載能微波在不同負壓水平的干燥模式與應用

呂為喬，谷遠洋，曾詩雨，李棟，宿佃斌

（中國農業大學工學院，北京 100083）

微波干燥（microwave drying，MD）是新一代干燥技術，1945年，美國的雷達工程師Percy LeBaron Spencer工作中，偶然發現了微波的熱效應[1]。70年代，微波源生產技術逐漸成熟，微波爐被推廣到千家萬戶[2]。在微波這個頻率范圍（300 MHz ～300 GHz）的電磁波，能攜帶較高的能量帶動水分子產生數以億次的振動。利用微波對高水分農產品實施干燥，具有精準高效、體積受熱、輸入功率靈敏易控制等優點。為了避免不同用途電磁波的干擾，國際上在工業、科學和醫藥（industry，science and medicine，ISM）領域限定使用的主要頻率為2 450 MHz和915 MHz[3]。由于微波干燥的體積受熱和高能效，其工作過程中經常會出現濕熱散失困難。同時，基于微波干燥過程中物料的形態差異、組織結構差異等因素，干燥不均勻是微波干燥過程中的常見問題[4]。對于高水分農產品物料，為了克服濕熱散失困難和微波干燥不均問題，微波-熱風組合干燥和微波-真空組合干燥是常見的組合工作模式。其中，微波-真空組合干燥不僅促進濕熱擴散，還起到減少干燥過程的氧化反應，提升物料膨化度的作用。

1 微波-真空組合干燥的模式

上世紀90年代以來，隨著大功率微波源——磁控管生產技術的成熟，微波干燥成為國際上在農產品干燥領域的研究熱點。我國在“十一五”以來的國家重點研發計劃項目的資助下，農產品微波干燥技術的發展尤為迅速，研制了處于國際領先水平的新一代微波-真空組合干燥設備等微波組合干燥裝備[5]。其中，不同負壓水平和干燥模式對農產品物料有著不同的干燥特征，例如，高真空度的微波真空冷凍干燥，所得產品品質最高，面臨的技術問題也最為顯著。根據干燥工藝對真空度的要求，微波-真空組合干燥涉及低真空度的負壓微波脈沖噴動干燥（pulse-spouted microwave vacuum drying，PS-MVD），中真空度的微波真空干燥（microwave vacuum drying，MVD），高真空度的微波真空冷凍干燥（microwave vacuum freeze drying，MVFD）等，不同模式的工藝分別有著不同的發展歷程和應用領域。

1.1 低真空度PS-MVD的發展和應用

微波爐的出現，極大地方便了人們的生活，與此同時，微波在農副產品中的高效干燥行為得到學者的普遍關注。然而，基于干燥過程中物料內部生物組織結構差異、分割形態和疊放位置差異、微波場強分布和穿透深度差異等因素，干燥不均是微波干燥果蔬物料的主要問題。解決干燥不均的手段很多，如旋轉托盤、滾動床等[6]。試驗中，將干燥中的物料體系看成一個吸收能量的載體，熱風干燥（air drying，AD）和不同參數下的微波干燥工藝下，物料體系的傳熱過程如圖1所示。

圖1 農產品微波干燥過程溫度傳遞模型Fig.1 Transfer models of temperature during microwave drying for agricultural products

可以發現，AD和MD在干燥過程有著相反的溫度梯度（圖1a和圖1d），其中，微波干燥過程內部溫度高，水分由內向外擴散，最有利于水分的驅除。在微波干燥中，微波能量會隨著穿透深度的增加，逐漸減弱。但在一定體積的物料體系中，微波能在尚未顯著衰減的階段，相互疊加，在某個區域形成能量交集，會發生能量釋放的“熱點”（圖1b）。同時，對于體積較大的農產品物料，對于2 450 MHz微波來說，穿透距離一般在十幾厘米到幾十厘米的量級，中心位置將會超過微波的穿透深度De[7]。其中，De即微波能從物料表面衰減至表面值的1/e時的距離，用公式表示如下。

