微波处理技术在食品干燥领域中的应用

刘盼盼 任广跃,2 段 续,2 靳力为 张迎敏 马丽苹

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471000；2. 粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450001)

干燥是农产品加工的重要方式，也是食品工业中的操作单元，干燥后的农产品不仅有利于贮藏，降低损失率，增大经济效益，还可以减少运输成本。干燥主要是通过脱水降低食品的水分活性、抑制食品中酶的活性和微生物的生长来延长食品的贮藏时间的目的[1]。目前，常用的干燥方式有热风干燥(HD)、热泵干燥(HPD)、真空干燥(VD)和冷冻干燥(FD)等，但各干燥方式均存在不同程度的不足，如干燥时间过长、干燥效率低下、干燥产品质量低劣等。

微波干燥(Microwave-drying，MD)作为一种高效率的干燥方式，近年来被广泛应用于食品干燥过程中，微波可以产生高频电磁场，具有较强的穿透性和只对极性分子加热的高选择性，使其可以穿透物料内部，对整体进行加热，避免了传统干燥方式“内生外焦”现象的发生。微波干燥被认为是一种节能的干燥方法，具有反应灵敏，无污染、无余热、干燥效率高、便于控制的优点，常被用于联合或辅助其他干燥技术[2-3]。较传统的干燥方式，微波联合干燥技术能缩短干燥时间、降低干燥能耗、提高干制品质量。文章拟主要介绍微波在食品干燥领域中的应用，从微波干燥、微波联合干燥和微波辅助干燥3个方面综述其优越性，并重点介绍微波技术对物料干燥能耗、干燥时间、干燥品质的影响，以期进一步推动微波技术在食品干燥领域的应用，为其工业化发展提供依据。

1 微波干燥(MD)技术

MD处理过程中，常用的微波频率为300 MHz～3 000 GHz，微波波长为0.1 mm～1.0 m，其加热原理是介质材料自身损耗电磁场能量而发生的加热。介质材料与微波电磁场相互耦合实现能量转化，其转化方式如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象等，其中偶极子转动是微波加热的主要原理，偶极子受到电磁场力作用，迫使其顺着电场方向整齐排列，引起偶极子转动，致使分子间频繁碰撞而产生大量摩擦热，并以热能的形式在物料内表现出来，使物料在短时间内温度迅速升高。MD的原理是透过物料内部的微波对整体进行加热，物料中的水分介电常数大，吸收微波能转化成热能后优先受热蒸发，蒸发掉物料内部的大部分自由水和弱结合水，从而达到干燥的效果[4]。图1是一种常见的微波干燥机的原理图，其中微波系统是整个微波干燥机的核心，是保证干燥顺利进行的重要组成部分。MD干制品在外观形状、微观结构、复水性能和各种营养成分的保持等方面均较其他传统干燥方式有较大的优越性。

1. 进料区 2. 进料斗 3. 微波抑制器 4. 排热系统 5. 排湿系统 6. 微波系统 7. 微波箱体 8. 传输系统 9. 出料区和出料斗

由于食品物料内部水分的耗散因子较大，吸收大量微波能，使得内部温度迅速升高，导致内外温度梯度和水分梯度较大，促进了内部水分向外扩散快速蒸发，所以MD具有较高的干燥速率。微波能主要用于转化为热能，加热水分，在其他方面的耗散较少，从而可以降低干燥能耗，提高MD的效率[5]。

近年来，随着科学技术的进步，食品干燥方法趋于多样化，可选择的干燥方法也日益增多。在保证最终干制品水分含量相同的条件下，不同干燥方式对食品干燥效果(能耗、质量、效率)的对比结果见表1。

由表1可知，与热风、冷冻、真空干燥相比，MD处理具有较高的干燥速率，可以明显地缩短干燥时间，对产品的营养成分保留程度更高，提高了产品品质，微观结构破坏程度低，复水性能较优，感官评价较好。

