香菇干燥技术研究进展

刘 静 ，翁小祥 ，奚小波 ，2，单 翔 ，2，赵其东 ，张剑峰 ，张瑞宏 ,2

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏扬州 225127；2.江苏省现代农机农艺融合技术工程中心，江苏扬州 225127；3.兴化市嘉禾食品有限公司，江苏泰州 225700）

0 引言

香菇是一种含有高蛋白、低脂肪、多氨基酸和大量微量元素的食用菌，素称“菇中之王”［1］。根据中国食用菌协会统计，2017年全国食用菌产量已达3712万吨，其中香菇年产量986.51万吨，占食用菌比达26.58%；出口食（药）用菌类产品63.08万吨（干鲜混合计算），货值38.4亿美元，干香菇出口金额最高，达到19.94亿美元，占出口总额的一半以上。目前，我国香菇主产区可分为东南（福建、浙江）、华中（湖北、河南）、东北（辽宁、吉林）和西南（四川、重庆、云南）四大产区。我国香菇产量主要来自代料香菇，而代料香菇的主产地是东南和华中产区。此外，段木栽培香菇生产主要集中在华中地区，陕西、甘肃、黑龙江、安徽、广西、江西和福建等省至今仍存有极少量段木栽培。

香菇在采收之后，由于呼吸和蒸腾作用强烈，因而在常温下很快开伞、褐变、变味、质量败坏［2］。新鲜香菇的保鲜期约为3～5天，随着其体内营养物质的流失，香菇会失去原有的色、香、味，其商品价值大大降低［3］。因此香菇在采摘后常通过干燥技术加工成干制品，干燥不仅可以防止引起腐烂的微生物的生长，而且能最大保持其原有的风味和营养成分，经干燥后的香菇保质期可以达到1～2年，干燥还可以使香菇的体积和体重明显降低，更便于贮藏和运输，同时干燥也有利于形成香菇浓郁的香味［4-5］。鲜香菇含水量一般达到80%～95%［6］，干燥过程中需将新鲜香菇的含水量降至安全水分13%以下，并且要保证香菇在储存期内应有的质量，这对干燥能力的要求就相对较高。本文综述了目前香菇干燥常见的几类技术，并对其干燥效果进行对比，为香菇干燥产业提供理论依据和参考。

1 香菇干燥要求

香菇的干燥由内扩散和外扩散两个过程组成，外扩散主要是香菇表面水分随着温度升高而蒸发，内扩散是由于内外湿度梯度而形成的水分从内部渗透到表面的过程。内扩散和外扩散同时进行，但有不同的扩散速率。如果外扩散的速度过快，物料内部水分来不及渗透到外部，会引起物料的表面干结，这不仅阻碍了水分的蒸发，延长了干燥时间，还会影响产品质量。所以，控制好干燥温度，在外扩散与内扩散之间取得相对的平衡，有利于提高香菇干燥的效率以及提升香菇干燥成品的品质，扩大其经济效益。

根据中华人民共和国农业行业标准NY5095-2002《无公害食品—香菇》中的规定，干香菇的产品质量标准见表1。

表1 无公害香菇的感官指标Tab.1 Sensory index of pollution-free mushrooms

为得到高品质的香菇，将香菇的干燥过程分成4个阶段：预备干燥阶段、干燥阶段、后干燥阶段、完成阶段。如何干燥出高质量的香菇，重点在于如何控制好温度与湿度，升温与降温都不宜过快，否则菇盖易起皱；温度不能过高，否则易烧焦。掌握好温度与湿度，使得香菇水分的内扩散与外扩散处于一个相对平衡的状态，才能得到高品质的干香菇。

2 传统干燥技术

香菇传统干燥方式主要有自然晾晒和热风干燥两种，传统干燥其具有简单易行的优点，但其干燥时间长、外观品质、营养成分破坏较严重，因此已逐渐被更多新型干燥技术替代。

2.1 自然晾晒干燥

日晒干燥是香菇最为原始的干燥方式［7］，该方式所制得的香菇其维生素D的含量较高，但其外观品质不易于控制，其他营养成分容易被破坏，且该方式受天气影响较大，因此目前该种干燥方式已渐渐被替代。

