預處理及級聯干燥在熱泵干燥食品中的應用

羅靜，李敏，關志強

（1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東湛江524088；2.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

干燥在改善食品的風味和口感上具有重要作用[1]，同時，采用干燥方法可除去食品中的大部分水分，防止食品腐敗變質，延長食品的貯藏期，且食品經過干燥后，體積減小，運輸方便。傳統的干燥方法主要有自然干燥、熱風干燥、微波干燥、真空冷凍干燥和熱泵干燥等[2]。其中，熱泵干燥技術是一種常壓節能型干燥技術，且能實現低溫干燥，改善產品的品質[3]，結合其他預處理方式還可以縮短干燥時間[4]，干燥環境容易控制[5]。特別適應于水產品等熱敏性食物的干燥加工[6]。但熱泵干燥過程中會出現干燥前期速度快，后期干燥速度慢的現象，且低溫下干燥時間長會由于微生物的作用引起品質的異變。為了有效地利用熱泵干燥的優勢，而又避免這些不利現象的發生，借助于相關技術的發展，業內專家做了大量改善性熱泵干燥工藝的研究工作[7-11]。積極開發有效利用熱泵干燥結合預處理技術或與其他級間聯合干燥方式的新工藝，以滿足不同干燥材料的工藝需求。因此，本文將通過綜述近年來熱泵干燥技術的應用，以及預處理結合熱泵干燥、熱泵-熱風聯合、熱泵-微波聯合、熱泵-紅外聯合和熱泵-真空凍干聯合技術在食品干燥中的應用現狀，為熱泵干燥技術的開發應用和新型熱泵工藝的推廣提供參考。

1 熱泵干燥技術在干制食品中的應用

熱泵干燥技術自被開發以來一直廣泛應用于農產品干燥加工中。不同的熱泵干燥工藝參數條件直接影響著干燥物料的品質和性能。干燥溫度、風速、濕度以及干燥過程等工藝參數的調節及與不同干燥物料的匹配一直受到研究者和使用者的廣泛關注。比如在干燥鲅魚過程中，研究表明分段式升溫熱泵干燥與恒溫干燥相比，不但可以縮短干燥時間，還可以提高產品品質[12]。在綠豆干燥過程中也得到類似結果[13-14]。此外，干燥溫度和風速也是影響干燥品質的主要原因之一。在干燥腌干魚制品過程中采用30 ℃、1.5 m/s 條件進行干燥，相較于其他的溫度和風速條件得到的產品品質更好[15]。在45 ℃、3.5 m/s 條件下干燥菠蘿蜜，干制品品質最佳[16]，同時說明了不同的干燥物料匹配不同的干燥工藝條件。水產品是一類易腐食品，且營養豐富口感好，干燥是原味保存和改善風味的常用加工方式。但水產品主要成分是水和蛋白質，在干燥過程中，品質容易下降。特別在25 ℃條件下干燥時間過長容易發生腐敗變質導致品質下降，而高溫下干燥又會因為其所含肌球蛋白和肌動蛋白的熱敏性容易發生變性，同樣導致品質下降。所以干燥過程的工藝調節和匹配顯得尤為重要。研究發現當加熱溫度45 ℃時，魚肉蛋白質未出現變性，當加熱溫度在55 ℃～65 ℃時，肌球蛋白發生變性，繼續加熱到70 ℃時，魚肉的蛋白質發生完全變性[17]。而熱泵干燥裝置可以通過調節干燥過程溫度來適應干燥物料的品質要求，干燥水產品通過熱泵干燥技術進行干燥，可得到品質較好的產品[18]。在對小黃魚干燥時發現，采用55 ℃熱泵干燥，產品品質最佳[19]。此外，熱泵干燥過程進行濕度控制，可強化傳質，縮短干燥時間、降低成本。如蘋果片干燥過程中，熱泵干燥時間比熱風干燥時間縮短30%[20]。在雙華李干燥過程中，熱泵干燥時間比自然干燥時間縮短66.67%；與傳統土爐干燥相比，成本降低50%[21]。其它，如佛手涼果[22]、檳榔[23]等干燥中，采用熱泵干燥，均降低了成本。由此可見，熱泵干燥相較于傳統熱風干燥和自然風干在干燥時間和干燥品質上的優勢明顯。

