遠紅外聯合干燥技術在果蔬加工中的應用

張應玲，馬 朋，易俊杰，唐浩藍

（長江師范學院現代農業與生物工程學院，重慶 408100）

我國是果蔬出口大國，據國家統計局數據顯示，我國2018 年水果蔬菜出口金額達8 050.43 百萬美元，占據世界重要的市場份額[1]。而作為日常生活中常見的食用物質之一，果蔬因其自身具有豐富的營養物質，也為微生物的繁殖提供了良好的棲息環境[2]。干燥是常見的使果蔬脫水后延長保存期和貨架期的方法之一，是一種利用傳熱、滲透壓和相變等方式使水分減少的單元操作。水分含量和水分活度（Aw） 的減少可有效抑制微生物的生命活動，為食品的長久貯藏提供更好的條件。現有的干燥方法眾多，如熱風干燥[3]、熱泵干燥[4]、冷凍干燥[5]、真空冷凍干燥[6]和遠紅外干燥[7]等。根據不同物料的特性可選擇其適合的方法以達到預期效果。其中，紅外線為電磁波的一種，具有較強的熱輻射效應，是波長為0.75～1 000.00 μm 的不可見光，根據紅外線波長的不同又可將其分為近紅外、中紅外和遠紅外[8]（具體的波長范圍見表1）。遠紅外較近紅外和中紅外來講，輻射能力更強，故常應用于干燥領域。遠紅外干燥技術是一種具有眾多優點的干燥方式，相較于熱風干燥，由于物料可以獲得較高的熱流密度，其干燥速率更快[9]。同時，遠紅外干燥可輻射表層和表下層的水分，可使物料干燥得更均勻、品質更好。并且，它是以輻射傳熱的方式進行，傳遞過程中無需介質，也減少了能量消耗[10]。將遠紅外聯合干燥技術在果蔬領域的研究發展進行綜述，對了解目前紅外干燥領域具有一定借鑒作用。

電磁波分類見表1。

表1 電磁波分類/μm

1 遠紅外干燥的機理

遠紅外干燥是傳熱類輻射干燥的一種。在紅外波長范圍內，分子的熱振動產生輻射能至濕物料，接觸后使物料分子振動產生熱量，從而利用空氣作為介質帶走物料表面的水分，當物料表面的水分含量低于物料內部水分含量時，內外濕度差推動內部水分往外擴散，使其在表面汽化，達到物料干燥的目的[11]。

遠紅外干燥示意圖見圖1。

圖1 遠紅外干燥示意圖

2 遠紅外干燥在果蔬加工中的應用

針對單一的遠紅外干燥技術，國內外有大量的研究，分別從輻射溫度、輻射時長、物料切片厚度等方面研究遠紅外干燥技術對原料品質的影響。

麥馨允等人[12]對遠紅外干燥白玉菇的工藝條件進行了優化，探究了遠紅外干燥技術對物料品質的影響，分別對遠紅外溫度、切片厚度和裝載量進行單因素試驗后得出各單因素條件下對白玉菇品質影響的最佳值，在最佳值條件下，產品亮度、復水率、維C 含量和感觀評價均較好。黃斌等人[13]對香蕉片遠紅外干燥工藝研究后發現，當護色劑質量分數2%，遠紅外烘干溫度80 ℃，烘干時間5 h 時制得的香蕉片有較好的感官品質。李武強等人[14]利用響應面法優化了桔梗切片遠紅外干燥工藝，以干燥溫度、切片厚度和輻照高度作為試驗單因素，以平均干燥速率、復水比和色差值作為檢驗指標，得到的最優參數為干燥溫度60 ℃，切片厚度3 mm，輻照高度240 mm。

在遠紅外輻射溫度對水分遷移和速率影響方面，Afzal T M 等人[15]以馬鈴薯為原料，研究了輻射強度和平板厚度對干燥速率的影響，發現輻射強度增加、平板厚度增大有利于擴散系數的增加和活化能的減少，可提高干燥的速率。Ning Xiaofeng等人[16]用遠紅外干燥技術研究了黑木耳的干燥特性，結果表明干燥溫度和氣體流速的提高可縮短干燥時間，并且探索出最佳干燥條件和干燥模型。曾雅等人[17]研究表明，溫度的升高有利于獼猴桃干燥時間的縮短和擴散系數值的增加。在干燥后期，樣品中殘余水分主要是以結合水的形式存在；提高輻射溫度可以促進各種水分狀態之間的轉變，提高干燥效果。綜上所述，遠紅外干燥技術由于其自身優勢已廣泛運用到了果蔬干燥領域。