式中：λ0為自由空間波長；ε′為介電常數；tanδ為介電損耗。此時，在微波能量已經發生顯著衰減，相互疊加未能交接的區域會形成物料的“冷點”（圖1c）。試驗中，“熱點”和“冷點”的位置不一定在物料的體積中心，與物料的形狀、水分分布和介電特性分布等因素有緊密的關聯。為了避免“熱點”和“冷點”現象的出現，并顯著減緩微波干燥不均，華盛頓州立大學Heng Feng等率先研發了微波熱風噴動床干燥裝備，有效解決了微波干燥蘋果丁等農產品物料時穿透深度有限、濕熱散失困難帶來的問題[8]。同期，伊朗學者M.S.Hatamipour等在微波熱風噴動床干燥中加入對微波沒有任何影響的惰性粒子，以提高胡蘿卜顆粒的傳熱效果，他還發現水分降低是影響胡蘿卜片體積收縮的主要原因[9]。基于微波真空組合干燥不僅促進濕熱擴散，還起到減少干燥過程的氧化反應，提升物料膨化度的作用，Yu-chuan Wang等在國內首先提出來通過脈沖噴動的形式來調整微波真空干燥的均勻性，并先后研制了2 450 MHz和915 MHz的PS-MVD設備，其工作原理如圖2所示[10-11]。

圖2 PS-MVD干燥機原理圖Fig.2 Schematic diagram of PS-MVD

在該設備中，物料盛放在兩端為錐形、中間為柱形的石英玻璃倉中，上方連接真空泵，相同通過電磁閥連接空氣壓縮泵，微波源被安排在諧振腔一側，確保與物料的真空干燥環境隔離，能防止微波入口處發生低壓放電，影響微波源的使用壽命。受可編程邏輯控制器（programmable logical controller，PLC）和電磁閥控制，壓縮空氣間歇破真空，將物料噴起，既實現了MVD的干燥優勢，又提高了微波干燥的均勻性。目前，PS-MVD干燥的真空度一般在2 000 Pa，脈沖噴動階段時間較短，會在短時間內升高，因此，PS-MVD屬于低真空度的MVD干燥。目前，PS-MVD在萵筍、胡蘿卜、毛豆等領域取得了較好的干燥效果[12-13]。

1.2 中真空度MVD的發展和應用

與PS-MVD不同的是，MVD工藝不需要破真空，能在穩定的真空環境下進行。目前，MVD設備的真空系統，大多應用水循環真空泵，提供的壓強范圍多數情況在500 Pa ～2 000 Pa之間。普通MVD工藝，能充分發揮微波干燥和真空干燥的技術優勢，結構簡單，能在較低的溫度下進行。然而，基于微波的穿透能力有限，物料的裝載量一般較小。目前，MVD在實驗室研究報道較多，特別是對水果、蔬菜、中藥材、菌類等高水分農特產品物料，MVD工藝能快速驅除物料的水分，在效率和品質上具有很強的競爭力。表1列舉了近年來，國內外關于MVD干燥農特產品物料的一些研究報道，在不同角度提升了MVD干燥的技術水平。

1.3 高真空度MVFD的發展和應用

微波真空冷凍干燥集成了微波干燥穿透力強和真空冷凍干燥（freeze drying，FD）低溫保質的優點，是在真空冷凍干燥基礎上發展起來的新型干燥技術。在真空冷凍干燥中，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分不經過冰的融化，直接以冰態升華為水蒸汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的，干燥原理如圖3所示[24]。

