1O6 广东农业科学2013年第l3期 微波低温真空干燥技术的应用研究进展 姚志勇,万金庆,庞文燕,钟耀广 (上海海洋大学食品学院,上海201306) 摘要:不同的干燥方式对产品的品质会产生很大影响。微波低温真空干燥作为一种新型混合干燥技术,尤其适合于热敏物料的 干燥。简述了微波低温真空干燥技术产生的背景,阐明了该种新型干燥技术的特点和优势,介绍了国内外微波低温真空干燥技术的 研究现状,展望了微波低温真空干燥技术的应用前景。 关键词:微波干燥;真空干燥;应用 中图分类号:TS205.1 文献标识码:A 文章编号:1004—847(2013)13—0106—04 Advances in application studies on the technology of microwave low-temperature vacuum dehydration YAO Zhi—yong,WAN Jin—qing,PANG Wen—yan,ZHONG Yao—guang (College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China) Abstract:Different dehydration has various influences upon the product.As a new combination drying technology,microwave lOW-- temperature vacuum dehydration is particularly suitable for drying the thermosensitive materials.This article described the background of how microwave low-temperature vacuum dehydration came into being and clairifed the characteristics and advantages of this new drying technology.This paper also introduced the development and application of such technology at home and abroad,and pointed out the prospect of this technology. Key words:microwave drying;vacuum freeze—drying;application 干燥是食品保藏的重要手段之一,在食品生产加工 过程中被广泛应用。食品干燥后细菌和酶失去赖以生存 和繁殖的条件。利于产品的运输和长期保存。由于干制品 不需冷藏,从生产到消费的过程中不需低温链,并且水分 现实意义翻。 为了满足快速、低温和节能的干燥要求.微波低温真 空干燥技术应运而生。 含量很低,使运输、储藏和食用更为简便,成本更低,同时 还可避免低温链过长引起污染和品质降低。 然而,干燥通常也会使物料出现某些有害的化学变 化,主要有营养成分损失、风味变化和褐变。温度和时间 是最主要的影响因素。通常情况下,干燥温度越高,干燥 速度越快,干燥时间越短;反之干燥速度越慢,干燥时间 越长。干燥温度过高,会导致一系列不可逆的生物化学反 应,包括颜色变化、物料表面构造变化、感官品质降低、酶 1微波低温真空干燥产生的背景 干燥是除冷藏之外食品贮藏的重要方式之一。干燥 方式有很多种,不同的干燥方式对食品品质有很大影响。 热风干燥由于其装置简单和操作方便,目前仍广泛应 用于食品加工,但热风干燥对食品的品质影响较大,由于 干燥温度较高,容易造成品质下降和溶质失散,色香味难 以保留,维生素等热敏性营养成分损失大。此外,对粮食 进行热风干燥处理时,玉米会产生裂纹,稻谷会产生爆 腰.小麦、大豆、花生的蛋白质会变性,油菜籽会走油_引。 