果蔬产品自动化烘干设备及自适应技术应用分析

陈艳芳

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

0 引言

农业是我国第一产业，在我国经济发展中占据着重要地位。其中，果蔬产品又是农产品的重要组成部分。新鲜果蔬极其容易腐坏，不易保存和运输，这使得果蔬产品的市场拓展受到局限。为了更好地扩大果蔬产品市场，果蔬脱水烘干技术和设备应运而生。烘干后的果蔬产品使得消费者的食品选择品类更加丰富，同时便于运输和储藏，农产品市场也得到了极大的拓宽。近年来，出现了许多新兴脱水和干燥技术。本研究对常见的几种果蔬烘干技术及设备进行分析概述，以期能为相关研究者提供一定的参考,促进技术和设备的改良，在降低设备和技术成本的基础上，提升果蔬产品外观、风味和生物质活性。这不仅是为消费者提供更多食品消费选择，也是为农产品加工者增加收入渠道，活跃产业链，在宏观层面扩大果蔬产品发展空间，增加果蔬产品经济效益，进而推动农产品市场发展，最终促进我国农业的良性发展。

1 常见的果蔬烘干技术及设备

果蔬烘干的目的是在保留果蔬原有色泽、风味的基础上去除果蔬中的水分，延长果蔬的食用时间，方便果蔬的储藏、运输和携带。当前，常见的果蔬烘干技术有很多，文章仅列举部分，以供参考。

1.1 热泵除湿干燥

基于热泵除湿干燥技术的设备一般是基于卡诺定理的热泵除湿干燥设备。

热泵除湿干燥技术是将外界空气能作为热源，其原理发展自1824 年法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺[1]在研究热机的最大可能效率问题时于其著作《论火的动力及与产生该动力相适应的机器》中提出的“卡诺循环”。卡诺循环主要包括等温吸热、绝热膨胀、等温放热和绝热压缩4 个循环过程：（1）等温吸热，系统从高温热源中吸收热量；（2）绝热膨胀，系统对环境做功，使烘干室内的温度降低；（3）等温放热，系统会向低温热源释放热量，使烘干室内的空气体积被大大压缩；（4）绝热压缩，系统恢复初始状态，在等温压缩和绝热压缩的过程中对室内环境作负功。

卡诺定理对热机效率的限制（图1）说明一目了然，其循环过程指出了提高热机效率的方向，即提高T1，降低T2，减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环。这一定理也称为烘干机研发的理论依据[2]。

图1 有传热温差的制冷循环

这一过程就是使干燥空气在干燥室与热泵干燥机间进行闭式循环，即基于热泵干燥机蒸发器中的低压制冷蒸汽压缩机系统使果蔬干燥室中的湿空气降温脱湿，其中，空气会因温度降低而将其大部分凝结水排出。这种冷凝水也被称为高压制冷液，其经过膨胀阀降压后，会再次进入下一个循环。在内部的低压制冷剂作用下，从空气中吸收的水分会由液态转化为气态。尤其是在回热循环中，热泵干燥的最佳蒸发温度及最佳除湿量显著提升。

1.2 热风干燥

热风干燥是利用热风循环，一般是通过热源（例如石油、天然气、电、煤等）提供的热量，借助风机的作用，将热风导入烘箱或者干燥仓中，从干燥介质传导热量给蔬果，使周围的空气和蔬果之间产生一定的温度差，水分由蔬果内向外迁移，进而蔬果表面的水分经过受热蒸发，逐渐降低到一定程度。流动的热风会将蔬果蒸发出的废气带出干燥仓，经过净化处理后排出干燥机[2]。

热风干燥机的组件一般包括热风炉、换热器、热风系统、干燥机、干燥仓和温度控制系统（图2）。此系统近年来应用十分广泛，特别是在与其他干燥技术联合研发干燥设备方面，更是有丰富的实践案例。

图2 热风干燥机构件

1.3 微波真空干燥

微波加热原理区别于普通的热传递方式，其特点为微波通过高频电场在空间中不断地变换方向，使蔬果中的极性分子以上亿次每秒的速度发生振动，基于物质分子间的摩擦挤压产生热量，进而使蔬果温度升高，加快水分蒸发[2]。如果蔬果中的水分充足，就极其容易受到微波的作用，吸收微波，发热速度较快。同时，如果在真空或微压环境下采用微波加热，水的沸点降低，不仅速度会加快，还利于蔬果低温干燥，有助于保持蔬果产品的色泽、维生素、生物活性及风味，因而微波干燥技术在蔬果脱水产品中的应用十分广泛。

