熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)在果蔬干燥工藝中的應(yīng)用進(jìn)展

謝 歡, 劉曉艷, 楊淑純, 白衛(wèi)東, 李湘鑾, 錢 敏

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院, 廣東廣州 510225；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程創(chuàng)新研究院, 廣東廣州 510225）

果蔬原料所含有的水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)和少量油脂在高溫干燥過程中易發(fā)生質(zhì)變, 從而導(dǎo)致食物品質(zhì)下降[1]。由于熱泵技術(shù)可以在較低溫度下對(duì)物料進(jìn)行干燥, 因此近年來(lái)人們對(duì)于熱泵技術(shù)在果蔬干燥中的研究也越來(lái)越多。熱泵干燥技術(shù)基于逆卡諾循環(huán)原理, 從而其干燥成本低、效率高、智能環(huán)保。基于這些優(yōu)點(diǎn), 熱泵已經(jīng)在木材加工、家庭供暖、中草藥加工等領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

熱泵干燥在果蔬干燥中的應(yīng)用研究見表1。

由表1可知, 目前大多數(shù)熱泵干燥的研究都是對(duì)于干燥工藝的優(yōu)化及干燥產(chǎn)品的質(zhì)量把控。單一熱泵干燥技術(shù)具有溫度控制不精準(zhǔn)、干燥溫度會(huì)受外界溫度的影響等缺點(diǎn)[2], 從而可以通過采用與其他干燥工藝相結(jié)合的組合式干燥來(lái)改善, 提高干燥的效率, 降低干燥過程中的能耗及改善果蔬干燥產(chǎn)品的品質(zhì)等。

表1 熱泵干燥在果蔬干燥中的應(yīng)用研究

熱泵聯(lián)合干燥包括太陽(yáng)能輔助熱泵干燥、熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥、熱泵微波干燥、熱泵紅外干燥、熱泵真空冷凍干燥等, 這些尤其適用于果蔬的干燥[3]。通過介紹熱泵聯(lián)用干燥技術(shù)在果蔬干燥工藝中的應(yīng)用, 為推進(jìn)熱泵技術(shù)在果蔬干燥加工中的應(yīng)用提供一定幫助。

1 熱泵聯(lián)用干燥技術(shù)在果蔬干燥中的應(yīng)用

1.1 太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)

太陽(yáng)能和熱泵技術(shù)的組合稱為太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。近年來(lái), 由于能源及環(huán)境的變化, 太陽(yáng)能熱泵技術(shù)表現(xiàn)出巨大的價(jià)值。相比于燃煤干燥, 太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥可節(jié)約36.7%～41.1%的能量[14], 同時(shí)其還擁有縮短干燥時(shí)間、改善產(chǎn)品品質(zhì)及綠色環(huán)保等特點(diǎn)[15]。

現(xiàn)階段的研究主要在太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥工藝條件的優(yōu)化、聯(lián)合干燥系統(tǒng)的運(yùn)作研究、干燥系統(tǒng)的能耗與效能研究及儲(chǔ)熱存熱系統(tǒng)研究等方面展開。郝亞萍[16]搭建相變蓄熱集熱器太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)來(lái)干燥香菇, 可實(shí)現(xiàn)9種運(yùn)行模式的靈活切換, 節(jié)能環(huán)保, 還可以進(jìn)行變溫干燥。馮道寧等人[17]設(shè)計(jì)的小型太陽(yáng)能熱水-空氣源熱泵聯(lián)合干燥裝置對(duì)山藥進(jìn)行干燥, 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其能耗是熱風(fēng)干燥的68%, 同時(shí)采用智能控制系統(tǒng)分段烘干, 每年可節(jié)省電費(fèi)3萬(wàn)～4萬(wàn)元, 可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水的綜合利用。此外, 還有關(guān)于太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究, 以此來(lái)滿足其對(duì)于各種干燥物料的干燥, 使整個(gè)干燥過程中的智能化與自動(dòng)化得到提高。田永軍等人[18]搭建了具有顯著節(jié)能效果的太陽(yáng)能熱泵干燥平臺(tái), 該平臺(tái)能夠擁有自動(dòng)控制系統(tǒng), 確保干燥過程中的恒溫, 同時(shí)其內(nèi)部具備的智能化熱回收器, 能夠回收排放的廢熱,大大降低了干燥過程中的能量損失。

