核桃干燥技術研究進展

周良付，趙茜茜，曲文娟，馬海樂，師俊玲

1. 西北工業大學生命學院（西安 710072）；2. 西北農林科技大學葡萄酒學院（楊凌 712100）；3. 江蘇大學食品物理加工研究院（鎮江 212013）

核桃是世界四大堅果之一，含有多種不飽和脂肪酸和維生素，蛋白質含量豐富，具有很高的營養價值和經濟價值[1]。作為重要的林業經濟作物，我國核桃的種植面積和產量均居世界首位。聯合國糧農組織的統計數據顯示，2019年我國核桃的收獲面積為63萬 hm2，年產量達到了252萬 t（FAOSTAT，2019）。近年來，隨著我國核桃種植規模和產量的穩步擴大，我國的核桃加工業也取得了巨大進步[2]。

1 核桃干燥技術的研究現狀

從樹上采摘下來的核桃，經脫除青皮的鮮核桃含水量高、容易霉變、不利于儲藏和加工，需要經過及時干燥，以便于果實的長期儲藏和后續的深加工[3]。因此，干燥是核桃生產加工過程的重要環節之一，對于提高核桃產品的品質和經濟價值至關重要。目前，我國核桃加工上多采用傳統干燥方式，如自然干燥和熱風干燥等。但是，傳統干燥方式存在干燥效率低、干燥過程難以控制等缺點，對核桃的經濟價值提升有顯著影響。近年來，隨著干燥技術的發展，太陽能干燥、紅外干燥、微波干燥、射頻干燥等新型干燥技術也被逐漸用于核桃的干燥加工過程。同時，綜合不同干燥手段的發展而來的聯合干燥技術，不僅可以彌補單一干燥技術的不足，還可以獲得更佳的干燥效果。

1.1 自然干燥

自然干燥是利用太陽的自然光源直接照射核桃進行干燥的一種方法（圖1）。在自然晾曬過程中，通過連續翻動，達到干燥均勻、品質穩定的目的。自然干燥雖然經濟實用，但是干燥過程會受天氣條件和地理位置等因素限制，也需要耗費大量人工，干燥效率低、周期長、脫水效果差。

圖1 自然干燥示意圖

1.2 熱風干燥技術

考慮到自然干燥方法周期長，但鮮核桃的保存時間短、易于霉爛等問題，需要采用更加有效的方法使核桃進行及時、快速的干燥，從而保證產品品質。為此，機械化現代干燥技術逐漸用于核桃的大規模加工過程。其中，熱風干燥是目前最常用的核桃干燥技術，不僅可以消除天氣和自然條件的限制，大幅度提高干燥效率，還具有操作簡便、易于控制等優點[4]。

熱風干燥的基本原理：利用加熱裝置產生熱空氣，通過熱空氣的對流循環，使物料表面水分受熱汽化為水蒸氣，進而使物料表面與內部的水分含量形成梯度差，帶動物料內部水分逐漸向核桃表面擴散。當物料中的水分下降到一定程度時干燥過程趨于停止，最終實現物料干燥（圖2）。目前，基于熱風干燥原理的干燥設備，如盤式烘干機、滾筒式烘干機、深床式烘干機和帶式烘干機等均已被用于核桃干燥加工[3]。

圖2 熱風干燥系統示意圖

熱風干燥過程中主要包括兩個階段：恒速干燥階段和降速干燥階段。朱德泉等[5]針對山核桃熱風干燥質量難以控制、干后品質差等問題，利用自制的熱風干燥試驗臺研究了熱風溫度、裝載量及風速對山核桃干燥特性的影響，結果表明，山核桃失水過程主要處于恒速干燥階段，在熱風溫度72 ℃、裝載量0.08 kg、風速65 m/min條件下，該設備干燥效率高，能耗低，綜合干燥效果較好。王慶惠等[6]利用自行設計的核桃深層熱風干燥設備進行了干燥試驗研究，結果表明，溫度、風速和裝料深度對核桃干燥特性均有影響，核桃干燥過程只有降速階段，其最優干燥條件為溫度45 ℃、風速1.5 m/s、裝料深度1.5 m。

物料的干燥不僅受物料內在的因素如化學組成和質構所影響，也會受到物料的厚度、熱風的溫度和風速等外部因素的影響。Chen等[7-8]研究了不同溫度熱風用于帶殼核桃單層干燥過程的特性，并采用有限元方法對帶殼核桃的干燥特性進行了模擬；通過建立單個核桃的非平衡多相水分和熱傳遞模型，確定了核桃中液體水分、水蒸氣和熱量的傳遞，為改善和優化熱風干燥核桃的操作條件奠定了理論基礎。雖然熱風干燥在商業應用中相對成熟，但是存在干燥時間長、效率低、能耗大、干燥后產品的顏色和風味變化大等缺點。

