干燥技术及其应用

干燥技术及其应用摘要：干燥是食品加工和保藏的重要方式之一，近年来食品领域干燥技术发展迅速，有大量国内外学者致力于研究开发新型干燥技术，对其进行改良的改进。

本文从近年来食品干燥领域中的较新研究成果及受关注的研究方向等方面作了归纳总结，分别介绍了真空冷冻干燥技术、远红外干燥技术、微波干燥技术、喷雾干燥技术、热风干燥技术和太阳能干燥技术6种食品干燥技术的研究进展，并指出了食品干燥技术的研究、发展方向。

关键词：真空冷冻远红外热风喷雾微波太阳能干燥技术干燥技术是一门跨专业、跨行业、具有科研性质的技术，因为其面对的产业众多、物料的理化性质不同、产品质量及其他方面的要求千差万别。

在干燥技术的开发及研究过程中要注意以下三点。

第一需要了解被干燥物料的性质。

第二要熟悉传递工程的原理。

第三实施手段[1]。

现代的干燥技术起始于20 世纪50年代，迄今为止，已有许多的干燥技术应用于工业化生产，主要有真空冷冻干燥、太阳能干燥、喷雾干燥、热风干燥、微波干燥和远红外干燥等。

其中一些设备已达到国际当代水平并出口到国外。

干燥也是食品保藏的一种重要方法。

干燥是通过各种方法（如晒干、风干等）脱去食品中的水分，降低其水分活度，抑制微生物的生长繁殖，从而达到保藏食品的目的。

干燥后的食品质量轻、体积小，便于贮藏和运输，因而应用广泛[2]。

食品干燥的设备按照设备的特征可以分为自然干燥法和人工干燥法。

现在用于工业化生产的大多数是人工干燥法。

近年来，食品干燥设备的设计更多的是以能量利用率、产品质量、安全性、环境影响、成本等作为评价指标。

现代消费者追求更加健康、营养和天然的食品，因此食品干燥设备在设计时，需将产品的质量放在首位[3]。

1.真空冷冻干燥技术真空冷冻干燥技术简称冻干，是将湿物料或溶液在较低的温度（－10℃～－50℃）下冻结成固态，然后在真空（1.3～13P）下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术[4]。

1.1原理真空冷冻干燥的原理是基于水的三种变化。

水有气、液、固三相，它们之间可以转换和共存。

三相点对应的温度是0.0098 ℃，水蒸汽压力是 610.33 Pa。

只有在三相点以下，冰才能直接由固态变为气态，而不经过转化为液态水的过程。

对于食品来说，水就是一种溶液，这种溶液同样也存在三相点，我们选择在高真空的状态下，利用水分升华原理，使预先冻结的物料中的水分直接汽化, 从而达到脱水的目的。

一般选择升华温度在 - 5 ℃~ - 20 ℃左右, 相应的压力在 133.28 Pa 左右[5-6]。

1.2真空冷冻干燥设备真空冷冻干燥机主要由真空冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成。

真空冷冻干燥设备的工作原理：首先将物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态冰，接着将预冻的物料装入干燥箱，在真空低温的条件下，供能方式是由加热板以导热或辐射的方式，使物料中的水分直接由冰升华为蒸汽。

不断升华的水蒸气, 由真空泵组抽至捕水仓内,在低温的排管外壁上凝结被捕，直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空，完成物料干燥的全过程[7]。

1.3真空冷冻干燥的优缺点[8]优点：1.能较好地保持食品原来的形状；2.减少食品色、香、味及营养成分的损失及脂质的氧化；3.速溶性和快速复水性好 4.可在常温下长期保存，且因质量轻而便于运输缺点：1.设备投资大 2.能耗高（大约也是其他方法的三倍） 3.处理时间长 4.可能会由于Ph值和张力的变化损坏产品王红强等人分别将复合酶水解淀粉所得到的微孔淀粉用真空冷冻干燥法和普通真空干燥法进行干燥，结果表明：采用真空冷冻干燥法比普通真空干燥法各项指标都要好[9]。

