熱泵聯合干燥技術在果蔬干燥工藝中的應用進展

謝 歡, 劉曉艷, 楊淑純, 白衛東, 李湘鑾, 錢 敏

（1.仲愷農業工程學院輕工食品學院, 廣東廣州 510225；2.現代農業工程創新研究院, 廣東廣州 510225）

果蔬原料所含有的水分、碳水化合物、蛋白質和少量油脂在高溫干燥過程中易發生質變, 從而導致食物品質下降[1]。由于熱泵技術可以在較低溫度下對物料進行干燥, 因此近年來人們對于熱泵技術在果蔬干燥中的研究也越來越多。熱泵干燥技術基于逆卡諾循環原理, 從而其干燥成本低、效率高、智能環保。基于這些優點, 熱泵已經在木材加工、家庭供暖、中草藥加工等領域中被廣泛運用于實際生產中。

熱泵干燥在果蔬干燥中的應用研究見表1。

由表1可知, 目前大多數熱泵干燥的研究都是對于干燥工藝的優化及干燥產品的質量把控。單一熱泵干燥技術具有溫度控制不精準、干燥溫度會受外界溫度的影響等缺點[2], 從而可以通過采用與其他干燥工藝相結合的組合式干燥來改善, 提高干燥的效率, 降低干燥過程中的能耗及改善果蔬干燥產品的品質等。

表1 熱泵干燥在果蔬干燥中的應用研究

熱泵聯合干燥包括太陽能輔助熱泵干燥、熱泵熱風聯合干燥、熱泵微波干燥、熱泵紅外干燥、熱泵真空冷凍干燥等, 這些尤其適用于果蔬的干燥[3]。通過介紹熱泵聯用干燥技術在果蔬干燥工藝中的應用, 為推進熱泵技術在果蔬干燥加工中的應用提供一定幫助。

1 熱泵聯用干燥技術在果蔬干燥中的應用

1.1 太陽能熱泵聯合干燥技術

太陽能和熱泵技術的組合稱為太陽能熱泵系統。近年來, 由于能源及環境的變化, 太陽能熱泵技術表現出巨大的價值。相比于燃煤干燥, 太陽能熱泵聯合干燥可節約36.7%～41.1%的能量[14], 同時其還擁有縮短干燥時間、改善產品品質及綠色環保等特點[15]。

現階段的研究主要在太陽能熱泵聯合干燥工藝條件的優化、聯合干燥系統的運作研究、干燥系統的能耗與效能研究及儲熱存熱系統研究等方面展開。郝亞萍[16]搭建相變蓄熱集熱器太陽能熱泵系統來干燥香菇, 可實現9種運行模式的靈活切換, 節能環保, 還可以進行變溫干燥。馮道寧等人[17]設計的小型太陽能熱水-空氣源熱泵聯合干燥裝置對山藥進行干燥, 通過試驗發現其能耗是熱風干燥的68%, 同時采用智能控制系統分段烘干, 每年可節省電費3萬～4萬元, 可實現太陽能熱水的綜合利用。此外, 還有關于太陽能熱泵聯合干燥系統自動控制的研究, 以此來滿足其對于各種干燥物料的干燥, 使整個干燥過程中的智能化與自動化得到提高。田永軍等人[18]搭建了具有顯著節能效果的太陽能熱泵干燥平臺, 該平臺能夠擁有自動控制系統, 確保干燥過程中的恒溫, 同時其內部具備的智能化熱回收器, 能夠回收排放的廢熱,大大降低了干燥過程中的能量損失。

總之, 相比于太陽能干燥、熱泵干燥, 太陽能熱泵聯合干燥在減少了干燥過程中的能耗同時使得其具備較高的能效值。與此同時, 太陽能熱泵聯合干燥系統根據實際的環境條件能夠合理快速地轉換運行模式, 提高干燥的效率[19]。

然而, 太陽能熱泵的缺陷也十分明顯, 即明顯依賴于太陽能的供應, 容易受到天氣及不同時間段太陽的輻射強度的影響, 從而限制著太陽能熱泵聯合干燥系統的運用及發展[20]。

1.2 熱泵熱風聯合干燥技術

熱泵熱風聯合干燥技術, 是指在干燥前期運用低溫熱泵干燥, 減少干燥過程中雜質的引入及降低干燥過程中的物料氧化變質, 降低干燥過程中的能耗, 維持產品本身的品質, 在干燥后期使用熱風干燥, 提高干燥速率, 達到滿足產品品質的同時節能環保的目標[21]。

