微波流态化联合干燥技术在果蔬中的研究进展

吕为乔，李树君，韩清华，王也，周海军

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083）

微波流态化联合干燥技术在果蔬中的研究进展

吕为乔1，李树君2，*，韩清华2，王也2，周海军2

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083）

阐述了微波干燥在果蔬加工上的干燥原理和不足，并结合国内外研究背景，说明多种干燥方法联合干燥是微波干燥果蔬类农副产品的发展趋势。介绍了微波热风流态化联合干燥的研究成果，提出了热风微波真空流态化分阶段组合干燥的设想以及预期中的技术问题。

微波干燥；微波流态化；果蔬；组合干燥；研究进展

微波是波长1mm～1m之间，频率在3.0×102～3.0× 105MHz的电磁波，具有直线传播、空间衰减和对金属反射性好等特性。20世纪40年代，美国雷声公司工作人员在进行雷达试验时，偶然发现糖果被泄露的微波融化，经过研究申请了世界上第一个微波加热专利。1965年，微波技术在烘干面条中取得成功，面条内部水分迁移缓慢，后续干燥困难，而微波干燥很好地解决了这一问题。随着磁控管生产技术的成熟和生产成本的降低，70年代微波加热技术在发达国家得到大规模的推广和使用[1]。微波之所以能应用于脱水蔬菜、果蔬脆片等干燥领域，是因为水分子及果蔬物料中其它分子的极性结构，受到微波的激励后产生每秒数亿次的振动，这会引发非常可观的摩擦效应和热运动，水的沸点较低，能被首先散失出来。为了避免不同用途电波的干扰，国际上对加热用的微波有统一的规定，在农副产品加工中常见的频率为915MHz和2 450MHz。

1 微波干燥技术在果蔬中的研究进展

1.1 我国脱水果蔬的发展现状

我国是世界上果蔬的生产大国，2011年总产量达7.9亿t，其中蔬菜6.5亿t、水果1.4亿t，均位居世界第一位。二者在国际市场上的占有率高达35%左右，出口贸易额40.4亿美元，而脱水果蔬类产品占38.7%，年出口平均增长率高达18.5%[2]。随着国内外食品配料需求的高速增长及欧美日俄等国际市场对脱水果蔬类产品需求量的大幅增加，脱水果蔬加工业已成为我国国民经济发展的一个重要增长点。

脱水果蔬，是利用各种干燥方法把水果、蔬菜的含水率降到安全水分得到的产品，是一种适应现代人快节奏、高效率生活方式的流行食品，也是在不易于获得新鲜水果、蔬菜条件下解决饮食问题的贮藏食品。我国脱水果蔬的生产工艺以热风烘干为主，产品品质较低，市场竞争力较弱，而日本、韩国、美国、欧盟等国家时常运用技术壁垒的方式，限制中国果蔬加工制品进入，从而制约了我国脱水果蔬产品的出口和果蔬加工业的发展。只有提高果蔬干燥的技术含量，研发高效节能新技术、新工艺，才能在国际市场中以产品质量和成本优势取胜。

1.2 微波干燥的优势和不足

传统上采用的对流和接触式干燥需要干燥介质传输热量，能源利用率受到限制。利用红外线、远红外线、微波等能源将热量传给物料干燥称为辐射干燥，不仅不需要传热介质，还可以适应有利于干燥的真空环境。微波干燥作为新一代干燥技术，具有加热速度快、干燥效率高等优点。资料表明微波在50Pa～3200Pa的低压下工作时，会产生辉光放电现象，微波低压放点问题是微波真空冷冻干燥技术的研究重点[3]。

微波能以电磁辐射形式进入湿物料，由里到外产生大量水蒸汽，从而形成有效的气压差，驱动水分以气体的形态向表面迁移。由于极性分子的摩擦运动和生热效应，热量要向表面释放；适当的物料体积和厚度有利于热量的散失，对控制品质起重要作用。物料的传热方向、蒸汽迁移方向和温度梯度方向一致，大大提高了干燥速率[4]。物料在吸收微波能后，微波的场强和功率不断地衰减，通常用渗透深度来表示物料对微波能衰减能力的大小，即微波功率从物料表面至表面值的1/e时的距离，用De表示，e为自然对数底值。

式中：λ0为自由空间波长；εr为介电常数；tgδ为介电损耗。表1为微波在水中的渗透深度[5]，对于一般果蔬类的物料，和值比水要小得多，故微波穿透能力高于纯水。

表1 微波在水中的渗透深度Table1 Microwave penetration depth in water

牟群英等通过理论计算，认为在915M和2 450M的微波频率下干燥高含水率的多孔介质，最大厚度应控制在16 cm和6 cm以内，且微波的穿透能力随着水分的降低显著增强[6]。在普通的脱水蔬菜、水果脆片等农副产品干燥领域，频率为2 450的微波工作效率高，应用最为普遍。在微波冷冻干燥方面，随着温度的降低微波的穿透深度有很大的提高。

