热泵联合干燥技术在果蔬干燥工艺中的应用进展

谢 欢, 刘晓艳, 杨淑纯, 白卫东, 李湘銮, 钱 敏

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院, 广东广州 510225；2.现代农业工程创新研究院, 广东广州 510225）

果蔬原料所含有的水分、碳水化合物、蛋白质和少量油脂在高温干燥过程中易发生质变, 从而导致食物品质下降[1]。由于热泵技术可以在较低温度下对物料进行干燥, 因此近年来人们对于热泵技术在果蔬干燥中的研究也越来越多。热泵干燥技术基于逆卡诺循环原理, 从而其干燥成本低、效率高、智能环保。基于这些优点, 热泵已经在木材加工、家庭供暖、中草药加工等领域中被广泛运用于实际生产中。

热泵干燥在果蔬干燥中的应用研究见表1。

由表1可知, 目前大多数热泵干燥的研究都是对于干燥工艺的优化及干燥产品的质量把控。单一热泵干燥技术具有温度控制不精准、干燥温度会受外界温度的影响等缺点[2], 从而可以通过采用与其他干燥工艺相结合的组合式干燥来改善, 提高干燥的效率, 降低干燥过程中的能耗及改善果蔬干燥产品的品质等。

表1 热泵干燥在果蔬干燥中的应用研究

热泵联合干燥包括太阳能辅助热泵干燥、热泵热风联合干燥、热泵微波干燥、热泵红外干燥、热泵真空冷冻干燥等, 这些尤其适用于果蔬的干燥[3]。通过介绍热泵联用干燥技术在果蔬干燥工艺中的应用, 为推进热泵技术在果蔬干燥加工中的应用提供一定帮助。

1 热泵联用干燥技术在果蔬干燥中的应用

1.1 太阳能热泵联合干燥技术

太阳能和热泵技术的组合称为太阳能热泵系统。近年来, 由于能源及环境的变化, 太阳能热泵技术表现出巨大的价值。相比于燃煤干燥, 太阳能热泵联合干燥可节约36.7%～41.1%的能量[14], 同时其还拥有缩短干燥时间、改善产品品质及绿色环保等特点[15]。

现阶段的研究主要在太阳能热泵联合干燥工艺条件的优化、联合干燥系统的运作研究、干燥系统的能耗与效能研究及储热存热系统研究等方面展开。郝亚萍[16]搭建相变蓄热集热器太阳能热泵系统来干燥香菇, 可实现9种运行模式的灵活切换, 节能环保, 还可以进行变温干燥。冯道宁等人[17]设计的小型太阳能热水-空气源热泵联合干燥装置对山药进行干燥, 通过试验发现其能耗是热风干燥的68%, 同时采用智能控制系统分段烘干, 每年可节省电费3万～4万元, 可实现太阳能热水的综合利用。此外, 还有关于太阳能热泵联合干燥系统自动控制的研究, 以此来满足其对于各种干燥物料的干燥, 使整个干燥过程中的智能化与自动化得到提高。田永军等人[18]搭建了具有显著节能效果的太阳能热泵干燥平台, 该平台能够拥有自动控制系统, 确保干燥过程中的恒温, 同时其内部具备的智能化热回收器, 能够回收排放的废热,大大降低了干燥过程中的能量损失。

总之, 相比于太阳能干燥、热泵干燥, 太阳能热泵联合干燥在减少了干燥过程中的能耗同时使得其具备较高的能效值。与此同时, 太阳能热泵联合干燥系统根据实际的环境条件能够合理快速地转换运行模式, 提高干燥的效率[19]。

然而, 太阳能热泵的缺陷也十分明显, 即明显依赖于太阳能的供应, 容易受到天气及不同时间段太阳的辐射强度的影响, 从而限制着太阳能热泵联合干燥系统的运用及发展[20]。

1.2 热泵热风联合干燥技术

热泵热风联合干燥技术, 是指在干燥前期运用低温热泵干燥, 减少干燥过程中杂质的引入及降低干燥过程中的物料氧化变质, 降低干燥过程中的能耗, 维持产品本身的品质, 在干燥后期使用热风干燥, 提高干燥速率, 达到满足产品品质的同时节能环保的目标[21]。

