高壓電場干燥技術在農產品干燥中的應用研究與發展

陶思宇 段紀發 李傳峰 童子榮 馬博

摘 要：對農產品運用高壓電場干燥技術具有縮短干燥時間、提升干燥速率、干燥成品品質佳等優點。該文分析了高壓電場干燥裝置的基本結構和原理，探究了電壓大小和電極板形狀對干燥速率的影響，揭示了在一定范圍內，干燥速率和電壓呈線性正相關，且針電極干燥速率大于板電極。

關鍵詞：高壓電場干燥技術;農產品干燥;應用

中圖分類號 S377;O441 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）16-0151-03

Application and Development of High Voltage Electric Field Drying Technology in Agricultural Products Drying

TAO Siyu et al.

（Tarim University， College of Economic and Management， Alar 843300， China; The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Alar 843300， China）

Abstract： The application of high-voltage electric field drying technology to agricultural products has the advantages of shortening drying time， improving drying rate and producing good quality of dried products. This paper analysis the basic structure and principle of high-voltage electric field drying device， explores the effect of voltage value and electrode plate shape on the drying rate， and concludes that the drying rate and voltage value are linearly positively related and the drying rate of the needle electrode is greater than that of the plate electrode.

Key words： High voltage electric field drying technology; Agricultural products drying; Application

農產品極易發生口味、形狀和營養上的變化，這是由于農產品在加工、儲存和運輸過程中各種物理和化學變化所引起的。干燥技術的發展為解決這一問題作出了巨大貢獻。干燥是利用熱能蒸發并去除固體膏狀或液體材料中的液體以獲得固體產品的過程，目的是延長食品的儲存期限并方便食品的運輸。干燥方法有很多，如熱風干燥、自然干燥、遠紅外干燥、微波干燥和高壓電場干燥[1]。其中，農產品在高壓靜電場處理過程中不會加熱，這有效保留了其最優良的特征。在日常生活中，被高壓電場干燥后的農產品品質優良，并且具有很長的存儲時間。干燥成品最大程度地保持了農產品的原始形狀，同時保留了其顏色、香氣、味道、營養成分等。

1 高壓電場干燥裝置基本結構與原理

高壓電場干燥設備主要部件為變壓電源、升壓器和干燥室系統[2]，如圖1所示。根據實際情況﹐由外接電源給變壓電源供電，并通過升壓器進行升壓，通過兩極板的作用即可在干燥室內產生一個高壓非均勻電場。當物料置于兩極板之間就會受到高壓電場的作用，在高壓電場的作用下，物料中的水分蒸發較活躍，導致蒸發速度變快，加快了干燥速率。

過去主要通過傳熱傳質的方式對材料進行干燥，而高壓電場干燥的電場能傳質，無論在加熱還是在干燥上，與傳統的干燥方式都有著顯著的區別。它是利用高壓電場產生的離子風實現對材料的干燥。通過離子的相互運動，讓其與周圍的其他分子發生接觸和碰撞，進而在需要干燥的材料上空形成一股離子風。由于受離子風運動的影響，材料表面的水蒸氣蒸發較快，這也就意味著材料可以在較短的時間內被干燥完畢[3-6]。

2 高壓電場干燥技術在農產品中的應用研究現狀

高壓電場干燥技術以其良好的適應性和經濟性被廣泛應用于農產品干燥加工。在早期探索階段，白亞鄉等[7]指出電流體動力學干燥裝置的干燥速度與能耗受針-板電極的電壓大小、上下電極和針間距等工藝參數的影響。研究表明：干燥速度和電壓在一定范圍內呈線性正相關;干燥速度的快慢由針間距和上下電極間距的不同所引起，且都存在最佳值，使得干燥速度最佳。該研究揭示了電流體動力學干燥機理，為今后研制高壓電場干燥設備及其改造提供了理論基礎。內蒙古大學農業物理工程技術研究中心的梁運章[8]根據“高壓電場能傳質”的創新原理開發了GXJ-2型靜電干燥機，并使用該高壓電場干燥機和烘箱對知母飲片、厚樸飲片、赤芍飲片、陳皮飲片、薄荷飲片進行對比干燥試驗。結果表明：在對中藥飲片干燥過程中，高壓電場干燥速度比烘箱快7.7%～42.86%，干燥成品的有效成分多保留2.7%～30%。該設備的開發在一定程度上推進了高壓電場干燥產品品質評價體系的建立。另外，該儀器還具有自動化程度高、體積較小、制造成本低等優點，解決了不可批量生產的難題，極大地促進了設備推廣和我國中藥干制產業發展，開創了高壓電場烘干中藥的先河。

為確定水產品最佳干燥工藝參數，提高水產品的干燥質量，白亞鄉、許焱等[9-11]開展了水產品干燥領域的研究，在同一溫度、不同高壓電場強度下，研究斑鰶魚、海米、扇貝柱的收縮率、復水率以及感官，并與其他干燥方式進行對比。結果表明：在同一溫度下，高壓電場在33～45kV，水產品的各個檢測指標均高于其他單一干燥方式。干燥加工是果蔬加工的一種基本方法，但目前的干燥工藝耗時耗力。隨著干燥工藝參數的進一步完善，為了能更好地將高壓電場干燥技術應用于果蔬脫水的研究中，于彰彧等[12]在高壓電場一定的情況下，通過控制胡蘿卜片干燥過程中的溫度，使得胡蘿卜片的復水性和能源利用率得到明顯提高。由此可見，在高壓電場干燥過程中，應根據不同物料特性適時調整干燥溫度以提升干燥效率。Esehaghbeygi A等[13]研究了高壓靜電場（HVEF）處理的番茄片的干燥速率，與傳統風干相比，HVEF干燥方法顯著降低了干燥成品的水分含量、表面溫度和表觀顏色，但收縮率幾乎無異，平均干燥速率為傳統風干的2倍，耗能僅為16.5MJ/g。在農產品干燥過程中，高壓電場會影響農產品表面的微觀結構，隨著高壓電場強度的增加，會導致傳熱傳質因子呈增長關系，電暈放電得越強，水從樣品表面蒸發的速度就越快。