当频率和电场强度一定时，物料在干燥过程中对微波强度的吸收主要取决于物料的介电常数。在果蔬干燥过程中，水的介电常数比干物质大，吸收能量多，故物料在受热过程中具有自平衡能力。与此同时，微波的热效应和电磁效应在干燥过程中兼有穿透灭菌能力，葛新峰和Mrinal K.Bhattacharjee等通过培养基的灭菌试验证实了微波的杀菌效果[7-8]。

微波干燥也有自己的不足，微波作为一种电磁辐射能源，可能在物料尖角部位集中，发生局部过热、焦化。磁场在工作室的分布存在着不均匀性，在磁控管的布置和工作平台的设计上需要深入地考虑。韩清华等通过多馈源微波干燥室设计，利用HFSS软件对微波电磁场的均匀性进行模拟仿真，优化了微波的能量分部[9]。微波干燥为全体积干燥，热量若不能及时散发出来，会导致干燥品质的劣变，单纯的微波干燥成品率往往不足65%。很多学者都把切片厚度作为重要工艺参数来研究，熊永森等通过正交试验发现3mm厚的胡萝卜片微波干燥的品质最优[10]；朱德泉等通过单因素试验研究了切片厚度对猕猴桃微波真空干燥品质的影响，并用正交试验得出6.16mm的厚度干燥效果最佳[11]。

微波干燥作为新一代干燥技术，一次性的设备投资和运营费用要高于传统的热风干燥，可以优先在高附加值的果蔬类产品中使用，而发展多种干燥方式复合的技术，兼收接触式干燥和对流式干燥的优势可以弱化单一干燥方式的技术缺陷，实现干燥效率的提高和干燥品质的改善。

1.3 国内外有关微波干燥的研究进展

对于微波干燥果蔬类农副产品的干燥不均匀、成品率低等问题，国内外学者有不同的研究。而复合热风、真空、振动流态化等技术手段，将单纯的微波干燥发展成多种方法同时干燥、多阶段复合干燥已成为一种共识。张慜等回顾了国内外关于联合干燥果蔬的研究进展，论述了微波干燥在其中的重要地位[12]。Wang J等用两阶段微波干燥法研究了胡萝卜的干燥过程，认为改变切片厚度、每个阶段馈入微波的功率和时间可降低能耗，提高产品的复水能力和β-胡萝卜素的保有量[13]。D.G.Prabhanjan等通过加入微波将热风干燥胡萝卜颗粒的干燥时间缩短了25%～90%，并在较低的微波功率下取得了良好的干燥品质[14]。JoannaBondaruk等研究了微波真空干燥马铃薯细块的工艺和品质，发现与对流干燥相比，微波真空干燥产品的淀粉和总糖分损失较少，但微观结构有不同程度的改变[15]。韩清华等利用真空微波联合干燥法，通过调整微波功率、压力等参数，不仅改善了苹果片的干燥品质，还起到了膨化效果[16]。RuiWang等研究了微波真空冷冻干燥马铃薯片的微观结构和品质，把干燥过程分为冷冻阶段、解析干燥、最终干燥3个阶段，由于后两个阶段水分升华，渗透作用会引起细胞壁破坏，但整体来说在维生素C、色泽、物性等方面与传统的真空冷冻干燥相差不大[17]。曹有福等利用微波真空冷冻法研究冬枣的干燥工艺，在与真空冷冻干燥品质相同的情况下，干燥时间节省40.9%，能耗降低55.9%[18]。

2 微波流态化联合干燥在果蔬中的研究进展

流态化干燥主要用于可流化或机械辅助流化的潮湿颗粒产品的干燥，具有蒸发、包埋、造粒等功能。借助对流、导热和辐射等方法来实现能量的传递，流化床的动力学可以使粒径在50μm～2 000μm的颗粒得到很好地混合，对于小于50μm的物料一般用振动来实现，对较大的颗粒来说，需要在内部插入构件或喷雾来改善工作效果[19]。

微波流态化干燥工艺在果蔬加工上的应用，不完全等同于细小颗粒的流化床模型，它是利用机械振动使切片的果蔬物料在振动床上处于不断地翻滚，游动及悬浮状态，同时利用微波提供电磁能量，让湿物料内部的水分快速蒸发的干燥方式。在这里物料本身不是细小颗粒，也没有颗粒形成，流态运动只是为了减缓微波电磁场分布不均及物料局部过热等不良影响。由于传热的方式，物料的运动及干燥过程都与普通流化床相同，故称为微波流态化干燥。A.Reyes等在热风微波流态化干燥马铃薯片的试验中得到成功的应用，微波的馈入让干燥时间减少85%，并认为干燥层厚度和热风温度对产品的色泽和孔隙有很大影响，与产品复水性和渗透力关系不大[20]。B.AbbasiSouraki等在微波复合下的流化床中载入惰性颗粒，改善了胡萝卜片的流态化效果，同时还提出了有效预测物料温湿度变化的数学模型[21]。

