1.2　食品干燥技术发展现状

我国是果蔬、肉禽蛋奶等农产品的生产大国，每年生产的大量农产品用于当地消费或者出口。很多农产品都有很高的初始水分含量，使用干燥脱水把水分控制在安全贮藏水分范围是非常有效的方法。脱水是保存食品最古老的方法。水果在太阳下曝晒、鱼和肉的熏烤等都是源于古代的干燥方法。食品干燥最主要的问题就是质量损失。干燥食品的质量减轻，可以节约运输成本，由于在传统空气干燥脱水食品的过程中，长时间高温干燥过程会使产品品质发生不良的变化，而消费者对产品的质量要求是干燥后产品能保留原有的色、香、味，且食用方便，因此选择合适的干燥方法是食品脱水加工技术的客观要求。目前，许多新型干燥技术利用低温干燥或减少干燥时间等方法，因此可以考虑用于食品工业。下面主要介绍几种典型的干燥方法以及在食品工业中的应用进展。

1.2.1　微波干燥

微波是一种高频电磁波，频率为300～300000MHz，其波长为0.001～1m。微波干燥不同于热风及其他干燥方式，食品吸收微波后内部直接升温，形成较小的正温度梯度，有利于内部水分的扩散，使干燥速率大大加快，是一项值得深入研究的新技术。下面介绍一下微波干燥的原理、特点及应用现状。

微波干燥原理是：微波发生器将微波辐射到干燥物料上，当微波射入物料内部时，穿透使水等极性分子随微波的频率做同步旋转，水等极性分子做如此高速旋转的结果使物料瞬时产生摩擦热，导致物料表面和内部同时升温，使大量的水分子从物料逸出，达到物料干燥的效果。由于物料中水分的损耗因子较大，能大量吸收微波能并转化为热能，促进内部水分蒸发。微波干燥过程中，温度梯度、压力梯度与水分的迁移方向均一致，从而强化了干燥过程。因此，微波干燥具有干燥速率快、干燥效率高等优点。

微波加热具有热效应和生物效应，因此能在较低的温度下杀灭霉菌和细菌，最大限度地保持物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成分。微波干燥经常与热风干燥相联合，可以提高干燥过程的效率和经济性。因为热空气可以有效地排除物料表面的自由水分，而微波干燥提供了排除内部水分的有效方法，两者结合就可以发挥各自的优点使干燥成本下降。

郭梅介绍了微波干燥杀菌的原理、特点及微波技术在不断完善自身技术与设备的同时，与其他干燥技术，如热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、远红外线干燥等技术相结合，向更深更广的方向发展。张国琛等详细阐述了微波真空干燥技术的原理、特点及在食品工业中的应用，分析了微波真空干燥技术存在的问题，介绍了该技术在国内外的研究现状。微波真空干燥是综合微波干燥和真空干燥各自优点的一项新技术，非常适合食品的干燥生产，随着微波真空干燥设备的计算机监测技术和自动化水平的不断提高，微波真空干燥技术将在食品生产中获得更广泛地应用。杨旭等从微波干燥的加热特性和干燥机理等方面，对微波干燥设备的性能特点进行了论述，并根据我国干燥机市场现状，认为微波干燥在食品工业、医药工业和农产品加工等方面是从优的选择。而且，现在市场上出现的大功率微波干燥设备的性能价格比已经能为广大用户所接受。

1.2.2　喷雾干燥

喷雾干燥是用喷雾器将料液喷成雾滴分散于热气流中，使料液所含水分快速蒸发的一种干燥方法。喷雾干燥技术的应用已有100多年的历史，但在我国发展起步较晚。自1865年喷雾干燥最早用于蛋品处理以来，这种由液态经雾化和干燥在极短时间直接变成为固体粉末的技术，在20世纪取得了长足的进展，现已广泛应用于食品、制药、化工、环保等诸多领域。

刘静波等采用喷雾干燥技术制备了速溶蛋黄粉并对不同溶解程度的蛋黄粉进行特性研究。通过流变学性质、颗粒结构和稳定性分析研究不同溶解程度的蛋黄粉性质差异。刘贺等通过响应面设计方法探讨减压浓缩脱水比例、进风温度和进料速度等喷雾干燥工艺参数对扁杏仁水解蛋白溶液干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影响，获得表征相关指标的数学模型。廖传华等结合目前我国所使用的奶品干燥设备及国内外干燥技术和干燥机的现状，对奶粉干燥设备即喷雾干燥设备的现状、应用及发展方向做了简述。喷雾干燥设备的雾化结构和形式、塔体结构、均风、排风、扑粉、出粉形式、与其他工艺设备组合情况、自动控制系统等的设计均必须与所处理物料相适用。