目前, 關于熱泵熱風聯合干燥果蔬的研究主要集中在熱泵熱風聯合干燥工藝條件的優化。張迎敏等人[22]優化熱泵熱風聯合干燥紅薯葉粉的干燥工藝參數, 得出熱泵干燥溫度52℃, 熱風干燥溫度73℃, 轉換點含水率58%, 該條件下的紅薯粉品質較優。李暉等人[23]通過研究懷山的熱泵-熱風聯合干燥, 得出其最佳干燥參數為熱泵溫度40℃, 熱泵風速1.5 m/s, 切片厚度5 mm, 熱風溫度60℃, 轉換點干基含水率為1.00。為了進一步了解熱泵熱風干燥, 有學者對于其干燥過程的傳熱規律進行了解析。屈展平等人[24]采用低場核磁共振技術（LF-NMR）及掃描電子顯微鏡, 分析熱泵熱風干燥過程中馬鈴薯燕麥復合面條的干燥特性及水分狀態遷移等質熱傳遞規律, 發現熱風與熱泵的干燥溫度越高, 物料在轉換點的含水量越高, 對于干燥的進行及水分的擴散越有幫助。

因此, 采用熱泵-熱風聯合干燥技術相比于單一的熱泵干燥或者熱風干燥降低了干燥時間和能耗, 同時干燥產品的品質也得到了一定的提高。

1.3 熱泵微波聯合干燥技術

熱泵微波聯合干燥與熱風熱泵聯合干燥類似, 前期采用熱泵干燥, 后期運用微波干燥, 能夠較好地保留熱敏性物料干燥后的產品品質, 從而能夠在改善干制品品質的同時減少干燥時間和干燥過程中的能耗[25]。

目前, 熱泵微波聯合干燥技術的研究包括如何降低干燥成本及提高干燥產品的品質。關志強等人[26]發現, 在熱泵溫度為50℃, 轉換點含水率為100%, 微波時間為2.5 min下對荔枝進行熱泵微波聯合干燥, 其能耗節約30%以上。李莉峰等人[27]采用正交試驗優化熱泵微波聯合干燥蓮藕的干燥參數, 得出在微波干燥功率5.5 W, 微波干燥時間120 s, 熱泵干燥溫度40℃條件下干燥蓮藕, 蓮藕干的品質為復水比5.8, 色差18.15, 硬度8750。此外, 也有學者對于熱泵微波聯合干燥過程中的干燥參數對于干燥速率、色澤變化等影響進行了研究。鄭亞琴[28]通過研究微波功率、熱泵溫度及轉換點含水量等因素對熱泵微波聯合干燥雪蓮果過程中的色澤變化（△E）、收縮率（SR）、干燥速率（DR）、復水比、單位能耗除濕量（SMER）（RR）等的影響, 發現干燥過程中影響干燥速率主要為微波功率、溫度、轉換點含水率, 而影響單位能耗除濕率及雪蓮果色澤變化的主要為風速和溫度。

熱泵微波聯合干燥技術也有不足之處, 首先由于物料中組織結構差異性的存在, 對于物料的最佳干燥轉換點的確定是有困難的；其次, 干燥物料的理論模型無法完全應用于實際生產中, 需要通過不斷地摸索及實踐去完善干燥物料的實際理論模型[25]。

1.4 熱泵真空冷凍聯合干燥技術

真空冷凍干燥技術, 被認為是世界上最好的干燥技術, 對于干燥食品的香、色、味和形等特性的保留度較高, 但是也存在干燥效率低、時間長、成本高的特點[29], 因此難以應用于大規模的工業化生產中。相比于真空冷凍干燥技術, 熱泵-真空冷凍干燥聯合技術將熱泵干燥與真空冷凍干燥相結合, 其產品品質接近于單一真空冷凍干燥的產品品質, 同時減少了干燥時間, 提高了干燥效率, 降低了干燥過程中的能耗及成本[30]。

熱泵真空冷凍聯合干燥技術的研究較少, 目前的研究主要在其縮短干燥用時及降低能耗, 從而降低生產成本上。程慧等人[31]通過研究香菇的熱泵真空冷凍聯合干燥發現, 采用熱泵-真空凍干聯合技術進行干燥其耗能降低了37.69%, 能夠生產出較優良的干燥香菇產品。使用熱泵真空冷凍聯合干燥南極磷蝦, 能夠生產出與真空冷凍干燥產品品質接近的南極磷蝦干制品, 同時縮短了一半的干燥時間[32]。

目前, 由于真空冷凍干燥技術本身的干燥成本高, 而熱泵真空冷凍聯合干燥生產出的產品品質與真空冷凍干燥制品的品質相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術[30]。

