預(yù)處理及級(jí)聯(lián)干燥在熱泵干燥食品中的應(yīng)用

羅靜，李敏，關(guān)志強(qiáng)

（1.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江524088；2.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江524088）

干燥在改善食品的風(fēng)味和口感上具有重要作用[1]，同時(shí)，采用干燥方法可除去食品中的大部分水分，防止食品腐敗變質(zhì)，延長(zhǎng)食品的貯藏期，且食品經(jīng)過(guò)干燥后，體積減小，運(yùn)輸方便。傳統(tǒng)的干燥方法主要有自然干燥、熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空冷凍干燥和熱泵干燥等[2]。其中，熱泵干燥技術(shù)是一種常壓節(jié)能型干燥技術(shù)，且能實(shí)現(xiàn)低溫干燥，改善產(chǎn)品的品質(zhì)[3]，結(jié)合其他預(yù)處理方式還可以縮短干燥時(shí)間[4]，干燥環(huán)境容易控制[5]。特別適應(yīng)于水產(chǎn)品等熱敏性食物的干燥加工[6]。但熱泵干燥過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)干燥前期速度快，后期干燥速度慢的現(xiàn)象，且低溫下干燥時(shí)間長(zhǎng)會(huì)由于微生物的作用引起品質(zhì)的異變。為了有效地利用熱泵干燥的優(yōu)勢(shì)，而又避免這些不利現(xiàn)象的發(fā)生，借助于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)專家做了大量改善性熱泵干燥工藝的研究工作[7-11]。積極開發(fā)有效利用熱泵干燥結(jié)合預(yù)處理技術(shù)或與其他級(jí)間聯(lián)合干燥方式的新工藝，以滿足不同干燥材料的工藝需求。因此，本文將通過(guò)綜述近年來(lái)熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用，以及預(yù)處理結(jié)合熱泵干燥、熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合、熱泵-微波聯(lián)合、熱泵-紅外聯(lián)合和熱泵-真空凍干聯(lián)合技術(shù)在食品干燥中的應(yīng)用現(xiàn)狀，為熱泵干燥技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用和新型熱泵工藝的推廣提供參考。

1 熱泵干燥技術(shù)在干制食品中的應(yīng)用

熱泵干燥技術(shù)自被開發(fā)以來(lái)一直廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥加工中。不同的熱泵干燥工藝參數(shù)條件直接影響著干燥物料的品質(zhì)和性能。干燥溫度、風(fēng)速、濕度以及干燥過(guò)程等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)及與不同干燥物料的匹配一直受到研究者和使用者的廣泛關(guān)注。比如在干燥鲅魚過(guò)程中，研究表明分段式升溫?zé)岜酶稍锱c恒溫干燥相比，不但可以縮短干燥時(shí)間，還可以提高產(chǎn)品品質(zhì)[12]。在綠豆干燥過(guò)程中也得到類似結(jié)果[13-14]。此外，干燥溫度和風(fēng)速也是影響干燥品質(zhì)的主要原因之一。在干燥腌干魚制品過(guò)程中采用30 ℃、1.5 m/s 條件進(jìn)行干燥，相較于其他的溫度和風(fēng)速條件得到的產(chǎn)品品質(zhì)更好[15]。在45 ℃、3.5 m/s 條件下干燥菠蘿蜜，干制品品質(zhì)最佳[16]，同時(shí)說(shuō)明了不同的干燥物料匹配不同的干燥工藝條件。水產(chǎn)品是一類易腐食品，且營(yíng)養(yǎng)豐富口感好，干燥是原味保存和改善風(fēng)味的常用加工方式。但水產(chǎn)品主要成分是水和蛋白質(zhì)，在干燥過(guò)程中，品質(zhì)容易下降。特別在25 ℃條件下干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易發(fā)生腐敗變質(zhì)導(dǎo)致品質(zhì)下降，而高溫下干燥又會(huì)因?yàn)槠渌∏虻鞍缀图?dòng)蛋白的熱敏性容易發(fā)生變性，同樣導(dǎo)致品質(zhì)下降。所以干燥過(guò)程的工藝調(diào)節(jié)和匹配顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度45 ℃時(shí)，魚肉蛋白質(zhì)未出現(xiàn)變性，當(dāng)加熱溫度在55 ℃～65 ℃時(shí)，肌球蛋白發(fā)生變性，繼續(xù)加熱到70 ℃時(shí)，魚肉的蛋白質(zhì)發(fā)生完全變性[17]。而熱泵干燥裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)干燥過(guò)程溫度來(lái)適應(yīng)干燥物料的品質(zhì)要求，干燥水產(chǎn)品通過(guò)熱泵干燥技術(shù)進(jìn)行干燥，可得到品質(zhì)較好的產(chǎn)品[18]。在對(duì)小黃魚干燥時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用55 ℃熱泵干燥，產(chǎn)品品質(zhì)最佳[19]。此外，熱泵干燥過(guò)程進(jìn)行濕度控制，可強(qiáng)化傳質(zhì)，縮短干燥時(shí)間、降低成本。如蘋果片干燥過(guò)程中，熱泵干燥時(shí)間比熱風(fēng)干燥時(shí)間縮短30%[20]。在雙華李干燥過(guò)程中，熱泵干燥時(shí)間比自然干燥時(shí)間縮短66.67%；與傳統(tǒng)土爐干燥相比，成本降低50%[21]。其它，如佛手涼果[22]、檳榔[23]等干燥中，采用熱泵干燥，均降低了成本。由此可見，熱泵干燥相較于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥和自然風(fēng)干在干燥時(shí)間和干燥品質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)明顯。