3 高壓電場干燥與其他干燥技術聯合干燥

隨著干燥理論研究的深入，高壓電場干燥技術迅速發展，并呈與多技術聯合發展的趨勢，白亞鄉等[14]將海參作為試驗對象，使用高壓電場聯合真空冷凍干燥方法，對品質和復水率進行研究。結果表明：由于該聯合干燥的環境是真空條件且溫度較低，海參體內的水分向樣品表面移動時不會帶動可溶性物質，樣品表面不會形成硬殼，因此聯合干燥后海參品質優良且硬度較低、收縮率較小。Sriariyakul W等[15]利用遠紅外輻射（FIR）和高壓電場（HVEF）輔助熱風干燥對蘆薈原漿進行研究。結果表明：在0.2m/s的風速和高壓電場作用下，干燥能耗顯著降低，結合FIR和HVEF熱風干燥蘆薈原漿的最佳條件為風速0.2m/s、溫度70℃、高壓電場強度3.75kV/cm。王航等[16]運用高壓電場耦合熱風干燥技術研究香蕉片干燥速率和含水率。王進康等[17]從恒速干燥階段和降速干燥階段研究高壓熱風干燥條件對玉米特性的影響。結果表明：高壓電場耦合熱風干燥工藝能明顯改善干燥物料的干燥品質、縮短干燥時間、提高干燥效率，表明高壓熱風干燥使物料表面水分加速蒸發， 因此物料內部水分向表面的移動速率也加快， 從而加快了物料的干燥速度。該研究成果已經推廣應用到甘藍、青椒、馬鈴薯片等的干燥加工中，有效改善了以往使用純熱風干燥產品表面出現硬殼的缺點，提高了成品品質。

綜上所述，高壓電場干燥技術是一種基于高壓電場傳質的優良技術，具有能耗低、干燥均勻、物料不升溫、干燥成品品質優良的優點，在干燥技術領域有著不可替代的地位，但同時也存在一些問題：一是高壓電場干燥在干燥物料過程中存在如何建立與完善干燥模型的問題;二是目前的研究雖然基本趨于成熟，但大部分只是基于實驗室水平，實際的應用還需開發適合農產品加工的儀器設備。

4 影響高壓電場干燥的因素

高壓電場干燥是目前使用較為廣泛的干燥方法，由于其物料在干燥過程中受兩極板之間的高壓非均勻電場作用，因此影響高壓電場干燥的因素有電壓大小、電極形狀等，其中以電壓大小影響最為顯著。

4.1 電壓大小 王云龍等[18]通過試驗證明電壓大小是影響花椒精油含量的主要因素。通過對高壓電場干燥過程中蕓豆角復水率進行測定，發現在溫度一定的條件下，干燥電壓越高，復水率越高。由此可見，電壓大小是影響高壓電場干燥的最主要因素，且在一定范圍內，電壓越高，物料干燥速率越快[19]。

4.2 電極形狀 不同的電極形狀也是影響高壓電場干燥的重要因素。丁昌江等[20]在高壓電場的基礎上，采用針狀和板狀電極對熟牛肉進行干燥試驗。結果表明：針狀電極的干燥速度明顯高于板狀電極，前者的速度是后者的2～3倍。廖超[21]研究表明，采用針—網—針結構的高壓電場干燥系統，隨電場強度（4～6kV/cm）的增加，平均干燥速率逐漸增加，干燥時長逐漸減少，與板電極相比，干燥速率最快提高了68.3%，干燥時長最高減少了41.9%。其他試驗結果也表明，在一定的高壓范圍內，針電極干燥速率優于板電極。這是因為針電極具有加速電暈放電產生的趨勢，將針尖端帶電相反的離子吹向針尖下方，增強電暈放電傳熱和傳質。

5 展望

目前，高壓電場技術已趨于成熟，并已開始應用于農產品干燥中，但在今后發展過程中還要注意幾個關鍵點。一要提高整個干燥過程的自動化程度，降低勞動強度。不同物料的特性不同，相同物料在不同狀態時其特性也不盡相同，因此要根據具體情況制定合適的干燥工藝，對干燥過程模型、模擬領域的研究需更加深入，利用高壓電場耦合其他干燥方式，建立完整的干燥體系，包括干燥前對物料預檢驗、干燥過程中實時監測調控干燥工藝參數、干燥后檢測。只有建立了完整的體系才能確保干燥成品的品質[22]。二要因地制宜推廣適當規模的加工企業，推進產地加工發展，推動高壓電場干燥技術與其他農產品加工過程相結合，以減少加工前運輸、儲存所造成的能源消耗和農產品損失。

優化高壓電場干燥關鍵技術、提高農產品干燥效率、提升干燥品質，對推進農產品產業健康持續發展具有重要的現實意義。因此，高壓電場干燥技術要與時俱進，與新能源、新材料、新理論相結合，探索發現高壓電場干燥技術的微觀原理，加快新設備的研制，研究干燥過程中物料間的相互作用，提高熱效率，并推進高壓電場干燥技術實施可持續綠色發展。

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（責編：徐世紅）