表1 微波干燥与其他干燥方式对食品干燥效果的比较Table 1 Comparison of microwave drying with other drying methods in food drying

2 微波联合干燥

传统的热风、热泵、冷冻干燥存在干燥时间长、干燥效率低、干燥品质差等缺点，与传统的对流干燥和传导干燥相比，MD具有干燥效率高、能耗低的优点，但MD单独使用，因为微波场强分布不均匀，大小形状不一的干燥物料因受热不均匀会发生碳化，容易使物料局部发生灼烧[13]，在不同的区域产生“热点”。Peyre等[14]研究表明，微波功率水平、功率循环、物料不同的介电性能以及物料不规则的形状和尺寸都是影响MD干燥不均匀的因素。Wang等[15]研究了磁控管布置和功率结合对胡萝卜微波干燥温度场均匀性的影响，发现3个磁控管的温度场均匀度明显高于两个磁控管，说明可以通过改变磁控管的布置来改善微波干燥的均匀性，但这种电磁场模式的改变依赖于微波反馈系统的设计，增加了MD的生产成本，不利于其工业化发展。因此，实际生产中常将MD与HAD、HPD、FD和VD相结合，既能克服MD不均匀的缺点，又能降低能耗，提高效率，保证品质。

2.1 微波—热风联合干燥

传统HAD操作简单，投资成本低，但会导致热敏性的生物活性成分降解，颜色损失和微观结构转变严重，且所得干制品表面易皱缩、营养成分损失严重。作为一种节能的干燥方法，MD可以节省干燥时间、加快干燥速率、提高产品质量。近些年常将MD与HAD联合使用，即微波—热风联合干燥(MD-HAD)。MD-HAD不仅同时具有MD和HAD的优点，能够克服营养成分损失严重、干燥不均匀、干燥能耗大的缺点，还能够穿透物料对整体进行加热，缩短了干燥时间、提高了干燥效率，既能达到干燥的目的，保证外观品质和内在品质，又能降低干燥成本，此外还具有杀菌的效果[16]，且MD-HAD产品质量高于单一的HAD产品。

Zehra等[17-18]研究发现，豆角粉干燥过程中，MD-HAD能耗较单独使用HAD能耗降低了50%；甘蓝干燥过程中采用MD-HAD的干燥时间缩短了57.6%，干燥能耗降低了12%；MD-HAD对甘蓝抗坏血酸的保留率比HAD的高13.50%，总多酚、总黄酮降解率比HAD的分别低19.28%，13.87%。这是由于微波辐射具有穿透性使得细胞发生破裂，有利于营养成分的提取，且微波—热风联合干燥制品的微观结构具有较少的塌陷，表现为均匀的蜂窝状多孔结构，且与联合干燥速率高、干燥时间短有关。刘小丹等[19]采用微波+高温热风+低温热风联合干燥红枣，与HAD相比，联合干燥速率更高，干燥时间更短(联合干燥时间22.4 h、热风干燥时间28 h)，能耗低[联合干燥能耗为26.32 g/ ( kW·h)、热风干燥能耗为30.80 g/(kW·h)]，且联合干燥过程中抑制了非酶褐变，营养成分损失减少，与Xu等[20]的研究结果相似。表2为MD-HAD较传统HAD对各物料干燥时间、干燥能耗和品质的影响。

由表2可知，较传统的HAD，MD-HAD的干燥时间可缩短40%～75%，干燥能耗可降低25%～65%，且对一些物料的特殊营养成分的保存率有所提高。有研究[29]表明，联合微波干燥对干制品有明显的杀菌作用。刘伟东等[30]研究表明，两种干燥方法对枸杞的杀菌作用有明显差异，联合干燥的杀菌率为91.26%，而传统HAD的杀菌率为82.25%。徐艳阳等[31]采用热风温度60 ℃、转化点含水率20%、微波功率119 W联合干燥玉米对霉菌有明显抑制作用，且较传统的HAD能耗降低了50.6%。

