不同干燥技術在農產品干燥領域的研究進展

耿 鐵，孟 斐，楊衛東，盛 潔，惠俊霞，張德榜

（1.河南工業大學機電工程學院，河南鄭州 450001；2.鄭州市萬谷機械股份有限公司，河南鄭州 450000）

我國農產品品種豐富，種植面積廣闊，產量逐年上升，然而農產品產后貯藏和運輸不當等問題造成的經濟損失不可估量。農產品加工領域中，干燥是避免發生嚴重霉變的關鍵技術，也可以降低蛋白質、維生素、糖類等營養物質的流失[1]。常見的單一干燥技術包括自然干燥技術、熱風干燥技術、微波干燥技術、紅外干燥技術、熱泵干燥技術，這些干燥技術的應用大大降低了農產品霉變的概率，但是仍存在一些不足。依據各種干燥技術的優缺點，進行不同干燥技術的聯合使用，可以克服單個干燥技術的缺點，也能發揮各自的優勢。目前，在農產品干燥領域應用中最常見的聯合干燥技術包括微波-熱風聯合干燥技術、微波-熱泵聯合干燥技術、太陽能-熱泵聯合干燥技術等[2]。

1 單一干燥技術研究進展

1.1 自然干燥技術

自然干燥技術是通過日曬、風吹等方法來降低農產品含水量，達到干燥的目的。由于農產品種植規模不同和干燥機械設備不普遍的問題，大多數農戶還是采用人工自然晾曬的方法，但是該技術需要足夠大的場地，也會受到氣候的局限性，而且容易造成農產品干燥不均勻，生產效率低下[3]。由此可知，自然干燥技術大多是憑借經驗進行的，盲目性居多，干燥時間較長。

1.2 熱風干燥技術

熱風干燥技術是將熱風通過自然對流或強制對流、橫流、混合流的方式與物料進行熱質傳遞，降低糧食內部含水量，實現干燥目的[4]。

有些學者利用熱風干燥技術來確定農產品的最佳干燥溫度，為農產品干燥加工提供科學的理論依據。夏秋霞等人[5]利用電熱鼓風干燥機，通過對比不同的熱風溫度、分析干燥溫度對陳皮的感官特性、吸脂性、多糖含量、干燥速率的影響，結果表明熱風溫度為70℃是最佳干燥溫度。蔣怡等人[6]利用電熱鼓風干燥機，設置7組不同的熱風溫度，對南瓜種子進行一定時間的干燥加工，通過分析不同溫度熱風干燥加工的南瓜種子發芽率，來確定最佳的干燥溫度，結果表明在55℃時，南瓜種子發芽率最高。

有些學者利用熱風干燥技術來確定最佳的干燥工藝，達到干燥技術的最優化，如Cheng B等人[7]以天麻為研究對象，分別采用熱風干燥技術和熱泵干燥技術，設置干燥溫度均為50℃，結果表明不同質量的天麻適用于不同的干燥方法，70 105 g的天麻以熱風干燥為宜，105 140 g的天麻以熱泵干燥為好。董建軍等人[8]以桑葚干燥過程為研究對象，使用電熱鼓風干燥箱，分析在不同熱風溫度下桑葚干燥速率、含水率的變化規律，確定了最佳的熱風干燥工藝，為優化干燥機械設備提供科學的參考依據。

綜上所述，熱風干燥技術要求設備簡單、易操作、投資成本少、使用范圍廣的優勢，但不容易選擇最佳干燥溫度，熱風溫度較高會導致糧食熱損傷，影響糧食口感；溫度較低，會導致干燥不均勻的問題。

1.3 微波干燥技術

微波干燥是應用最廣泛的一種技術，是將電磁波作為加熱源，可以通過物料外殼由內部向外部傳遞熱量，不會破壞糧食組織結構，能源利用率高，干燥效率較高[9]。

大多數學者利用微波干燥技術確定物料的最佳干燥參數，如王娟等人[10]采用微波干燥技術，通過對干燥后花椒的感官特性及含水率等因素進行綜合測評，結果表明花椒在微波干燥中得出最適宜的干燥參數為微波功率480 W，料層厚度3 cm，干燥時間8 min。Shen Liuyang等人[11]為了提高發芽糙米在連續微波干燥機中干燥的質量，研究了微波強度1～5 W/g，風速0～2 m/s，干燥時間2～10 min和料層厚度4～12 mm對發芽糙米裂紋和表面顏色的影響，結果表明微波強度2 W/g，風速1.0～1.5 m/s，干燥時間6 min，料層厚度8 mm為發芽糙米最適宜的微波干燥條件。