目前, 关于热泵热风联合干燥果蔬的研究主要集中在热泵热风联合干燥工艺条件的优化。张迎敏等人[22]优化热泵热风联合干燥红薯叶粉的干燥工艺参数, 得出热泵干燥温度52℃, 热风干燥温度73℃, 转换点含水率58%, 该条件下的红薯粉品质较优。李晖等人[23]通过研究怀山的热泵-热风联合干燥, 得出其最佳干燥参数为热泵温度40℃, 热泵风速1.5 m/s, 切片厚度5 mm, 热风温度60℃, 转换点干基含水率为1.00。为了进一步了解热泵热风干燥, 有学者对于其干燥过程的传热规律进行了解析。屈展平等人[24]采用低场核磁共振技术（LF-NMR）及扫描电子显微镜, 分析热泵热风干燥过程中马铃薯燕麦复合面条的干燥特性及水分状态迁移等质热传递规律, 发现热风与热泵的干燥温度越高, 物料在转换点的含水量越高, 对于干燥的进行及水分的扩散越有帮助。

因此, 采用热泵-热风联合干燥技术相比于单一的热泵干燥或者热风干燥降低了干燥时间和能耗, 同时干燥产品的品质也得到了一定的提高。

1.3 热泵微波联合干燥技术

热泵微波联合干燥与热风热泵联合干燥类似, 前期采用热泵干燥, 后期运用微波干燥, 能够较好地保留热敏性物料干燥后的产品品质, 从而能够在改善干制品品质的同时减少干燥时间和干燥过程中的能耗[25]。

目前, 热泵微波联合干燥技术的研究包括如何降低干燥成本及提高干燥产品的品质。关志强等人[26]发现, 在热泵温度为50℃, 转换点含水率为100%, 微波时间为2.5 min下对荔枝进行热泵微波联合干燥, 其能耗节约30%以上。李莉峰等人[27]采用正交试验优化热泵微波联合干燥莲藕的干燥参数, 得出在微波干燥功率5.5 W, 微波干燥时间120 s, 热泵干燥温度40℃条件下干燥莲藕, 莲藕干的品质为复水比5.8, 色差18.15, 硬度8750。此外, 也有学者对于热泵微波联合干燥过程中的干燥参数对于干燥速率、色泽变化等影响进行了研究。郑亚琴[28]通过研究微波功率、热泵温度及转换点含水量等因素对热泵微波联合干燥雪莲果过程中的色泽变化（△E）、收缩率（SR）、干燥速率（DR）、复水比、单位能耗除湿量（SMER）（RR）等的影响, 发现干燥过程中影响干燥速率主要为微波功率、温度、转换点含水率, 而影响单位能耗除湿率及雪莲果色泽变化的主要为风速和温度。

热泵微波联合干燥技术也有不足之处, 首先由于物料中组织结构差异性的存在, 对于物料的最佳干燥转换点的确定是有困难的；其次, 干燥物料的理论模型无法完全应用于实际生产中, 需要通过不断地摸索及实践去完善干燥物料的实际理论模型[25]。

1.4 热泵真空冷冻联合干燥技术

真空冷冻干燥技术, 被认为是世界上最好的干燥技术, 对于干燥食品的香、色、味和形等特性的保留度较高, 但是也存在干燥效率低、时间长、成本高的特点[29], 因此难以应用于大规模的工业化生产中。相比于真空冷冻干燥技术, 热泵-真空冷冻干燥联合技术将热泵干燥与真空冷冻干燥相结合, 其产品品质接近于单一真空冷冻干燥的产品品质, 同时减少了干燥时间, 提高了干燥效率, 降低了干燥过程中的能耗及成本[30]。

热泵真空冷冻联合干燥技术的研究较少, 目前的研究主要在其缩短干燥用时及降低能耗, 从而降低生产成本上。程慧等人[31]通过研究香菇的热泵真空冷冻联合干燥发现, 采用热泵-真空冻干联合技术进行干燥其耗能降低了37.69%, 能够生产出较优良的干燥香菇产品。使用热泵真空冷冻联合干燥南极磷虾, 能够生产出与真空冷冻干燥产品品质接近的南极磷虾干制品, 同时缩短了一半的干燥时间[32]。

目前, 由于真空冷冻干燥技术本身的干燥成本高, 而热泵真空冷冻联合干燥生产出的产品品质与真空冷冻干燥制品的品质相似, 干燥过程中的能耗低, 能够很好地代替真空冷冻干燥技术[30]。