2.2 热风干燥技术

热风干燥技术的基本原理是通过热源加热空气，经过热空气将热量传递给物料，再利用水分的蒸发扩散作用减少物料中的水分，同时利用温度梯度，将热量从物料表面向物料中心传递，最终使物料整体含水量控制在合适范围内［8-9］。

Wenjian Yang等［10］提出，热风干燥会通过增加木质素含量来促进香菇的木质化，从而影响香菇的营养和食用性。李艳杰等［11］将香菇切片，通过研究切片厚度、热风温度、装载量三个因素对香菇干燥品质的影响，总结得出热风干燥可以较好保留香菇中可溶性蛋白质和游离氨基酸含量，但对香菇总酚含量及抗氧化活性的破坏较大。薛荣［12］等研究得到香菇经过快速干燥和慢速干燥的效果差别不大，但慢速干燥后的香菇成品品质更高的结论。

热风干燥的优点在于其操作简单，且一次处理的物料量较大，成本较低；但同时其干燥的速度相对较缓慢、干燥的成品品质较低，容易造成香菇色泽的变化和营养物质的流失［13］。

3 新型干燥技术

传统干燥方式不够环保，消耗高且污染环境，所得产品质量也不稳定，因此，更多新型的干燥技术开始出现，并逐渐运用到香菇干燥中。

3.1 真空冷冻干燥

真空冷冻干燥是一种物理脱水方式，它是利用冰片升华，使水分不经过液化，直接从固体到气体，从而进行干燥，其过程如图1所示。

图1 真空冷冻干燥工作过程Fig.1 Vacuum freeze drying working process

经过预处理、冷冻、升华干燥、解析干燥几个步骤，得到成品香菇。真空冷冻干燥可以最大化的保留产品的原有成分，因此其干燥后的成品品质也较高［14-15］。冷冻过程中，冰晶的形成对香菇升华干燥的速率以及干燥后风味物质的保留都有直接影响，而冰晶的形成又与冷冻速度直接相关，因此在真空冷冻干燥中，如何控制好温度以得到适合的冷冻速度就变得十分重要［16-17］。但是真空冷冻干燥同样存在干燥速度慢、消耗高、成本高、投资大等诸多缺点，并且冷冻后的产品更容易吸潮和氧化，对包装设备和包装材料的要求也更高，消耗也高，最终增加了产品的成本［18］。

张力伟［19］对香菇真空冷冻干燥建立了数学模型，并分析出物料厚度、干燥仓压力、预冻速率、加热板温度对香菇干燥成品品质的影响，同时发现真空冷冻干燥的香菇各项指标都优于热风干燥，且冷冻干燥后的香菇不仅组织疏松而且复水快。Politowicz Joanna等［20］对香菇干燥成品的挥发性成分和感官特征进行综合评分，并研究了不同干燥方式对香菇的影响，证明了真空冷冻干燥是干燥香菇的最佳方式。

3.2 微波干燥

微波干燥不同于传统干燥方式，在微波干燥过程中热量传递的方向与水分扩散的方向是一致的，它是一种内部吸收微波能量并转换为热能的过程，被干燥的物料其本身就是发热体，热量从物料内部传递到物料表面［21］，图2为微波干燥香菇的工作过程。

图2 微波干燥工作过程Fig.2 Microwave drying process

微波干燥的速度快，效率高，但是存在温度不均匀的问题，尤其是香菇外表面容易焦，并且设备投资成本大，操作难，能耗高，商业价值不高［22-23］，所以目前大规模生产中不常见该干燥方式。

王俊［24］通过试验总结微波干燥香菇过程分为加速、恒速和降速三个阶段微波干燥同样优于热风干燥。黄姬俊［25］通过试验研究，得到微波功率与装载量对香菇干燥速率具有较大影响，干燥速率随微波功率的增大和装载量的减少而明显加快。随着微波功率的增加，香菇多糖含量、游离氨基酸总量及VC含量均呈现先增加再降低的趋势，同时微波处理时间越长，营养流失越多。