3 遠紅外的聯合干燥技術在果蔬加工中的應用

熱風干燥、真空干燥、微波干燥、紅外干燥等單一干燥技術可以針對性地對某一類產品進行干燥并且可以得到良好的干燥效果。但是，隨著對產品品質要求的不斷提高，單一干燥技術已經難以滿足大眾的需求，而聯合干燥技術可以集2 種或2 種以上干燥技術的優勢，使物料原有品質進一步提高，能更好地滿足市場需要。

不同干燥方式的對比見表2。

表2 不同干燥方式的對比

3.1 微波-遠紅外干燥

微波是波長大于紅外線的電磁波，微波干燥又稱介電加熱干燥，也為傳熱類輻射干燥。微波能穿過物料表面到達內部，物料吸收微波后引起離子極化和偶極分子的振動，相互摩擦產熱[18-19]，使樣品干燥更加均勻，大大減少了干燥時間[20]。相較于紅外線，微波具有更強的穿透性，可以干燥比較難脫去水分的果蔬類產品，微波-遠紅外的聯合干燥可揚長避短，充分利用兩者干燥的特點，使得遠紅外聯合干燥優于單一干燥技術[21]。2 種干燥技術轉換的時間方面也有研究顯示，使用微波聯合遠紅外干燥香菇，遠紅外干燥轉化微波干燥越早，干燥過程平均失水速率越高，干燥能耗越小[22]。在產品品質方面，遠紅外聯合干燥技術使得樹莓的復水率和脆度值優于單一干燥[23]。

3.2 真空-遠紅外干燥

真空干燥是指用真空泵抽走干燥環境中的空氣，給環境造成一個負壓狀態，使得物料中水分的沸點降低從而加速干燥過程的一種方式。真空-遠紅外聯合干燥技術結合了真空干燥的水分蒸發沸點低和遠紅外干燥熱流密度大、干燥速率快的特點，使得這一聯合技術在果蔬干燥成品方面理化指標均較好。真空-遠紅外聯合干燥技術除去了空氣，可有效防止物料的氧化褐變。張曉妮[24]研究了檸檬片真空遠紅外干燥工藝，采用了真空遠紅外變溫干燥與真空遠紅外-熱風干燥，結果表明改善后的2 種方法較之前，檸檬片干燥均勻的程度和降低褐變的程度都得到了一定提高。物料品質方面，使用此法干燥可使得白蘿卜微觀結構保存較好、維C 保存率較高、復水性能更好[25]，使得枸杞干燥后的多糖含量、復水率、色澤外觀較好[26]。Thanit Swasdisevia 等人[27]利用真空聯合遠紅外干燥技術干燥香蕉片，用數學建模的方法通過模型來預測食品(香蕉)在遠紅外真空干燥條件下的含水率和溫度的變化。

3.3 熱泵-遠紅外干燥

我國常用的熱泵機主要是蒸汽壓縮式熱泵，主要利用逆卡諾循環原理將低溫熱源的熱量以消耗機械能為補償，通過制冷裝置傳至高溫熱源，高溫熱源與濕物料接觸后達到干燥除水的目的[28]。熱泵干燥具有高效節能、手段溫和、質量好、可調節范圍廣等優點[29]。熱泵聯合紅外干燥可充分發揮兩者優勢，前期使用熱泵干燥，保證熱敏性物質不被分解，后期使用遠紅外干燥進一步增大除水率，利用此法干燥熱敏性物質是比較好的選擇，值得注意的是，紅外輻射板具有較大的熱慣性，容易超過原本設定溫度，造成物料的損壞[30]。例如，干燥熱敏性物質胡蘿卜時，采用此法干燥，在物料含水量為50%的時候切換干燥方式的工藝最佳[31-32]。在探究魷魚蛋白質含量方面，發現此法不會影響蛋白質的品質[33]。

