紅外、遠紅外-微波聯合及60 ℃電熱恒溫干燥發現，遠紅外聯合微波干燥的成品總糖含量最高，聯合干燥34 min僅次于單一微波干燥10 min，且干制品品質較高[28]。2014年，曾目成在單一微波真空干燥和單一中短波紅外干燥獼猴桃片的基礎上，對獼猴桃片進行中短波紅外與微波真空的組合干燥，結果發現，先中短波紅外后進行微波真空干燥的獼猴桃片，感官品質較差且色澤惡化嚴重，可行性不好，而采用先微波真空后中短波紅外聯合干燥獼猴桃片所需干燥時間短，產品品質明顯比單一干燥好，其干燥工藝為460 W微波干燥干制至水分含量為70%，轉用60 ℃中短波紅外干燥至終點[29]；Motevali等對蘑菇進行紅外干燥、微波干燥、紅外聯合熱風干燥和紅外聯合微波干燥的能耗分析發現，紅外聯合微波干燥能最大程度上降低能耗[30]。

1.2.4 果蔬紅外聯合真空干燥 2002年，Mongpraneet等用遠紅外-真空聯合干燥方法干制洋蔥發現，輻射強度對干燥速率和樣品品質有較大影響，干燥時間越長和干燥溫度越高，樣品復水特性越差[31]。2008年，胡潔以胡蘿卜為原料，研究遠紅外真空干燥技術在果蔬干燥上的應用發現，遠紅外真空干燥過程中，干燥速率受輻射距離的影響很小，受干燥功率密度和真空度的影響較大，干燥功率密度越大，干燥速率越快，但產品質量出現下降；真空度小于0.07 MPa時對干燥速率的影響不大；干燥過程中的溫度分布及變化規律與厚度相關；以干燥產品質量為主要目的的最優參數組合為：遠紅外干燥功率密度2 W/g，輻射距離155 mm，真空度0.07 MPa [32]。2009年，徐鳳英等將真空遠紅外輻射過熱干燥技術應用于荔枝的干制，研究發現，此方法干燥荔枝，與輻射光譜匹配增大了干燥介質的過熱度，可快速去水，其去水速率明顯快于熱風干燥[33]。2014年，劉云紅等研究建立了真空近紅外干燥馬鈴薯片的數學模型，在不同干燥條件下，可利用有限差分方法數學模擬樣品溫度和水分含量，計算結果與試驗數據比較，表明不同干燥時間情況下，樣品溫度和水分的相關系數接近1.0，相對誤差小于10%[34]。

1.2.5 果蔬紅外-冷凍聯合干燥技術 2004年，Lin等對凍干甘薯進行熱風干燥、冷凍干燥和冷凍聯合遠紅外干燥對比研究發現，冷凍干燥聯合遠紅外能減少甘薯干燥時間，其干燥階段既有恒速干燥也有降速干燥[35]。2007年，Shih等將紅外聯合冷凍干燥技術用于草莓片的干制，同時也進行單一紅外、熱風和單一冷凍干燥的對比，研究表明紅外聯合冷凍干制成的草莓片，樣品顏色更令人滿意、脆性好，紅外聯合冷凍干燥方法制備草莓片不僅可以提高產品品質，還能加快處理速率同時減少能耗[36]。2008年，Pan等用順序紅外聯合冷凍對香蕉進行干燥，研究其對香蕉干燥特性和品質特性的影響，結果顯示，當紅外強度增加時，紅外加熱干燥速率比熱風干燥速率顯著提高，紅外強度4 000 W/m2時，10～38 min可以減少水分40%；經過預先脫水的香蕉片在冷凍干燥期間，比沒有預脫水的樣品干燥慢；脫水前樣品進行酸浸處理可以改善樣品顏色，其冷凍干燥時間也比未酸浸的樣品縮短；順序紅外聯合冷凍干燥方法可縮短干燥時間，得到的香蕉片品質更好[37]。

1.2.6 果蔬紅外聯合氣體射流沖擊干燥 氣體射流沖擊干燥技術是將加壓后的熱氣流通過一定形狀的噴嘴噴出，直接沖擊到物料表面而帶走物料中水分的一種干燥技術，其主要特點是熱系數高、干燥效率高。

