0 引言
干燥是最重要和耗能最多的单元之一,广泛应用于化工、轻工、农林产品加工和建材等各部门.农产品来源于农业的初级产品,即在农业活动中获得的植物、动物、微生物及其产品.由于其含水量大,季节性强,上市量集中,若不及时处理较易腐烂变质.为避免其在收获季节因干燥不当而引起的损失,尽可能的保持其营养成分并能长久保存,高效、适用、节能、环保的干燥技术非常重要.目前,国内外农产品干燥应用最广泛的主要包括热风干燥、冷冻干燥、热泵干燥及微波干燥等.众所周知,干燥方式与工艺对产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等都具有直接的影响,不同干燥方式都有其优势和不足.由于农产品物料的多样性及其性质的复杂性,单一形式的干燥技术往往很难满足最终产品的质量要求.因此,在不断完善各种干燥技术自身技术方法和设备的同时,根据物料的特点,将两种或两种以上的干燥方法联合优势互补,分阶段或同时进行联合干燥已经成为一大趋势[1].联合干燥能够较好地控制整个干燥过程,可提高干燥效率、改善产品质量、节约能源成本,尤其适用于农产品中的一些对热敏感、易氧化的物料.目前,针对农产品的联合干燥技术,国内外已经做了大量的研究工作,多是采用现有的、常见的干燥技术进行组合搭配,集中于联合干燥技术对物料特性的变化、技术组合的顺序、转换点含水率及最佳工艺参数等.为此,将现阶段常见的与几种典型干燥方式相结合的联合干燥技术作以综述.
1 热风相关的联合干燥技术
热风干燥在农产品干燥的应用历史悠久,国内约90% 的物料干燥均采用常压热风干燥技术.其具有成本较低、处理量大、可实现自动化,生产方法简单及产量高等优点.但其产品品质较差,干燥效率低,且吸收被干燥物料的水分后形成高温、高湿的废气直接排入大气,能量损耗大,能量利用效率较低.根据热风干燥的特点,常与微波和红外等干燥方式联合使用.
1. 1 热风-微波干燥
由于微波加热的特殊方式,即采用一体加热使物料温度在短时间内快速升高,而且温度梯度和水分蒸发方向相同,具有速度快、热效率高、加热均匀、无污染等优点,是近几年来发展很快的新技术.热风-微波技术在提高干燥速率、降低能耗、改善产品的品质等方面具有优势,在农产品加工中的应用较普遍.将微波-热风联合干燥应用于胡萝卜片干燥[2-3],发现干燥速率大幅提高,且无恒速期,产品质量提高.Mas-kan[4]对香蕉进行了先热风后微波的干燥研究,微波干燥至终点缩短了对流干燥时间约 64. 3% ,产品色泽较浅,复水率最高.胡庆国[5]研究表明,与热风干燥和冷冻干燥相比,经联合干燥的毛豆干燥时间明显缩短,且品质参数均达到或接近于冻干或真空微波干燥的产品水平,远高于热风干燥产品.杨大伟等[6]进行了薄层黄花菜的联合干燥研究.结果表明: 先热风再微波干燥不但明显地缩短干燥时间,且可保证产品质量,并建立了数学模型.崔正伟等[7]以蒜片为研究对象,先微波真空干燥至 10% ( W. b. ) ,后热风干燥至5% ( W. b. ) .结果表明: 联合干燥的蒜片质量接近于真空冷冻干燥,好于热风干燥.Andres 等[8]证明食品原料经微波处理后还能提高热风干燥的速率.李琴等[9]和江思佳等[10]分别采用先微波后热风干燥板栗粉和米粉,所得产品品质较好.钟成义等[11]研究了联合干燥方式不同干燥参数对枸杞子干燥速度与外型效果的影响,得到枸杞子干燥的最佳参数组合.张平安等[12]对鲜豆渣进行微波热风联合干燥试验.结果表明: 先微波干燥( 80W,4min) 后热风干燥( 105℃,75min) ,豆渣干燥效果良好,较热风干燥时间缩短47. 33% ,并构建了豆渣微波热风联合干燥数学模型.王顺民等[13]得出联合干燥菠菜的最佳工艺条件下,干燥时间比热风干燥缩短约 40% ~ 50% ,VC 保留率提高了 39. 1% ~ 44. 3% ,菌落总数降低 3. 59 ~ 4. 51[lg( CFU/g ) ],产 品 水 分 含 量 8% ( 湿 基 ) . AdamFigiel[14]进行了甜菜根的先热风干燥再真空-微波干燥研究.结果表明: 与热风干燥比较,热风-真空-微波组合干燥明显缩短干燥时间,干制品收缩率降低;组合干燥制品具有较好复水性和较高抗氧化性,接近于冷冻干燥的效果.