2 預(yù)處理在熱泵干燥食品中的應(yīng)用

熱泵干燥前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，可在有效縮短干燥時(shí)間的同時(shí)，獲得更好的干制品品質(zhì)。常見干燥預(yù)處理包括滲透預(yù)處理，超聲波預(yù)處理，微波預(yù)處理，凍融預(yù)處理，真空預(yù)處理或幾種預(yù)處理方式的聯(lián)合等。

滲透是指在一定溫度條件下，將生物組織浸入高濃度溶液中，利用細(xì)胞膜的半透性進(jìn)行脫水的一種方法[24]。Karim OR 等[25]將蔗糖滲透預(yù)處理后的菠蘿進(jìn)行熱風(fēng)干燥的研究表明，經(jīng)過(guò)滲透壓脫水可以減少整體干燥時(shí)間，且干制品品質(zhì)變好。Vega-Gálvez 等[26]研究發(fā)現(xiàn)在辣椒干燥前加入NaCl、CaCl2可以提高干品品質(zhì)。預(yù)先采用油酸乙酯加碳酸鉀溶液浸泡黑葡萄，然后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，可以獲得最短干燥時(shí)間[27]。西班牙學(xué)者Contreras 等[28]發(fā)現(xiàn)滲透前處理會(huì)影響草莓熱風(fēng)干燥的結(jié)構(gòu)特征。吳陽(yáng)陽(yáng)等[29]研究發(fā)現(xiàn)不同滲透劑處理后的熱泵干燥羅非魚片其干燥時(shí)間均能大大減少，最大減幅達(dá)到31%，且滲透預(yù)處理后的干制品其復(fù)水性、質(zhì)構(gòu)、色澤和蛋白質(zhì)的變性程度都得到很好的改善，所以合適的滲透預(yù)處理可以提高羅非魚片熱泵干燥的綜合性能。

