1.2　食品干燥技術發展現狀

我國是果蔬、肉禽蛋奶等農產品的生產大國，每年生產的大量農產品用于當地消費或者出口。很多農產品都有很高的初始水分含量，使用干燥脫水把水分控制在安全貯藏水分范圍是非常有效的方法。脫水是保存食品最古老的方法。水果在太陽下曝曬、魚和肉的熏烤等都是源于古代的干燥方法。食品干燥最主要的問題就是質量損失。干燥食品的質量減輕，可以節約運輸成本，由于在傳統空氣干燥脫水食品的過程中，長時間高溫干燥過程會使產品品質發生不良的變化，而消費者對產品的質量要求是干燥后產品能保留原有的色、香、味，且食用方便，因此選擇合適的干燥方法是食品脫水加工技術的客觀要求。目前，許多新型干燥技術利用低溫干燥或減少干燥時間等方法，因此可以考慮用于食品工業。下面主要介紹幾種典型的干燥方法以及在食品工業中的應用進展。

1.2.1　微波干燥

微波是一種高頻電磁波，頻率為300～300000MHz，其波長為0.001～1m。微波干燥不同于熱風及其他干燥方式，食品吸收微波后內部直接升溫，形成較小的正溫度梯度，有利于內部水分的擴散，使干燥速率大大加快，是一項值得深入研究的新技術。下面介紹一下微波干燥的原理、特點及應用現狀。

微波干燥原理是：微波發生器將微波輻射到干燥物料上，當微波射入物料內部時，穿透使水等極性分子隨微波的頻率做同步旋轉，水等極性分子做如此高速旋轉的結果使物料瞬時產生摩擦熱，導致物料表面和內部同時升溫，使大量的水分子從物料逸出，達到物料干燥的效果。由于物料中水分的損耗因子較大，能大量吸收微波能并轉化為熱能，促進內部水分蒸發。微波干燥過程中，溫度梯度、壓力梯度與水分的遷移方向均一致，從而強化了干燥過程。因此，微波干燥具有干燥速率快、干燥效率高等優點。

微波加熱具有熱效應和生物效應，因此能在較低的溫度下殺滅霉菌和細菌，最大限度地保持物料的活性和食品中的維生素、色澤和營養成分。微波干燥經常與熱風干燥相聯合，可以提高干燥過程的效率和經濟性。因為熱空氣可以有效地排除物料表面的自由水分，而微波干燥提供了排除內部水分的有效方法，兩者結合就可以發揮各自的優點使干燥成本下降。

郭梅介紹了微波干燥殺菌的原理、特點及微波技術在不斷完善自身技術與設備的同時，與其他干燥技術，如熱風干燥、真空干燥、冷凍干燥、遠紅外線干燥等技術相結合，向更深更廣的方向發展。張國琛等詳細闡述了微波真空干燥技術的原理、特點及在食品工業中的應用，分析了微波真空干燥技術存在的問題，介紹了該技術在國內外的研究現狀。微波真空干燥是綜合微波干燥和真空干燥各自優點的一項新技術，非常適合食品的干燥生產，隨著微波真空干燥設備的計算機監測技術和自動化水平的不斷提高，微波真空干燥技術將在食品生產中獲得更廣泛地應用。楊旭等從微波干燥的加熱特性和干燥機理等方面，對微波干燥設備的性能特點進行了論述，并根據我國干燥機市場現狀，認為微波干燥在食品工業、醫藥工業和農產品加工等方面是從優的選擇。而且，現在市場上出現的大功率微波干燥設備的性能價格比已經能為廣大用戶所接受。

1.2.2　噴霧干燥

噴霧干燥是用噴霧器將料液噴成霧滴分散于熱氣流中，使料液所含水分快速蒸發的一種干燥方法。噴霧干燥技術的應用已有100多年的歷史，但在我國發展起步較晚。自1865年噴霧干燥最早用于蛋品處理以來，這種由液態經霧化和干燥在極短時間直接變成為固體粉末的技術，在20世紀取得了長足的進展，現已廣泛應用于食品、制藥、化工、環保等諸多領域。