的灭活、营养物质和风味物质的损失。干燥时间过长,也 会对产品质量产生不良影响,且干燥时间越长,消耗的能 量也越多【1】。 真空冷冻干燥能很好地保持产品的色、香、味和营养 物质,但设备昂贵,耗能大,成本太高。绝大多数食品是低 同时干燥行业能耗巨大。据不完全统计,在各行业部 门总能耗中。干燥能耗大约在4%~35%之间,其所用能源 占我国国民经济总能耗的l2%左右。同时,国内干燥能源 附加值产品,这与真空冷冻干燥昂贵的成本相矛盾I41。 热泵干燥是一种节能环保型干燥技术阁.近些年来关 于热泵干燥的研究越来越多,也取得了较好的效果,如刘 兰等[61在研究罗非鱼片干燥时,发现用这种干燥方法可以 利用率只有4O% 50%,而国外很多国家则达到7O%以上, 干燥过程产生的有害物质也是我国环境污染的主要来 获得较好的色泽、口感和质地。然而,热泵干燥也存在某 些不足之处。首先,热泵干燥使用的制冷剂大部分是氟利 昂和氟氯烃,会在一定程度上破坏大气层,产生温室效应; 其次,干燥时间长,尤其是在低温干燥和干燥的后期;再 源。因此,在各行各业推广干燥节能环保技术具有重要的 收稿13期:2013—04—17 基金项目:国家自然科学基金(3ll71764) 作者简介:姚志勇(1987一),男,在读硕士生,E-mail:yaozhiyong 0122@sina.CORI 者.热泵干燥系统维修保养工作量大。 微波干燥不同于传统干燥方式,由于微波能透人物料 内部对物料进行整体加热,实现无温度梯度加热,能得到 良好的干燥效果[71。此外微波干燥热传导方向与水分扩散 通讯作者:万金庆(1964一),男,博士,教授,E—mail:jqwan@shou. edu.cn 方向相同。与传统干燥方式相比,微波干燥具有干燥速度 快、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产和易于实现自 动化控制等优点,因而在干燥的各个领域越来越受到重 视罔。目前,微波干燥技术主要研究方向是微波与其他干 燥技术相结合的联合干燥,其中就包括微波与真空干燥 技术相结合的微波真空干燥技术[91。 真空干燥从环保意义上被称为“绿色于燥”。在真空 状态下,水的沸点相应降低,真空不仅能使产品保持低 温.还能产生压力梯度提高干燥速率。由于操作温度低, 对某些食品可以减少香味的丧失,不会影响其风味 Ol,但 是传统的真空干燥都是通过热传导来加热的,在真空状 态下热传导速率慢,且加热不均匀,若采用微波加热可以 有效克服这些缺陷。 以上几种干燥方式都未能有效协调干燥质量、干燥 效率和经济效益之间的矛盾,微波低温真空干燥作为一 种新型干燥技术兼备了微波加热和真空干燥的诸多优 点,具有干燥速度快、干燥热效率高、干燥均匀和干燥质 量好等特点…】,具有广泛的应用前景。 2微波低温真空干燥的特性 微波低温真空干燥技术作为一种新型混合干燥技 术.兼备了微波加热和真空干燥各自的优势。具体来说, 其特性如下: (1)物料加热快速均匀。由于采用微波加热,无需任 何导热介质,能量直接作用于整个物料,能实现物料里外 同时快速均匀加热,物料里外温差很小,不会出现外焦里 嫩的现象,从而提高干燥质量。 (2)易于控制、便于连续生产及实现自动化。由于微 波功率可以快速调整及无惯性的特点,易于及时控制。 (3)产品质量好。微波低温真空干燥能将物料中绝大 部分热敏成分及生物活性物质保留下来,一般可达90%~ 95%.产品质量达到或超过冻干产品。究其原因,主要是因 为微波低温真空干燥温度低,时间短。此外,干燥产品水 分分布均匀【121。 (4)微波低温真空干燥的产品具有良好的复水性,这归 因于干燥过程中的无表面硬化、膨化效应和干燥温度低。 (5)热能利用率高,节省能源,降低成本,设备占地少。 微波加热加热过程中能量绝大部分都作用于物料上,热 效率高,因此节约能源。此外,微波低温真空干燥速度快, 运行成本与冻干相比可以降低30%~40%t”】。 (6)生产效率高。