1.5 热泵红外联合干燥技术

热泵红外联合干燥是指前期使用热泵干燥来较少干燥物料的热敏性活性成分的损失, 在干燥后期采用远红外辐射干燥, 降低干燥时间与能耗[33]。

目前, 对于热泵红外联合干燥的研究大体可分为两类, 即热泵红外干燥效率的研究和热泵红外干燥对于果蔬产品的品质影响的研究。Thuwapanichayanan R等人[34]通过Arrhenius方程建立了耦合传热传质模型, 并提出当有效水分扩散系数为0.41×10-10～1.43×10-10m2/s时, 该模型对于蒜末含水量和内部温度的变化规律能够很好地进行预测；同时, 发现热泵红外联合干燥能够明显提高蒜末的干燥效率。彭健等人[35]研究了不同条件下分段式远红外-热泵干燥后龙眼的质构、微观结构、褐变度、色泽和糖、游离氨基酸、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF）改变, 同时分段式远红外-热泵干燥能显著降低龙眼的硬度, 提高其弹性和咀嚼性（p＜0.05）, 同时增加龙眼内部孔隙；龙眼干燥后色泽的变化主要源于L*值的下降（变暗）和a*值的升高（变黄）, 60℃下远红外-热泵干燥能有效抑制龙眼褐变；糖、游离氨基酸及5-HMF含量与龙眼色泽相关, 100℃下远红外干燥会造成龙眼中可溶性糖和游离氨基酸含量的显著降低及5-HMF含量的显著升高（p＜0.05）。

利用热泵红外联合干燥可以很好地干燥热敏性物料, 红外辐射板存在较高的热惯性, 容易产生过热效应, 对物料的品质造成影响, 这也是热泵红外联合干燥的一点不足之处[36]。

1.6 热泵流化床联合干燥技术

传统流化床干燥系统的干燥介质大多为开式循环, 同时干燥介质是通过其他介质加热的热空气, 因此存在耗能高、精细物料的干燥品质欠佳等不足[37]。热泵流化床干燥装置多为闭式循环结构, 可以循环利用干燥尾气中的大量热量, 节省干燥尾气的冷量, 具有良好的节能效果及广阔的市场应用前景[38]。

关于热泵流化床联合干燥的报道较少, 对其的研究包括干燥后产品的品质研究、干燥的能耗和干燥速率等的研究。刘恩海等人[39]研究了50℃干燥温度工况下热泵流化床与热风薄层对豫麦连续式干燥的仓储效果, 结果表明具有相同含水量的豫麦, 在干燥过程中, 热风薄层干燥小于热泵流化床干燥速率, 含水率降幅较小；相较于连续式干燥, 间歇数η值越大, 系统能量利用及热效率越高, 干燥后的豫麦品质较好, 得出了以η=2/3的间歇干燥方式仓储效果最佳。张绪坤等人[40]通过热泵流化床联合干燥萝卜丁验证热泵流化床的干燥性能, 发现热泵流化床干燥胡萝卜丁时单位时间除湿量和单位能耗除湿量随着干燥时间的延长而急剧下降, 同时热泵流化床组合干燥循环风机的电耗占系统总电耗的50%左右。

目前, 对于热泵流化床联合干燥的推广应用难度在于初始投资成本较大, 这一点亟待处理。

2 结语

当前, 单一热泵干燥技术的研究较为广泛且全面, 其中大多数研究都是关于一些热泵干燥技术的工艺优化。单一热泵干燥技术在对物料干燥时, 干燥后期会出现干燥时间增长、干燥速率下降、干燥产品的质量和色泽下降等问题, 这是急需解决的一大难题。

热泵联合干燥技术的出现, 很好地改善了干燥果蔬产品的品质, 但是热泵联合干燥设备的利用还是较为匮乏的。例如, 热泵-真空冷冻联合干燥技术, 弥补了真空冷冻干燥能耗高、干燥耗时大等缺点, 热泵真空冷冻联合干燥生产出的产品品质与真空冷冻干燥制品的品质相似, 干燥过程中的能耗低, 能够很好地代替真空冷冻干燥技术, 然而目前对于这一方式的研究较为匮乏。联合干燥过程中, 转换点的确定是整个干燥工艺是否成功的关键点之一, 目前大多数研究都是采用水分作为转换点的研究对象, 是否存在其他对象能够作为联合干燥的转换点的研究对象是未来可以研究的一个方向。现阶段, 热泵联合干燥对于产品品质影响的研究较多。联合干燥技术的投入应用, 与其成本投入有很大的关系, 就如何降低联合干燥技术的投入成本、生产成本等同样也是值得研究和探讨。

总的来说, 热泵技术在果蔬干燥中获得了许多成果, 但是还有很多值得研究。随着热泵技术的发展与应用, 热泵技术在果蔬干燥中会取得更大的成就。