劉靜波等采用噴霧干燥技術制備了速溶蛋黃粉并對不同溶解程度的蛋黃粉進行特性研究。通過流變學性質、顆粒結構和穩定性分析研究不同溶解程度的蛋黃粉性質差異。劉賀等通過響應面設計方法探討減壓濃縮脫水比例、進風溫度和進料速度等噴霧干燥工藝參數對扁杏仁水解蛋白溶液干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影響，獲得表征相關指標的數學模型。廖傳華等結合目前我國所使用的奶品干燥設備及國內外干燥技術和干燥機的現狀，對奶粉干燥設備即噴霧干燥設備的現狀、應用及發展方向做了簡述。噴霧干燥設備的霧化結構和形式、塔體結構、均風、排風、撲粉、出粉形式、與其他工藝設備組合情況、自動控制系統等的設計均必須與所處理物料相適用。

趙麗霞等針對噴霧干燥流程、噴霧干燥設備類型及噴霧干燥技術的應用進行了探討。表明一般噴霧干燥包括料液霧化、物料與熱干燥介質的接觸混合、物料的干燥、干燥產品與干燥介質分離4個階段，介紹了噴霧干燥在制藥領域、煙氣脫硫、造紙黑液處理中的應用。李國慶等提出了噴霧干燥器的改進方法：熱風爐的改進、提高噴槍高度、提高塔內負壓、提高泥漿濃度、改進噴嘴結構等。張彩虹等從工藝、機理、產品的質量和節能等幾個方面對噴霧干燥在生物質資源加工利用中的發展狀況進行了概述，發現研究過程中尚存在著一些問題，如由于高進氣溫度使產品質量下降，在干燥室或工藝管中發生產品黏壁，系統能效低及生物制品中活性物質被破壞，等；亟需在工藝及設備等方面改進和提高，因此很有必要對噴霧干燥技術進行更深入地研究。

噴霧干燥技術可對溶液、懸浮液、乳濁液等進行干燥，所得產品粒度小、均勻，流動性和速溶性好，現已廣泛應用于食品、制藥、化工、環保等諸多領域。它使許多有價值但不易保存的物料得以大大延長保質期，使一些物料便于包裝、貯存和運輸。同時，簡化了一些物料的加工工藝。隨著對噴霧干燥技術和設備的深入研究與開發，噴霧干燥技術將擁有更為廣闊的應用前景。

1.2.3　真空冷凍干燥

食品真空冷凍干燥設備是利用冰升華的原理，在高度真空的環境下，將已凍結了的食品物料的水分不經過冰的融化，直接從冰固體升華為蒸汽，而一般真空干燥物料中的水分是在液態下轉化為氣態而將食品干燥，所以冷凍干燥又稱為冷凍升華干燥。在冷凍干燥中，將要干燥的物質通常要先冷凍到冰點以下，冷凍材料中的水或其他溶劑在真空室中以蒸氣的形式升華而除去，這樣能最大限度地保持食品的色、香、味、形和營養成分，保證了食品的質量。

王白鷗等探討了真空冷凍干燥在果蔬中的應用，指出凍干食品避免了傳統脫水技術方法帶來的變色、變味、營養成分損失大、復水性差等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、營養不變、復水性好、重量輕、可常溫貯藏等優點。李志軍等研究了真空冷凍干燥技術在水產品加工中的應用，發現真空冷凍干燥食品價格是熱風干燥食品的4～6倍，是速凍食品價格的7～8倍，表明真空冷凍干燥技術在我國水產品加工業中的應用是可行的，前景光明。郭雅翠等闡述了凍干技術的原理、工藝操作，凍干食品的特點及凍干技術在食品工業中的應用，指出了真空冷凍干燥技術在食品加工中的應用范圍，包括蔬菜類、水果類、肉禽類、水產品、保健食品、飲料類、食品添加劑等。黃松連等對食品真空冷凍干燥設備進行了相應的探討。在控制系統的控制要求、控制系統的硬件構成、控制程序的編制等方面介紹了食品真空冷凍干燥設備控制系統設計思路。謝國山等介紹了食品凍干設備的組成及其工作原理，詳細探討了國內外食品凍干設備的開發現狀，并提出了食品凍干機發展趨勢，包括改進結構、優化設計、降低成本、減少能耗、保證質量、提高性能、開發連續式凍干設備、提高衛生標準。

