果蔬產品自動化烘干設備及自適應技術應用分析

陳艷芳

（河源職業技術學院，廣東 河源 517000）

0 引言

農業是我國第一產業，在我國經濟發展中占據著重要地位。其中，果蔬產品又是農產品的重要組成部分。新鮮果蔬極其容易腐壞，不易保存和運輸，這使得果蔬產品的市場拓展受到局限。為了更好地擴大果蔬產品市場，果蔬脫水烘干技術和設備應運而生。烘干后的果蔬產品使得消費者的食品選擇品類更加豐富，同時便于運輸和儲藏，農產品市場也得到了極大的拓寬。近年來，出現了許多新興脫水和干燥技術。本研究對常見的幾種果蔬烘干技術及設備進行分析概述，以期能為相關研究者提供一定的參考,促進技術和設備的改良，在降低設備和技術成本的基礎上，提升果蔬產品外觀、風味和生物質活性。這不僅是為消費者提供更多食品消費選擇，也是為農產品加工者增加收入渠道，活躍產業鏈，在宏觀層面擴大果蔬產品發展空間，增加果蔬產品經濟效益，進而推動農產品市場發展，最終促進我國農業的良性發展。

1 常見的果蔬烘干技術及設備

果蔬烘干的目的是在保留果蔬原有色澤、風味的基礎上去除果蔬中的水分，延長果蔬的食用時間，方便果蔬的儲藏、運輸和攜帶。當前，常見的果蔬烘干技術有很多，文章僅列舉部分，以供參考。

1.1 熱泵除濕干燥

基于熱泵除濕干燥技術的設備一般是基于卡諾定理的熱泵除濕干燥設備。

熱泵除濕干燥技術是將外界空氣能作為熱源，其原理發展自1824 年法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾[1]在研究熱機的最大可能效率問題時于其著作《論火的動力及與產生該動力相適應的機器》中提出的“卡諾循環”。卡諾循環主要包括等溫吸熱、絕熱膨脹、等溫放熱和絕熱壓縮4 個循環過程：（1）等溫吸熱，系統從高溫熱源中吸收熱量；（2）絕熱膨脹，系統對環境做功，使烘干室內的溫度降低；（3）等溫放熱，系統會向低溫熱源釋放熱量，使烘干室內的空氣體積被大大壓縮；（4）絕熱壓縮，系統恢復初始狀態，在等溫壓縮和絕熱壓縮的過程中對室內環境作負功。

卡諾定理對熱機效率的限制（圖1）說明一目了然，其循環過程指出了提高熱機效率的方向，即提高T1，降低T2，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環盡量接近卡諾循環。這一定理也稱為烘干機研發的理論依據[2]。

圖1 有傳熱溫差的制冷循環

這一過程就是使干燥空氣在干燥室與熱泵干燥機間進行閉式循環，即基于熱泵干燥機蒸發器中的低壓制冷蒸汽壓縮機系統使果蔬干燥室中的濕空氣降溫脫濕，其中，空氣會因溫度降低而將其大部分凝結水排出。這種冷凝水也被稱為高壓制冷液，其經過膨脹閥降壓后，會再次進入下一個循環。在內部的低壓制冷劑作用下，從空氣中吸收的水分會由液態轉化為氣態。尤其是在回熱循環中，熱泵干燥的最佳蒸發溫度及最佳除濕量顯著提升。

1.2 熱風干燥

熱風干燥是利用熱風循環，一般是通過熱源（例如石油、天然氣、電、煤等）提供的熱量，借助風機的作用，將熱風導入烘箱或者干燥倉中，從干燥介質傳導熱量給蔬果，使周圍的空氣和蔬果之間產生一定的溫度差，水分由蔬果內向外遷移，進而蔬果表面的水分經過受熱蒸發，逐漸降低到一定程度。流動的熱風會將蔬果蒸發出的廢氣帶出干燥倉，經過凈化處理后排出干燥機[2]。

熱風干燥機的組件一般包括熱風爐、換熱器、熱風系統、干燥機、干燥倉和溫度控制系統（圖2）。此系統近年來應用十分廣泛，特別是在與其他干燥技術聯合研發干燥設備方面，更是有豐富的實踐案例。