赵丽霞等针对喷雾干燥流程、喷雾干燥设备类型及喷雾干燥技术的应用进行了探讨。表明一般喷雾干燥包括料液雾化、物料与热干燥介质的接触混合、物料的干燥、干燥产品与干燥介质分离4个阶段，介绍了喷雾干燥在制药领域、烟气脱硫、造纸黑液处理中的应用。李国庆等提出了喷雾干燥器的改进方法：热风炉的改进、提高喷枪高度、提高塔内负压、提高泥浆浓度、改进喷嘴结构等。张彩虹等从工艺、机理、产品的质量和节能等几个方面对喷雾干燥在生物质资源加工利用中的发展状况进行了概述，发现研究过程中尚存在着一些问题，如由于高进气温度使产品质量下降，在干燥室或工艺管中发生产品黏壁，系统能效低及生物制品中活性物质被破坏，等；亟需在工艺及设备等方面改进和提高，因此很有必要对喷雾干燥技术进行更深入地研究。

喷雾干燥技术可对溶液、悬浮液、乳浊液等进行干燥，所得产品粒度小、均匀，流动性和速溶性好，现已广泛应用于食品、制药、化工、环保等诸多领域。它使许多有价值但不易保存的物料得以大大延长保质期，使一些物料便于包装、贮存和运输。同时，简化了一些物料的加工工艺。随着对喷雾干燥技术和设备的深入研究与开发，喷雾干燥技术将拥有更为广阔的应用前景。

1.2.3　真空冷冻干燥

食品真空冷冻干燥设备是利用冰升华的原理，在高度真空的环境下，将已冻结了的食品物料的水分不经过冰的融化，直接从冰固体升华为蒸汽，而一般真空干燥物料中的水分是在液态下转化为气态而将食品干燥，所以冷冻干燥又称为冷冻升华干燥。在冷冻干燥中，将要干燥的物质通常要先冷冻到冰点以下，冷冻材料中的水或其他溶剂在真空室中以蒸气的形式升华而除去，这样能最大限度地保持食品的色、香、味、形和营养成分，保证了食品的质量。

王白鸥等探讨了真空冷冻干燥在果蔬中的应用，指出冻干食品避免了传统脱水技术方法带来的变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷，具有保持原食品形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻、可常温贮藏等优点。李志军等研究了真空冷冻干燥技术在水产品加工中的应用，发现真空冷冻干燥食品价格是热风干燥食品的4～6倍，是速冻食品价格的7～8倍，表明真空冷冻干燥技术在我国水产品加工业中的应用是可行的，前景光明。郭雅翠等阐述了冻干技术的原理、工艺操作，冻干食品的特点及冻干技术在食品工业中的应用，指出了真空冷冻干燥技术在食品加工中的应用范围，包括蔬菜类、水果类、肉禽类、水产品、保健食品、饮料类、食品添加剂等。黄松连等对食品真空冷冻干燥设备进行了相应的探讨。在控制系统的控制要求、控制系统的硬件构成、控制程序的编制等方面介绍了食品真空冷冻干燥设备控制系统设计思路。谢国山等介绍了食品冻干设备的组成及其工作原理，详细探讨了国内外食品冻干设备的开发现状，并提出了食品冻干机发展趋势，包括改进结构、优化设计、降低成本、减少能耗、保证质量、提高性能、开发连续式冻干设备、提高卫生标准。

目前，国内科技工作者已经成功研制出系列真空冷冻干燥设备，为发展我国真空冷冻干燥技术奠定了良好的基础。随着国际市场对冻干食品需求量的不断增加、我国加入世贸组织以及人民生活水平的逐渐提高，冻干食品在国内将具有美好的发展前景，冻干设备也将会有长足的发展。

1.2.4　太阳能干燥

太阳能干燥是指利用太阳辐射能和太阳能干燥装置所进行的干燥作业。应用太阳能干燥食品原料已发展了较长的时间，针对不同的食品原料，国内外已开发出相应的太阳能干燥设备。太阳能干燥设备（系统）是以太阳能利用为主的干燥设备，一般由集热器和干燥室组成，还有其他如风机、泵、辅助加热设备等的辅助设备。

太阳能干燥原理是：利用热能，使固体物料中水分汽化，并扩散到空气中去，是一个传热、传质的过程。被干燥的物料直接吸收太阳能或通过太阳能集热器所加热空气的对流传热，间接地吸收太阳能，物料表面获得热能后，再传至物料内部，水分从物料内部以液态或气态方式扩散，使物料逐步干燥。这种过程得以进行的条件是必须使被干燥的物料表面所产生的水汽的压强大于干燥介质中的水汽的分压，压差愈大，干燥得愈迅速。