目前，國內科技工作者已經成功研制出系列真空冷凍干燥設備，為發展我國真空冷凍干燥技術奠定了良好的基礎。隨著國際市場對凍干食品需求量的不斷增加、我國加入世貿組織以及人民生活水平的逐漸提高，凍干食品在國內將具有美好的發展前景，凍干設備也將會有長足的發展。

1.2.4　太陽能干燥

太陽能干燥是指利用太陽輻射能和太陽能干燥裝置所進行的干燥作業。應用太陽能干燥食品原料已發展了較長的時間，針對不同的食品原料，國內外已開發出相應的太陽能干燥設備。太陽能干燥設備（系統）是以太陽能利用為主的干燥設備，一般由集熱器和干燥室組成，還有其他如風機、泵、輔助加熱設備等的輔助設備。

太陽能干燥原理是：利用熱能，使固體物料中水分汽化，并擴散到空氣中去，是一個傳熱、傳質的過程。被干燥的物料直接吸收太陽能或通過太陽能集熱器所加熱空氣的對流傳熱，間接地吸收太陽能，物料表面獲得熱能后，再傳至物料內部，水分從物料內部以液態或氣態方式擴散，使物料逐步干燥。這種過程得以進行的條件是必須使被干燥的物料表面所產生的水汽的壓強大于干燥介質中的水汽的分壓，壓差愈大，干燥得愈迅速。

我國太陽能干燥利用的實踐經驗表明，太陽能干燥的社會、經濟效益還是相當顯著的。太陽能干燥節煤省電，減少環境污染，自然對流的溫室型干燥器100%由太陽能供熱干燥；強迫通風的溫室型干燥器，其風機的耗電量僅占總能量的5%以下；太陽能與常規能源聯合供熱的干燥器，可節能20%～40%或以上。太陽能干燥的產品干凈衛生，且色、香、味好，提高了產品的等級。

申曉曦等以干濕梅為樣品，利用小型太陽能連續干燥設備，研究了干濕梅的干燥特性，分析了產品的理化性質和感官品質。結果表明，干燥過程中干燥介質的溫濕度與外界環境相比有明顯差異，干燥室白天日照時溫度會高于環境溫度，干燥時間明顯縮短，高效且避免了緩蘇產品色澤口感品質的不利影響。劉偉濤等介紹了如便攜式干燥設備、太陽能輔助干燥設備、太陽能儲能干燥設備等適用于食品干燥的太陽能干燥設備的性能及優點，并提出太陽能干燥設備都是向節能和智能化方面發展，并輔助其他形式的設備一起使用，實現干燥設備可連續作業等觀點。

總體而言，國內太陽能干燥在食品領域的應用還處于起步階段，有許多需要完善的地方，實用性、自動化和工業化是主要的發展方向。目前需要研制適用于太陽能干燥裝置的重點和難點在于干燥過程中熱能的充分利用。我國各地太陽能資源豐富，利用太陽能干燥農副產品的條件良好，它對于提高我國農業生產水平，提高農民的科技應用意識和素質，節省能源和保護環境具有十分深遠的意義。

1.2.5　變溫壓差膨化干燥技術

果蔬變溫壓差膨化干燥技術是以新鮮果蔬為原料，經過預處理、預干燥等前處理工序后，根據相變和氣體的熱壓效應原理，利用變溫壓差膨化設備進行的工藝操作。其設備主要由膨化罐和真空罐（真空罐體積是膨化罐的5～10倍）組成。果蔬原料經預干燥（至含水率為15%～50%）后，送入膨化罐，加熱使果蔬內部水分蒸發，當罐內壓力從常壓上升至0.1～0.2MPa時，物料也升溫至100～120℃，此時產品處于高溫受熱狀態，隨后迅速打開泄壓閥，與已抽真空的真空罐連通，由于膨化罐內瞬間卸壓，使物料內部水分瞬間蒸發，導致果蔬組織迅速膨脹，形成均勻的蜂窩狀結構。再在真空狀態下加熱脫水一段時間，直至含水率≤7%，停止加熱，冷卻至室溫時解除真空，取出產品，即得到膨化果蔬產品。