2009年，Kocabiyik等用紅外干燥胡蘿卜片，研究不同紅外功率和氣流速度對干燥時間、單位能耗、縮水率、復水比和顏色的影響，結果顯示，干燥速率隨著干燥功率的增加而增加，當紅外功率在300、400、500 W，氣流速度在1.0、2.0 ms時，干燥時間分別為252、205、145 min和277、236、155 min，蒸發1 kg水的單位能耗為12.22～14.58 MJ，其縮水率、復水比和顏色隨干燥工藝參數的變化而變化[38]。2010年，Jaturonglumlert等對果泥進行紅外-對流聯合干燥試驗，研究其質熱傳遞過程，經過修正相關性分析，根據努塞爾數獲得偏差在±10%的質熱傳遞模型，為進一步縮短干燥時間，更好地保持果蔬干制品品質提供了技術支撐[39]。2013年，巨浩宇等采用紅外-對流聯合干燥方法研究干制蘋果片時發現，輻射溫度對干燥時間有顯著的影響，其順序為輻射溫度>切片厚度>輻射距離[40]。2014年，鄭霞等將氣體射流沖擊干燥技術和紅外輻射加熱技術相結合應用于哈密瓜片的干燥，研究不同干燥溫度、輻射距離和切片厚度對哈密瓜片干燥動力學、水分擴散系數及干燥活化能的影響（圖2），結果表明，哈密瓜片進行中短波紅外聯合氣體射流沖擊干燥可大幅縮短干燥時間，僅需2～3.5 h；使用中短波聯合氣體射流沖擊干燥技術時所需啟動干燥能量較低，水分更容易脫去，干制的成品具有色好、風味濃、不黏牙、脆性好等特點[41]。2015年，李兆路等采用對流-紅外干燥方法研究桑葚制干，結果表明，干燥溫度對干燥速率影響較紅外功率大，70 ℃對流干燥溫度和 675 W 紅外功率干燥條件下的物料品質最優，相比熱風干燥和真空冷凍干燥，對流-紅外聯合干燥大大縮短了干燥時間，提高了產品的營養品質[42]。2015年，高鶴等對番木瓜進行對流-紅外聯合干燥與熱風干燥的對比研究，結果表明，相同干燥溫度下，中短波紅外的干燥速率和復水速度均較快，復水比更大，色澤變化比較小，但其維生素C保留率卻低于熱風干燥[43]。

近期研究表明，紅外輻射加熱聯合氣體射流沖擊干燥技術為縮短片狀和小顆粒狀等果蔬的干燥時間、實施工業化生產提供了技術依據和新的選擇，對果蔬產業和農產品等物料的干燥技術升級奠定了一定的研究基礎。

1.2.7 果蔬紅外聯合過熱蒸汽干燥 低壓過熱蒸汽干燥是指過熱蒸汽直接與被干燥物料接觸而去除水分的干燥方式，其特點是能實現無氧或少氧的干燥環境，干燥過程不會出現硬殼或結皮的現象，消除了進一步干燥可能出現的障礙，產品具有多孔結構，具有干燥效率高、能耗低和干燥產品質量好等優點。

2007年，Nimmol等進行香蕉低壓過熱蒸汽聯合遠紅外的干燥和熱傳遞研究，分析干燥介質溫度和壓力對干燥動力學和熱傳遞的影響，結果表明，低壓過熱蒸汽遠紅外干燥比真空遠紅外干燥時間短，真空泵耗能比遠紅外或電加熱耗能高；低壓過熱蒸汽遠紅外和真空遠紅外比相同條件下低壓過熱蒸汽能耗低，建議低壓過熱蒸汽聯合遠紅外干燥香蕉的干燥溫度和壓力分別為90 ℃、7 kPa[44]。

1.2.8 果蔬紅外聯合其他干燥 2011年，Dondee等對大豆進行流化床與近紅外聯合干燥，由于該方法降低了豆粒內部的水分梯度和壓力，減少了物料開裂和破損減少，從而提高了樣品品質。研究在4、6、8 kW不同紅外功率、氣流速度為4.5 m/s、溫度為40 ℃、深度為6 cm的流化床等干燥條件下大豆微觀組織結構如裂紋、破損和顏色等，結果表明，隨近紅外功率的增加，干燥速率增加，而水分逐漸減少，產生的裂紋降低，可以忽略不計[45]。4、6 kW近紅外功率對泰國的大豆和動物飼料是可以接受的干燥功率。