我国太阳能干燥利用的实践经验表明，太阳能干燥的社会、经济效益还是相当显著的。太阳能干燥节煤省电，减少环境污染，自然对流的温室型干燥器100%由太阳能供热干燥；强迫通风的温室型干燥器，其风机的耗电量仅占总能量的5%以下；太阳能与常规能源联合供热的干燥器，可节能20%～40%或以上。太阳能干燥的产品干净卫生，且色、香、味好，提高了产品的等级。

申晓曦等以干湿梅为样品，利用小型太阳能连续干燥设备，研究了干湿梅的干燥特性，分析了产品的理化性质和感官品质。结果表明，干燥过程中干燥介质的温湿度与外界环境相比有明显差异，干燥室白天日照时温度会高于环境温度，干燥时间明显缩短，高效且避免了缓苏产品色泽口感品质的不利影响。刘伟涛等介绍了如便携式干燥设备、太阳能辅助干燥设备、太阳能储能干燥设备等适用于食品干燥的太阳能干燥设备的性能及优点，并提出太阳能干燥设备都是向节能和智能化方面发展，并辅助其他形式的设备一起使用，实现干燥设备可连续作业等观点。

总体而言，国内太阳能干燥在食品领域的应用还处于起步阶段，有许多需要完善的地方，实用性、自动化和工业化是主要的发展方向。目前需要研制适用于太阳能干燥装置的重点和难点在于干燥过程中热能的充分利用。我国各地太阳能资源丰富，利用太阳能干燥农副产品的条件良好，它对于提高我国农业生产水平，提高农民的科技应用意识和素质，节省能源和保护环境具有十分深远的意义。

1.2.5　变温压差膨化干燥技术

果蔬变温压差膨化干燥技术是以新鲜果蔬为原料，经过预处理、预干燥等前处理工序后，根据相变和气体的热压效应原理，利用变温压差膨化设备进行的工艺操作。其设备主要由膨化罐和真空罐（真空罐体积是膨化罐的5～10倍）组成。果蔬原料经预干燥（至含水率为15%～50%）后，送入膨化罐，加热使果蔬内部水分蒸发，当罐内压力从常压上升至0.1～0.2MPa时，物料也升温至100～120℃，此时产品处于高温受热状态，随后迅速打开泄压阀，与已抽真空的真空罐连通，由于膨化罐内瞬间卸压，使物料内部水分瞬间蒸发，导致果蔬组织迅速膨胀，形成均匀的蜂窝状结构。再在真空状态下加热脱水一段时间，直至含水率≤7%，停止加热，冷却至室温时解除真空，取出产品，即得到膨化果蔬产品。

从膨化过程来看，并非所有的果蔬都可以进行变温压差膨化干燥，只有具备一定条件的果蔬物料才有可能得以顺利进行：①物料内部必须均匀分布可汽化的液体；②物料内部能广泛形成相对密闭的弹性小室，同时，要保证小室内气体增压速度大于气体外泄造成的减压速度，这样才能到达到气体增压的需要；③构成气体小室的内壁材料必须具备一定的拉伸成膜性，而且能在固化段蒸汽外溢后迅速干燥，并固化成膨化制品的相对不回缩结构网架；④外界要提供足以完成膨化全过程的能量。

果蔬膨化食品因其绿色天然、口感酥脆、营养丰富，已逐渐成为方便休闲食品的佼佼者。果蔬膨化产品以新鲜水果蔬菜为原料加工而成，与其他谷物类、薯类膨化产品比较，具有以下特点：①天然。果蔬膨化产品基本上都是经过浸糖处理后，直接烘干、膨化制备而成，加工过程无须添加色素或其他添加剂等。②果蔬膨化产品酥脆性佳，口感良好。③最大程度保留了果蔬原有的营养成分以及香气成分。④果蔬膨化产品食用便捷，含水量一般在7%以下，易于携带、贮存。

中国果蔬变温压差膨化干燥技术的研究还处于起步阶段。膨化干燥技术研究存在的问题为：研究易脱水品种如苹果的多，研究难脱水品种如高淀粉类的少，结果是在产业化过程中最急需解决的问题解决不了；对膨化干燥果蔬食品一些共同基础性干燥机理着手研究的少，结果往往仅对某些具体的品种有效，但缺乏通用的干燥规律研究，这使中国变温压差膨化干燥业的形势一直不容乐观。针对果蔬原料膨化干燥的共性和特殊性，重视与干燥相关的前沿技术研发，从变温压差膨化干燥的一些共同基础性干燥机理着手研究，得出一些通用的干燥规律，为开发通用性强的干燥设备提供技术基础。