超聲波預(yù)處理時(shí)，物料因反復(fù)受到壓縮和拉伸作用而不斷收縮和膨脹，形成海綿效應(yīng)。有利于除去與物料結(jié)合緊密的水分[30]。功率超聲波使物料產(chǎn)生微觀孔道，提高水分有效擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)后續(xù)干燥產(chǎn)生有利影響。蘋果經(jīng)超聲波預(yù)處理后，可縮短干燥時(shí)間31%，提高孔隙率9%～14%，同時(shí)復(fù)水率發(fā)生改變[31]。研究表明，超聲波聯(lián)合熱風(fēng)干燥有效提高干燥過(guò)程中水分傳熱傳質(zhì)效率[32]。超聲波也經(jīng)常結(jié)合滲透使用，M.Nowacka 等[33]發(fā)現(xiàn)，超聲波有利于滲透時(shí)傳質(zhì)作用，形成微觀通道，細(xì)胞內(nèi)部水分重新分配。可見，超聲波的空穴作用等改善物料中水汽逸出的微觀通道，提高傳熱傳質(zhì)效率。通過(guò)超聲波的促滲透作用使得滲透液能夠較充分地滲入物料組織結(jié)構(gòu)中，從而最大可能的保護(hù)物料品質(zhì)。在豬背最長(zhǎng)肌滲透試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用超聲波輔助滲透有利于NaCl 滲入[34]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)超聲波滲透處理后，樣品達(dá)到較高的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度所需時(shí)間比常規(guī)滲透樣品所需時(shí)間短[35]。對(duì)鱈魚片采用超聲波處理，其干制品復(fù)水率增加，硬度減小，白度值增加（相比于低溫干燥）[36]。另有研究指出超聲波處理輔助腌制牛肉可以加快腌制液的滲透速度，縮短腌制時(shí)間。超聲破壁處理后竹材紋孔通道的變大變深更加易于液體的流通[37]。超聲波輔助滲透預(yù)處理能提高分子熱運(yùn)動(dòng)加快化學(xué)反應(yīng)速率等，能達(dá)到促進(jìn)水分逸出和溶質(zhì)滲入的雙重效果。

凍融是指將食品先凍結(jié)后解凍的過(guò)程，經(jīng)凍融后的食品組織結(jié)構(gòu)容易脫水。干燥前適當(dāng)?shù)膬鋈陬A(yù)處理能縮短干燥時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。經(jīng)凍融預(yù)處理后的甘薯粉，可以提高干制品品質(zhì)，另外研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)次數(shù)凍融的甘薯粉品質(zhì)比經(jīng)一次凍融后的干制品品質(zhì)更好[38]。熱泵干燥羅非魚片經(jīng)合適的凍融預(yù)處理后，熱泵干燥的羅非魚片其產(chǎn)品品質(zhì)更佳[3]。此外，添加劑預(yù)處理后羅非魚片進(jìn)行凍融-熱泵干燥，可以縮短干燥時(shí)間且得到的干制品品質(zhì)更佳。凍融處理能打開分子內(nèi)或分子間氫鍵，增大原料的孔隙度，凍融還能疏松膠體結(jié)構(gòu)，并促進(jìn)分子鏈有序排列[39]。

此外，有研究表明，物理和化學(xué)預(yù)處理方法的組合使用，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的改善效果優(yōu)于單一處理方法。羅非魚首先采用海藻糖溶液滲透、不同功率的超聲波輔助和凍融循環(huán)等預(yù)處理，可以大大提高產(chǎn)品品質(zhì)[40]。此外，李敏等[39]也發(fā)現(xiàn)羅非魚片經(jīng)過(guò)適宜濃度的添加劑滲透后，再結(jié)合凍融-熱泵進(jìn)行干燥，產(chǎn)品品質(zhì)接近真空冷凍干燥的干品，但成本卻大大降低。利用脈沖真空結(jié)合滲透預(yù)處理后熱泵干燥的羅非魚片干品，與常壓滲透對(duì)照組相比，其白度指標(biāo)提升了17.9%，復(fù)水率提升了80%，Ca2+-ATPase 活性提升了93.6%。脈沖真空條件下的浸漬預(yù)處理大幅度提升熱泵干燥羅非片的綜合品質(zhì)[41]。同樣，采用糖煮、糖浸和凍融三者組合對(duì)甘薯進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干燥后的產(chǎn)品品質(zhì)比單一或者糖煮、糖浸組合處理的品質(zhì)好[42]。

3 熱泵干燥與其它干燥技術(shù)聯(lián)合在干燥食品中的應(yīng)用

3.1 熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合技術(shù)