2.1 热风微波流态化干燥

热风微波流态化干燥，是采用若干只磁控管独立涉入微波能，通过机械振动使切片后的果蔬物料在微波场中处于流态化状态，通过鼓入热风与微波电磁场进行协同加热的联合干燥。基于该种操作设计方法，韩清华等研制了集微波、机械振动、热风为一体的热风微波流态化组合干燥试验平台（图1）[9]。

图1 热风微波流态化联合干燥试验平台Fig.1 Hot-air microwave fluidization combined drying test platform

在试验台中，微波干燥室有6只磁控管，均衡设置在腔体顶部，通过独立的波导与干燥室连接。振动流态化系统采用振动电机带动物料盘进行振动，通过减振弹簧与设备机架连接。干燥室底部设有4根电加热管连接组成热源，热风系统属于独立控制，可选择使用。该装备还具备排湿功能和控制系统等。

通过对胡萝卜丁的热风微波流态化联合干燥，发现干燥后的颗粒之间的水分含量差异在1.22%之内，能保持胡萝卜原有色泽、气味和滋味的干制品的合格率达到89.63%。通过利用微波、流态化两种组合研究了姜片的干燥效果，并认为与单纯热风干燥相比，在干燥时间和保持物料热敏性营养物质的成分上微波流态化工艺具有明显的优势，但姜片的微观结构和产品的复水性偏差。李冰等在此试验台上研究了微波功率、热风功率和振动频率对香菇干燥速率的影响，并通过低场核磁共振技术分析了香菇水分迁移变化，认为提高水的流动性并延长恒速阶段的干燥时间有利于提升干燥速率[22]。

2.2 热风微波真空流态化组合干燥

热风微波真空流态化组合干燥，是一种多种干燥方式、分阶段组合进行的干燥工艺设想。原理上利用流态化干燥的动态均匀的特点，与热风干燥的高水分低成本、微波干燥的快速高效、真空干燥的低温保质进行优势组合，达到高效节能、快速均匀、高品质、高成品率的干燥目的。过程上采用电热和微波两种能源，根据物料的微波流态化干燥特性和优化工艺，细分物料干燥过程，在干燥初期采用热风干燥除去物料中的部分自由水分，以降低物料的水分含量；根据物料的干燥特性，利用微波干燥的快速高效优势，采用热风-常压微波组合干燥进行快速干燥；在物料干燥的中后期，利用真空干燥的低温保质优势，采用微波真空干燥进行物料的后续变温干燥，缩短干燥时间，降低干燥能耗，提高产品质量。在微波场内，使物料处于流动状态，动态均匀传输物料，同时协同调控流场与微波场，保证物料在动态流态化传输过程中，最大限度地吸收微波能，实现微波高效干燥的均匀性，提高产品成品率。

微波真空流态化干燥单元是组合装备的核心部位，真空状态下，物料的均匀流态化传输是热风微波真空流态化组合干燥工艺的关键技术。在设备开发时，需要强调一些预测性的工作：首先要降低微波能馈入口的微波场强度，避免微波的真空击穿放电；其次要合理分布微波功率，匹配振动频率，保证物料在真空状态下，不仅呈均匀流态化传输，还能最大限度地吸收微波能；与此同时，要根据物料在真空状态下的流态化传输过程与微波场的协同调控原理，优化设计物料流态化传输机构、微波干燥腔、微波馈能和波导传输系统、真空系统、微波密封结构等关键部件，保证微波真空流态化干燥装备的传输过程和微波场的均匀性和匹配协调性。通过这些关键部位的研制和成套设备的开发，可实现脱水果蔬产业的优化升级。

3 结论

1）微波干燥在果蔬的应用上，具有干燥效率高，营养成分损失少，能适用于真空生产等技术优势。微波电磁场在干燥腔内分部不均，物料局部过热，一次性投资高是微波干燥技术的不足。结合热风、真空、振动流态化等技术手段，实现多种方法联合干燥，分阶段干燥可以提高干燥品质，降低干燥成本。

2）热风微波真空流态化组合干燥是一项多种干燥方式联合进行、分阶段组合工作的设计。微波流态化干燥的应用很少，分阶段组合干燥设备的开发还有待加强。

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The Research Process of Microwave Fluidization Combined Drying Technology in Fruit and Vegetables

The drying principle and deficiency of microwave drying in fruit and vegetables processing was researched，and with the research background at home and abroad believes that connecting with many kinds of drying methods is the microwave drying 's development tendency in agricultural and sideline products such as fruit and vegetables.The research achievement in the microwave fluidization drying with hot air was introduced，and the idea of a combined drying process connecting hot air，microwave，vacuum and fluidization in different stages was submitted，furthermore，some technology problems in the process were predicted.

microwave drying；microwave fluidization；fruit and vegetables；combined drying；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.033

2014-02-18

国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2011AA100802）；科研院所技术开发研究专项资金项目（2012EG119149）

吕为乔（1984—），男（汉），博士研究生，主要从事农产品加工工程方向的研究。

*通信作者：李树君（1962—），男（汉），研究员，博士生导师，博士，主要从事高新技术在农副产品、食品加工中的应用。