2 預處理在熱泵干燥食品中的應用

熱泵干燥前進行適當的預處理，可在有效縮短干燥時間的同時，獲得更好的干制品品質。常見干燥預處理包括滲透預處理，超聲波預處理，微波預處理，凍融預處理，真空預處理或幾種預處理方式的聯合等。

滲透是指在一定溫度條件下，將生物組織浸入高濃度溶液中，利用細胞膜的半透性進行脫水的一種方法[24]。Karim OR 等[25]將蔗糖滲透預處理后的菠蘿進行熱風干燥的研究表明，經過滲透壓脫水可以減少整體干燥時間，且干制品品質變好。Vega-Gálvez 等[26]研究發現在辣椒干燥前加入NaCl、CaCl2可以提高干品品質。預先采用油酸乙酯加碳酸鉀溶液浸泡黑葡萄，然后進行熱風干燥，可以獲得最短干燥時間[27]。西班牙學者Contreras 等[28]發現滲透前處理會影響草莓熱風干燥的結構特征。吳陽陽等[29]研究發現不同滲透劑處理后的熱泵干燥羅非魚片其干燥時間均能大大減少，最大減幅達到31%，且滲透預處理后的干制品其復水性、質構、色澤和蛋白質的變性程度都得到很好的改善，所以合適的滲透預處理可以提高羅非魚片熱泵干燥的綜合性能。

超聲波預處理時，物料因反復受到壓縮和拉伸作用而不斷收縮和膨脹，形成海綿效應。有利于除去與物料結合緊密的水分[30]。功率超聲波使物料產生微觀孔道，提高水分有效擴散系數，對后續干燥產生有利影響。蘋果經超聲波預處理后，可縮短干燥時間31%，提高孔隙率9%～14%，同時復水率發生改變[31]。研究表明，超聲波聯合熱風干燥有效提高干燥過程中水分傳熱傳質效率[32]。超聲波也經常結合滲透使用，M.Nowacka 等[33]發現，超聲波有利于滲透時傳質作用，形成微觀通道，細胞內部水分重新分配。可見，超聲波的空穴作用等改善物料中水汽逸出的微觀通道，提高傳熱傳質效率。通過超聲波的促滲透作用使得滲透液能夠較充分地滲入物料組織結構中，從而最大可能的保護物料品質。在豬背最長肌滲透試驗中發現，采用超聲波輔助滲透有利于NaCl 滲入[34]。此外，有研究發現經過超聲波滲透處理后，樣品達到較高的玻璃態轉變溫度所需時間比常規滲透樣品所需時間短[35]。對鱈魚片采用超聲波處理，其干制品復水率增加，硬度減小，白度值增加（相比于低溫干燥）[36]。另有研究指出超聲波處理輔助腌制牛肉可以加快腌制液的滲透速度，縮短腌制時間。超聲破壁處理后竹材紋孔通道的變大變深更加易于液體的流通[37]。超聲波輔助滲透預處理能提高分子熱運動加快化學反應速率等，能達到促進水分逸出和溶質滲入的雙重效果。

凍融是指將食品先凍結后解凍的過程，經凍融后的食品組織結構容易脫水。干燥前適當的凍融預處理能縮短干燥時間，提高產品品質。經凍融預處理后的甘薯粉，可以提高干制品品質，另外研究發現經過適當次數凍融的甘薯粉品質比經一次凍融后的干制品品質更好[38]。熱泵干燥羅非魚片經合適的凍融預處理后，熱泵干燥的羅非魚片其產品品質更佳[3]。此外，添加劑預處理后羅非魚片進行凍融-熱泵干燥，可以縮短干燥時間且得到的干制品品質更佳。凍融處理能打開分子內或分子間氫鍵，增大原料的孔隙度，凍融還能疏松膠體結構，并促進分子鏈有序排列[39]。