1.2.6　热泵干燥技术

热泵从低温热源吸取热量，使低品位热能转化为高品位热能，可以从自然环境或余热资源吸热从而获得比输入能更多的输出热能。热泵干燥系统由两个子系统组成：制冷剂回路和干燥介质回路。制冷剂回路由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀组成，干燥介质回路主要有干燥室与风机。

热泵干燥系统原理如图1.1所示。热泵是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等组成的循环系统。热泵系统工作时，热泵压缩机做功并利用蒸发器回收低品位热能，在冷凝器中则使之升高为高品位热能。热泵工质在蒸发器内吸收干燥室排出的热空气中的部分余热，蒸发变成蒸气，经压缩机压缩后，进入冷凝器中冷凝，并将热量传给空气。由冷凝器出来的热空气再进入干燥室，对湿物料进行干燥。出干燥室的湿空气经蒸发器将部分显热和潜热传给工质，达到回收余热的目的；同时，湿空气的湿度降至露点析出冷凝水，除去湿空气中的水分。

热泵中的干燥介质可在干燥器、蒸发器、冷凝器组成的封闭系统中循环使用，有效防止外界空气对干燥室内物料的污染。而且，当被干燥的物料易于氧化时，可采用惰性气体作为干燥介质，实现无氧干燥。由于热泵在封闭的状态下工作，干燥过程中除了冷凝水，没有任何废气、废液排放，利于环境保护。

热泵除湿干燥的本质是对流干燥，干燥过程必然受到物料内部传热与传质的影响。随着干燥时间的增加，物料的含水量下降。在热泵干燥过程的中后期，主要目的是去除物料中的结合水。这部分结合水占总除湿量的比例很小，然而由于干湿界面逐渐向内部退缩，使得空气与干燥物料之间的传质系数变小，除去这些水分不但需要很长的时间而且要消耗较多的能量，并且由于空气与物料之间的传质系数小，致使干燥室进出口空气状态变化较小，影响了蒸发器降温除湿能力。此外，蒸发器吸收水分的显热和潜热有限，热泵系统运行工况变差，干燥效率降低，干燥时间延长。可采用多级或联合干燥模式缩短干燥时间。比如，应用多级蒸发新型热泵干燥装置，以满足不同物料或同种物料在不同干燥阶段的温度要求；采用高频电磁波或远红外辅助的干燥模式，加快物料内吸附水分的快速迁移。此外，可采用新型制冷工质或高效换热器，提高热泵干燥循环的工作温度，提高干燥速率。

虽然热泵可以在一定的温度范围内实现变温运行，但是热泵的性能系数同热泵的蒸发温度和冷凝温度有关。为了获得较高的干燥温度，势必要提高热泵的冷凝温度，但这会使得热泵的性能系数下降，同时导致供热量降低，从而无法满足干燥温度的要求，影响热泵的节能特性。针对这一问题，一方面可采用复合制冷工质，研究开发高温高压制冷压缩机；另一方面，研发新型自动控制系统，将现代检测、传感及控制技术结合起来应用于热泵干燥加工，提高机组的控制精准度。此外，闭式结构热泵干燥机配置的压缩机功率一般较小，每次干燥的物料限于箱体的容纳量，干燥的规模较小。同时由于闭式结构，热泵干燥对物料而言只能采用间歇式工作方式，即从干燥箱中取出干燥完成的产品后，再装入湿物料进行干燥，不能连续作业，难于实现大批量生产。把干燥系统中冷却设备和干燥室采用独立的模块化设计，这样既可以保证热泵各个元件能像模块化的单元一样被灵活拆装，干燥室的大小又可以灵活配置，利于单机处理量的提高。

除少部分耐热性细菌、酵母、霉菌外，大部分微生物细胞在60～80℃的干燥条件下都会被破坏。常用热泵干燥属低温干燥，尽管目前还没有关于热泵干燥食品所含微生物的数量比普通的对流干燥得到食品的微生物数量多的报道。但是假如干燥设计得不合理，就会带来严重的微生物污染问题。例如，若制冷循环中的制冷量低于干燥箱内空气中水分冷凝时所需的冷量，干燥箱内的相对湿度就会很高从而导致微生物的大量繁殖。可通过优化干燥工艺条件，使水分从被干燥物料内蒸发出来的速率和冷凝器从空气中除去水分的速率基本平衡，维持物料表面的水分活度为临界值0.6，抑制微生物的生长和繁殖。