表1 中真空度MVD的主要研究報道Table 1 Some research about normal vacuum MVD

圖3 真空冷凍干燥原理圖Fig.3 Schematic diagram of FD

其中，真空冷凍干燥工藝的熱源為接觸式的加熱板，干燥過程的物料溫度一般要低于50℃，而干燥的壓強環境一般要低于100 Pa，以保證物料在凍結狀態升華，但對于不同物料類型、不同干燥階段也有一定的參數差別。對于大多數農產品物料，FD產品有著非常好的形態，同時以低溫干燥優勢，最大限度地保留了物料營養活性。然而，真空冷凍干燥過程溫度低，且僅僅依靠加熱板提供熱源，干燥時間經常在10 h以上。MVFD利用具有較強穿透能力的微波代替加熱板提供熱源，顯著提高了凍干的效率。近年來，研究MVFD干燥工藝的研究報道較多，曹有福等搭建了MVFD試驗平臺，在冬棗干燥中，得到了接近FD的干燥品質，時間和能耗卻顯著降低[25]。Hao Jiang通過MVFD干燥香蕉片，對微波功率、物料性能和干燥品質進行了系統的研究，推動了MVFD干燥技術的發展[26]。然而，MVFD作為新型微波干燥工藝，還存在一些尚待解決的技術問題。

首先，在較低的壓強下，微波高頻電場在等離子體中傳播，如果電子的平均自由程足夠長，速度增加到一定程度，將在碰撞中激發原子或其它重粒子，發生分子電離、解離效應，宏觀上可觀察到氣體分子發生了電擊穿，即低壓放電。1985年，R.V.Decareau以915 MHz和2 450 MHz頻率微波做試驗，發現13 Pa ～133 Pa之間的壓強，也就是MVFD的工作環境最容易發生低壓放電[27]。目前，解決低壓發電的途徑主要有調整諧振腔結構、真空倉與微波源相隔離等。

其次，物料的微波吸收能力隨溫度上升而上升，則微波加熱使溫度升高，而溫度上升又使物料吸收的熱量增大，兩者相互影響會使加熱集中在物料的特定區域。在MVFD中，因為水的微波吸收系數遠大于凍結物料，因此如果凍區內有一點融化，則微波就會集中加熱這一點而使干燥失敗，這個過程被稱作干層熱失速。關于農產品物料MVFD中“干層熱失速”發生、發展機制的研究報道較少，上海交通大學孫恒建立了基于數值計算的半理論方法，對牛肉微波凍干過程“干層熱失速”現象進行了控制策略優化[28]。目前MVFD工藝的改進在探索中發展。

2 微波-真空組合干燥的創新應用

在實踐中，微波與不同壓強水平的PS-MVD、MVD、MVFD干燥模式有著廣泛的拓展和應用。AD與MVD的有機組合能顯著提高農產品的干燥品質，微波真空膨化的果蔬產品作為開發真空含浸食品的原料具有潛在的競爭力，脈沖噴動微波真空冷凍干燥有效地結合了PS-MVD和MVFD的技術優勢，在探索中發展。

2.1 常壓-微波真空分階段組合干燥

基于MVD不僅具有較高的干燥能效，還對物料起到膨化效果，因此MVD在休閑食品加工上占有顯著的優勢。但是，對于高水分、高糖分物料在干燥前期的定型效果亟待提高，物料黏連現象經常發生。畢金峰等以藍莓為原料，研究了AD-MVD分段組合干燥工藝，并對中間水分進行研究，發現轉換點水分在30% ～40%時，干燥品質最佳[29]。韓清華等通過AD-MVD分段組合干燥蘋果片，所得產品酥脆性好，作為休閑食品的競爭力顯著[30]。Ricardo L.Monteiro等研制了一種微波真空脈動-負壓分段干燥（microwave multi-flash drying，MMFD）設備，并對南瓜片進行試驗研究，MMFD工藝在干燥前期“微波常壓干燥-微波真空干燥-微波常壓干燥”周而復始循環3次，其中，真空階段時間較短，為脈沖式工作，主要是配合微波快速驅除物料中大部分自由水，然后在3 kPa ～5 kPa的負壓環境下完成剩余水分的干燥，試驗結果表明，MMFD所得產品在復水能力上優于凍干和熱風干燥產品[17]。