總之, 相比于太陽(yáng)能干燥、熱泵干燥, 太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥在減少了干燥過程中的能耗同時(shí)使得其具備較高的能效值。與此同時(shí), 太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的環(huán)境條件能夠合理快速地轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式, 提高干燥的效率[19]。

然而, 太陽(yáng)能熱泵的缺陷也十分明顯, 即明顯依賴于太陽(yáng)能的供應(yīng), 容易受到天氣及不同時(shí)間段太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度的影響, 從而限制著太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的運(yùn)用及發(fā)展[20]。

1.2 熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù), 是指在干燥前期運(yùn)用低溫?zé)岜酶稍? 減少干燥過程中雜質(zhì)的引入及降低干燥過程中的物料氧化變質(zhì), 降低干燥過程中的能耗, 維持產(chǎn)品本身的品質(zhì), 在干燥后期使用熱風(fēng)干燥, 提高干燥速率, 達(dá)到滿足產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)[21]。

目前, 關(guān)于熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥果蔬的研究主要集中在熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝條件的優(yōu)化。張迎敏等人[22]優(yōu)化熱泵熱風(fēng)聯(lián)合干燥紅薯葉粉的干燥工藝參數(shù), 得出熱泵干燥溫度52℃, 熱風(fēng)干燥溫度73℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率58%, 該條件下的紅薯粉品質(zhì)較優(yōu)。李暉等人[23]通過研究懷山的熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥, 得出其最佳干燥參數(shù)為熱泵溫度40℃, 熱泵風(fēng)速1.5 m/s, 切片厚度5 mm, 熱風(fēng)溫度60℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率為1.00。為了進(jìn)一步了解熱泵熱風(fēng)干燥, 有學(xué)者對(duì)于其干燥過程的傳熱規(guī)律進(jìn)行了解析。屈展平等人[24]采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（LF-NMR）及掃描電子顯微鏡, 分析熱泵熱風(fēng)干燥過程中馬鈴薯燕麥復(fù)合面條的干燥特性及水分狀態(tài)遷移等質(zhì)熱傳遞規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)與熱泵的干燥溫度越高, 物料在轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水量越高, 對(duì)于干燥的進(jìn)行及水分的擴(kuò)散越有幫助。

因此, 采用熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)相比于單一的熱泵干燥或者熱風(fēng)干燥降低了干燥時(shí)間和能耗, 同時(shí)干燥產(chǎn)品的品質(zhì)也得到了一定的提高。

1.3 熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵微波聯(lián)合干燥與熱風(fēng)熱泵聯(lián)合干燥類似, 前期采用熱泵干燥, 后期運(yùn)用微波干燥, 能夠較好地保留熱敏性物料干燥后的產(chǎn)品品質(zhì), 從而能夠在改善干制品品質(zhì)的同時(shí)減少干燥時(shí)間和干燥過程中的能耗[25]。

目前, 熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)的研究包括如何降低干燥成本及提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。關(guān)志強(qiáng)等人[26]發(fā)現(xiàn), 在熱泵溫度為50℃, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為100%, 微波時(shí)間為2.5 min下對(duì)荔枝進(jìn)行熱泵微波聯(lián)合干燥, 其能耗節(jié)約30%以上。李莉峰等人[27]采用正交試驗(yàn)優(yōu)化熱泵微波聯(lián)合干燥蓮藕的干燥參數(shù), 得出在微波干燥功率5.5 W, 微波干燥時(shí)間120 s, 熱泵干燥溫度40℃條件下干燥蓮藕, 蓮藕干的品質(zhì)為復(fù)水比5.8, 色差18.15, 硬度8750。此外, 也有學(xué)者對(duì)于熱泵微波聯(lián)合干燥過程中的干燥參數(shù)對(duì)于干燥速率、色澤變化等影響進(jìn)行了研究。鄭亞琴[28]通過研究微波功率、熱泵溫度及轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水量等因素對(duì)熱泵微波聯(lián)合干燥雪蓮果過程中的色澤變化（△E）、收縮率（SR）、干燥速率（DR）、復(fù)水比、單位能耗除濕量（SMER）（RR）等的影響, 發(fā)現(xiàn)干燥過程中影響干燥速率主要為微波功率、溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率, 而影響單位能耗除濕率及雪蓮果色澤變化的主要為風(fēng)速和溫度。