1. 2 热风-红外干燥
红外辐射加热后的产品温度升高,附着在产品上的微生物也发生自热效应,导致菌体蛋白变性,活体死亡,无法繁殖.将红外与热风两者结合,即可提高干燥效率,又可实现杀菌功能.汪喜波[15]进行了红外辐射与对流联合干燥的理论分析及试验研究.焦士龙等[16]做过红外辐射与热风振动流化稻谷干燥实验研究.夏朝勇等[17]设计了先红外辐射加热、后热风对流排湿干燥工艺的红外热风组合谷物干燥机,进行了以不同的红外辐射强度和热风温度的组合干燥稻谷的试验.试验表明: 采用较强的红外辐射和较低的热风温度不仅能提高降水率,且可降低爆腰率,对新型干燥设备的研制和干燥工艺的优化有参考价值.
2 热泵相关的联合干燥技术
与传统干燥技术相比,热泵干燥技术充分利用了干燥排出的高温高湿空气中回收的部分显热和潜热,可使低品位热能提高为高品位热能,同时调控干燥空气的湿度.其整个干燥过程中几乎没有能量损失,是一种节能型新技术[18].由于大部分的农产品含水量较高,干燥过程中需去除的水量大,利用热泵干燥进行除湿,节能效果非常显着; 但是热泵在干燥后期干燥速率降低,能耗较高.将热泵与热风、远红外和微波等干燥技术结合,可有效提高后期干燥效率,节约能耗.
2. 1 热泵-热风干燥
热泵与热风的联合干燥研究最为普遍,李远志等[19]对胡萝卜和金针菇进行了试验研究,探讨了风速、热泵除湿与热风调换时物料含水率、热风湿度对脱水速率、能耗和干制品的复水比的影响规律,提出了最优干制工艺参数.张绪坤[20]采用热泵干燥温度35℃ 、转换点含水率 1. 36kg / kg 及热风干燥温度 65℃的联合干燥工艺,发现干燥时间比热泵干燥缩短3. 5h,复 水 性 比 热 泵 干 燥 高 16. 6% 、比 热 风 干 燥 高24. 5% ,而耗能仅为真空冷冻干燥的 9. 4% .任爱清等[21]通过研究确定了鱿鱼热泵-热风联合干燥最佳工艺参数,得到的鱿鱼干品质高于热风干燥,而且干燥能耗降低了 38. 67% .徐建国[22]的研究表明: 热泵-热风组合干燥既能显着缩短热泵干燥时间,又能最大程度地降低热风干燥对胡萝卜片有效成分的破坏,提高了产品品质.丛海花等[23]将热泵-热风组合干燥技术应用于腌渍海参,证实干燥后海参的复水倍数和复水品质明显提高,产品感官品质好.季阿敏等[24]对大红皮萝卜进行了利用热泵-热风联合脱水干燥研究,得出了各因素对干燥速率的影响规律及干燥效果分析,确定相应的优化组合方式.
2. 2 热泵-太阳能干燥
太阳能干燥,是利用热能使物料中水分汽化,并扩散到干燥介质中的过程.当热泵干燥系统低温热源的热量全部或部分来自于太阳能时,就形成了热泵-太阳能联合干燥.二者结合既兼顾了两种技术的优势,又能克服后者易受气候影响大的弱点,节能效果显着并有利于环保.该技术应用范围广泛,尤其适用于干燥珍贵木材、难干木材.在太阳能丰富的地区已得到初步开发.研究表明: 利用热泵-太阳能联合干燥木材,比热泵干燥节能 11. 8% ,比太阳能干燥时间缩短 14. 9%[25].邵维进等[26]利用太阳能热泵系统对肉制品干燥进行了研究,结果显示,与热管供热相比,热泵供热节省 75% 以上的电能,与燃料锅炉相比节省80% 以上的能源.郭胜兰[27]设计并搭建了可以与多种食品材料干燥性能相匹配的太阳能一热泵联合干燥装置,并从装置的性能指标出发,对其干燥方式的独立和联合运行的模式进行了相应的性能测试,研究了过程参数的调节和变化对物料干燥特性的影响,并进行了经济性分析.