1.3 熱泵干燥技術

作為核桃加工過程中一個普遍存在的單元操作，核桃干燥不僅會影響核桃產品的品質，也關系到干燥能耗和效率。因此，在保證核桃產品品質的前提下，能耗低的干燥過程對核桃生產加工的可持續發展至關重要。

熱泵干燥技術是基于逆卡諾原理，利用熱泵機組除去干燥室內濕熱空氣中水分，并通過制冷劑的相態變化產生的熱量重新加熱空氣，進而通過熱空氣循環實現物料干燥的目的（圖3）[9]。在熱泵干燥整個過程中，只需維持制冷劑的循環過程，即可產生大量熱量，還可以充分利用水蒸氣的蒸發潛熱，是一種高效節能的干燥技術[10]。利用熱泵干燥物料，所需干燥溫度較低，一般為20～80 ℃，特別適用于熱敏性物料干燥。目前，熱泵干燥技術已經被應用到多種農產品干燥加工環節。

圖3 熱泵干燥系統示意圖

李絢陽等[11]研究了核桃的熱泵干燥特性，結果發現干燥溫度對核桃干燥速率影響較大：在一定溫度范圍內，干燥溫度越高，干燥時間越短；風速則在干燥初期對核桃干燥速率影響較大，后期影響較小。劉東琴等[12]研究了深層裝載形式下的核桃熱泵穿流干燥特性，確定了熱泵穿流法干燥核桃的最佳工藝條件：溫度45 ℃、風速1 m/s、裝載深度0.9 m。陳盈希等[13]研究了以熱泵為熱源的滾筒型干燥設備干燥核桃的特點，結果表明熱泵干燥可以顯著提高核桃的干燥效率，而且所得核桃產品的色澤口感也得到提高。

1.4 太陽能干燥技術

太陽能干燥，是將待干燥的物料置于太陽能干燥裝置中，利用太陽能干燥設備將收集到的太陽能轉化為熱能，傳遞到物料中，利用熱能使物料中水分汽化，最終達到干燥的目的（圖4）。太陽能干燥可以高效利用太陽能，相較于自然干燥提高了干燥效率；相比于熱風干燥降低了能源成本。但是，太陽能干燥也會受到當地環境和光照資源的影響，存在干燥周期不穩定、干燥效率低等缺點[14]。

圖4 太陽能干燥系統示意圖

郝文剛等[15]利用自行設計搭建的直接式太陽能干燥系統，進行了核桃干燥實驗研究，結果顯示，相比于自然干燥，直接式太陽能干燥系統在干燥速率和熱效率方面均有顯著提高。陳盈希[16]設計了用于核桃干燥的太陽能集熱器，晴天時干燥室的最高溫度可達70.6 ℃，多云天氣時干燥室最高溫度可達47.2 ℃。Ghatrehsamani等[17]利用自行設計制造的間接太陽能間歇式干燥機，進行了核桃干燥試驗，結果表明，干燥溫度、床深度和氣流速度對核桃干燥特性均有顯著影響。太陽能熱泵干燥是一種聯合干燥技術。它是利用太陽能和空氣熱能作為干燥熱源，具有節能、高效和可持續干燥的優點，還可以解決熱泵干燥存在干燥時間長、太陽能干燥周期不穩定等問題。

1.5 紅外干燥技術

紅外線是一種波長范圍在0.78～1000 μm之間的電磁波（圖5）[18]。當用紅外線照射物料時，紅外線能夠穿透一定深度，使物料的原子、分子以及水分子吸收紅外線的能量，將其能量轉換為物體分子的熱運動動能，使物料溫度升高，從而達到加熱干燥的目的（圖6）[19]。按照波長范圍，可將紅外線分為近紅外、中紅外和遠紅外。用于物料干燥的紅外線，主要是使用波長范圍為25～1000 μm的遠紅外波段。在紅外線的輻射下，物料會形成內高外低的溫度梯度和濕度梯度，加速水分蒸發，大大提升物料的干燥速率。