從膨化過程來看，并非所有的果蔬都可以進行變溫壓差膨化干燥，只有具備一定條件的果蔬物料才有可能得以順利進行：①物料內部必須均勻分布可汽化的液體；②物料內部能廣泛形成相對密閉的彈性小室，同時，要保證小室內氣體增壓速度大于氣體外泄造成的減壓速度，這樣才能到達到氣體增壓的需要；③構成氣體小室的內壁材料必須具備一定的拉伸成膜性，而且能在固化段蒸汽外溢后迅速干燥，并固化成膨化制品的相對不回縮結構網架；④外界要提供足以完成膨化全過程的能量。

果蔬膨化食品因其綠色天然、口感酥脆、營養豐富，已逐漸成為方便休閑食品的佼佼者。果蔬膨化產品以新鮮水果蔬菜為原料加工而成，與其他谷物類、薯類膨化產品比較，具有以下特點：①天然。果蔬膨化產品基本上都是經過浸糖處理后，直接烘干、膨化制備而成，加工過程無須添加色素或其他添加劑等。②果蔬膨化產品酥脆性佳，口感良好。③最大程度保留了果蔬原有的營養成分以及香氣成分。④果蔬膨化產品食用便捷，含水量一般在7%以下，易于攜帶、貯存。

中國果蔬變溫壓差膨化干燥技術的研究還處于起步階段。膨化干燥技術研究存在的問題為：研究易脫水品種如蘋果的多，研究難脫水品種如高淀粉類的少，結果是在產業化過程中最急需解決的問題解決不了；對膨化干燥果蔬食品一些共同基礎性干燥機理著手研究的少，結果往往僅對某些具體的品種有效，但缺乏通用的干燥規律研究，這使中國變溫壓差膨化干燥業的形勢一直不容樂觀。針對果蔬原料膨化干燥的共性和特殊性，重視與干燥相關的前沿技術研發，從變溫壓差膨化干燥的一些共同基礎性干燥機理著手研究，得出一些通用的干燥規律，為開發通用性強的干燥設備提供技術基礎。

1.2.6　熱泵干燥技術

熱泵從低溫熱源吸取熱量，使低品位熱能轉化為高品位熱能，可以從自然環境或余熱資源吸熱從而獲得比輸入能更多的輸出熱能。熱泵干燥系統由兩個子系統組成：制冷劑回路和干燥介質回路。制冷劑回路由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥組成，干燥介質回路主要有干燥室與風機。

熱泵干燥系統原理如圖1.1所示。熱泵是由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器等組成的循環系統。熱泵系統工作時，熱泵壓縮機做功并利用蒸發器回收低品位熱能，在冷凝器中則使之升高為高品位熱能。熱泵工質在蒸發器內吸收干燥室排出的熱空氣中的部分余熱，蒸發變成蒸氣，經壓縮機壓縮后，進入冷凝器中冷凝，并將熱量傳給空氣。由冷凝器出來的熱空氣再進入干燥室，對濕物料進行干燥。出干燥室的濕空氣經蒸發器將部分顯熱和潛熱傳給工質，達到回收余熱的目的；同時，濕空氣的濕度降至露點析出冷凝水，除去濕空氣中的水分。

熱泵中的干燥介質可在干燥器、蒸發器、冷凝器組成的封閉系統中循環使用，有效防止外界空氣對干燥室內物料的污染。而且，當被干燥的物料易于氧化時，可采用惰性氣體作為干燥介質，實現無氧干燥。由于熱泵在封閉的狀態下工作，干燥過程中除了冷凝水，沒有任何廢氣、廢液排放，利于環境保護。