1.4应用和前景真空冷冻干燥技术起始于二战时期，用于医药、生物方面，在60 年代才开始应用于食品行业[10]。

真空冷冻技术用于可加工的食品种类很多。

蔬菜类：蘑菇、辣椒、姜蒜、胡萝卜等；水果类: 香蕉、苹果、草莓、桔子、水蜜桃等；鱼、肉类: 猪肉、牛肉、虾仁、海虾、海带、海参、贝类等；方便食品类: 碗仔面、盒装便餐、婴儿食品、旅游食品、军用食品等；调味品类: 汤料、果酱、香料等；饮料类: 速溶咖啡、速溶茶等；中草药类: 人参、冬虫夏草、山药、生物制品等；营养品类: 蜂蜜、蜂王浆、甲鱼、龟类等。

冻干食品具有方便、营养和绿色的优异品质。

在国外冻干的方便、休闲、风味食品受到广大消费者的喜欢。

随着社会的发展，人们的饮食结构也在发生变化，绿色食品、保健食品和方便食品是当前食品发展的三大趋势。

冻干食品以其优异的品质迎合了这种发展趋势。

但因其设备复杂、耗能大、产品价格高等原因，其发展受到了一定的限制。

因此，如何提高真空冷冻干燥设备的生产率和降低能耗, 是冻干技术研究的一个新方向。

2.远红外干燥技术红外线是指波长为0.75～1000μm 的电磁波，而其中远红外波长为4～1000μm。

分子、原子的运动是产生红外辐射的原因。

红外线有很强的穿透力，能直接穿透厚层的不透明体，因此，近年来，红外线的应用越来越广。

2.1原理红外辐射也有称热辐射。

构成物质的基本质点：电子，原子或分子，他们都在不停的进行着振动或转动。

物质的基本质点不仅发生转动能级的跃迁，也扩大了以平衡位置为中心的各种运动幅度，质点的内部能量加大。

当物质遇到具有某个振动数的红外线辐照时，如果红外线的振动数与基本质点的固有频率相等，则会发生与振动学中共振运动相似的情况。

物料内部发生分子之间的碰撞，产生自热效应，部分分子挣脱了原来物质对它的束缚，水分或有机溶剂脱离原来的物质，从而快速有效地加热物质[11]。

2.2应用与前景远红外干燥具有热辐射效率高、热损失小，易于控制、传热效率高、热吸收效率高和加热引起食物材料的变化损失较小等特点，是一种节能环保的干燥技术[12]。

因此，它被用于多种食品的干燥。

果蔬干燥：苹果、蓝莓、猕猴桃、芹菜、萝卜等。

农作物干燥：甘薯片、大豆、小麦等。

菇类：香菇。

其他：金银花、山药等。

近年来，远红外真空干燥技术在干燥领域的研究和应用发展很快。

由于无法保证各部分的干燥均匀性问题，严重影响了农产品的干燥品质。

目前，国内单独的远红外干燥相对较多，但是联合干燥方法还较少。

研究红外加热与其他干燥方法相结合，可以进一步缩短干燥时间，在一定程度上提高干燥制品的质量。

孙传祝利用红外结合热风的方式进行了蔬菜脱水的研究应用，发现组合加热的干燥速率远远高于单纯热风加热[13]。

从整体来看，我国与发达国家还存在着一定的距离。

高效、可连续性进料和出料的智能控制技术及装备研发是果蔬红外联合干燥研究未来发展的方向。

3.微波干燥技术微波是波长在1mm～1m之间，频率在300MHz～300GHz之间，具有穿透性的一种电磁波。

微波干燥技术是由微波发生器将微波辐射到干燥物料上，当微波射入物料内部时，穿透使水等极性分子随微波的频率作同步旋转，水等极性分子高速旋转的结果使物料瞬时产生摩擦热，导致物料表面和内部同时升温，使大量的水分子从物料逸出，达到物料干燥的效果[14]。