鉴于微波干燥具有干燥速度快效率高而温度不易控制的特点，在生产中多与其他干燥方式联合使用，通常会在干燥中后期辅助微波干燥，大大缩短后期的干燥时长，同时又不影响香菇干制品的品质，提高生产效率和经济价值。目前该方面研究的重点会集中在何时在干燥过程中加入微波以及与何种方式联合干燥，这需要不断地试验调整干燥组合与干燥工艺。

3.3 红外辐射干燥

红外辐射干燥主要是物料吸收了辐射器所发出的红外线导致其内部分子运动加快，从而使物料温度上升，水分发生蒸发作用。中短波红外是红外中波长介于0.75～4 µm的红外线，其辐射频率更高，并且能量高、穿透性强。此外在进行红外辐射干燥之前，香菇通常还会进行高温预干燥，高温预干燥明显提高了干燥后的香菇的复水率和硬度，但降低了其收缩程度、褐变程度和甲醛含量，在整个预干燥过程中，酶的活性较高，有利于形成调味物质［26］。红外加热后的香菇物理化学性质不易改变，因此加热后的香菇干制品营养价值高，外观变形小，品质属于上层。

王洪彩等研究了香菇中短波红外干燥特性，发现中短波红外干燥的香菇的感官品质和化学品质均优于热风干燥后的香菇。郭玲玲［27］研究分析了中短波红外的干燥温度、切片厚度和辐射距离对干燥香菇品质的影响，其中影响最大的为干燥温度，切片厚度次之，辐照距离影响最小，并根据试验确定了中短红外干燥香菇的最佳工艺条件为：干燥温度55 ℃，切片厚度4.5 mm，辐照距离120 mm。

红外干燥技术虽然优势明显，但也存在较多缺点。红外辐射的本质是对物料表层进行了加热，因此其穿透深度只能到表面几毫米处，其内部的加热情况并不明显。因此对于体积较大或较厚的物料来说，尽量发挥红外辐射的穿透性是提高其干燥品质的关键。

3.4 热泵干燥

热泵干燥工作过程主要分为压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程。在干燥行业通常运用空气源热泵进行干燥，其工作原理如图3所示，低温低压的制冷剂气体被压缩机压缩成高温高压的气体，再通过冷凝器不断向外界散发热量，用来干燥物料，而凝结的制冷剂液体则经过节流装置降温降压，最终进入蒸发器，利用剩余热量不停进行循环。

图3 空气源热泵工作原理Fig.3 Air source heat pump working principle

热泵干燥技术高效节能，设备投资和运行成本低，干燥条件可调节范围宽，并且热泵干燥能保证被干燥物料的品质，合格率好。聂林林［28］等通过实验综合比较得出当干燥室内的风温为50 ℃，风速为3 m/s，装载量为1 500 g时，热泵干燥制得的干制香菇的品质较好。

热泵干燥的优点在于可以从排气中回收能量以及可以独立控制干燥气体的温度和湿度。热泵干燥有除湿机组和干燥室，可回收热量并降低干燥过程能量消耗。热泵干燥与热风干燥类似，但热泵干燥所得香菇其形状规则变形较小，原因在于热泵干燥能够及时排湿，有利于香菇内部形成更加疏松的结构，因此其复水性更加。同时热泵干燥制得的干制品中保留的挥发性成分的数量较多，其也有助于香菇特殊香味的形成。

香菇在干燥的中后期阶段含水量会下降，其内部与表面的水蒸气气压差减小，使干燥速度变慢。对此，可以引入新型换热元件，例如相变材料、热管等相变传热装置，提高干燥介质的传热效率，减少香菇的干燥时间和热泵干燥系统的能耗。