熱泵微波聯(lián)合干燥技術(shù)也有不足之處, 首先由于物料中組織結(jié)構(gòu)差異性的存在, 對(duì)于物料的最佳干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定是有困難的；其次, 干燥物料的理論模型無(wú)法完全應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中, 需要通過不斷地摸索及實(shí)踐去完善干燥物料的實(shí)際理論模型[25]。

1.4 熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)

真空冷凍干燥技術(shù), 被認(rèn)為是世界上最好的干燥技術(shù), 對(duì)于干燥食品的香、色、味和形等特性的保留度較高, 但是也存在干燥效率低、時(shí)間長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)[29], 因此難以應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中。相比于真空冷凍干燥技術(shù), 熱泵-真空冷凍干燥聯(lián)合技術(shù)將熱泵干燥與真空冷凍干燥相結(jié)合, 其產(chǎn)品品質(zhì)接近于單一真空冷凍干燥的產(chǎn)品品質(zhì), 同時(shí)減少了干燥時(shí)間, 提高了干燥效率, 降低了干燥過程中的能耗及成本[30]。

熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)的研究較少, 目前的研究主要在其縮短干燥用時(shí)及降低能耗, 從而降低生產(chǎn)成本上。程慧等人[31]通過研究香菇的熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥發(fā)現(xiàn), 采用熱泵-真空凍干聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行干燥其耗能降低了37.69%, 能夠生產(chǎn)出較優(yōu)良的干燥香菇產(chǎn)品。使用熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥南極磷蝦, 能夠生產(chǎn)出與真空冷凍干燥產(chǎn)品品質(zhì)接近的南極磷蝦干制品, 同時(shí)縮短了一半的干燥時(shí)間[32]。

目前, 由于真空冷凍干燥技術(shù)本身的干燥成本高, 而熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥制品的品質(zhì)相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術(shù)[30]。

1.5 熱泵紅外聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵紅外聯(lián)合干燥是指前期使用熱泵干燥來(lái)較少干燥物料的熱敏性活性成分的損失, 在干燥后期采用遠(yuǎn)紅外輻射干燥, 降低干燥時(shí)間與能耗[33]。

目前, 對(duì)于熱泵紅外聯(lián)合干燥的研究大體可分為兩類, 即熱泵紅外干燥效率的研究和熱泵紅外干燥對(duì)于果蔬產(chǎn)品的品質(zhì)影響的研究。Thuwapanichayanan R等人[34]通過Arrhenius方程建立了耦合傳熱傳質(zhì)模型, 并提出當(dāng)有效水分?jǐn)U散系數(shù)為0.41×10-10～1.43×10-10m2/s時(shí), 該模型對(duì)于蒜末含水量和內(nèi)部溫度的變化規(guī)律能夠很好地進(jìn)行預(yù)測(cè)；同時(shí), 發(fā)現(xiàn)熱泵紅外聯(lián)合干燥能夠明顯提高蒜末的干燥效率。彭健等人[35]研究了不同條件下分段式遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥后龍眼的質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、褐變度、色澤和糖、游離氨基酸、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF）改變, 同時(shí)分段式遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥能顯著降低龍眼的硬度, 提高其彈性和咀嚼性（p＜0.05）, 同時(shí)增加龍眼內(nèi)部孔隙；龍眼干燥后色澤的變化主要源于L*值的下降（變暗）和a*值的升高（變黃）, 60℃下遠(yuǎn)紅外-熱泵干燥能有效抑制龍眼褐變；糖、游離氨基酸及5-HMF含量與龍眼色澤相關(guān), 100℃下遠(yuǎn)紅外干燥會(huì)造成龍眼中可溶性糖和游離氨基酸含量的顯著降低及5-HMF含量的顯著升高（p＜0.05）。

利用熱泵紅外聯(lián)合干燥可以很好地干燥熱敏性物料, 紅外輻射板存在較高的熱慣性, 容易產(chǎn)生過熱效應(yīng), 對(duì)物料的品質(zhì)造成影響, 這也是熱泵紅外聯(lián)合干燥的一點(diǎn)不足之處[36]。