干燥的目的是在尽可能快的干燥速率、尽可能小的干燥能耗情况下，获得能最大限度保持原有风味和品质的产品。不同的干燥方法有其不同的优缺点，采用单一的干燥模式往往难以达到理想的干燥效果；而采用组合或者混合干燥模式可以实现优势互补，不同干燥过程的组合具备单一干燥过程不能达到的独特优势。为了寻找一种既快速又经济的热泵和热风混合干燥模式，可以选择先低温热泵干燥后高温热风干燥的混合干燥模式，这样可以快速地把新鲜水果的含水量降至安全水平，有效保持水果的品质。也有学者把热泵和过热蒸汽、过热蒸汽和热空气多级干燥技术应用在鸡肉干燥中，并和单纯过热蒸汽干燥相比较。发现第一阶段采用过热蒸汽，第二阶段采用热泵干燥可以获得具有理想颜色、收缩率和复水率的产品。

丛海花等为了提高干制海参的品质，在热风干燥的基础上，利用热泵-热风组合干燥的方式干燥腌渍海参，对不同干燥方式下海参的干燥特性（干燥特性曲线、收缩系数和产品品质）进行测定，对干燥结束后海参的复水品质（复水倍数、流变学参数、感官评价）与传统的热风干燥进行分析比较。结果表明，组合干燥可以明显提高干燥后海参的复水倍数和复水品质，产品的感官品质好。为了解决脱水蔬菜热泵干燥中后期干燥效率较差的问题，张绪坤等进行了热泵、热风组合干燥实验。结果表明：采用热泵、热风组合干燥装置生产脱水蔬菜，其耗能只有隧道式干燥的74.1%，网带式干燥的84.7%，真空冷冻干燥的9.4%。采用前期热泵除湿干燥与后期热风干燥的组合干燥技术，克服了单一热泵干燥的缺点，降低了能耗，提高了产品质量。季阿敏等利用热泵、热风联合干燥的方法，对大红皮萝卜进行了脱水干燥实验研究。通过对试材质量、送风温度、送风风速和萝卜丁尺寸等单因素变化实验，得出了各因素对干燥速率的影响规律。分别以单位能耗除湿量和产品感官品质为评价指标，对试材热泵热风联合干燥效果进行分析，得出了相应的优化组合方式。

一些新的热泵干燥技术具有较为广阔的应用前景。

（1）惰性气体热泵干燥技术

香味化合物、脂肪酸等物质在干燥过程中易发生氧化反应，导致产品风味、颜色和复水性都变差。热泵除湿干燥技术的一个重要特点就是可以改变干燥介质的成分，尤其适用于敏感性物料的干燥。选择惰性气体代替空气作为干燥介质，物料在干燥过程就不会被氧化，产品质量会得到进一步提高。

（2）联合或多级干燥技术

热泵干燥在低温干燥中有较强的优势，因此可以将热泵与远红外、太阳能、微波、过热蒸汽等方法中的一种或多种干燥方法相结合。在物料的初始干燥阶段采用热泵，充分发挥热泵在低温干燥中除湿快又节能的特点，而在物料干燥的中后期选用其他的方式，从而在物料的整个干燥过程中缩短了干燥时间，达到高效节能的目的。应用多级蒸发新型热泵装置，以满足不同物料或同种物料在不同干燥时段的温度要求。多级蒸发热泵干燥系统可在较大范围内改变干燥系统的温度和相对湿度，并能提高系统的性能系数，节约能耗。

（3）生物质气化热泵干燥技术

能源和环境的双重压力使得可再生清洁能源的开发利用越来越重要。生物质能是地球上重要的可再生能源，具有广阔的发展前景。我国有着丰富的生物质资源，开发和利用生物质能源对于缓解我国能源、环境及生态问题都具有重要的意义。随着科学技术与经济的发展，人们的环保意识和节能意识日益增强。在过去的20年，热泵干燥已发展成为一种成熟的技术，以其优良的除湿效果和节能效益已在农副产品的干燥加工中得到实验研究和实践应用的验证，并且对产品的质量能够保持和有所提高。然而，热泵干燥技术尚未如人们期待的那样，广泛应用于生产过程。初始成本以及运营成本需要进一步减少，干燥等能源密集型操作的能源利用效率是减少净能源消耗的关键，具有成本竞争力的热泵干燥机的设计和制造将会发挥越来越重要的作用。此外，应该赋予新的热泵干燥机除干燥脱水之外更多的功能，比如冷藏、气体调节等。当然，虽然我们已经对热泵和其他多种干燥技术有深入的了解，但多项技术的优化整合仍然是一个具有挑战性的研发任务。