對于微波功率、溫度及物料層厚度等干燥參數對農產品的影響研究較為廣泛，但很少有考慮到環境濕度影響的研究。何方健等人[12]利用微波干燥技術，采用控制變量法，分析不同干燥溫度和環境相對濕度等因素對山楂色澤、總黃酮含量的影響，并預測山楂在微波干燥過程中含水率變化。劉明寶等人[13]為了研究環境相對濕度對山楂微波干燥過程中的影響，在確保微波功率、干燥溫度、物料厚度為恒定值的條件下，設置不同的環境相對濕度，微波干燥相同的時間后，測定色差、維C含量、復水比等干燥特性，結果表明在環境相對濕度為30%條件下，色差、維C含量、復水比等干燥特性最佳。

與熱風干燥相比，微波干燥技術具有干燥時間短、加熱均勻、效率高的優點，但因為干燥設備價格昂貴，不適用于大多數農戶。

1.4 紅外干燥技術

紅外線干燥技術具有穿透性強、效率高、節能環保的特點。當紅外線頻率與農產品內部分子頻率發生共振時，造成農產品內部分子摩擦產熱，達到快速升溫的目的，并能實現農產品干燥過程中物料內外層受熱均勻[14]。

麥馨允等人[15]為了提高白玉菇干制品的品質，在單因素試驗法基礎上，分別對遠紅外溫度、切片厚度和裝載量進行正交設計分析，研究表明遠紅外溫度是維C影響含量的主要因素，溫度在50～70℃內，維C含量較高；切片厚度直接影響白玉菇干制品的外觀色澤，最佳厚度為4 mm；裝載量影響白玉菇的復水能力，最佳數值為10.00 g/dm2。Fatemeh Ja fari等人[16]研究了在紅外干燥過程中樣品厚度、風速和紅外功率對茄子切片干燥動力學和品質的影響，結果表明紅外線干燥能提高鉀含量，并確定樣品厚度4.9 mm，風速1.14 m/s，紅外功率1 500 W的條件下是最佳工藝條件。此外，遠紅外線干燥技術保溫要求較高，設備的檢修和維護比較困難。

1.5 熱泵干燥技術

近年來，熱泵干燥技術越來越受到人們青睞，熱泵干燥技術路線是從蒸發器出來的低溫低壓工質進入壓縮機后被絕熱壓縮成高溫高壓氣體，此時工質的沸點隨壓力的升高而升高，高沸點工質進入冷凝器液化釋放出熱量，加熱來自蒸發器的已經降溫除濕的低溫空氣，被加熱后的空氣進入干燥室對被干燥物料進行干燥。而從冷凝器出來的熱泵工質進入膨脹閥絕熱膨脹降低壓力后再次進入蒸發器，如此往復循環[17]。

熱泵干燥技術原理見圖1。

圖1 熱泵干燥技術原理

國內外學者利用熱泵干燥技術與其他干燥技術進行對比，分析熱泵干燥技術的特點。聶林林[18]以香菇為研究對象，分析熱風干燥、微波真空干燥、熱泵干燥對香菇收縮率、復水率、感官品質和能耗等干燥特性的影響，結果表明熱泵干燥技術香菇收縮率最低、復水性能最好、感官評分最高、能耗最低。Thing Chai Tham等人[19]研究了自然干燥、熱泵干燥、熱風干燥和熱泵干燥4種不同的干燥方式對玫瑰茄進行干燥，對比干燥速率、顏色和細胞內化學成分變化，結果表明熱泵干燥技術干燥速率最高，無顯著顏色變化。

1.6 不同單一干燥技術對比

通過以上分析，對不同單一干燥技術進行對比。常見單一干燥技術對比見表1。

表1 常見單一干燥技術對比

2 聯合干燥技術研究進展

針對農產品干燥存在復雜性、單一干燥技術難以保障干燥品質的特點，除在不斷完善單一干燥技術外，國內外學者還根據農產品的干燥特性，將2種或者2種以上的干燥技術結合起來，進行優勢互補，達到提高干燥品質、高效節能的目的[20]。