此外，有研究表明，物理和化學預處理方法的組合使用，對產品品質的改善效果優于單一處理方法。羅非魚首先采用海藻糖溶液滲透、不同功率的超聲波輔助和凍融循環等預處理，可以大大提高產品品質[40]。此外，李敏等[39]也發現羅非魚片經過適宜濃度的添加劑滲透后，再結合凍融-熱泵進行干燥，產品品質接近真空冷凍干燥的干品，但成本卻大大降低。利用脈沖真空結合滲透預處理后熱泵干燥的羅非魚片干品，與常壓滲透對照組相比，其白度指標提升了17.9%，復水率提升了80%，Ca2+-ATPase 活性提升了93.6%。脈沖真空條件下的浸漬預處理大幅度提升熱泵干燥羅非片的綜合品質[41]。同樣，采用糖煮、糖浸和凍融三者組合對甘薯進行預處理，結果發現干燥后的產品品質比單一或者糖煮、糖浸組合處理的品質好[42]。

3 熱泵干燥與其它干燥技術聯合在干燥食品中的應用

3.1 熱泵-太陽能聯合技術

太陽能是一種可再生資源，我國太陽能資源豐富，其中常年被太陽照射超過2 200 h 的地區約占2/3，年照射總量大約有5 000 MJ/m2[43]。由于太陽能受天氣影響大，因此當采用太陽能干燥時，其干燥過程不是連續的，從而導致產品品質下降。將太陽能與熱泵聯合使用，可完整發揮各自的優勢[44]，因此，太陽能熱泵干燥裝置的運行模式開發及其工藝的研究一直備受研究者關注[45-46]。熱泵-太陽能干燥模型的能量損耗研究中發現，熱泵-太陽能聯合系統在干燥過程中能耗的損失減少了40.53%[47]。采用熱泵-太陽能聯合技術干燥羅非魚片，不僅可以節約能耗，還可以提高干制品的復水率和貯藏穩定性[48]。采用熱泵-太陽能聯合技術干制新鮮的香菇時，能耗和品質均達得了預想的效果[49]。此外，采用太陽能-空氣源熱泵聯合技術干燥枸杞，不僅可提高枸杞品質，而且比單一熱泵干燥節約29.5%電能[50]。

3.2 熱泵-熱風聯合技術

熱泵干燥的低溫優勢特別適應于熱敏性物料的干燥。但是，干燥溫度低會使得物料持續處于傳熱控制階段，干燥速率下降，干燥時間長，導致產品色澤和品質下降[51]。將熱泵-熱風聯合使用，既可縮短干燥時間，又可提高產品品質[52]。采用熱泵-熱風組合干燥南方波紋米粉絲，干燥能耗降低且干燥時間比單一熱泵干燥時間、熱風干燥時間分別縮短15.63%和25.00%[53]。此外，徐建國等[54]研究表明，采用熱泵-熱風組合技術也可以提高胡蘿卜干制品品質。同樣，對小黃魚的干燥實驗中發現，熱泵-熱風組合干燥過程的耗能降低了34.6%[55]。