熱泵除濕干燥的本質是對流干燥，干燥過程必然受到物料內部傳熱與傳質的影響。隨著干燥時間的增加，物料的含水量下降。在熱泵干燥過程的中后期，主要目的是去除物料中的結合水。這部分結合水占總除濕量的比例很小，然而由于干濕界面逐漸向內部退縮，使得空氣與干燥物料之間的傳質系數變小，除去這些水分不但需要很長的時間而且要消耗較多的能量，并且由于空氣與物料之間的傳質系數小，致使干燥室進出口空氣狀態變化較小，影響了蒸發器降溫除濕能力。此外，蒸發器吸收水分的顯熱和潛熱有限，熱泵系統運行工況變差，干燥效率降低，干燥時間延長。可采用多級或聯合干燥模式縮短干燥時間。比如，應用多級蒸發新型熱泵干燥裝置，以滿足不同物料或同種物料在不同干燥階段的溫度要求；采用高頻電磁波或遠紅外輔助的干燥模式，加快物料內吸附水分的快速遷移。此外，可采用新型制冷工質或高效換熱器，提高熱泵干燥循環的工作溫度，提高干燥速率。

雖然熱泵可以在一定的溫度范圍內實現變溫運行，但是熱泵的性能系數同熱泵的蒸發溫度和冷凝溫度有關。為了獲得較高的干燥溫度，勢必要提高熱泵的冷凝溫度，但這會使得熱泵的性能系數下降，同時導致供熱量降低，從而無法滿足干燥溫度的要求，影響熱泵的節能特性。針對這一問題，一方面可采用復合制冷工質，研究開發高溫高壓制冷壓縮機；另一方面，研發新型自動控制系統，將現代檢測、傳感及控制技術結合起來應用于熱泵干燥加工，提高機組的控制精準度。此外，閉式結構熱泵干燥機配置的壓縮機功率一般較小，每次干燥的物料限于箱體的容納量，干燥的規模較小。同時由于閉式結構，熱泵干燥對物料而言只能采用間歇式工作方式，即從干燥箱中取出干燥完成的產品后，再裝入濕物料進行干燥，不能連續作業，難于實現大批量生產。把干燥系統中冷卻設備和干燥室采用獨立的模塊化設計，這樣既可以保證熱泵各個元件能像模塊化的單元一樣被靈活拆裝，干燥室的大小又可以靈活配置，利于單機處理量的提高。

除少部分耐熱性細菌、酵母、霉菌外，大部分微生物細胞在60～80℃的干燥條件下都會被破壞。常用熱泵干燥屬低溫干燥，盡管目前還沒有關于熱泵干燥食品所含微生物的數量比普通的對流干燥得到食品的微生物數量多的報道。但是假如干燥設計得不合理，就會帶來嚴重的微生物污染問題。例如，若制冷循環中的制冷量低于干燥箱內空氣中水分冷凝時所需的冷量，干燥箱內的相對濕度就會很高從而導致微生物的大量繁殖。可通過優化干燥工藝條件，使水分從被干燥物料內蒸發出來的速率和冷凝器從空氣中除去水分的速率基本平衡，維持物料表面的水分活度為臨界值0.6，抑制微生物的生長和繁殖。

干燥的目的是在盡可能快的干燥速率、盡可能小的干燥能耗情況下，獲得能最大限度保持原有風味和品質的產品。不同的干燥方法有其不同的優缺點，采用單一的干燥模式往往難以達到理想的干燥效果；而采用組合或者混合干燥模式可以實現優勢互補，不同干燥過程的組合具備單一干燥過程不能達到的獨特優勢。為了尋找一種既快速又經濟的熱泵和熱風混合干燥模式，可以選擇先低溫熱泵干燥后高溫熱風干燥的混合干燥模式，這樣可以快速地把新鮮水果的含水量降至安全水平，有效保持水果的品質。也有學者把熱泵和過熱蒸汽、過熱蒸汽和熱空氣多級干燥技術應用在雞肉干燥中，并和單純過熱蒸汽干燥相比較。發現第一階段采用過熱蒸汽，第二階段采用熱泵干燥可以獲得具有理想顏色、收縮率和復水率的產品。