2.2 微波—热泵联合干燥

HPD因其操作简单、干燥效率高、卫生安全、无污染等优点被广泛应用于食品领域[32]。HPD过程中，物料表面的水分蒸发速度与内部水分向外迁移的速度相近，所得制品品质高、色泽好，但在HPD中后期，随着干燥物料水分的减少，干燥速率变慢，干燥时间延长，干燥能耗增加，同时使得物料表面发生氧化、内部微观结构被破坏，产品品质降低[33]。为了克服HPD中后期的缺点，常将HPD与MD联合使用[34]。但不同食品对热泵—微波联合干燥(HPD-MD)参数如热泵温度、微波功率、微波作用时间、转换点含水率的敏感性不同，这些参数会影响干制品的品质如营养成分含量、色泽、复水率、微观结构以及干燥能耗。

由表3可知，关志强等[35]研究发现，当热泵温度为35 ℃、转换点含水率为39%、微波功率为252 W时，干燥能耗最低，为10.55 kW·h，并且与HPD的干燥时间(15.0 h)和复水率(39.16%)相比，联合干燥时间(4.9 h)缩短了66.7%，复水率(57.40%)提高了46.5%，且干燥品质得到了大大提高。此外，荔枝在热泵温度为50 ℃、转换点含水率为100%，微波时间为2.5 min 下进行干燥，其能耗节约30%以上，且干燥时间和干燥能耗受转换点含水率的影响，并与其呈反比[36]。

表3 食品热泵—微波联合干燥工艺优化Table 3 Optimization of heat pump microwave combined drying process for food

Chong等[41]对比分析了苹果块干制品的质地特性、外表颜色、抗氧化活性及总多酚含量，发现HPD-MD所得苹果块干制品的抗氧化活性及总多酚含量比单独使用HPD的提高了60%～70%，其色泽、硬度等物理外观均比其他方法干制的好，干燥能耗也大大降低。宋杨等[42]研究发现，与单独HPD相比，热泵—微波真空联合干燥的干燥时间可缩短50%以上，产品复水率有较大提高；单独使用HPD制得的海参表面深黑，且伴有焦糊、干瘪现象，品质一般，而联合干燥制得的海参表面呈黑色，无焦糊现象，形状保持基本完好、无干瘪，品质良好。说明与微波的联合使用可以提高物料的干燥速度、降低干燥成本，保证产品质量。目前，HPD-MD在能耗、效率及品质方面优于传统HPD。

2.3 微波—冷冻联合干燥

FD是在多种干燥方式中维持食品色泽、结构、营养成分、风味物质最好的一种干燥方式。其基本原理是在真空状态下将提前预冻好的食品进行干燥，物料中的水分从固态升华为汽态，达到脱水干燥的目的[43]。FD可以较好地保存物料原有的微观结构，不会出现大部分坍塌现象，避免了物料体积的大幅度收缩，有利于营养物质和挥发性物质的保留。此外，由于FD物料微观结构会出现较多孔隙，所以冷冻干制品具有较好复水性能，且贮藏周期较长。但FD能耗大、干燥时间长，成本较高，限制了其在食品领域的应用，也阻碍了FD的工业化发展[44]。为了缩短生产周期、降低干燥能耗，并保证干制品质量，常将微波真空干燥(MVD)与FD结合对物料进行脱水处理。