1.5 熱泵紅外聯合干燥技術

熱泵紅外聯合干燥是指前期使用熱泵干燥來較少干燥物料的熱敏性活性成分的損失, 在干燥后期采用遠紅外輻射干燥, 降低干燥時間與能耗[33]。

目前, 對于熱泵紅外聯合干燥的研究大體可分為兩類, 即熱泵紅外干燥效率的研究和熱泵紅外干燥對于果蔬產品的品質影響的研究。Thuwapanichayanan R等人[34]通過Arrhenius方程建立了耦合傳熱傳質模型, 并提出當有效水分擴散系數為0.41×10-10～1.43×10-10m2/s時, 該模型對于蒜末含水量和內部溫度的變化規律能夠很好地進行預測；同時, 發現熱泵紅外聯合干燥能夠明顯提高蒜末的干燥效率。彭健等人[35]研究了不同條件下分段式遠紅外-熱泵干燥后龍眼的質構、微觀結構、褐變度、色澤和糖、游離氨基酸、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF）改變, 同時分段式遠紅外-熱泵干燥能顯著降低龍眼的硬度, 提高其彈性和咀嚼性（p＜0.05）, 同時增加龍眼內部孔隙；龍眼干燥后色澤的變化主要源于L*值的下降（變暗）和a*值的升高（變黃）, 60℃下遠紅外-熱泵干燥能有效抑制龍眼褐變；糖、游離氨基酸及5-HMF含量與龍眼色澤相關, 100℃下遠紅外干燥會造成龍眼中可溶性糖和游離氨基酸含量的顯著降低及5-HMF含量的顯著升高（p＜0.05）。

利用熱泵紅外聯合干燥可以很好地干燥熱敏性物料, 紅外輻射板存在較高的熱慣性, 容易產生過熱效應, 對物料的品質造成影響, 這也是熱泵紅外聯合干燥的一點不足之處[36]。

1.6 熱泵流化床聯合干燥技術

傳統流化床干燥系統的干燥介質大多為開式循環, 同時干燥介質是通過其他介質加熱的熱空氣, 因此存在耗能高、精細物料的干燥品質欠佳等不足[37]。熱泵流化床干燥裝置多為閉式循環結構, 可以循環利用干燥尾氣中的大量熱量, 節省干燥尾氣的冷量, 具有良好的節能效果及廣闊的市場應用前景[38]。

關于熱泵流化床聯合干燥的報道較少, 對其的研究包括干燥后產品的品質研究、干燥的能耗和干燥速率等的研究。劉恩海等人[39]研究了50℃干燥溫度工況下熱泵流化床與熱風薄層對豫麥連續式干燥的倉儲效果, 結果表明具有相同含水量的豫麥, 在干燥過程中, 熱風薄層干燥小于熱泵流化床干燥速率, 含水率降幅較小；相較于連續式干燥, 間歇數η值越大, 系統能量利用及熱效率越高, 干燥后的豫麥品質較好, 得出了以η=2/3的間歇干燥方式倉儲效果最佳。張緒坤等人[40]通過熱泵流化床聯合干燥蘿卜丁驗證熱泵流化床的干燥性能, 發現熱泵流化床干燥胡蘿卜丁時單位時間除濕量和單位能耗除濕量隨著干燥時間的延長而急劇下降, 同時熱泵流化床組合干燥循環風機的電耗占系統總電耗的50%左右。

目前, 對于熱泵流化床聯合干燥的推廣應用難度在于初始投資成本較大, 這一點亟待處理。

2 結語

當前, 單一熱泵干燥技術的研究較為廣泛且全面, 其中大多數研究都是關于一些熱泵干燥技術的工藝優化。單一熱泵干燥技術在對物料干燥時, 干燥后期會出現干燥時間增長、干燥速率下降、干燥產品的質量和色澤下降等問題, 這是急需解決的一大難題。

熱泵聯合干燥技術的出現, 很好地改善了干燥果蔬產品的品質, 但是熱泵聯合干燥設備的利用還是較為匱乏的。例如, 熱泵-真空冷凍聯合干燥技術, 彌補了真空冷凍干燥能耗高、干燥耗時大等缺點, 熱泵真空冷凍聯合干燥生產出的產品品質與真空冷凍干燥制品的品質相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術, 然而目前對于這一方式的研究較為匱乏。聯合干燥過程中, 轉換點的確定是整個干燥工藝是否成功的關鍵點之一, 目前大多數研究都是采用水分作為轉換點的研究對象, 是否存在其他對象能夠作為聯合干燥的轉換點的研究對象是未來可以研究的一個方向。現階段, 熱泵聯合干燥對于產品品質影響的研究較多。聯合干燥技術的投入應用, 與其成本投入有很大的關系, 就如何降低聯合干燥技術的投入成本、生產成本等同樣也是值得研究和探討。

總的來說, 熱泵技術在果蔬干燥中獲得了許多成果, 但是還有很多值得研究。隨著熱泵技術的發展與應用, 熱泵技術在果蔬干燥中會取得更大的成就。