叢海花等為了提高干制海參的品質，在熱風干燥的基礎上，利用熱泵-熱風組合干燥的方式干燥腌漬海參，對不同干燥方式下海參的干燥特性（干燥特性曲線、收縮系數和產品品質）進行測定，對干燥結束后海參的復水品質（復水倍數、流變學參數、感官評價）與傳統的熱風干燥進行分析比較。結果表明，組合干燥可以明顯提高干燥后海參的復水倍數和復水品質，產品的感官品質好。為了解決脫水蔬菜熱泵干燥中后期干燥效率較差的問題，張緒坤等進行了熱泵、熱風組合干燥實驗。結果表明：采用熱泵、熱風組合干燥裝置生產脫水蔬菜，其耗能只有隧道式干燥的74.1%，網帶式干燥的84.7%，真空冷凍干燥的9.4%。采用前期熱泵除濕干燥與后期熱風干燥的組合干燥技術，克服了單一熱泵干燥的缺點，降低了能耗，提高了產品質量。季阿敏等利用熱泵、熱風聯合干燥的方法，對大紅皮蘿卜進行了脫水干燥實驗研究。通過對試材質量、送風溫度、送風風速和蘿卜丁尺寸等單因素變化實驗，得出了各因素對干燥速率的影響規律。分別以單位能耗除濕量和產品感官品質為評價指標，對試材熱泵熱風聯合干燥效果進行分析，得出了相應的優化組合方式。

一些新的熱泵干燥技術具有較為廣闊的應用前景。

（1）惰性氣體熱泵干燥技術

香味化合物、脂肪酸等物質在干燥過程中易發生氧化反應，導致產品風味、顏色和復水性都變差。熱泵除濕干燥技術的一個重要特點就是可以改變干燥介質的成分，尤其適用于敏感性物料的干燥。選擇惰性氣體代替空氣作為干燥介質，物料在干燥過程就不會被氧化，產品質量會得到進一步提高。

（2）聯合或多級干燥技術

熱泵干燥在低溫干燥中有較強的優勢，因此可以將熱泵與遠紅外、太陽能、微波、過熱蒸汽等方法中的一種或多種干燥方法相結合。在物料的初始干燥階段采用熱泵，充分發揮熱泵在低溫干燥中除濕快又節能的特點，而在物料干燥的中后期選用其他的方式，從而在物料的整個干燥過程中縮短了干燥時間，達到高效節能的目的。應用多級蒸發新型熱泵裝置，以滿足不同物料或同種物料在不同干燥時段的溫度要求。多級蒸發熱泵干燥系統可在較大范圍內改變干燥系統的溫度和相對濕度，并能提高系統的性能系數，節約能耗。

（3）生物質氣化熱泵干燥技術

能源和環境的雙重壓力使得可再生清潔能源的開發利用越來越重要。生物質能是地球上重要的可再生能源，具有廣闊的發展前景。我國有著豐富的生物質資源，開發和利用生物質能源對于緩解我國能源、環境及生態問題都具有重要的意義。隨著科學技術與經濟的發展，人們的環保意識和節能意識日益增強。在過去的20年，熱泵干燥已發展成為一種成熟的技術，以其優良的除濕效果和節能效益已在農副產品的干燥加工中得到實驗研究和實踐應用的驗證，并且對產品的質量能夠保持和有所提高。然而，熱泵干燥技術尚未如人們期待的那樣，廣泛應用于生產過程。初始成本以及運營成本需要進一步減少，干燥等能源密集型操作的能源利用效率是減少凈能源消耗的關鍵，具有成本競爭力的熱泵干燥機的設計和制造將會發揮越來越重要的作用。此外，應該賦予新的熱泵干燥機除干燥脫水之外更多的功能，比如冷藏、氣體調節等。當然，雖然我們已經對熱泵和其他多種干燥技術有深入的了解，但多項技術的優化整合仍然是一個具有挑戰性的研發任務。