Pei等[45]将双孢菇冷冻—微波真空联合干燥(FD-MVD)与传统FD的动力学和复水性能进行了比较，并对干燥过程中水分的变化和复水过程中水分含量进行了模型拟合。结果表明，在FD-MVD过程中的有效水分扩散系数(2.318×10-5～5.565×10-5m2/s)为FD过程(1.291×10-6～3.389×10-6m2/s)的10倍，说明FD-MVD具有更好的传质效率，因为微波可选择性地针对冰晶体加热使得干燥速率大大增加，明显缩短干燥时间；同时，Peleg模型可以较好地拟合FD-MVD和FD干制品的复水过程，且复水能力相似。FD-MVD具有干燥效率高、干燥时间短、干燥能耗低、复水性能与FD产品相似等优点，较FD更适合于工业化发展。Cui等[46]发现MVD-FD样品的胡萝卜素和维生素C的保留率与FD样品相当，且颜色变化最小，虽然联合干燥样品收缩率大于FD，但联合干燥样品表面平坦无明显翘曲；且FD样品与联合干燥样品复水比几乎相同，其微观结构也相似。这是因为MVD-FD干燥过程是直接通过升华进行的，使制品具有易于复水的多孔性结构。Li等[47]探究了FD和MVD联合干燥顺序对胡柚干燥品质的影响，无论MVD是先干燥还是后干燥，联合干燥均比FD显著缩短了干燥时间，并改善了品质；FD-MVD对胡柚还原糖和类胡萝卜素的保留率高于MVD-FD和MVD-FD-MVD，且FD-MVD样品的总多酚和总黄酮含量显著高于FD，所以FD-MVD具有较强的抗氧化能力；MVD-FD样品颜色与FD样品相当，吸湿性最弱。

由表4可知，与FD相比，MVD-FD可以缩短干燥时间14%～75%，降低干燥能耗30%～70%，显著提高样品还原糖、总多酚、总黄酮、维生素C等营养成分含量，提高样品的复水性能、降低吸湿能力，且保持与FD样品相似的微观结构，含有较多孔隙和空洞，有利于提高复水性能。此外，MVD-FD还具有杀菌功能，能显著降低微生物含量。

表4 微波联合对冷冻干燥的影响Table 4 Effect of microwave combination on freeze drying

3 微波辅助干燥

微波辅助干燥是将微波能应用于干燥过程的各个阶段，为干燥物料提供脱水所需的能量。较传统的干燥方法，微波辅助干燥能够阻止干燥过程中热量的散失，保证其充分干燥物料，不仅可以获得较好的产品品质，还可以大大降低干燥能耗和干燥时间。

Wang等[54]研究表明，较传统的HAD，微波辅助干燥时间缩短了64.29%，干燥速率是HAD的22～35倍；微波辅助干燥香菇的多糖含量为新鲜样品的84.97%，较传统HAD具有较高的保留率，且在干燥过程中产生的硝酸香气种类和数量均显著高于HAD；但微波辅助干燥在复水性能方面表现出了负面效应，其复水率是HAD的57.23%，可能是微波辅助干燥导致水分的快速蒸发，有助于内部黏度较高的成分渗出，并在物料表面形成了阻碍复水进行的厚层。这与干燥过程中微波功率和热风温度以及干燥物料的性质有关[55]。而Horuz等[56]研究发现，微波辅助干燥的样品其复水性能显著优于传统HAD，可能是微波造成细胞损伤，增加了细胞内空腔和细胞间隙，使水分得以更好地迁移，增加了复水能力。此外，由于微波的穿透性可以加速物料加热，所以微波辅助干燥技术在提高干燥速率、降低干燥能耗方面有显著性影响。微波辅助干燥酸樱桃时，其干燥时间缩短了52.0%～66.6%，干燥能耗降低了55.08%～58.64%，微波功率越大越有利于干燥时间和干燥能耗的降低，且显著提高了对总多酚和维生素C的保留率。Abano[57]发现微波辅助热风干燥芒果较传统HAD时间缩短了23%，干燥能耗降低了29.7%，营养成分保留率显著高于传统HAD。Justyna等[58]发现微波辅助干燥红甜菜根可以使干燥时间缩短66%，干燥能耗降低20%，且具有更好的色泽和更高的甜菜碱保留率。Altan[59]研究表明，微波辅助热风干燥不仅可以降低通心粉的干燥时间，且对其烹饪特性和质构特性有明显改善作用。此外，对胡萝卜[60]、孜然[61]、树莓[62]、火龙果[63]等的研究表明，微波辅助干燥不仅可以明显缩短干燥时间、降低干燥能耗，且对物料营养成分的保留有积极效应。