2.1 微波-熱風聯合干燥技術

微波干燥技術具有易控制、效率高、節能的優勢。熱風干燥過程中，不易控制溫度，溫度較高會破壞農產品內化學物質。因而，將微波干燥技術與熱風干燥技術結合起來，一方面可以彌補熱風干燥速率慢的缺點；另一方面展現出聯合干燥的優勢。劉清等人[21]研究熱風干燥、微波干燥對油菜籽水分含量、發芽率、酸價、過氧化值等干燥因素的影響，將測定的結果進行正交試驗，得出微波-熱風聯合干燥技術的最佳工藝組合，綜合2種單一干燥技術的優勢，并降低熱風干燥溫度對油菜籽發芽的損傷，克服了熱風干燥技術單獨應用時存在的過熱、干燥時間長等缺點。王招招等人[22]通過單因素試驗法分別測定微波強度、熱風溫度、風速對花生果的干燥速率、色澤、主要營養物質的影響，在利用Box-behnhen試驗得出花生果微波-熱風聯合干燥技術的最佳工藝條件，使用該聯合技術不僅能提高干燥速率，又能提高花生果的干燥品質。

2.2 微波-熱泵聯合干燥技術

熱泵干燥技術要求干燥溫度較低，可以用來干燥熱敏物料，是一種可以能源循環利用的技術，具有節省資源的優勢。微波干燥技術主要采用電能，跟熱泵技術相比，存在能源浪費的缺點[23]。兩者結合各自優勢形成聯合干燥技術，可以對農產品干燥達到最佳的效果。Chien Hwa Chong等人[24]研究熱泵干燥技術、對流真空-微波干燥技術和熱泵-微波聯合干燥技術對15 mm的蘋果塊干燥品質的影響，結果表明對流真空-微波聯合干燥技術的硬度和嚼勁值最低，熱泵-微波聯合干燥技術在物理外觀、抗氧化活性和總多酚含量方面表現最佳。宋楊等人[25]采用熱泵微波真空聯合干燥技術對海參進行干燥，研究海參在不同干燥條件下對海參的復水率、色澤感官的影響，分析試驗結果并通過對比熱泵干燥試驗結果，得出干燥時間較僅使用熱泵干燥縮短50%，復水率提高了50%，表面無焦煳，海參的感官品質較好。

2.3 太陽能-熱泵聯合干燥技術

太陽能是公認的環保能源，采用太陽能干燥技術干燥農副產品可以節省能源消耗20%以上，保證干燥后農產品干凈衛生，但是太陽能干燥技術受天氣因素的影響，具有不穩定性，干燥速率較慢[26]。采用太陽能干燥技術和熱泵技術相聯合，彌補太陽能干燥不連續性的缺點，太陽能可以為熱泵提供能源。沈衛強等人[27]依據太陽能熱泵聯合技術，制訂相應的干燥體系和干燥設備，通過干燥核桃正交試驗研究分析了生產率、干燥溫度和風速等干燥因素對干燥過程中的影響，研究表明該干燥設備縮短干燥周期和提高核桃的優等品率，為葡萄、杏等水果的干燥加工提供指導意義。明廷玉等人[28]采用太陽能與熱泵聯合干燥技術，以干燥茶葉為研究對象，根據不同時段（5，6，7月份），記錄干燥期環境平均溫度、太陽能平均日運行時間，熱泵平均日運行時間、實際能耗等數據。結果表明，整個干燥系統實際能耗比設計能耗低21.8%～36.3%，節能效果顯著。近10來年，世界資源的匱乏和人們環保意識的增加，有些學者大力發展太陽能干燥技術與其他干燥技術的聯合，致力于達到環保、熱利用率高、干燥品質佳的要求。

2.4 不同聯合干燥技術對比

通過以上分析，對不同聯合干燥技術進行對比。

不同聯合干燥技術對比見表2。

表2 不同聯合干燥技術對比

3 結語

為了減少農產品在堆積中發生霉變、提高農產品的品質，干燥技術的發展顯得尤為重要。在實際應用中，由于使用范圍廣、成本較低，國內外仍然以熱風干燥技術為主[29]。目前，國內外學者秉承綠色環保、高效節能的理念，探索出多種新興干燥技術，但也要認識到新興干燥技術存在一些問題，如干燥設備昂貴、實際應用具有局限性、工作環境要求較高；另外，由于宣傳力度的不足，很多企業對新興干燥技術認知較少，因此要完善干燥理論基礎，改進現有的干燥工藝[30]。聯合干燥技術作為當前的熱門話題，根據不同糧食的干燥特性，將各種干燥技術的優勢結合起來，顯著提高了干燥品質，因而研發高效節能的聯合干燥技術是今后的發展方向。