圖5 電磁波譜中的紅外線波段分布

圖6 紅外干燥系統示意圖

同時，紅外輻射技術作為一種新型的加熱技術，相比于傳統的干燥加熱方式，加熱速度更快、效率更高、能耗和污染更少，目前已在多種果蔬干制加工得到廣泛的應用[20]。王文倩等[21]研究發現，與恒溫式熱風干燥相比，遠紅外干燥核桃可以顯著縮短干燥時間，提高干燥效率，明顯提高了產品的貨架品質。Atungulu等[22]研究發現，與熱風干燥相比，紅外加熱預干燥處理180 s，提高了核桃的干燥速度，并且對核桃產品的品質沒有不良影響；Pan等[23]開發了商業化的紅外預處理聯合熱風的干燥方法，成功地解決了核桃過度干燥和干燥不足的問題，大大減少了干燥時間和能耗，提高了核桃的干燥品質。未來，可將紅外干燥與其他干燥技術相結合，形成用于核桃干燥的聯合技術。

1.6 微波干燥技術

微波是指波長范圍在1～1000 mm，頻率范圍在300～300000 MHz，具有穿透特性的電磁波。我國常用的微波加熱頻率為915和2450 MHz（圖7）。在靜電場中，極性分子呈現方向性排列，帶正電的朝向負極，帶負電的朝向正極；而在微波場中，極性分子會隨著不斷變化的電場而發生方向改變，高頻轉動的極性分子相互發生摩擦，進而迅速產生大量的熱能，達到干燥物料的目的（圖8）[24]。由于水分子是永久偶極性分子，且大量存在于食品物料，微波干燥技術的原理以極性分子機制為主。

圖7 電磁波譜中的微波波段分布

圖8 微波干燥系統示意圖

與傳統加熱方式相比，微波穿透能力強，加熱速度快，熱效率高，干燥食品的品質高，在農產品干燥領域得到廣泛應用[25]。馬錦等[26]研究了微波功率和裝載量對山核桃微波干燥特性的影響，結果發現微波功率和裝載量均會影響山核桃的微波干燥特性，其中微波功率是影響干燥特性的主要因素。朱德泉等[27]使用分段變功率微波對山核桃干燥工藝進行了優化，得出其最佳干燥工藝參數組合：前期干燥微波功率密度6.5 kW/kg，轉換點含水率23.4%；后期干燥微波功率密度3.3 kW/kg。相比于熱風干燥，該干燥工藝不僅能夠有效提高核桃的干燥速率，還可以大幅度降低單位核桃質量的干燥能耗。

1.7 射頻干燥技術

射頻是指頻率范圍在10～300 MHz，具有穿透特性的電磁波。國際上工業用射頻的頻率為13.56，27.12和40.68 MHz（圖9）[28]。射頻干燥與微波干燥的原理類似，也是一種介電加熱技術，在高頻交變電場中，物料中的極性分子會隨電場的變化而發生快速旋轉，進而使分子間通過相互摩擦、碰撞發熱，迅速提高物料溫度，達到干燥物料的目的（圖10）。

圖9 電磁波譜中的射頻波段分布

圖10 射頻干燥系統示意圖

相比于微波加熱，射頻電磁波的穿透深度更深，并且在射頻加熱過程中存在自平衡現象，使得射頻干燥更加均勻。張波[29]對核桃的射頻-熱風聯合干燥特性進行了系統性研究，結果表明，極板間距18.0 cm和50 ℃熱風是最優的射頻熱風聯合干燥工藝參數；與單獨使用熱風干燥相比，射頻-熱風聯合干燥顯著提高了核桃的干燥效率，縮減了干燥時間；射頻-熱風聯合干燥法所得核桃的各項品質指標均符合工業生產要求，并且優于單獨熱風干燥的核桃品質。此外，射頻加熱還可以殺死核桃中食源性致病菌，進一步提高產品品質[30]。

2 結語

新型干燥技術的不斷發展與應用，從傳統的自然干燥方式，到易于控制、操作簡便的熱風干燥技術，有效地提高了核桃干燥效率；以空氣熱能和太陽能為熱源的熱泵干燥和太陽能干燥技術，能夠在提高干燥效率的同時，降低干燥能耗；紅外輻射、微波和射頻等新型干燥技術可以使物料從外部到內部同時受到加熱，極大地提高了加熱速度和干燥效率。為了進一步提升核桃干燥產品品質、降低能源消耗，通過聯合使用不同干燥技術，如太陽能熱泵干燥技術、紅外熱風干燥技術、射頻熱風干燥技術等，不僅具有節能、高效的特點，還可以獲得更佳的干燥效果。

在現有干燥技術基礎上發展而來的智能干燥技術，是一種全新概念的干燥技術。它是基于干燥過程中的物料性質、溫度、濕度和風速等參數設計的智能控制系統，通過利用計算機等設備，實時監測干燥過程中物料特性變化，進而調整干燥工藝參數，在提高干燥效率的同時，達到最佳干燥效果。智能干燥技術也將成為食品干燥加工環節的新發展方向。