2.2 微波真空-真空含浸技術研究應用

真空含浸食品，是借助內外壓差引起的流體力學變化，使多孔食品內的氣體或者液體與外部環境的溶液進行交換，并以此得到營養和品質調理的食品。真空含浸過程分為3個階段，如圖4所示。

第一階段是食品物料預干燥，改善物料的多孔結構（圖4a），第二階段，利用真空環境將物料內部的氣體和部分液體抽離（圖4b），第三階段，在經調理的含浸液中恢復常壓，利用壓差將含浸液泵入到食品物料內部（圖4c）。在真空含浸工藝中，有效的干燥方式對含浸食品的品質至關重要。高樂怡等研究了熱風干燥和真空干燥對胡蘿卜片真空含浸效果的影響，發現無論是含浸量還是營養保留，微波干燥都具有顯著的優勢[31]。微波真空-真空含浸是另一種更為有效的模式，黃蘇婷等通過MVD預干燥的葛仙米，能在真空含浸工藝中得到較佳的品質[32]。不同壓強水平的微波真空干燥，能得到不同程度的微孔結構，在開發真空含浸食品上有著巨大的潛力。

圖4 真空含浸食品加工原理圖Fig.4 Processing diagram of vacuum immersion food

2.3 脈沖噴動微波真空冷凍干燥的創新應用

脈沖噴動微波真空冷凍干燥（pulse-spouted microwave vacuum freeze drying，PS-MVFD）結合了 PS-MVD與MVFD的技術優勢，相比于PS-MVD工藝，PSMVFD的噴動頻率較低，以確保真空倉內的真空度達到100 Pa以下凍干水平。相比于MVFD工藝，PSMVFD對干燥品質的均勻性有顯著的增強。Hao Jiang等利用PS-MVFD對香蕉片進行干燥，在3 W/g的微波功率下，4 h干燥完成，同時對PS-MVFD工藝進一步優化，在溫度均勻性、品質均勻性上得到顯著提高[33]。Dan-Dan Wang等比較了熱風干燥、真空冷凍干燥、PS-MVFD 3種工藝對蘋果丁的干燥品質，發現PSMVFD的蘋果丁品質優于熱風干燥產品，與真空東干燥產品無明顯差別，但PS-MVFD中的能效得到顯著提高[34]。PS-MVFD作為MVFD的拓展應用，在“干燥不均”和“干層熱失速”問題上得到顯著改善，但MVFD工藝中微波“低壓放電”的問題依然存在，是今后的研究重點。

3 結論與展望

文章闡述了高水分農產品物料在低真空度PSMVD，中真空度MVD以及高真空度MVFD的干燥模式及物料特性，并對熱風-微波真空組合干燥、微波真空-真空含浸加工、脈沖噴動微波真空冷凍干燥的創新應用展開討論，得到如下結論：

PS-MVD干燥能穿透較深的物料，微波干燥均勻性的均勻性顯著增強；MVD結構簡單，膨化力度較大，目前在農產品加工領域應用研究最為廣泛；MVFD是凍干工藝的一種，干燥品質較高，干層熱失速和低壓放電是常見問題。

熱風-微波真空兩階段組合干燥或者多階段間歇干燥能改善高水分果蔬物料的干燥品質；MVD作為預干燥和預膨化手段在真空含浸食品加工上具有較大的潛力；PS-MVFD是MVFD的創新應用，也是PSMVD的拓展，在“干燥不均”和“干層熱失速”問題上得到顯著改善。

不同壓強水平的微波真空干燥，以及在農產品加工領域的創新應用，不僅能提高干燥能效和品質，同時有利于農產品干燥向品質多元化、產品類型多元化方向發展。深入研究載能微波在不同負壓水平的干燥模式和干燥品質，將進一步提升農產品在微波干燥與后續加工中附加值。