微波可以穿透物料,使物料里外同 时快速受热.而且真空状态下湿物料和空气之间水分压 差大,在二者的协同作用下干燥速率大幅提升,提高了干 燥效率。 (7)微波低温真空干燥产品不像冻干产品那样具有多 孔性和大的表面积,在贮藏过程中可以降低氧化反应,利 于产品的保存。延长保质期。 3国内外应用研究状况 微波低温真空干燥技术的上述特性决定了其应用研 lO7 究价值很大。早在20世纪70年代,国外就已出现关于微 波低温真空干燥机商业应用的报道。我国对微波低温真 空干燥的研究相对较晚,南京三乐微波技术发展有限公 司于1987年开始研究微波真空干燥技术。近年来,国内外 对微波低温真空干燥进行了深入研究,微波低温真空干 燥成为干燥领域研究的热点。 用于描述微波低温真空干燥过程中传热和传质的模 型,能为工艺过程优化和设备设计提供参考,但目前关于 微波低温真空干燥数学模型的研究相对较少。Cui等『l41对 胡萝卜片微波真空干燥动力学进行了建模,当干燥微波 功率为162.8—336.5 W,压力为3.0—7.1 kPa时,发现水分 含量大于66.67%时,脱水速率与水分含量基本呈线性关 系。当水分含量低于66.67%时,通过引入校正系数,模型 也能准确地反映试验数据。Ressing等 51建立了二维的有 限元模型来描述生面团球在微波真空干燥中的膨化过 程。该模型把热与固体力学影响结合在一起,研究了食物 在微波真空干燥过程的膨化机制。 微波低温真空干燥还可以作为一种预处理方式来提 高其他食品加工保藏工艺的质量。如Nurkholis等 61在研 究提高冻藏金枪鱼和鲭鱼的保藏工艺时,采用微波低温 真空干燥的方法进行预处理,即在对这些水产品进行冻 结前先用微波低温真空干燥方法去除小部分水分。微波 低温真空干燥由于低温、快速的干燥特性,可以使金枪鱼 和鲭鱼在预处理过程中不对其品质产生任何负面影响。 研究发现,通过微波低温真空干燥去除小部分水分后,金 枪鱼的冻结点温度降低,且相同条件下冻结速度加快,而 快速冻结可以控制冰晶的生长,从而降低冰晶对细胞组 织的破坏。而去除鲭鱼部分水分后再进行冻结,能有效减 小冰晶尺寸,减少其汁液损失。通过微观结构分析也发现, 通过预干燥的样品.其微观结构比未经预干燥处理的样 品更加完好。 Swittra等 用微波低温真空干燥来提高榴莲干制品 的质量.结果表明。微波低温真空干燥技术能基本保留原 有色泽,这是因为色素的氧化与氧浓度、光度和温度有关, 真空可以降低氧浓度和温度,达到保留原有色泽的目的。 通过检查榴莲横切面微观结构,发现很多细小气孑L,气孔 尺寸大小和分布都十分均匀,这是微波低温真空干燥快 速而均匀干燥的结果。在硬度方面与油炸榴莲差不多,而 脂肪含量比油炸的降低90%,能为广大消费者所接受。 Therdthai 研究发现。将薄荷叶干燥至10%的干基 含水量。微波低温真空干燥能比热风干燥缩短85%~90% 的时间。将1.0 kg胡萝b片的水分含量从91.4%降到 10%.微波真空干燥需33 min.而热风和冷冻干燥分别需 8 h和72 ht蚓。国内学者在研究蕨菜微波低温真空干燥时 也得到了类似的结论,微波低温真空干燥所需时间是热 风干燥的9.6%,是冷冻干燥的8.8%[2o1。 /mgel等口 l研究了真空度和微波功率对迷迭香挥发物 的影响,结果发现,低真空度和低微波功率有助于保全挥 发物成分。Berteli等 在研究颗粒产品的微波真空干燥时 发现,压力从5 000 Pa增加到7 500 Pa对干燥几乎没有 108 影响,但在低真空度下,微波能量利用率增大。与其他干 燥方式相比,微波真空干燥速度快。国内的杨薇等[231研究 了在不同的微波功率和压力条件下对胡萝卜干燥特性的 影响,结果发现,压力越低,产品温度越低,干燥速率有一 定提高,但不是非常明显。微波功率越大,产品温度越高, 干燥速率越大,但能量利用率降低。若对微波进行开断控 制,会对干燥速率产生很大影响,若能找到开断时间比, 不但不会对干燥速率造成很大影响,而且还能提高能源 利用率。 “十五”期问.国家科技部设立专项进行了低温真空谷 物干燥工艺与设备的研究。试验表明,此方法对保持烘干 后粮食品质具有很好的效果,降低了玉米的裂纹率和稻 谷的爆腰率,也适合干燥谷物种子,其投资和运行成本与 热风干燥设备相当并节能 。 King等闭在研究用响应面法来优化低温真空干燥时, 发现温度变化不大的情况下,温度对干燥速率影响并不 显著,但物料浓度和厚度对于燥速率影响很大。此外,低 温真空干燥传质阻力比真空冷冻干燥小得多,前者干燥 速率比后者快很多,而两者干燥的产品复水性接近,能耗 和运行费用前者比后者都要少[261。 4微波真空干燥技术的关键点 4.1真空度 真空度越高,压力越低,对应的水的沸点越低,物料中 水分扩散速度越快。但真空度越高,能耗越大,干燥成本 也相应增加。此外真空度越高,发生击穿放电的可能性也 增加.击穿放电不仅消耗微波能,而且会损坏部件,缩短 磁控管使用寿命,若击穿放电发生在食品上,则会使食品 焦糊。因此,选择合适真空度非常重要。从目前的研究看, 不同的物料选取的真空度差异很大,真空度的合理选择 需进一步研究探讨。 4.2均匀加热 就单个物料而言,微波加热具有均匀性,里外均匀同 时加热。但就整个真空箱而言,由于微波能量分布不均会 造成加热不均的问题。当我们观察整个真空箱时会发现, 微波以多个模式在箱内形成谐振,微波形成的模式越多, 加热越均匀。若采用多个微波耦合121并使其按一定的要 求分布,微波能量分布均匀性可以大大改善。此外,使物 料本身处于运动状态也有助于改善加热均匀性。 4.3干燥工艺和干燥终点判断 由于物料种类和状态不同,微波低温真空干燥工艺 亦有所不同。一般在干燥前期,由于物料中水分含量较 高,水分蒸发速度较快,需要输入的微波能要高些,这时 可采用连续微波加热,以满足水分迅速迁移和蒸发;在等 速和减速干燥期间,随着水分含量的减少,水分蒸发速度 减缓.需要的微波能也减少,可采用脉冲间隙式微波加 热。微波功率、脉冲间隙时间大小及干燥时间等参数需通 过试验来合理确定。由于还缺少在线快速检测水分的手 段。干燥终点的判断还比较困难,只能通过干燥工艺的研 究或通过数学模型进行预测 。 4.4温度控制 温度控制是微波低温真空干燥的一项关键技术,在这 方面的研究目前几乎没有。Li等[281对微波干燥温度控制做 了研究,其方法和结论可以为微波低温真空干燥的温度 控制提供一些参考。他们通过控制微波装置的开关来实 现物料温度的恒定,但发现温度围绕温度设定值上下窜 动幅度较大,尤其是在干燥的后期。为了改进,他们通过 控制微波功率的大小来实现对温度的控制,发现温度上 下窜动幅度减小,可以满足工艺的要求。徐振方等[29 3o1对 微波真空干燥温度控制也进行了研究,但没有试验对其 验证,其有效性未确定。 5展望 微波低温真空干燥技术作为一种新型干燥技术。以其 独特的加热特点和干燥机理为农副产品的加工处理开辟 了一条新途径,应用前景广阔。尤其是对于某些物料用传 统干燥工艺难以加工出高质量的产品,微波低温真空干 燥技术可以发挥重要的作用,能解决干燥行业许多难题, 利于新产品的研制开发,尤其适用于干燥热敏性物料。 微波低温真空干燥可以广泛应用于食品、医药和生物 行业,很多研究都证明其干燥的产品质量接近甚至超过 真空冷冻干燥,对于某些产品,用微波低温真空冷冻干燥 代替真空冷冻干燥,不但可以保证质量,还能大幅降低生 产成本。 参考文献: [11 Aydi]n K.Low temperature and high velocity( HV)application in drying:Characteristics and effects on the ifsh quality[J].Journal of Food Engineeirng,2009(91):173-182. 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