3.1原理微波加热利用的是介质损耗原理，物料中的水分子是极性分子，并且水是强烈吸收微波的物质，在微波作用下，其极性取向随着外电磁场的变化而变化。

在外加电场的作用下，无极分子的正负电荷中心的距离将发生相对位移，形成沿着外电场作用方向取向的偶极子，因此电介质的表面将感应极性相反的束缚电荷，宏观上称这种现象为电介质的极化。

随着外加电场越强，极化程度也就越强。

对于有极分子来说，在外电场的作用之下，每个分子的正负电荷都要受到电场力的作用，使偶极子转动并趋向于外电场作用方向。

随着外加电场愈强，偶极子排列愈整齐，宏观上电介质表面出现的束缚电荷越多，极化的强度越高[15]。

3.2微波干燥技术的过程微波管电源把常用的交流电压通过高压变压器和高压整流器转换成左右的直流电压，直流电压被送到微波发生器并产生微波，微波能量再通过波导管传输到微波炉腔内对被干燥物料进行干燥。

微波管是微波发生器的核心，目前用于加热设备的微波管主要为磁控管[16]。

冷却系统用于对微波管的腔体及阴极部分进行冷却。

3.3微波干燥技术的优缺点[17]优点：1.干燥速度快，干燥时间短 2.干燥均匀，产品质量好 3.选择性加热干燥 4.热效率高 5.反应灵敏，易控制 6.防霉、杀菌、保鲜。

缺点：1.干燥终点判断不好，容易出现干燥过度现象 2.易出现过度加热 3.被干燥物料表面易潮湿柔软，会影响到产品的感官质量。

3.4应用和前景目前，微波干燥技术已经成功地应用于土豆片、面条、调味品、小食品、海产品、蔬菜、果粉、蛋黄粉、人参、金银花、肉干、肉脯、菇类、茶叶等品种的干燥。

与传统干燥方法相比,不但干燥效率高,干燥时间短,而且能够较好地保持物料的色、香、味和营养物质含量,同时具有独特的杀菌优势,利于产品贮藏。

韩清华等人研究了一种微波真空干燥膨化苹果脆片的加工方法，对微波的功率、压力与干燥特性和膨化率的关系进行试验，得出了较佳的工艺参数[18]。

王玫等人采用桃脯和苹果脯为原料，选择先微波干燥后热风干燥的方法进行干燥，结果表明：微波间歇时间对干燥速率有着显著影响[19]。

随着科学技术的发展，如生物制品、新型材料、新型高级食品和新型药物制品等新产品的出现，传统的干燥技术和干燥器已不适应。

微波干燥技术已经在轻工业、建筑业、食品、农产品加工业等行业广泛的应用。

目前，很多农产品已成功应用了微波干燥；利用微波真空干燥谷物种子，处理温度较低，可提高种子的发芽率。

与此同时，农产品微波干燥机理的研究也比较活跃，这势必会促进农产品微波干燥的发展。

4．喷雾干燥技术喷雾干燥是应用于物料干燥的一种方法。

于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。

该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。

4.1原理通过机械作用，将需干燥的物料，分散成很细的像雾一样的微粒，（增大水分蒸发面积，加速干燥过程）与热空气接触，在瞬间将大部分水分除去，使物料中的固体物质干燥成粉末。

4.2喷雾干燥的基本流程首先，物料经过过滤器由泵输送到喷雾干燥器顶端的雾化器中雾化为雾滴。

与此同时，空气进入鼓风机经过过滤器、空气加热器及空气分布器送入到喷雾干燥器的顶端；空气和雾滴在喷雾干燥器顶端接触、混合，进行传热和传质，完成干燥的过程。

最终产品由塔底的收集装置进行收集，废气经旋风分离器由出风口排入大气[20]。

4.3常见的雾化形式[21-23]（1）气流式喷嘴雾化气流式喷嘴雾化是利用压缩空气高速从喷嘴喷出，借助于空气、料液两相间相对速度的不同产生的摩擦力，把料液分散成雾滴。

虽然气流式雾化器可雾化高粘度物料，而且相应加工比较简单。

但因其压缩空气转换功能效率甚低，使其雾化的比能耗较其他两种雾化装置大，且雾化粒径分布不够均匀，故后来将研究重点转移到离心式雾化器上。