由表5可知，微波辅助干燥对不同干燥方式均有积极作用，所得干制品质量均有所提高。微波具有辐射作用，可以穿透食品物料内部，对物料整体进行加热使物料内外温度同时升高，产生大量水蒸气，内外产生气压差，使得内部水分快速向外迁移，极大地提高了干燥速率，同时使物料形成了比原始组织结构更大的孔隙，进而提高了干制品的复水性能[70]。

表5 微波辅助对传统干燥方式的影响Table 5 Effect of microwave assisted drying on traditional drying methods

由图2可知，微波辅助的干制品更具多孔性和蜂窝状网络，而常规真空干燥干制品的微观结构紧密堆积，无可见蜂窝状网络，说明微波辅助有助于样品孔隙和孔洞的产生，更有利于物料的复水[71]。

4 结论与展望

无论是微波干燥处理技术还是微波联合干燥、微波辅助干燥，在食品干燥过程中均表现出显著的强化作用，微波技术的应用可以提高干燥过程中的有效水分扩散系数，促进传热传质的进行，明显地缩短干燥时间、降低干燥能耗，此外，微波还可以降低干燥产品的营养成分损失，提高产品品质，抑制产品收缩，降低其微观结构的塌陷，增加其孔隙和孔洞，提高其复水性能。微波干燥处理改善了单一干燥方式带来的不足和缺陷，可实现高效率、低能耗、高品质的干燥效果。微波处理在食品干燥领域的研究可从以下方面进行深入：

a. 真空干燥 b. 微波真空干燥 c. 微波喷动床干燥 d. 微波脉冲喷动真空干燥

(1) 食品物料性质的研究和预处理的开发。由于微波的选择性加热，物料吸收微波的能力受物料介电性能的影响，为了避免物料干燥不均匀，在干燥过程中应考虑物料介电性能的改善，尝试干燥前进行预处理，如电离辐射、超声波、远红外辐射等。后续应深入分析联合微波干燥过程中物料某种性质随含水量和温度的变化，以及不同预处理方式对物料介电性能的影响，并探究物料性质、品质的改变机理，以开发最佳的干燥方法保持产品最理想的特性，如高孔隙率，并尽可能抑制不佳的干燥效果，如过度收缩。

(2) 微波与传统干燥方法结合工艺的优化。不同干燥方式的联合、转换点的选择、联合顺序均会影响干燥成本和干燥产品质量，需重点研究微波功率、干燥室压力、微波模式、干燥温度对干燥能耗、干燥效率、干燥产品质量以及水分迁移机理的影响，尤其是微波模式下探究间歇微波处理、连续微波处理、恒温微波处理和变温微波处理对品质的影响，干燥工艺的选择应尽量降低干燥能耗，保持食品外观和营养价值。

(3) 微波辅助干燥设备的开发。微波联合干燥和辅助干燥技术虽然取得了较多研究成果，但仍局限于实验室，并未进行工业化大批量生产，为了推进微波技术在食品干燥领域的应用，需开发方便、节能、高效的微波辅助干燥机器，此外，还需结合在线监测水分系统和自动控制系统，优化干燥设备结构来促进微波技术工业化的发展。

(4) 微波加热不均匀性的改善。微波因其具有穿透性，加热过程中会出现局部过热造成加热不均匀的问题。同时提高均匀性和效率是微波技术应用于干燥领域的难点，后续可结合变频技术和选频技术在保证高效率的前提下改变微波加热的频率来提高加热的均匀性，开发双端口或多端口加热方式，建立微波多角度加热温度和时间的模型，预测物料局部温度，进一步提高物料加热的效率和均匀性，使微波处理技术更好地应用于食品干燥领域。