3.5 太阳能干燥

姚利利［29］通过试验，建立了香菇太阳能干燥动力学模型，经正交试验优化得出香菇太阳能干燥最适工艺，综合考虑干燥时间和干燥能耗，香菇太阳能干燥的最适工艺参数为：干燥温度55 ℃，干燥风速8 m/s，干燥量6 kg。

Rahman等［30］建立了两种考虑收缩效应的干燥香菇的数学模型，两种模型都使用扩散方程来考虑香菇在干燥过程中的物理变化，并从模型中获得的有关水分含量和厚度评估的信息得出与实验数据的最佳拟合，开发并模拟了香菇干燥曲线的数学模型。

太阳能干燥虽然节能减耗，但其本质和日晒与热风并无太多不同，同样较难控制干香菇的品质。而且由于天气的不确定性，太阳能的供热也产生不确定性，因此如何储存以及最大化利用太阳能，减少能量损耗未来会是研究重点［31］。

4 联合干燥技术

由于单一干燥方式的局限性，目前香菇干燥产业多运用联合干燥的方式。该方式可以根据香菇的特性，将两种或两种以上的干燥方式进行优势互补并分阶段进行干燥。多数联合干燥都具有速度快、时间短的优点，并且其干燥成品的品质比单一干燥方式的成品品质更高。

4.1 热风相关联合干燥技术

4.1.1 热风微波联合干燥

热风干燥难以深入内部，干燥过程缓慢，香菇表面易焦化，且温湿度不易控制，而微波干燥加热不够均匀，内部温度过高而来不及散热，影响香菇产品品质。因此，提出热风微波联合干燥的方式。

高伦江等［32］通过试验分析比较了热风干燥、热风微波联合干燥两种方式对香菇干燥速率、复水比、色泽及风味成分的影响，得出结论：热风微波联合干燥无论是在干燥速率还是复水比等方面，其综合品质都明显优于单一的热风干燥。

张慧等［33］在热风微波联合干燥的基础上，探讨了联合干燥转换点的干基参数性能对香菇干燥品质的影响，得出其最优干燥工艺参数为转换点干基含水率4.20 g/g，热风温度为60.60 ℃，微波功率密度30.00 W/g，该研究为热风微波分段联合干燥提供了参考。

4.1.2 真空热风联合干燥

真空干燥香菇，其产品复水性好，色泽良好，但耗时长，成本高。热风干燥耗时短，成本低，但产品复水性差。因此提出真空热风联合干燥，先将香菇真空干燥至一定程度，然后热风干燥。

吴明晖等［34］通过二次回归旋转设计试验，研究了真空热风联合干燥技术，并综合考虑复水性、色泽以及干燥成本等多个因素，确定了真空热风联合干燥香菇的最佳工艺为真空度300 Pa，加热板温度60 ℃，切片厚度8 mm，水分转化点为50%，热风温度60 ℃。

4.1.3 远红外热风联合干燥

热风干燥能及时带走物料表面蒸发出的水蒸气，使物料内部水分得到扩散，远红外辐射能使物料内外水分同时得到加热，形成内高外低的温度梯度，尤其是在干燥达到一定程度后，这种温度梯度很明显，这与物料内水分含量梯度方向一致，加快了物料的干燥［35-36］。

4.2 热泵相关联合干燥

4.2.1 太阳能热泵联合干燥

由于太阳能干燥受天气影响较大，阴雨天气会出现供热不足的情况，因此，太阳能干燥通常不会单独出现，往往会和其他干燥方式一起出现，最常见的是太阳能热泵联合干燥。太阳能热泵联合干燥方式是太阳能系统和热泵系统的结合体。当太阳能辐射充足时，系统采用太阳能系统进行干燥；当太阳能辐射不足时，系统采用热泵系统进行干燥。

Seyfi Şevik 等［37］在研究中，提出了一种简单且具有成本效益的带有平板集热器和水源热泵的太阳能辅助热泵系统（SAHP）。通过试验，太阳能（SE）系统和热泵（HP）系统可以分开使用，也可以一起使用，并且已经为该系统开发了计算机程序。干燥空气温度，相对湿度，产品重量等均通过PLC进行监视和控制。该系统价格便宜，质量好且可持续，并且可以为产品进行高效率建模。因此，可以以更少的能量输入和更多的可控条件来干燥产品。