太陽(yáng)能是一種可再生資源，我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，其中常年被太陽(yáng)照射超過(guò)2 200 h 的地區(qū)約占2/3，年照射總量大約有5 000 MJ/m2[43]。由于太陽(yáng)能受天氣影響大，因此當(dāng)采用太陽(yáng)能干燥時(shí)，其干燥過(guò)程不是連續(xù)的，從而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)下降。將太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合使用，可完整發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)[44]，因此，太陽(yáng)能熱泵干燥裝置的運(yùn)行模式開發(fā)及其工藝的研究一直備受研究者關(guān)注[45-46]。熱泵-太陽(yáng)能干燥模型的能量損耗研究中發(fā)現(xiàn)，熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合系統(tǒng)在干燥過(guò)程中能耗的損失減少了40.53%[47]。采用熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合技術(shù)干燥羅非魚片，不僅可以節(jié)約能耗，還可以提高干制品的復(fù)水率和貯藏穩(wěn)定性[48]。采用熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合技術(shù)干制新鮮的香菇時(shí)，能耗和品質(zhì)均達(dá)得了預(yù)想的效果[49]。此外，采用太陽(yáng)能-空氣源熱泵聯(lián)合技術(shù)干燥枸杞，不僅可提高枸杞品質(zhì)，而且比單一熱泵干燥節(jié)約29.5%電能[50]。

3.2 熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合技術(shù)

熱泵干燥的低溫優(yōu)勢(shì)特別適應(yīng)于熱敏性物料的干燥。但是，干燥溫度低會(huì)使得物料持續(xù)處于傳熱控制階段，干燥速率下降，干燥時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)品色澤和品質(zhì)下降[51]。將熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合使用，既可縮短干燥時(shí)間，又可提高產(chǎn)品品質(zhì)[52]。采用熱泵-熱風(fēng)組合干燥南方波紋米粉絲，干燥能耗降低且干燥時(shí)間比單一熱泵干燥時(shí)間、熱風(fēng)干燥時(shí)間分別縮短15.63%和25.00%[53]。此外，徐建國(guó)等[54]研究表明，采用熱泵-熱風(fēng)組合技術(shù)也可以提高胡蘿卜干制品品質(zhì)。同樣，對(duì)小黃魚的干燥實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熱泵-熱風(fēng)組合干燥過(guò)程的耗能降低了34.6%[55]。

3.3 熱泵-微波聯(lián)合技術(shù)

微波是一種快速脫水的新型干燥技術(shù)，干燥食品厚度只要在微波穿透范圍內(nèi)，在干燥過(guò)程中是內(nèi)外同時(shí)開始加熱。但微波干燥存在干燥不均，終點(diǎn)不易控制，產(chǎn)品邊緣或者尖角容易出現(xiàn)焦化等缺點(diǎn)。而熱泵干燥技術(shù)在后期干燥過(guò)程中水分難以去除，導(dǎo)致干燥速率降低、耗能大，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)蛋白質(zhì)容易發(fā)生變性。兩者技術(shù)聯(lián)合使用可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[56]。荔枝采用熱泵微波聯(lián)合干燥工藝進(jìn)行干燥，較好地解決了表面塌陷，色澤不好的問(wèn)題，干燥速率也大大提高[57]。羅非魚片利用熱泵-微波聯(lián)合技術(shù)干燥，干制品的蛋白質(zhì)變性程度與兩者單一干燥相比大大減少、且口感和色澤度大幅度提高[58]。刺參采用微波熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)進(jìn)行干燥明顯地提高了其復(fù)水率和減小干燥的收縮變形，且不同的轉(zhuǎn)換點(diǎn)參數(shù)會(huì)影響其綜合品質(zhì)[9]。采用熱泵-微波聯(lián)合技術(shù)干燥豌豆，發(fā)現(xiàn)干燥后的豌豆抗氧化酶和發(fā)芽性都比單一干燥優(yōu)勢(shì)明顯[59]。研究者還發(fā)現(xiàn)，采用熱泵-微波聯(lián)合技術(shù)能促進(jìn)部分果蔬香氣物質(zhì)的增加和轉(zhuǎn)化[60]。