圖2 熱風干燥機構件

1.3 微波真空干燥

微波加熱原理區別于普通的熱傳遞方式，其特點為微波通過高頻電場在空間中不斷地變換方向，使蔬果中的極性分子以上億次每秒的速度發生振動，基于物質分子間的摩擦擠壓產生熱量，進而使蔬果溫度升高，加快水分蒸發[2]。如果蔬果中的水分充足，就極其容易受到微波的作用，吸收微波，發熱速度較快。同時，如果在真空或微壓環境下采用微波加熱，水的沸點降低，不僅速度會加快，還利于蔬果低溫干燥，有助于保持蔬果產品的色澤、維生素、生物活性及風味，因而微波干燥技術在蔬果脫水產品中的應用十分廣泛。

1.4 真空冷凍干燥

真空冷凍干燥技術的過程是基于預先凍結，是將果蔬的溫度控制在共晶點以下并使果蔬物料處于真空狀態再基于共融點利用升華作用去除果蔬中的水分。這一技術主要包括3 個步驟：制冷、供熱和干燥。真空干燥技術使果蔬產品處于低溫狀態，不受高溫影響，能最大限度保留蔬果原有的營養、風味和色澤，同時復水性也極佳。因而在果蔬產品干燥中的應用也十分普遍。

1.5 噴霧干燥

噴霧干燥技術是利用霧化器果蔬物料霧化成直徑十分微小的霧滴，通過熱空氣或其他介質迅速蒸發果蔬物料液體中的水分及其他溶劑。在短時間內形成干燥粉狀產品后經干燥塔排出，由旋風分離塔將其進行氣固分離處理后獲得干燥果蔬產品。概括來說，其關鍵步驟在于物料霧化、物料干燥、氣固分離。

噴霧干燥設備種類較多，常見的按照霧化方式分類有氣流式、壓力式、旋轉離心式噴霧干燥器（圖3）；按物流方向有并流式、逆流式和混流式噴霧干燥器；按照生產流程和熱空氣處理方式又分為開放式、封閉循環式、半封閉循環式[3]。

圖3 霧化器工作原理

2 果蔬烘干技術優缺點分析

2.1 熱泵除濕干燥技術

在添加了保溫層的熱泵除濕干燥機配合下，熱烘干效率更高，果蔬的生物活性幾乎不會喪失。因而熱泵除濕技術和設備是傳統意義上應用較為普遍的一項技術。

2.2 熱風烘干技術

楊薇等[4]研究指出，采用熱風干燥技術的蘑菇復水性最好，產品內部溫度低而且穩定。蘑菇的干制應用熱風干燥技術是最佳選擇。黃艷斌等[5]在考慮檸檬片厚度、熱風速度、熱風溫度等因素基礎上，建立檸檬熱風干燥數學模型（適用Page 模型）對檸檬熱風干燥效果展開研究。結果表明，熱風溫度、檸檬片厚度對檸檬熱風干燥的速率影響較為顯著，而風速對檸檬干燥速率的影響一般。

2.3 微波真空技術

湯大衛[6]在其研究中指出微波真空脫水干燥技術與熱風干燥、冷凍干燥技術相比優勢明顯。紅外線微波真空干燥技術兼具脫水和殺菌功能，副作用小，使用能源為電能，較為清潔，鮮少有廢氣和有毒有害物質廢物排出；成品質量好，脫水蔬菜的色澤、風味、口感和復水性都極佳；對蔬果的外形和含水量要求不高；干燥速度快；應用電能，能源清潔且利用率高，能耗低；設備成本低，占據空間不大；支持連續化生產方法比較見表1。

表1 微波真空脫水干燥技術與其他干燥方法比較

微波真空干燥技術主要受微波功率、真空度以及裝載量3 個變量的影響。莊培榮[7]在其研究中指出，采用微波真空干燥技術時，微波功率與龍眼肉的色澤成負相關關系（微波功率低于3000 W 情況下），真空度與龍眼肉的多糖含量成正相關關系，裝載量對龍眼肉的多糖含量影響與微波功率基本一致，呈現先增加后降低的趨勢。但裝載量對龍眼肉的色澤影響卻呈現正向關系，即裝載量增加，龍眼肉的色澤越飽滿。

微波真空干燥技術需要考慮不同物料的含水量和物料特性從而設定微波真空干燥設備的功率、真空度以及裝載量。同時，由于部分物料對熱量吸收會存在爆炸現象，因而決策者在采用這一技術時應考慮是否接受物料膨脹等外觀上的變化，避免影響產品質量。