2. 3 热泵-微波干燥
热泵-微波干燥是将微波加热技术与常规的热泵技术相结合的一种干燥方式.两者相结合,可以提高干燥效率和经济性.Turner 和 Jolly[28]的研究结果显示,如果被干燥物料的介电性能高度依赖于水分含量,则将微波用于干燥前期较有利; 而如果材料的介电性能高度依赖温度,则观察到的结果相反.Jia等[29]研究表明,热泵-微波联合干燥较传统的热风干燥效果好,具有较低的 SMER 和较高的生产量; 并以胡萝卜片和整姜为研究对象进行了联合干燥设备的性能的商业价值测试.马国远等[30-31]进行的农副产品的热泵-微波联合干燥的研究表明,与热泵干燥相比,联合干燥可提高产量,但 SMER 有所降低,其降低量与微波能输入量成比例; 随后对热泵微波干燥的实用性及其性能进行了模拟分析和试验研究,试验及计算结果吻合较好.同时,分析了空气旁通率、压缩机转速及空气质量流量等参数对干燥性能的影响,得出热泵微波干燥系统设计可使其能耗与蒸汽加热干燥相当.仅有的差别是其变化速度比热泵对流干燥器低.Jia 等[32]进行了以马铃薯和胡萝卜为原料的热泵-微波联合干燥的模拟研究,发现可以预测体积干燥速率和热泵-微波干燥整体性能; 结合 Jolly 等[33]的一个简化的微波功率分布与热泵干燥模型,建立了热泵-微波联合干燥模型,并研究了热泵-微波联合干燥农产品的可行性和性能,实验结果与数值模拟的结果和热泵模型的验证结果一致.宋杨等[34]的研究证实,与单纯热泵干燥相比,利用热泵-微波真空联合干燥海参的时间缩短 50% 以上,干制品感官品质良好,复水率有较大提高,外观形状保持完好,参体饱满.郑立静[35]对罗非鱼片的热泵-微波联合干燥特性进行研究,并确定了最优工艺.
3 冷冻相关的联合干燥技术
冷冻干燥技术,实际是指冷冻真空干燥技术,在真空冷冻干燥过程中,冰晶不经液态直接升华成水蒸气,故变质现象和微生物反应得到抑制,冻干制品营养成分和香气等损失小,外观品质高; 但设备成本较高,且加工周期长,经济性不高.将冷冻干燥与热风和微波等干燥技术相结合,既能最大限度地保持物料原有的色、香、味、形和营养成分,提高品质,且高效节能.
3. 1 微波-冷冻干燥
微波-冷冻干燥是将微波加热应用于冷冻干燥,改变升华潜热的提供方式,从而提高干燥速率,缩短干燥时间,降低干燥成本,适合于热敏性物质的干燥.张建龙[36]对微波冻干机理及其工艺参数筛选进行了研究,分别建立了球块状物料的冻结数学模型、加热板加热升华干燥数学模型及微波加热升华干燥数学模型.其测定了苹果、西芹、香菇、胡辣汤的共晶温度、共熔温度、密度及含水率等基础性物性参数,并对影响冻干的因素等进行了分析,提出了提高冷冻干燥速率措施.吴翔等[37]研究发现微波-冷冻干燥有助于刺梨果的天然色泽和营养物质的保持[38],以甘蓝为原料,研究了微波冷冻干燥过程中的压力、物料层厚度、微波功率等因素对干燥过程的影响,并与常规冻干方式做了结果对比.微波-冷冻干燥研究起步较晚,尚还处于试验阶段,但是产品营养成分保留率远远高于微波干燥,干燥时间远低于冷冻干燥,是未来农产品干燥工业化的方向.