1.4 真空冷冻干燥

真空冷冻干燥技术的过程是基于预先冻结，是将果蔬的温度控制在共晶点以下并使果蔬物料处于真空状态再基于共融点利用升华作用去除果蔬中的水分。这一技术主要包括3 个步骤：制冷、供热和干燥。真空干燥技术使果蔬产品处于低温状态，不受高温影响，能最大限度保留蔬果原有的营养、风味和色泽，同时复水性也极佳。因而在果蔬产品干燥中的应用也十分普遍。

1.5 喷雾干燥

喷雾干燥技术是利用雾化器果蔬物料雾化成直径十分微小的雾滴，通过热空气或其他介质迅速蒸发果蔬物料液体中的水分及其他溶剂。在短时间内形成干燥粉状产品后经干燥塔排出，由旋风分离塔将其进行气固分离处理后获得干燥果蔬产品。概括来说，其关键步骤在于物料雾化、物料干燥、气固分离。

喷雾干燥设备种类较多，常见的按照雾化方式分类有气流式、压力式、旋转离心式喷雾干燥器（图3）；按物流方向有并流式、逆流式和混流式喷雾干燥器；按照生产流程和热空气处理方式又分为开放式、封闭循环式、半封闭循环式[3]。

图3 雾化器工作原理

2 果蔬烘干技术优缺点分析

2.1 热泵除湿干燥技术

在添加了保温层的热泵除湿干燥机配合下，热烘干效率更高，果蔬的生物活性几乎不会丧失。因而热泵除湿技术和设备是传统意义上应用较为普遍的一项技术。

2.2 热风烘干技术

杨薇等[4]研究指出，采用热风干燥技术的蘑菇复水性最好，产品内部温度低而且稳定。蘑菇的干制应用热风干燥技术是最佳选择。黄艳斌等[5]在考虑柠檬片厚度、热风速度、热风温度等因素基础上，建立柠檬热风干燥数学模型（适用Page 模型）对柠檬热风干燥效果展开研究。结果表明，热风温度、柠檬片厚度对柠檬热风干燥的速率影响较为显著，而风速对柠檬干燥速率的影响一般。

2.3 微波真空技术

汤大卫[6]在其研究中指出微波真空脱水干燥技术与热风干燥、冷冻干燥技术相比优势明显。红外线微波真空干燥技术兼具脱水和杀菌功能，副作用小，使用能源为电能，较为清洁，鲜少有废气和有毒有害物质废物排出；成品质量好，脱水蔬菜的色泽、风味、口感和复水性都极佳；对蔬果的外形和含水量要求不高；干燥速度快；应用电能，能源清洁且利用率高，能耗低；设备成本低，占据空间不大；支持连续化生产方法比较见表1。

表1 微波真空脱水干燥技术与其他干燥方法比较

微波真空干燥技术主要受微波功率、真空度以及装载量3 个变量的影响。庄培荣[7]在其研究中指出，采用微波真空干燥技术时，微波功率与龙眼肉的色泽成负相关关系（微波功率低于3000 W 情况下），真空度与龙眼肉的多糖含量成正相关关系，装载量对龙眼肉的多糖含量影响与微波功率基本一致，呈现先增加后降低的趋势。但装载量对龙眼肉的色泽影响却呈现正向关系，即装载量增加，龙眼肉的色泽越饱满。

微波真空干燥技术需要考虑不同物料的含水量和物料特性从而设定微波真空干燥设备的功率、真空度以及装载量。同时，由于部分物料对热量吸收会存在爆炸现象，因而决策者在采用这一技术时应考虑是否接受物料膨胀等外观上的变化，避免影响产品质量。