2.4 真空冷凍干燥技術

由于真空冷凍干燥的關鍵在于測定物料的共晶點和共融點，其干燥處理相對于其他幾種干燥方式要復雜一些，并且果蔬物料的體積大小會嚴重影響冷凍干燥的時間。王婭玲[8]在其研究中指出獼猴挑預先切片再凍干，比整體凍干速率要快；雙孢菇切片厚度在4 mm 時，其干制品色澤、香味及鮮嫩程度最佳。真空冷凍能最大限度保留果蔬物料的風味及維生素，在不考慮干燥時間的情況下，這一技術是最優選擇。

真空冷凍干燥技術設備昂貴，且能源消耗大，需要預先采用電阻法測定果蔬物料的共晶點、共融點，程序較為繁雜。果蔬物料的體積對干燥時間有極大影響。如何在不影響物料體積、外形的情況下提升真空冷凍干燥技術的效率、降低設備成本是當前研發冷凍干燥設備的人需要重點考慮的兩個問題。

2.5 噴霧干燥技術

噴霧干燥技術的優勢是干燥速度快、干燥溫度不受限制。噴霧干燥設備在制作果蔬粉方面應用較多，相對于其他干燥方式，噴霧干燥方式對物料制品的形態有一定要求，且干燥工序較多。同時，由于采用粉狀霧化顆粒干燥，有一定黏附殘留，損耗相較其他方式較大。這也是噴霧干燥技術不斷提升改進的熱門方向。

3 自適應技術在果蔬烘干設備中的應用

由于上述烘干技術或多或少存在缺陷，組合干燥技術能夠發揮多項技術的優勢，彌補單一干燥技術的不足，最大限度地提升果蔬干燥制品的效率和產品質量，有助于低耗能、高效率的工藝實現。常見的有微波組合熱風干燥、微波組合真空/冷凍干燥、微波組合噴凍干燥、紅外組合熱風干燥、紅外組合冷凍真空干燥等。吳本剛[9]對催化式紅外干燥法殺青胡蘿卜片，利用紅外熱風聯合干燥胡蘿卜，獲得了90 ℃下殺青15 min，然后在70 ℃下利用紅外干燥至水分質量分數為30%～ 40%，最后轉為70 ℃熱風干燥至終點，可以獲得高品質的胡蘿卜干燥片。分段熱風、微波間歇、微波-聯合干燥也是常用干燥策略，有研究指出，將其用于紅棗干制，紅棗VC 含量比單一的方式含量要高很多。基于此，集成多種烘干方式、應用自適應控制技術調用烘干模式十分有必要。自適應控制技術原理是以可控硅為功率驅動器，根據環境溫度的參數自動切換加熱模式，這樣可以更好地保證溫度的穩定性。朱承等[10]設計的一款自適應加熱烘干設備中就應用了這項技術。其模式分為快速加熱、普通加熱、恒溫加熱和停止加熱4 種。

4 自適應烘干技術的發展前景

不同的果蔬烘干技術有不同的優勢和不足。生產者在選取烘干處理技術和設備時，應從自身需求出發，結合生產成本、物料形態要求、訂單加工時間等不同果蔬干燥產品的要求選擇一種或多種技術相結合的自適應策略來制定最佳優化方案。自適應技術實際上是一種考慮了多種烘干技術結合的應用策略。當前，隨著果蔬產品干燥需求多樣化發展，應用自適應控制技術的多項干燥技術組合已不再是新鮮課題。將自適應技術和組合干燥技術結合，可設計出許多新型烘干設備，其獲得的干燥效果和產品質量也相對單一的干燥技術更好，靈活性更強，能滿足更豐富的加工需求[11-14]，是非常值得研發的一個方向。未來，隨著更多需求的提出，基于自適應技術的烘干設備功能也會愈發豐富，效果也將更靈活。例如更加環保節能、脫水效率更高、生物活性保留更多、復水性更好、完美保留產品形狀，等等[15-20]。自適應控制技術的研發前景值得期待。

5 結語

果蔬干燥產品便于果蔬儲存且具有獨特風味，延長了果蔬制品的保存時間，同時也便于攜帶、運輸和儲藏，在一定程度上豐富了農產品的品類，提升了農產品經濟效益。各項果蔬烘干技術和設備各具特色。研發人員可根據干燥設備的優勢和不足，將不同的功能加以組合，嵌入自適應配置技術，靈活選取多項干燥技術，研發多功能干燥設備，提升果蔬干制品的干燥效率、風味品質和生物質活性，更好地保留果蔬制品的特點，為人們提升生活品質，選擇營養豐富的食品提供更多選擇。