3.4 熱風-遠紅外干燥

熱風干燥又稱熱空氣干燥，是傳熱類對流干燥。通過熱空氣將熱量傳遞給物料，物料內部水分擴散至表面被汽化成水蒸氣除去，達到原料干燥目的。從經濟的角度看，熱風干燥的成本更低，且干燥效果仍能達到目標狀態[34]。熱風干燥在食品加工生產中應用廣泛，熱風聯合遠紅外干燥具有明顯的協同增效的作用，干燥速率快于單一干燥技術[35]。使用熱風-遠紅外聯合干燥技術試驗紅棗，在分別進行熱風和遠紅外的單因素試驗后，通過組合干燥試驗對操作工藝優化，得出前期熱源熱風溫度、后期遠紅外溫度、水分轉換點的最佳值，在此條件下干燥速率及干燥效果均較好[36]。確定熱風-中紅外干燥最佳工藝后，謝小雷等人[37]研發了一款連續熱風-中紅外干燥設備，與普通單一的熱風干燥設備相比，此設備可以更好地降低能耗，提高生產效率。

3.5 超聲-遠紅外干燥

超聲波是一種頻率高于2 萬Hz 且人耳不能聽見的聲波，具有極強的穿透力。超聲波的空化作用可促進微粒間的相互碰撞，使其運動更為劇烈，有利于分子之間的運動。超聲作為遠紅外干燥的輔助方式，具有協同的作用。超聲的速率、頻率、時間的增加可顯著提高干燥速率、縮短干燥時間，在品質方面，可以提高胡蘿卜的色差值[38]。超聲波的存在會導致物料微觀結構的變化，使得物料內部的孔數目和孔尺寸增加[39]，提高了傳熱傳質速率和干燥速率。席慧涵等人[40]以馬鈴薯為材料探究了超聲強化對遠紅外輻射干燥特性的影響，并構建了Elman，RBF，BP 3 種神經網絡模型。最終的研究結果發現，超聲強化遠紅外干燥可促進水分的擴散、提高有效水分擴散系數（Deff）。其中，BP 神經網絡模型的預測值與真實值最接近，可快速準確地預測馬鈴薯在超聲強化紅外干燥過程中含水量的值。

3.6 冷凍-遠紅外干燥

冷凍干燥是通過降溫的方式，使溫度降到物料冷凍的冰點之下，使物料內部水分形成固態冰晶，利用升華的原理，將固態水分直接變成氣態，從而達到水分干燥目的。冷凍干燥是一種比較好的干燥方式，經眾多科學研究發現其可以很大程度地保證食品原有的色澤品質和營養成分。冷凍-遠紅外聯合干燥還可以縮短干燥時間、減少能源消耗。Lin Y P 等人[41]比較了冷凍干燥、遠紅外干燥和冷凍聯合遠紅外干燥對紅薯的干燥效果，發現遠紅外干燥可以減少冷凍干燥的時間，并對紅薯遠紅外冷凍干燥數據進行了4 個數學模型的擬合。結果表明，該模型能較好地描述遠紅外線冷凍干燥的干燥特性。王洪彩[42]研究了短波紅外干燥聯合冷凍干燥技術對香菇的影響，不管是將MIRD（短波紅外干燥技術） 用作FD（冷凍干燥） 的預干燥還是后續干燥，都可以縮短冷凍干燥的時間，并且相對于單一的冷凍干燥，MIRD 用作FD 的預干燥和后續干燥可分別減少26%和40%的能耗。

4 結語

紅外干燥是一項高效且節能的技術，對干燥果蔬等農產品方面都可以起到很好的作用，現有的科學研究局限于對某一具體樣品的遠紅外最佳干燥工藝的探索，并未具體分析得出的結論是否也適用于同種類產品。遠紅外聯合干燥技術的干燥效果優于單一的干燥技術，體現了聯合干燥的優勢，未來這項技術必將更加廣泛地應用于干燥領域，但這部分的研究仍需要完善與充實。例如，遠紅外聯合熱風干燥仍然缺乏一些試驗數據的支持，對真空冷凍干燥聯合遠紅外干燥的研究甚少。我國作為科學技術發展強國和能源消耗大國，干燥技術的發展趨勢也必將走向節能化和一體化。特別是在遠紅外聯合干燥技術研究領域，得出相關工藝參數后，研發具體的聯合干燥設備是未來發展的一個方向。同時，隨著人工智能的發展，干燥類機械設備利用工作站達到自動化、智能化，這是未來的一個發展方向。