3. 2 冷冻-热风干燥
将冷冻干燥的高品质和热风干燥的低成本有效地结合起来,热风-冷冻联合干燥的产品能够改善热风干燥产品的品质,同时也降低了冷冻干燥能耗,应用价值较高,已应用于工业化生产.徐艳阳等[39-40]以草莓和毛竹笋为研究对象,进行了真空冷冻热风联合干燥实验,确定了最佳转化点含水率和干燥工艺.结果表明,干制品的品质和外观与冷冻干燥相近,而明显优于热风干燥; 但发现组合干燥后的草莓切面的芯部有褐变现象,有待进一步研究.
Phanindra Kumar 等[40]研究了冷冻-热风联合干燥胡萝、南瓜,并在干燥速率、总能量消耗、物化特性 3方面分别与单一的热风干燥和冷冻干燥进行比较,冷冻-热风联合干燥得到的产品总类胡萝卜素受破坏程度相对较低.在质量比方面,冷冻-热风联合干燥产品明显优于热风干燥产品,接近完全冷冻干燥的产品; 而在干燥时间和总能量消耗方面接近完全热风燥,比完全冷冻干燥减少了 50% ,证明热风-冷冻联合干燥在生产高质量的脱水蔬菜方面是有优势的.李婷等[41]研究了冷冻-热风联合干燥银耳,确立了较佳转换点,先冷冻干燥 8h,后转为热风干燥,得到的产品与完全的热风干燥产品相比,在感官和复水率等其他物化性质方面优势明显.
4 存在的问题
联合干燥可以最大限度地优化干燥过程,使干燥系统更加合理是一项很有潜力且值得深入研究的新技术.但笔者认为,目前存在的一些问题明显地限制了其大规模的发展.
1) 联合干燥技术多集中于工艺的研究.例如,联合干燥工艺参数、组合的先后顺序及干燥转换点的确定等,对联合干燥规律研究不深入.虽许多学者建立了一些较好的干燥模型,但仅限于某种物料,适用性不强.同时,联合干燥技术的研究对象涉及的物料不够广泛,不同干燥条件对不同物料的适应性等参数的影响及内在规律等研究不够深入.
2) 相对而言,国产的联合干燥设备缺乏完善的机理研究支撑,生产企业的技术更新较慢,大多凭经验设计制造,对物料物性适应性较差,设备与工艺脱节;能耗偏高; 自动化控制水平低、控制手段落后.例如,冷冻-微波干燥设备能耗高、操作条件的可控性、在线检测等问题尚需改进和解决.
3) 联合干燥的研究还处于实验室阶段,所得到的试验数据通常不能直接应用于生产实践,产业化规模发展较难实现.
5 措施和对策
1) 干燥机理及物料物性的研究.基础理论研究是开发新技术及设备的前提.联合干燥技术的研究绝不是两种或多种技术的单纯组合,应充分发挥大专院校和科研单位的专业优势,加强对联合干燥技术机理的深入研究与探讨; 同时,由于被干燥物料的种类和组织结构等相差很大,要扩大研究对象范围,通过大量开展不同种类物料的物性研究,研发不同联合形式及干燥工艺以适应不同物料的干制特性,增强物料适应行,为技术开发提供较为全面理论依据.
2) 关键设备的研制及放大研究.干燥设备的研制须与产品工艺研究和生产实践紧密结合,方可实现其应用价值.联合干燥设备的研制,要注意自控技术与干燥设备合理结合的问题,针对联合干燥工艺要求,选择适合的自动控制手段,在节约控制部件成本的前提下,实现设备的控制最优化,从而提高设备的整体适用性及生产能力.联合干燥设备的放大要关注生产实践的应用,决不是体积和生产能力的简单放大,在掌握设备机理的前提下,也要充分结合物料特性和工程经验.因此,应注重"产、学、研"结合,加强与设备生产企业的技术沟通,互通有无,积极地将实验室所取得的成果尽快应用于生产实践,从而推进新的联合干燥设备技术的产业化发展.
3) 发展新能源的联合干燥技术.要以节能环保为首要考虑,积极开发以新能源如太阳能、风能、地热能及生物质能等为主的联合干燥新技术,从而实现低能耗和高品质的双赢.
总之,联合干燥是一个复杂多变的过程,其中的诸多因素与内在联系需要继续深入研究.节能、高效、环保、自动化是联合干燥技术的更高目标,尚需科研工作者的共同努力.
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