1.6 熱泵流化床聯(lián)合干燥技術(shù)

傳統(tǒng)流化床干燥系統(tǒng)的干燥介質(zhì)大多為開式循環(huán), 同時(shí)干燥介質(zhì)是通過其他介質(zhì)加熱的熱空氣, 因此存在耗能高、精細(xì)物料的干燥品質(zhì)欠佳等不足[37]。熱泵流化床干燥裝置多為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu), 可以循環(huán)利用干燥尾氣中的大量熱量, 節(jié)省干燥尾氣的冷量, 具有良好的節(jié)能效果及廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[38]。

關(guān)于熱泵流化床聯(lián)合干燥的報(bào)道較少, 對(duì)其的研究包括干燥后產(chǎn)品的品質(zhì)研究、干燥的能耗和干燥速率等的研究。劉恩海等人[39]研究了50℃干燥溫度工況下熱泵流化床與熱風(fēng)薄層對(duì)豫麥連續(xù)式干燥的倉(cāng)儲(chǔ)效果, 結(jié)果表明具有相同含水量的豫麥, 在干燥過程中, 熱風(fēng)薄層干燥小于熱泵流化床干燥速率, 含水率降幅較小；相較于連續(xù)式干燥, 間歇數(shù)η值越大, 系統(tǒng)能量利用及熱效率越高, 干燥后的豫麥品質(zhì)較好, 得出了以η=2/3的間歇干燥方式倉(cāng)儲(chǔ)效果最佳。張緒坤等人[40]通過熱泵流化床聯(lián)合干燥蘿卜丁驗(yàn)證熱泵流化床的干燥性能, 發(fā)現(xiàn)熱泵流化床干燥胡蘿卜丁時(shí)單位時(shí)間除濕量和單位能耗除濕量隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而急劇下降, 同時(shí)熱泵流化床組合干燥循環(huán)風(fēng)機(jī)的電耗占系統(tǒng)總電耗的50%左右。

目前, 對(duì)于熱泵流化床聯(lián)合干燥的推廣應(yīng)用難度在于初始投資成本較大, 這一點(diǎn)亟待處理。

2 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前, 單一熱泵干燥技術(shù)的研究較為廣泛且全面, 其中大多數(shù)研究都是關(guān)于一些熱泵干燥技術(shù)的工藝優(yōu)化。單一熱泵干燥技術(shù)在對(duì)物料干燥時(shí), 干燥后期會(huì)出現(xiàn)干燥時(shí)間增長(zhǎng)、干燥速率下降、干燥產(chǎn)品的質(zhì)量和色澤下降等問題, 這是急需解決的一大難題。

熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)的出現(xiàn), 很好地改善了干燥果蔬產(chǎn)品的品質(zhì), 但是熱泵聯(lián)合干燥設(shè)備的利用還是較為匱乏的。例如, 熱泵-真空冷凍聯(lián)合干燥技術(shù), 彌補(bǔ)了真空冷凍干燥能耗高、干燥耗時(shí)大等缺點(diǎn), 熱泵真空冷凍聯(lián)合干燥生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥制品的品質(zhì)相似, 干燥過程中的能耗低, 能夠很好地代替真空冷凍干燥技術(shù), 然而目前對(duì)于這一方式的研究較為匱乏。聯(lián)合干燥過程中, 轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定是整個(gè)干燥工藝是否成功的關(guān)鍵點(diǎn)之一, 目前大多數(shù)研究都是采用水分作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的研究對(duì)象, 是否存在其他對(duì)象能夠作為聯(lián)合干燥的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的研究對(duì)象是未來(lái)可以研究的一個(gè)方向。現(xiàn)階段, 熱泵聯(lián)合干燥對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究較多。聯(lián)合干燥技術(shù)的投入應(yīng)用, 與其成本投入有很大的關(guān)系, 就如何降低聯(lián)合干燥技術(shù)的投入成本、生產(chǎn)成本等同樣也是值得研究和探討。

總的來(lái)說(shuō), 熱泵技術(shù)在果蔬干燥中獲得了許多成果, 但是還有很多值得研究。隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 熱泵技術(shù)在果蔬干燥中會(huì)取得更大的成就。