2.4 真空冷冻干燥技术

由于真空冷冻干燥的关键在于测定物料的共晶点和共融点，其干燥处理相对于其他几种干燥方式要复杂一些，并且果蔬物料的体积大小会严重影响冷冻干燥的时间。王娅玲[8]在其研究中指出猕猴挑预先切片再冻干，比整体冻干速率要快；双孢菇切片厚度在4 mm 时，其干制品色泽、香味及鲜嫩程度最佳。真空冷冻能最大限度保留果蔬物料的风味及维生素，在不考虑干燥时间的情况下，这一技术是最优选择。

真空冷冻干燥技术设备昂贵，且能源消耗大，需要预先采用电阻法测定果蔬物料的共晶点、共融点，程序较为繁杂。果蔬物料的体积对干燥时间有极大影响。如何在不影响物料体积、外形的情况下提升真空冷冻干燥技术的效率、降低设备成本是当前研发冷冻干燥设备的人需要重点考虑的两个问题。

2.5 喷雾干燥技术

喷雾干燥技术的优势是干燥速度快、干燥温度不受限制。喷雾干燥设备在制作果蔬粉方面应用较多，相对于其他干燥方式，喷雾干燥方式对物料制品的形态有一定要求，且干燥工序较多。同时，由于采用粉状雾化颗粒干燥，有一定黏附残留，损耗相较其他方式较大。这也是喷雾干燥技术不断提升改进的热门方向。

3 自适应技术在果蔬烘干设备中的应用

由于上述烘干技术或多或少存在缺陷，组合干燥技术能够发挥多项技术的优势，弥补单一干燥技术的不足，最大限度地提升果蔬干燥制品的效率和产品质量，有助于低耗能、高效率的工艺实现。常见的有微波组合热风干燥、微波组合真空/冷冻干燥、微波组合喷冻干燥、红外组合热风干燥、红外组合冷冻真空干燥等。吴本刚[9]对催化式红外干燥法杀青胡萝卜片，利用红外热风联合干燥胡萝卜，获得了90 ℃下杀青15 min，然后在70 ℃下利用红外干燥至水分质量分数为30%～ 40%，最后转为70 ℃热风干燥至终点，可以获得高品质的胡萝卜干燥片。分段热风、微波间歇、微波-联合干燥也是常用干燥策略，有研究指出，将其用于红枣干制，红枣VC 含量比单一的方式含量要高很多。基于此，集成多种烘干方式、应用自适应控制技术调用烘干模式十分有必要。自适应控制技术原理是以可控硅为功率驱动器，根据环境温度的参数自动切换加热模式，这样可以更好地保证温度的稳定性。朱承等[10]设计的一款自适应加热烘干设备中就应用了这项技术。其模式分为快速加热、普通加热、恒温加热和停止加热4 种。

4 自适应烘干技术的发展前景

不同的果蔬烘干技术有不同的优势和不足。生产者在选取烘干处理技术和设备时，应从自身需求出发，结合生产成本、物料形态要求、订单加工时间等不同果蔬干燥产品的要求选择一种或多种技术相结合的自适应策略来制定最佳优化方案。自适应技术实际上是一种考虑了多种烘干技术结合的应用策略。当前，随着果蔬产品干燥需求多样化发展，应用自适应控制技术的多项干燥技术组合已不再是新鲜课题。将自适应技术和组合干燥技术结合，可设计出许多新型烘干设备，其获得的干燥效果和产品质量也相对单一的干燥技术更好，灵活性更强，能满足更丰富的加工需求[11-14]，是非常值得研发的一个方向。未来，随着更多需求的提出，基于自适应技术的烘干设备功能也会愈发丰富，效果也将更灵活。例如更加环保节能、脱水效率更高、生物活性保留更多、复水性更好、完美保留产品形状，等等[15-20]。自适应控制技术的研发前景值得期待。

5 结语

果蔬干燥产品便于果蔬储存且具有独特风味，延长了果蔬制品的保存时间，同时也便于携带、运输和储藏，在一定程度上丰富了农产品的品类，提升了农产品经济效益。各项果蔬烘干技术和设备各具特色。研发人员可根据干燥设备的优势和不足，将不同的功能加以组合，嵌入自适应配置技术，灵活选取多项干燥技术，研发多功能干燥设备，提升果蔬干制品的干燥效率、风味品质和生物质活性，更好地保留果蔬制品的特点，为人们提升生活品质，选择营养丰富的食品提供更多选择。