Freeman和Mitehell对并联式、串联式和混合式三种太阳能热泵联合系统进行全面的模拟分析研究，并比较其性能，研究结果表明，在空气作为辅助热源的情况下，并联式太阳能热泵系统是最实用的［38］。图4为并联式太阳能热泵联合干燥系统工作流程图，当日照条件较好时，可以单独采用太阳能系统进行干燥；当日照不足时，则开启热泵辅助加热干燥。

图4 并联式太阳能热泵联合干燥流程图Fig.4 Combined drying flow chart of parallel solar heat pump

郝亚萍［39］搭建了可根据干燥室内物料的干燥实况以及外界条件选择合适的干燥方式的干燥模型，实现各阶段能源利用最大化目标。同时还根据恒温干燥试验，提出变温干燥香菇的干燥工艺，并通过试验证明变温干燥更适合于香菇干燥。

4.2.2 热泵真空联合干燥

基于热泵干燥与真空干燥这两种方式的优缺点，提出一种热泵真空联合干燥香菇的方式，并进行分阶段干燥，期望优势互补，得到品质与真空干燥相近，但能耗又低于真空干燥的干制香菇。

程慧等［40］在单因素试验基础上进一步进行优化设计，研究热泵温度、真空度和转换点含水率对单位能耗、感官评分、复水比以及硬度的影响，并与单一干燥模式进行对比，得出其最佳工艺参数为热泵温度49 ℃，真空度110 Pa，转换点含水率56%。

4.3 其他联合干燥技术

4.3.1 远红外微波联合

远红外具有一定的穿透性，干燥快且能耗低，其干燥成品品质也好；而微波的穿透性强，适合香菇干燥后期除去内部水分。因此提出远红外微波联合干燥技术，该干燥技术可在降低成本的情况下大大提高香菇干燥品质。

刘正怀等［41］通过试验得到如果在试验中越早从微波干燥转换到远红外干燥，其干燥速率会更高，且能耗小，并且远红外温度越高，速率越高。并经优化得到最佳工艺参数：远红外干燥箱温度为66.81 ℃，微波干燥功率为1.13 W/g，转换节点时香菇的含水率53%。

4.3.2 微波真空联合干燥

微波干燥具有加热速度快、干燥时间短、能源利用率高等优点，但是单纯用微波干燥进行食药用真菌干燥，容易产生由于过热引起的产品烧伤、边缘焦化、结壳和硬化等现象。采用真空和微波相结合的技术可以在真空条件下对产品进行微波加热而达到脱水目的，同时可以避免氧化、改善干燥的品质，具有快速、高效节能、低温、产品质量好、经济效益好的特点［42-43］。黄姬俊通过二次正交试验，得到香菇微波真空干燥在真空度-90 kPa下的最佳工艺条件为：微波功率2 650 W，装载量171 g。

微波真空干燥有助于保持大量的味觉活性氨基酸，改善了营养保留和颜色属性，可以更有效保留热敏性成分或生理活性成分，通过微波真空干燥产生的香菇样品其塌陷结构少，在皱缩、密度、色泽、复水等多方面都优于单一干燥方式。

5 结语

香菇在世界市场上大多以干制品进行交易，且每年出口额庞大，大力发展香菇干燥产业，对加快我国现代经济的发展和农业的发展都具有重要的意义。联合干燥是香菇干燥行业未来发展的重点，选用多种干燥方式的组合，既能提高干燥效率，又能最大程度的保证干燥质量。目前联合干燥技术研究的重难点在于干燥方式的组合，不同干燥方式的工作顺序以及转换干燥方式的时间节点。基于香菇的干燥品质和干燥特性研究，开发节能环保且低投入高产出的新型香菇干燥装备，不但能够大幅度提高香菇采摘后的附加价值，提高其市场竞争力，而且能带动相关产业健康发展。