3.3 熱泵-微波聯合技術

微波是一種快速脫水的新型干燥技術，干燥食品厚度只要在微波穿透范圍內，在干燥過程中是內外同時開始加熱。但微波干燥存在干燥不均，終點不易控制，產品邊緣或者尖角容易出現焦化等缺點。而熱泵干燥技術在后期干燥過程中水分難以去除，導致干燥速率降低、耗能大，隨著干燥時間的延長蛋白質容易發生變性。兩者技術聯合使用可以實現優勢互補[56]。荔枝采用熱泵微波聯合干燥工藝進行干燥，較好地解決了表面塌陷，色澤不好的問題，干燥速率也大大提高[57]。羅非魚片利用熱泵-微波聯合技術干燥，干制品的蛋白質變性程度與兩者單一干燥相比大大減少、且口感和色澤度大幅度提高[58]。刺參采用微波熱泵聯合干燥技術進行干燥明顯地提高了其復水率和減小干燥的收縮變形，且不同的轉換點參數會影響其綜合品質[9]。采用熱泵-微波聯合技術干燥豌豆，發現干燥后的豌豆抗氧化酶和發芽性都比單一干燥優勢明顯[59]。研究者還發現，采用熱泵-微波聯合技術能促進部分果蔬香氣物質的增加和轉化[60]。

3.4 熱泵-真空凍干聯合在食品干燥加工中的應用

真空冷凍干燥技術是目前公認的最好的干燥技術，能很好的保持干燥食品的色、香、味和形，但干燥時間長，成本高[61]，很難在常規食品干燥中推廣應用。采用熱泵-真空冷凍干燥聯合技術干燥食品，實現分階段干燥工藝鏈接，可以獲得接近真空凍干品質的產品，還可大大縮短干燥時間，降低干燥成本。香菇采用熱泵-真空凍干聯合技術進行干燥其耗能比單一真空冷凍干燥的能耗降低37.69%，且綜合品質比熱泵干燥大有提高[62]。南極磷蝦采用熱泵-真空凍干聯合技術進行干燥，磷蝦干制品品質與真空冷凍干燥品質接近，且干燥時間比單一的熱泵干燥和真空冷凍干燥時間縮短一半[63]。同樣，青豆采用多級熱泵-微波真空凍干組合技術進行干燥，產品品質接近真空冷凍干燥產品的品質[64]。

3.5 熱泵-紅外聯合技術

紅外干燥技術是指食品中的水分吸收紅外輻射能量產生熱量，水分由內往外擴散從而達到干燥效果。但對食品進行紅外干燥時，容易產生受熱不均現象，且后期干燥速度慢，終點溫度不易確定等缺點[65]。采用熱泵遠紅外聯合技術干燥金銀花其干燥時間比單一熱泵干燥時間縮短52.1%，且提高干制品的綜合品質[66]。同樣，在胡蘿卜上，采用熱泵遠紅外聯合技術進行干燥也得到類似的效果[67]。

4 結論

熱泵干燥技術是一種節能干燥技術，可實現常壓低常溫低濕度干燥，有著不可替代的技術優勢，其與普通的熱風干燥相比具有品質高能耗低的特點。但隨著熱泵技術在不同類型食品干燥中的推廣應用，其低溫干燥導致的后期干燥速率變小，干燥時間延長，產品的色澤和品質下降的缺點開始引起人們關注。目前人們對常規熱泵干燥技術的研究已經很成熟了，現有的研究都是在常規熱泵干燥技術的基礎上進行工藝上改善，或者干燥物料匹配的工藝參數的研究。在充分利用熱泵干燥優勢的前提下，利用其它技術措施彌補其不足。特別是對含熱敏性物質的物料的工藝研究，各種預處理方式及其結合，聯合干燥方式的出現都從不同角度對純熱泵干燥技術進行很好的改善。諸如熱泵-太陽能聯合干燥工藝、熱泵-熱風組合干燥工藝、熱泵-微波聯合干燥工藝、熱泵-紅外聯合干燥工藝和熱泵-真空凍干組合干燥工藝等能彌補單一熱泵干燥技術的不足，達成優勢互補。合適的組合和干燥轉換點的匹配能縮短干燥時間和提高產品品質。其中熱泵-真空冷凍聯合干燥制得的產品品質能接近真空冷凍干燥制品的品質且大大減少耗能，是替代真空凍干技術研究的重要方向之一，但目前國內很少采用熱泵-真空冷凍干燥聯合方法干燥食品，因此熱泵-真空冷凍干燥聯合方法具有較大的開發和研發應用前景。