3.4 熱泵-真空凍干聯(lián)合在食品干燥加工中的應(yīng)用

真空冷凍干燥技術(shù)是目前公認(rèn)的最好的干燥技術(shù)，能很好的保持干燥食品的色、香、味和形，但干燥時(shí)間長(zhǎng)，成本高[61]，很難在常規(guī)食品干燥中推廣應(yīng)用。采用熱泵-真空冷凍干燥聯(lián)合技術(shù)干燥食品，實(shí)現(xiàn)分階段干燥工藝鏈接，可以獲得接近真空凍干品質(zhì)的產(chǎn)品，還可大大縮短干燥時(shí)間，降低干燥成本。香菇采用熱泵-真空凍干聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行干燥其耗能比單一真空冷凍干燥的能耗降低37.69%，且綜合品質(zhì)比熱泵干燥大有提高[62]。南極磷蝦采用熱泵-真空凍干聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行干燥，磷蝦干制品品質(zhì)與真空冷凍干燥品質(zhì)接近，且干燥時(shí)間比單一的熱泵干燥和真空冷凍干燥時(shí)間縮短一半[63]。同樣，青豆采用多級(jí)熱泵-微波真空凍干組合技術(shù)進(jìn)行干燥，產(chǎn)品品質(zhì)接近真空冷凍干燥產(chǎn)品的品質(zhì)[64]。

3.5 熱泵-紅外聯(lián)合技術(shù)

紅外干燥技術(shù)是指食品中的水分吸收紅外輻射能量產(chǎn)生熱量，水分由內(nèi)往外擴(kuò)散從而達(dá)到干燥效果。但對(duì)食品進(jìn)行紅外干燥時(shí)，容易產(chǎn)生受熱不均現(xiàn)象，且后期干燥速度慢，終點(diǎn)溫度不易確定等缺點(diǎn)[65]。采用熱泵遠(yuǎn)紅外聯(lián)合技術(shù)干燥金銀花其干燥時(shí)間比單一熱泵干燥時(shí)間縮短52.1%，且提高干制品的綜合品質(zhì)[66]。同樣，在胡蘿卜上，采用熱泵遠(yuǎn)紅外聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行干燥也得到類似的效果[67]。

4 結(jié)論

熱泵干燥技術(shù)是一種節(jié)能干燥技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)常壓低常溫低濕度干燥，有著不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其與普通的熱風(fēng)干燥相比具有品質(zhì)高能耗低的特點(diǎn)。但隨著熱泵技術(shù)在不同類型食品干燥中的推廣應(yīng)用，其低溫干燥導(dǎo)致的后期干燥速率變小，干燥時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)品的色澤和品質(zhì)下降的缺點(diǎn)開始引起人們關(guān)注。目前人們對(duì)常規(guī)熱泵干燥技術(shù)的研究已經(jīng)很成熟了，現(xiàn)有的研究都是在常規(guī)熱泵干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝上改善，或者干燥物料匹配的工藝參數(shù)的研究。在充分利用熱泵干燥優(yōu)勢(shì)的前提下，利用其它技術(shù)措施彌補(bǔ)其不足。特別是對(duì)含熱敏性物質(zhì)的物料的工藝研究，各種預(yù)處理方式及其結(jié)合，聯(lián)合干燥方式的出現(xiàn)都從不同角度對(duì)純熱泵干燥技術(shù)進(jìn)行很好的改善。諸如熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合干燥工藝、熱泵-熱風(fēng)組合干燥工藝、熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝、熱泵-紅外聯(lián)合干燥工藝和熱泵-真空凍干組合干燥工藝等能彌補(bǔ)單一熱泵干燥技術(shù)的不足，達(dá)成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。合適的組合和干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的匹配能縮短干燥時(shí)間和提高產(chǎn)品品質(zhì)。其中熱泵-真空冷凍聯(lián)合干燥制得的產(chǎn)品品質(zhì)能接近真空冷凍干燥制品的品質(zhì)且大大減少耗能，是替代真空凍干技術(shù)研究的重要方向之一，但目前國(guó)內(nèi)很少采用熱泵-真空冷凍干燥聯(lián)合方法干燥食品，因此熱泵-真空冷凍干燥聯(lián)合方法具有較大的開發(fā)和研發(fā)應(yīng)用前景。